Химический состав живого вещества в основных чертах сложился еще на этапе отбора химических элементов и соединений, необходимых для поддержания целостности метаболических процессов и передачи наследственной информации (А. И. Опарин и др.). Последующая экспансия жизни, ее адаптация к различным геохимическим средам сопровождались нарастающей дифференциацией живого вещества.
Ферсман подчеркивал, что химические элементы, входящие в состав живых организмов, подчиняются тенденциям геохимических процессов – концентрации наиболее подвижных элементов. Биогенные элементы определенно группируются в поле ионов наибольших радиусов, наименьшей валентности, а потому наименьших энергетических показателей и наибольшей химической активности. С точки зрения Периодической таблицы элементов элементы биогенеза стремятся к верхним периодам таблицы.
Для основных элементов (C, H, O, N и P)важно их участие в строении сложных органических соединений – биополимеров. Экспериментально показано, что из случайной смеси атомов C, H, O, N, P и их простейших соединений (CO2, H2O и др.) с большой вероятностью образуются аминокислоты, углеводы, нуклеотиды и другие соединения, которые способны избирательно вступать во взаимодействия, ведущие к образованию более сложных молекул. В конченом счете, это привело к образованию биополимеров, являющихся основой живых организмов.
Экспансия жизни и ее адаптация к различным геохимическим условиям сопровождались усложнением строения и увеличением разнообразия обменных процессов в организмах. Это объясняет многообразие микроэлементов, которые играют роль катализаторов, но в состав биополимеров, как правило, не входят.
В то же время биота использует элементы, способные образовывать устойчивые соединения с большими энергиями связи, например, [SiO4]-4, Ca+2[CO3]-2, Ca+2[PO2]-2. Они формируют защитные и опорные органы.
Большая роль микроэлементов не означает, что все поступившие в организм вещества используются. Избыточные или ненужные элементы переносятся внутри организма, поступают в отпадающие органы (листья, хвою) или выделяются вместе с отмирающими клетками.
Таким образом, избирательная концентрация элементов в клетках определяется их ролью в биохимических процессах и является результатом длительного взаимодействия организмов с окружающей средой.
Биохимические процессы могут влиять не только на химический, но и на изотопный состав элементов. Например, при фотосинтезе происходит фракционирование изотопов углерода и отношение 12C/13C в растениях несколько меньше, чем в неживой природе.
Экспансия жизни, ее адаптация к разным условиям существования привели к тому, что «химический состав не является одинаковым на всем лике Земли, но резко меняется как функция литологического состава горных пород и климатических зон в разных частях биосферы» [2]. Морские организмы содержат больше элементов нечетного ряда, чем наземные. Это объясняется их повышенным содержанием в морской воде. Так, в морских водорослях содержание Na – 3300 мг/100 г сухого вещества, K – 5200, в наземных растениях Na – 120, K – 140 [3].
Виноградовым показана и географическая изменчивость состава организмов. В теплых морях, воды которых насыщены углекислым газом, многие организмы отличаются способность концентрировать карбонат кальция. С перемещением в холодные воды такие организмы встречаются реже, а главную роль в планктоне начинают играть диатомовые водоросли с кремниевым скелетом и рачки с хитиновым покровом.
Одновременно Виноградов подчеркивал, что химический состав организмов не является простым отражением состава среды. Эволюция и естественный отбор выработали регуляторные механизмы. Они обеспечивают стабильный состав организма, необходимый для биохимических процессов. В ходе эволюции независимость состава организмов от внешней среды возрастает. Поэтому у млекопитающих виды одного семейства в биохимическом отношении различаются слабо. У рыб внутривидовые группы имеют комплекс биохимических особенностей, что, в конечном счете, обеспечивает их существование в разных условиях..