生命中的化学元素 复旦大学通识教育课_文档资料库
生命中的化学元素 复旦大学通识教育课
生命中的化学元素复旦大学《生命中的化学元素》 （概要）朱万森编复旦大学化学系 二 00 八年八月目录第一章 导论：化学与生命1-1 引言 1-2 化学与生命第二章化学元素的起源2-1 宇宙如何创生――传说和思考 2-2 科学家的发现：宇宙是在膨胀中 2-3 宇宙大爆炸理论 2-4 化学元素的诞生 2-5“元素王国”的边界第三章3-1 3-2 3-3 3-4 3-5 3-6生命元素的形成和演变生命的起源 生命进化的历程 生命元素的形成 生命体中元素的来源 生命元素的主要形态和主要特性 影响生命元素演变的两个重要因素第四章4-1 4-2 4-3 4-4 4-5生命中的主量元素(一)碳是生命的物质基础 糖类化合物 糖类化合物的生理功能 脂类化合物 碳素在生命体中的代谢和循环第五章5-1 5-2 5-3 5-4 5-5 5-6 5-7 5-8生命中的主量元素（二）氮与生命 氨基酸 肽 蛋白质 酶、维生素、激素 核酸和基因 生命体中其它重要的含氮小分子化合物 氮素在人体中的代谢与循环第六章6-1 6-2 6-3 6-4生命中的主量元素(三)氧和生命 氧的功与过 生命中的氢元素 水和生命6-5 钙和磷 6-6 钠和钾 6-7 氯和硫 6-8 镁第七章 微量元素和人体健康7-1 7-2 7-3 7-4 7-5 人体中的必需微量元素 人体中可能必需的微量元素 可能具有人体所必需功能、但具有潜在毒性的微量元素 有毒有害元素 对微量元素的一些研究第八章 人类与地球共命运8-1 8-2 8-3 8-4 环境问题――生命对环境的破坏 环境问题的本质――生命元素循环的严重破坏 环境污染对生命的危害 人类与自然的和谐――建立起人类绿色的家园第九章 让生命之树常青9-1 生命能否永恒？ 9-2 生命、人类――从化学中选择什么？ 9-3 科学研究如何让生命之树常青第一章1-1 引言导论：化学与生命《生命中的化学元素》 ，是不可能讲清“生命是什么？”这一人类认识史上最基本、最核 心的问题的， 但是我们可以从化学的角度来讲述生命科学研究中的部分重要发现及其研究成 果， 可以讲述组成生命的化学元素的一些重要作用及其运动规律， 可以探讨人类是怎样认识 生命的，而对这些知识的了解，将一定会多多少少地影响到每个人的学习、研究和工作，乃 至理性、思维和做人。 应该承认， 人类本身是一种极为复杂的发展过程的产物， 有着偶然和必然交替变化的烙 印。 人类的将来会怎么样？得自己掌握自身的命运。 宇宙中并没有有关生命之谜的现成答案， 这些问题得由人类自己来回答， 而且还必须在人类有限的生存期间， 找到人类存在的真正意 义。 1-2 生命与化学 生命与化学之间究竟有什么关系？我们不妨可以从以下三个方面来考虑： 1. 生命是演变的产物 所谓演变，其实就是一系列的化学变化，因为唯有化学变化才会产生新的物质，因此生 命实际上就是化学反应的产物。生物学家把生命看成是一系列的过程，从化学的角度来看， 生命就可以说成是一系列的不以生物体意志为转移的化学反应的过程和传递化学信息的过 程，这也就是化学进化的过程。所以要真正地了解生命，就必须首先从了解生命中的化学元 素及其变化开始。 2.生命还在变化中 有人问道：人类起源于猿人，那么什么样的人类将起源于我们？这确实是一个值得研究 的命题。在地球的演变史上，生命的进化是从来没有停止过的，何况当今的人类还在不断地 创造出数不胜数的新的化学物质来影响着它的进化， 尤其是人类又在克隆、 基因改造和遗传 工程上取得了巨大的成功。 生命当然还会继续进化下去， 而这一进化过程肯定将会比以往任 何时候更强烈地受着化学运动的制约和主导。 3.地球上的生命的最终命运 一切事物都存在着死亡的过程，太阳如此，地球也如此，当那一天到来时，地球上的生 命将会如何？茫茫宇宙中，何处去延续或是孕育新的生命？ 化学的研究能否为未来的生命寻找最终的出路，这是一个科学界所高度关切的课题。在 新世纪的开端， 人类突然发现生命已从来没有像今天这样受到人类的意志的控制和改造， 以 克隆为基础的无性繁殖作为核心， 这一控制和改造究竟会走到哪一步？这肯定是我们这些世 纪初的人是无法想象的，其先兆和曙光如今已出现在地平线上。 当然，我们也应该承认，尽管科学家们在化学与生命上进行了很多研究，但是至今我们 还不能说，我们完全了解了生命。另一方面，到目前为止，化学家们合成的化学物质大约已 有 2000 万种，其中仅 6-7 万种为人类所使用，有约 7000 种为工业大量生产，可是环境中据 说已发现有近 10 万种不同种类化合物，它们与生命的关系将又如何，有无影响到生命的未 来？要真正掌握地球上的生命的最终命运， 化学家们自然还需要和其它学科的科学家们一起 加倍地努力，每一个有志于科学研究的人都应该努力。第二章2-1 宇宙如何创生――传说和思考化学元素的起源生命孕育于宇宙，宇宙又是如何创生的？ 人在成其为人并具有可思索的理性思维后，恐怕就一直在探寻着这一与人“性命攸关” 的宇宙生成的问题，最初自然是猜测，后来就形成了传说。 有关宇宙创始时的描述，我国古代的传说认为宇宙在创生时“混沌如鸡子” ，令人不解 的是， 这一说法竟有着它的世界普遍性， 不论是埃及神话还是希腊神话都有着相类似的说法， 即宇宙诞生的最初是混沌一片的。1927 年比利时数学家勒梅策（Georges Edouard Lemaitre） 提出了他的宇宙说，他认为，一切物质起初大概都来自一个极端致密的“宇宙蛋” ，这个“宇 宙蛋”发生了爆炸，于是就诞生出我们这个宇宙。当然，他的这个说法与古代的传说是有着 区别的，因为他的认识是有着大量的科学认识的基础的。 2-2 科学家的发现：宇宙是在膨胀中 1.夜里的天空为什么是黑的？这好象是每一个人都能回答的问题，其实不然。大多数人 都会回答：因为夜里太阳下山了。但是浩大的宇宙是有着无限多的恒星的，也就是还有着无 数个太阳！ 有人还会说， 不， 这无数太阳离我们可实在太远了， 它们的光照不亮我们的夜空。 可是，既然是无穷尽的宇宙有着无穷多的星星，那么数学上就可以证明，这无穷多的星光完 全足以照亮整个夜空。 早在 1826 年，德国天文学家奥伯斯（H.W.M.Olbers）就提出了著名的奥伯斯佯谬。他 指出：如果宇宙是无限的，并且在这个无限的宇宙中分布着无限多颗像太阳一样的恒星，那 么夜空就不应该是黑暗的，相反，应该到处象太阳一样明亮。因此，宇宙的无限性和均匀性 其中至少有一个是错的，或者两者全错。 2 多谱勒效应 我们都有这样的经验：在公路旁，我们可以听到两种截然不同声音的感受，当汽车高 速向我们驶来时，马达声响的音调在不断升高（即声音的频率在升高） ，而当汽车驶过我们 远离而去时，其音调却不断变低（也即声音的频率在降低） 。这种现象由奥地利物理学家多 谱勒（Christian Johann Doppler）最早于 1842 年提出的，并发现了运动着的物体的声音频率 在变化的这一效应，这在物理学上就称之为多普勒效应。 多普勒效应不仅适用于声波，也适用于光波，同样，一个天体所发射的光的频率，也 会因其运动与观察者的关系而改变，如该天体接近我们的话，其光的频率会升高，反之，则 会变低。因此，这一重要发现也就帮助了人类认识了天体的运动。 3.分光学定律 1835 年法国著名的实证主义哲学家孔德（Auguste Comte）曾提出了“天体不可知论” ， 声称“无论用什么方法，我们都无从了解它们的化学组成” 。不久他的这一说法就被证明了 是错误的。1859 年，德国物理学家基尔霍夫发现并提出了分光学的几条基本定律： 1）每一种化学元素都有它自己的、具有特征的光谱线；2）每一种化学元素可以吸收掉它自己能够发射的那些光谱线； 3）灼热状态的固体和液体都发射连续光谱，气体发射不连续的明线光谱，但高压下的 气体也发射连续光谱。 天文学家对天体的光谱进行了长期的研究，他们将某一恒星射来的光用望远镜捕捉后， 通过棱镜的分光， 长时间地在胶片上曝光后所显示的图形即是天体的光谱图， 这种光谱图或 是在暗黑的背景上有一些亮线， 或是在明亮的背景上有一些暗线， 而且这些线条都有一定的 位置，这个位置即表示一定的波长（或者频率） 。这些线条后来发现就是天体上存在的元素 的“条形码” 。 4.太阳的光谱 天体光谱学的诞生，就此宣告了不可知论的破产。基尔霍夫在 1861 年又发表了《太阳 光谱论》一书，书中附载了一张划时代的太阳光谱图，长 2.4 米，他指出只要将图上的吸收图 2-5 太阳的光谱图（局部） 线的位置与元素的标准光谱相比较，就不难辨认出太阳上究竟存在哪些元素了。 对遥远天体的光谱图作研究的时候， 却得到了一个意外的发现， 发现它们的谱线偏离了 它们原来应在的位置，移向了低频率，也就是光谱的红色部分，因此被称为红移。天文学家 经过研究认为，根据多谱勒效应，正常光谱线向光谱紫端或红端的偏移，意味着该天体正朝 向地球而来或远离地球而去。 多谱勒效应的计算公式为： Z+1 =c +V c ?VZ ―红移量 c ―光速 V―观察者与光源之间的相对速度 1868 年，英国天文学家哈金斯（William Huggins）根据多谱勒效应宣布了天狼星正以 每秒 46.5 公里退离地球而去。 5. 哈勃定理 1929 年美国天文学家哈勃（E.P. Hubble）研究了银河系之外的 24 个星系，结果发现这些星系都在远离我们而去， 他因此提出了著名的哈勃定理： 一个星系的退行速度同这个星系 离我们的距离成正比，即 V= HD V―退行速度 H―哈勃常数，约为 15 千米/秒?百万光年 D―距地球的距离，光年 这一定理后来得到了很多天文学家的证实。 。 6. 宇宙在膨胀 宇宙是在膨胀中，这就是很多天文学家研究的结果。可以设想，一个气球在充气膨胀 时，它上面的各点彼此之间将会四散分开，对于这气球表面或是气球当中的任何一点（假定 每一点是代表一个星球）来说，其它各点似乎都是在退离它而去。 于是，1927 年比利时数学家勒梅特将已观测到的银河外星系红移解释为宇宙膨胀的结 果，并在此基础上提出了他的“宇宙蛋”的假说，我们这个宇宙原来是起源于“宇宙蛋”的 大爆炸。 1948 年，苏联出生的美籍物理学家伽莫夫（George Gamow）和其他两位科学家一起提 出了宇宙大爆炸的理论。 7. 2.7K 背景辐射 1933 年伽莫夫离开苏联来到美国工作，1948 年，美国《物理评论》发表了伽莫夫（姓 名起首的希腊字母为γ）和其助手（姓名起首的希腊字母为α）及德国物理学家汉斯（起首 字母为β）一起署名的文章（亦即 Alpher、Bethe、Gamov） ，提出了宇宙大爆炸的理论。这 一理论认为， 宇宙的原始状态是一巨热的核粒子气体混合物， 大爆炸是由混合物的迅速膨胀 引起的， 如今我们在地球上所发现的全部元素都是在大爆炸发生后半小时所产生的尘埃。 同 时大爆炸产生的辐射还遗留到今天，这种辐射应该同处于 5K（-268℃）温度下的物质所具 有的辐射 （为微波辐射） 相当， 因此我们今天的宇宙应是在一片微波的辐射之中。 遗憾的是， 伽莫夫的大爆炸理论由于当时缺乏证据，后来就渐渐地被人遗忘了。 我们在收听广播时，常会遇上噪声，导电电子的无规则热运动就会产生噪声，因此噪 声的水平是可以用温度来标志的，例如当地面温度为 300K（23℃）时，在无线电接收机中 就会产生 20-30K 的噪声，这 20-30K 就是用来度量噪声的噪声温度。1964 年 5 月，美国的 贝尔电话实验室的两位科研人员彭齐亚斯和威尔逊在进行消除噪声的研究中， 测量出了天空 的有效噪声温度为 6.7K，他们在扣除了地面噪声和大气吸收的影响之后，得到了 3.5K 的背 景辐射，在此后近一年的研究中，无论他们如何改进仪器都无法消除这一残余噪声温度，而 且他们还发现， 无论测量天线对准天空的哪个方向都能接收到这一背景辐射， 这意味着它是 各向同性的，而且季节的变化也不影响它。这两位科学家感到迷惑不解，因为这种辐射不可 能来自某个特定的辐射源， 因为它没有方向性。 此时他们恰好看到了一篇有关大爆炸理论的 论文，根据这一理论，宇宙应遗留着“大爆炸”后的遗迹――宇宙的背景辐射，在深入的研 究之后，他们确信他们的“发现” ，这一消除不掉的残余噪声就是“大爆炸”的遗迹――宇 宙的背景辐射。 彭齐亚斯和威尔逊的这一发现震动了全世界的科学界， 也使他们获得了 1978 年度的诺贝尔物理学奖，宇宙大爆炸理论因此获得了强有力的支持。1989 年 11 月，美国宇航局首次发射的“宇宙背景探测器” （COBE）发现宇宙的温度为 2.7K，为大爆炸理论提供 了最有力的证据。 2-3.宇宙大爆炸理论 随着宇宙大爆炸理论得到科学界的广泛赞同，大爆炸宇宙模型（Big―bang model）也 得到了深入的研究。 天体物理学家一般地推测：大爆炸后的宇宙大约经历了以下八个阶段： 第一阶段：根据大爆炸理论，科学家们推算出，大爆炸一瞬时（10 ?43 秒）的温度极高， ，此 大于 10 32 K，可以用公式 T =1.5×10 10 / t 来近似估计（T 为温度，K ；t 为时间，秒） 时的温度，任何物质都不可能承受，科学家们无法描述当时的宇宙状态，这一段时间的秘密 很可能就需要物质与引力的统一理论来揭示。 第二阶段：大爆炸后的 10 ?43 秒到 10 ?33 秒，温度约在 10 32 K 到 10 28 K，此时，能量产 生了物质，宇宙中充满了各种可能出现的粒子，主要的有夸克、电子、中微子、光子、胶子 和 X 粒子等，随后由于温度的迅速降低，X 粒子便衰变成夸克。整个宇宙就如就如我国古 代哲学家庄子所描写的那样：只有浑然一体、弥漫无际的气体。 第三阶段：大爆炸后的 10 ?33 秒到 10 ?6 秒，温度约在 10 28 K 到 10 14 K，此时夸克的温度 迅速冷却，各种粒子的平均能量约为 10 亿电子伏特。 第四阶段：大爆炸后的 10 ?6 秒到 10 ?3 秒，当能量下降到 10 亿电子伏特以下时，夸克和 反夸克相互碰在一起就会大量湮灭， 产生两个光子或一个电子及正电子对 （后者产生于两个 光子的碰撞） ，另外，两个胶子也会产生两个光子。由于夸克的大量湮灭，由 X 粒子衰变成 的夸克就变得十分重要，此时参与“自杀”的反夸克已难以找到。当这些剩余的夸克之间的 距离小到一定的程度时，三个夸克就形成一个质子或一个中子，宇宙开始进入了质子时期。 第五阶段：大爆炸后的 10 ?3 秒到 100 秒，此时宇宙冷却到 10 亿度左右。由于中子的质 量大于质子的质量约 130 万电子伏特， 因此当粒子的平均能量降至这差值时， 许多中子便开 始衰变成光子、电子和中微子，结果中子就少于质子。同时这一阶段还发生了电子和正电子 的湮灭，产生出光子，仅有少量的电子幸存下来，等待着原子的合成。 第六阶段：100 秒至 30 分钟，大约在 3 分钟后，宇宙的温度降至 9 亿度，此时便有了 一个质子和一个中子碰撞的机会，形成了氘，过剩的能量以光子的形式辐射出去： p（质子）+ n（中子）→ p +2H →3 3 4 3 2H（氘）+ r（光子）氘粒子、质子不断相互碰撞，最终也就组成了氦核 4 H： He + r He+ He → He +2 p在很短的时间内，全部中子都参与了氦核的合成，由于中子数远少于质子数，多余的质 子就生成了氢核，最终氢核占 77% ，氦核占 23% ，约 3：1，这与现代天文学测量的结果 相一致。在当时的温度条件下，它们还无法结合电子。 第七阶段：30 分钟到 100 万年，宇宙继续冷却，原子形成，大约在 30 万年后，宇宙进 入了原子时代。 此时氢核和氦核都捕捉到了电子形成了氢原子和氦原子 （因此可以说氢和氦 原子的年龄是与宇宙的年龄相差无几的） 。由于原子不带电，光子也便开始独立生存。宇宙 在膨胀中不断冷却，这一冷却持续了将近在 150 亿年，最终冷却到了如今的 2.7K。第八阶段：100 万年至 150 亿年前后，宇宙的进一步进化，形成了星系、恒星、行星和 生命。 2003 年 2 月，美国报道，一个国际天文学家小组借助美国宇航局的微波背景辐射探测 器获得了“婴儿期”宇宙迄今最精细的照片（见图 2-11） 他们根据新照片计算的结果显示， 宇宙的年龄约为 137 亿年， 这一结果的近似的误差率仅为 1%；在宇宙的构成上，据计算，原子占 4%，暗物质为 23 %，剩下的 73%全部是暗能量； 另外，宇宙是“平坦”的，并将永远膨胀下去。图 美国宇航局微波背景辐射探测器获得的宇宙迄今最精细的照片 这些研究结果为大爆炸理论提供了更准确、 更有力的支持， 普林斯顿高等研究院的巴卡 尔说，在哲学意义上，它们标志着宇宙学研究由不确定进入了确定阶段。 10. 宇宙生于“无” 大爆炸理论解释了宇宙生成的各个阶段，认为宇宙开始于大爆炸的极短的一瞬间，即 10?43秒，且不说这一瞬如何发生，而在这一瞬之前，宇宙又是什么？1984 年古斯（Alan H. Guth）等在《Scientific American》上发表论文，提出了“暴涨宇 宙”的概念，指出宇宙在极短的瞬间进入了假真空，在巨大的负压强推动下，经历了一个异 乎寻常的暴涨阶段， “暴涨宇宙模型提供了一种可能的机制，依靠这种机制。观测宇宙即从 一个无穷小区域开始演化。 因此， 引人注目的将是进一步推演整个宇宙的确是从无中演化过 来的。 ”霍金斯坐在轮椅上也悟出了宇宙生于“无”的理论，1998 年，他在写作名著《时间 简史》的基础上进一步发展了他的学说并发表了重要的论文，提出了：宇宙是由无通过量子 跃迁创生的，创生之初的宇宙是一个“果壳状”的四维欧氏球面，在一个非常短的瞬间，巨 大真空能量使宇宙发生了暴涨， 暴涨在真空的能量都转化为物质能之后而停止。 其时宇宙开 始热化，从而引发了大爆炸。 除了以上的研究之外， 物理学家们还提出了形形色色的多宇宙理论， 有埃弗雷特的分叉 宇宙（每一个宇宙都是前一个宇宙分裂出来的） 、有霍金的泡泡宇宙（暴涨必然会产生许多 单独的泡泡，产生一个个相距遥远的泡泡宇宙） 、还有惠勒的无尽的再生宇宙（大爆炸和大 坍塌交替进行） 。这些理论在数学上都是可行的，但并未得到科学家们的公认。 尽管还有着许许多多的难解之谜， 就目前来说， 应该承认大爆炸理论目前已是解释我们的宇宙起源的最好理论。 2-4 化学元素的诞生 宇宙之初，万物皆无，既没有时间、空间、恒星、行星，也没有动物、植物和人类。然 而，一切均从“无”到有。最初的“有”就只是一片“浑然一气” ，那是由大爆炸后产生的 电子、夸克和其他粒子所构成的灼热等离子体。 随着等离子体的迅速冷却，就形成了质子、中子、原子核、原子、恒星、星系和行星， 最后在许多合适的星系中可能都形成了生命，其中的一个就是我们的太阳系，并“碰巧”产 生在它的一个行星――地球上，经过大约 40 多亿年的变迁，在地球上由化学元素形成最简 单的生命开始，最终进化成了植物、动物和人类。这就是宇宙及生命发展的简史，也是宇宙 的进化史。 1．夸克 1964 年美国物理学家默里?盖尔曼和乔治?茨威格提出质子和中子是由更小的粒子所组成 的，组成它们的粒子是三个夸克。1966 年在美国的大型电子加速器上工作的物理学家们证 实了他们的假设。1970 年欧洲核试验中心用中微子轰击质子的试验也证实了这一假设。 科学家们的研究证明。要描述宇宙中所观察到的稳定的核物体需要有两种夸克，科学家图 2-13 质子、中子结构示意图 们把它们写成 u 和 d，分别表示上夸克和下夸克。上夸克带有 2/3 个正电荷， 下夸克带有-1/3 个正电荷. 根据夸克理论，夸克是一类没有内部结构的“点状”粒子，它们共有六种，有上夸克、 下夸克、 奇夸克、 灿夸克、 底夸克和顶夸克， 科学家已从实验中发现了所有 6 种夸克的存在。 事实证明， 夸克作为最基本的粒子之一， 已完全能解释已发现的数百种各种粒子的组成。 2 中微子 科学家们发现，中子是不稳定的，它在衰变时，会放出质子、电子和另外一种粒子―― 中微子，中微子也是一个不能分割的基本粒子： n（中子） → p（质子）+ e（电子）+ ν（中微子） 中微子是中性的粒子，其静止质量为零，穿透力极强，因此它能通行无阻地穿透任何物 质，又质量非常之小，几乎不与其它物质起反应 。1942 年，我国著名的核物理学家王淦昌 发表了一篇论文《关于探测中微子的一个建议》登载在美国权威的《物理评论》1 月号上， 同年 6 月号，该杂志就发表了美国物理学家艾伦根据王淦昌的建议所做的实验，证实了中 微子的存在。除了夸克、中微子外，电子也是一个不能分割的基本粒子，迄今为止还没有发现能构成 电子的粒子。 3 化学元素的最初核合成 我们从大爆炸后的八个阶段的推测中已经知道，宇宙生成的大致结构如下：图宇宙生成的大致结构图显然，化学元素的生成应该从原子核的生成开始。根据科学家们的观测，宇宙空间中充 满了星际气体，这种气体弥散在浩瀚的太空里，大部分是氢气，它们构成了星系总质量的大 部分。除了氢云之外，还有着氦云，它们都是宇宙大爆炸的产物，因此氢和氦应是宇宙中最 早出现的元素。当宇宙的年龄约在 100 秒，平均温度降到 10 万 K 时，质子和质子的融合形 成了氦核。其过程如下：1 2 3H+n → D+ He +1 32D（氘核）+γ（光子）4H → 3 He +γ He → He +2 1 H这就是宇宙中化学元素的最初的、在大爆炸中的核合成。根据弱相互作用计算，核合成 初期的中子与质子比约为 1： 上述核反应表明， 7， 两个质子和两个中子转化为一个氦核 4 He， 氦的质量百分数约为 25%，这与天文学的观察完全相符。 4 化学元素的恒星核合成 1）.恒星的生成 宇宙年龄大约在十万~一亿年时，平均温度已降到了 300K，此时的氢云和氦云极其巨 大，由于氢和氦粒的不均匀的分布产生了引力中心，在引力中心的吸引下，经过漫长的年代 就形成了致密的原子团， 巨大的引力使得原子的运动发生碰撞， 并把它们的能量传递给其余 的物质。引力的收缩不断地把原子挤压得越来越紧密，温度变得越来越高，最终也便生成了 恒星。为什么重元素不能在大爆炸中的最初核合成中生成？这是因为当时缺乏质量数为 5 和 8 的稳定核素，而无法在最初宇宙条件下生成比氦重的原子核。2）.化学元素的恒星核合成和“铁峰” 1938 年，贝特提出了恒星的热核聚变理论，他认为太阳和恒星的能源是来自于星体的 核心部分的核反应，由于恒星在生成的过程中，中心的温度极高，这就使得粒子有极高的动 能，原子核之间能克服静电排斥而人发生碰撞，结果就发生了热核聚变，较轻的原子核合成 为较重的原子核， 这一聚变反应中释放出来的巨大的能量就维持着恒星内部的高温以及恒星 的辐射，这就开始了化学元素的恒星核合成。根据科学家的研究，这一核合成经历了以下一 些过程：主序星、红巨星、白矮星，一直到超新星爆发。下面是主序星到红巨星变化的三个 阶段的示意图：图化学元素的恒星核合成可以看到恒星的最初是由聚集的氢云形成的， 在恒星生成的第二阶段， 由于氢的燃烧生 成了氦， 这两个阶段即是主序星阶段。 当温度继续升到一亿度时， 氦的燃烧就生成了碳、 氮、 氧元素， 此时恒星外层的物质由于离开中心区已十分遥远， 因此恒星发出红光， 是为红巨星。 进一步核反应的结果，温度继续升高，碳、氮、氧燃烧的结果就生成了硅和镁，再往后，恒 星的中心区就生成了铁，形成了恒星的铁核，这便形成了“铁峰” 。至此，核反应的能量耗 尽，更重的元素的合成需要更高的能量，恒星的核合成已不能继续完成，核火快烧尽时，温 度下降，恒星就收缩为白矮星，直至完全烧尽，其中少数发生了爆炸，即为超新星。 由于在恒星的最初的核反应中生成了大量的氦， 因此有人认为宇宙中的氦也有可能就是 在恒星的核合成中产生而并非是在大爆炸中产生的，但是科学家们指出，在天体中，氢、氦 是最丰富的元素，二者丰度之和约为 99%，其余的元素越重的也就越少。氦的丰度约为 25~30%。如果所有的氦都是在恒星中合成的，那么这一核合成中释放出来的能量就应该成 为宇宙的背景辐射， 但是实际计算的结果发现竟只是 0.35K， 因此这种解释与实际是不符的。 3）元素合成中的“A8 沟”和霍伊尔假说 根据元素的恒星核合成的理论，重元素是由轻元素合成的，这一合成的顺序应该是按 着质量数的排列进行的，也就是按次序进行以下的合成： 2 21 2H H→ →2 4H He2H + 4 He 24→ →6 8Li BeHe元素生成的反应进行到这里便发生了问题，因为现在已知 8 Be 是很不稳定的，有着很 短的半衰期，因而在宇宙的星体中很少有 8 Be，既然如此，进一步的反应显然将会因此而中 断，如果不存在原子量 A=8， ，那么又怎么合成 A=9、A=10 呢？这个问题就称为 A8 沟。 科学家的研究发现了恒星中的碳的丰度特别大， 因而推论在氦层的下面生成了碳层， 而 不是形成了 8 Be。生命元素碳为什么会在宇宙中继氢、氦之后先出现？A8 沟与碳的合成又 有什么关系？ 为了解决这个问题， 英国天体物理学家霍伊尔提出了一个假说， 他认为存在着以下的一 个反应：8 8 4Be+He →12C但是 Be 是极不稳定的，很快就会衰变，因此理论上是无法进行的，霍伊尔认为这个反 应实际上进行得很快，是一个共振反应，它比 8 Be 存在的时间还要快，而且他还认为碳可以 在两个氦核聚合成一个铍核开始的过程中合成 2 4 He 实际上就是4→8Be … 8 Be + 4 He →1212C3 He →C它们之间存在着共振， 因此使得它们的核反应的几率变得很大， 从而顺利的产生了 12 C， 霍伊尔还预测了这一共振反应的能量，美国加利福尼亚工学院核物理实验室以后进行了实 验，证明了这一假设是正确的。应该指出，如果不存在共振，宇宙中的碳很可能只是微不足 道的元素, 结果地球上也就不可能形成生命。 如此说来， 地球上的生命竟是出于如此 “偶然” ， 这便是当今科学家所能告诉我们的“故事” 。 4）碳氮氧循环 恒星核反应的继续燃烧使得其它元素逐步合成，越过 A8 沟后生成了碳，接下去的就是 碳氮氧循环：12 13 13 14 15 15 1C+H → H → H →13 +N +γN → C N + +13 1 1 15 1C + e +ν14 15 +N +γ O +γO → N + O →N + e +ν16 4H → C+O +γ同时，1612He这就形成了碳氮氧循环，在这一循环中，由 4 个氢生成了一个氦， 12 C 起了催化剂的作用， 同时生成了其它的元素。可以看出在这一循环中是氢燃烧，它是氢燃烧的第二个序列。 5） 4 He 燃烧 3 4 He → 12 C +γ12 16 20C + 4 He → 16 O +γ O + 4 He → 20 Ne +γ Ne + 4 He → 24 Mg +γ N + 4 He → F +γ18146）. 12 C 燃烧 J12 23 20 24Na +1HC+ C →12Ne + α（氦核粒子流） Mg + γ （高能光子流）K12C +α → J16O +γ28 31 31 327） O 燃烧16Si+1α H16O+ O →16P + SK+ n （中子） + γS1620Ne +γ → Ne +α →24O +α Mg +γ → →28 5620248）重元素的生成 Mg Si + +24 28MgSi + γ28SiFe + γ当硅燃烧完后， 恒星中铁的含量也就达到了最大。 要指出的是， 根据科学家的研究认为： 并非所有的恒星都能发生以上所有的反应， 有的恒星还未到生成铁核， 中途就结束了自己一 生。图 宇宙中化学元素的分布 5 超新星爆发 比铁更重的元素的生成需要更高的能量， 但恒星的核心被铁垄断后， 燃烧也就不能再继 续了，最后导致了超新星的爆发，在爆发中生成的重元素被抛射到了宇宙空间中。也有的科 学家认为更重的元素可能来自于更猛烈的爆炸，例如两颗中子星的爆炸。总结以上所上说的化学元素的生成过程， 可以知道恒星的演化过程就是化学元素的生成 过程，恒星其实就是一个个把轻元素炼成重元素的“炼炉” ，古代术士梦寐以求的炼金炉， 原来它们就“高悬”在我们的头顶上。 6.地球的生成 科学家们描绘：大约在四十六亿前，在距银河系约 3 百万光年的地方，有过一颗巨大的 恒星，由于燃烧耗尽，核心坍缩，形成了超新星的爆发，把最外面的壳层以每秒数千千米的 速度抛向宇宙空间，在它附近的氢、氦气体云受到这一冲击也自行坍缩，收缩的结果致使其 核心引发了核反应，这就造成了太阳系的诞生。 大部分氢云收缩形成恒星时， 必然有少量的氢云遗留下来， 它们因万有引力而聚集在一 起， 同时受到超新星爆发时抛射出来的重元素的污染。 当这些污染的氢云开始聚集成行星时， 元素就开始分离，重元素由于引力大先聚集在中心，轻元素由于引力小，反而逃脱而四散， 不会产生高温，因此原子就有机会形成分子，分子又聚集成固体和液体，表面则附有薄薄的 一层气体。地球的产生就正是由于以上这样的过程。 科学家们通过计算岩石的年龄来计算地球的年龄， 只要计算出岩石中的铀和铅的质量就 可以计算出岩石的年龄， 这是因为原子量为 238 的铀会衰变成铅和氦， 每衰变掉一半的质量 需时 45 亿年，有人据此进行测量后计算出地球岩石的年龄为三十几亿年，但地球的年龄也 并不完全等于岩石的年龄， 地球的地壳在形成之前还有过一段熔融状态的时期， 如再加上这 段时期，科学家们估计地球的年龄约在 45-46 亿年，这就是现在公认的地球的估计年龄。 2-5“元素王国”的边界 元素周期表的第一个元素是氢， 它也是宇宙大爆炸中最早产生的元素。 然而周期表的最 后一个元素应是谁呢？也就是由门捷列夫建立起来的这一 “王国” 的边界究竟又在哪里呢？ 直到 1940 年以前， 元素周期表始终是以第 92 号元素铀作为它的末尾， 这也是地球上所 发现的最后一个天然元素。1940 年，科学家们合成了第 93 号元素镎(Np),它是第一个人工 合成的元素,是用中子来轰击铀得到的.不久又发现了第 94 号元素钚(Pu).随后发现的一些 元素的命名有很多是用来纪念科学家的,如:99 号锿(Es)是纪念爱因斯坦的,100 号元素镄 (Fm)是纪念费米的,101 号元素钔(Md)是纪念门捷列夫的，103 号元素铹(Lr)是纪念劳伦斯 的. 上个世纪七十年代,科学家又合成了第 104 号元素钅 (Rf),105 号元素钅 .( (Db), 106 号元 卢 杜 素钅 (Sg),107 号元素钅 (Bh),八十年代又发现了 108 号元素钅 (Hs) , 109 号元素钅 (Mt). 喜 波 黑 麦 如今元素周期表已排到了第 112 号，从 110-112 号尚未有中文的命名。据悉，也有报道 说发现了第 116 号元素，但未证实。而俄罗斯杜布纳核研究所目前已经开始人工合成第 118 号元素的研究工作。第三章3-1 生命的起源生命元素的形成和演变生命起源的传说一直和宗教迷信融合在一起，甚至比地球和宇宙的起源的传说更传奇。 几乎每个国家、每个民族都有自己的“神”的传说，我国的女娲和西方的上帝，就是其中最 著名的代表，传说就是他们创造了生命。这一观点被学者们称为“第一推动力”亦即“神创 论” 。古希腊的柏拉图（Platu）就认为世界上存在的一切都是造物主创造出来的。 除了第一推动力的说法外，还有反对“神创论”的“自生论” ，自生论在整个人类认识 史上流传十分广泛和长久。古希腊的德谟克里特就提出生命是从“地里冒出来的” ，既“不 是被创造出来的，也没有特别的理由” ，自然而然就发生了。我国远在上古时代，生物自生 的思想也已十分流行，这当中有“腐草化萤”“汗液生虱”“肉腐出虫”等。尤其是腐肉生 ， ， 蛆的说法在全球各民族中盛行。在西方，一直到十九世纪，法国微生物家巴斯德通过精密的 实验才证明了自生论的错误，他把肉汤放入特制的曲颈玻璃瓶中，煮沸灭菌，尽管空气可以 进入瓶内，但是瓶子里的肉汤却经久不见浑浊，也就是说没有出现细菌。这是由于悬浮于空 气中的细菌或孢子比空气重，因此它们就沉淀于曲颈的底部而进不了瓶子。然后，巴斯德又 将瓶颈截断，结果微生物就大量繁殖起来，肉汤也就浑浊变质了。这就从根本上完全否定了 生物自然发生的说法。 1 生命起源的学说之一（化学进化说） 科学家们认识到，生命起源的必要条件应是：在原始地球上自然条件下的非生命物质， 要先通过化学作用产生出多种有机物和生物分子来。 这种原始有机物的起源与早期演化， 是 一种化学过程， 亦即化学进化。 化学进化造就了一类化学材料并构成了氨基酸等生命通用的 结构单元。蛋白质等生命物质就是由这些结构单元组合而成。有了生命物质后，进一步地进 化，也就组装成了原始的生命体。恩格斯指出：生命的起源必然是通过化学的途径实现的。 这就是关于生命起源的化学进化学说。 1924 年，前苏联生物化学家奥巴林（А.И.О а и ） п р н 首先提出了一个比较系统的生命 起源的假说，他认为生命起源于地球，是一个化学进化过程。地球上最简单的有机物质-烃 类，完全有可能由地球上的原始气体 NH 3 、CH 4 、H 2 O、H 2 等来原始生成，而最初生成的 烃类化合物通过一步一步地演化最终必然会形成类蛋白化合物。 以后奥巴林学派又进一步提 出了“团聚体”学说，认为由类蛋白物质形成的胶体小块颗粒状，不溶于水，并能吸附其他 有机物而“生长” ，最终形成了复杂体系，而称之为团聚体，该学说还描述了生命起源的三 个阶段，那就是：1.从无机物到简单有机物的形成，2.从复杂到有机物到多分子体系“团聚 体” ，3.从团聚体到具有新陈代谢能力的蛋白体的形成。 1953 年，美国芝加哥大学的一位年轻的博士研究生米勒（S.L.Miller）根据奥巴林 20 年 代提出的理论观点， 成功地模拟了原始地球大气的条件下氨基酸产生的过程。 他把一个专门 设计的密封玻璃容器事先抽成真空，并在 130 ℃高温消毒 18 小时，放入 200 毫升水，然 后通入 CH 4 、NH 3 、CH 4 ，使它们的比例和科学家认为的原始大气的组成基本相同，接着 就在加热的条件下， 模拟地球闪电的自然条件连续进行火花放电， 并在实验过程中随时进行 取样分析，结果在八天后，装置中的液相由无色变为黄色，并有黄棕色沉淀。经分析，形成的物质有甲酸（HCOOH） 、甘氨酸（H 2 NCH 2 COOH） 、乙醇酸（HOCH 2 COOH） 、乳酸 、丙氨酸（CH 3 CHNH 2 COOH） 、丙酸（CH 3 CH 2 COOH） 、乙酸 （CH 3 CHOHCOOH） （CH 3 CH 2 COOH）,还有痕量的谷氨酸和天门冬氨酸，总共有 11 种氨基酸。 （CH 3 COOH） 这就有力地证明了化学进化过程是生命起源过程中最重要的一环。 米勒实验之后的 20 年中，人们不断地模拟原始地球条件，从无机物合成了众多的生命 有机物：天然蛋白质中的所有氨基酸，以及各种嘌啉、嘧啶、核糖、脱氧核糖、核苷、核苷 酸、脂肪酸、卟啉和脂质等等。在这以后，美国生物化学家福克斯（Fox Sidney Waiter）又提出了生命起源的“热聚合 假说” ，他认为，在海洋附近的火山地带，氨基酸经过加热就会变成类似蛋白质的类蛋白， 它们溶解于海水后，就成为“微球体” ，并有着与细菌相似的形态和结构，这种微球体和团 聚体一样也可能成为原始细胞的基础。 完全可以设想，如果由原始大气产生的有机物或是由其它途径产生的有机物进入海洋 后， 随之在漫长的岁月里它们就发生了化学和生物化学的过程， 最终也就形成了地球上最早 的生命。 综合以上的学说，化学进化学说所描述的生命起源的过程包括了以下 4 个阶段： （l）从无机小分子物质生成有机小分子物质。 （2）从有机小分子物质生成有机大分子物质。 （3）从有机大分子组成能自我维持稳定的和发展的多分子体系 （4）从多分子体系演变为原始生命 多分子体系再经过漫长的岁月，不断地演变和进化，最终就形成了原始生命。 应该指出：尽管科学家们在合成生命化合物上已取得了巨大的成功，例如我国科学家 1965 年和 l981 年，在世界上就先后首次合成了胰岛素和酵母丙氨酸转移核糖核酸。此外， 科学家们还借用生物材料合成了基因。但是无法否认的是，一直到目前为止，实验室里还不 能全面验证生命起源的化学进化过程。2 生命起源的学说之二（早期胚种说） 1.孢子说： 2.陨石说： 3 生命起源的学说之三 新宇宙胚种论 .星际分子起源论 由于化学进化的研究停滞不前，外来生命学说就吸引了大量的研究。 早在上个世纪 20 年代，英国天文学家爱丁顿就提出宇宙中存在着星际分子，1937 年发 ， 现了第一个星际分子甲川（CH） ，到 40 年代又发现了氰基（CN）和甲川正离子（CH + ） 进入 70、80 年代后，又发现了许多星际分子。 已知在银河系发现的 57 种星际分子中， 其中有 9 种为地球上找不到的或很难找到的， 有 （1978） 。 的甚至在地球上的实验室里也很难稳定地存在，例如二碳分子（C2）图星际分子（1987 年公布）1978 年霍伊尔明确提出了最早的有机物来自于地球之外的观点，他认为原始地球的表 面不一定有利于无机物和有机外物的合成，因为有着宇宙射线的破坏，海水的稀释等等，而 对星际分子的研究却表明， 它们很可能是由更复杂的分子解体而成， 只要原始太阳星云中的 部分有机分子在太阳系形成时未受破坏而存留下来， 并在地球冷却后从星际降落地面， 那么它们在地球环境中就会发展成为最初的生命，这是一种新的宇宙胚种论。那么，有机分子的 保存和降落又是如何实现的呢？霍伊尔认为最有可能的是彗星。 彗星一生中绝大多数时间在 远离太阳的寒冷空间中度过，可以长期保存原始太阳星云物质，一旦它们与地球相遇，就有 可能降落到地球上来。1985 年哈雷彗星回归，科学家们检测到彗星表面的尘埃中有着大量 的碳。另一方面与彗星有关的陨石中也发现了碳粒陨石和含有机物的陨石。2001 年俄罗斯 科学家借助于扫描电镜发现了一些陨石中有着微生物化石，认为它们有可能是属于蓝细菌。 现在知道，蓝细菌存在于整个地球的进化史中，从未改变过形状，它是迄今最古老的生物体 系之一。 4 生命起源的学说之四（新地球生成论） 随着研究的深入，新的地球生成论又相继出现，较有代表性的有： 1）火山爆发起源说： 2）深海烟囱起源说： 3-2 生命进化的历程 根据科学家对生命起源和进化的研究，一般地认为地球上生命起源和进化的顺序为： 化学元素（C、H、O、N）→ 无机物（二氧化碳、水、氨） →有机物（甲烷、氨基酸、核酸、糖类）→ 类病毒（RNA 分子） →病毒（核蛋白分子）→甲烷菌（原始单细胞）→蓝球菌与细菌原核生物（原核细胞） →原生生物→真菌（真核细胞） K较高等生物（真核多细胞）→植物 K动物…→人类 地球上发现的最古老的原始生命的化石 1960 年美国的巴拉霍恩博士宣称他发现了距今 31 亿年前的最古老的化石， 是在南非的 斯威士兰的太古代地层中找到的 31 亿年前的细菌化石， 大小和形状类似于现在的棒状细菌 （杆菌） 。 1968 年 9 月美国的恩格尔又宣布他在南非的罗得西亚从 32~35 亿年前的岩石中找到了 被认为是藻类的化石，呈球形，直径在 0.1~0.01 毫米。近来又有报道，在澳大利亚的西北部 太古代地层中发现了原核生物的化石，至今已有 35 亿年。 如果上述的说法都能被证实的话，那么地球上最早的生命应是出现在 30~35 亿年前， 它们可能是细菌也可能是藻类。 那就又引出了一个问题， 究竟是先有植物还是先有动物？近 年来的研究表明， 由于最初原始的大气中没有氧气， 最初的生命应是厌氧菌并且是异养型的， 被称为古细菌，科学家们也确实在海洋的深处发现了古细菌，例如极嗜盐菌，硫磺细菌。 1989 年 Huber 声称在意大利的一个温度为 110℃的深海火山口发现了有着嗜甲烷的太古菌生 长。最新的报道称，德国科学家也在黑海海底首次发现了厌氧的嗜甲烷菌，该研究发表在 《科学》杂志上，而且科学家们认为，这种细菌生存了大约 40 亿年，很可能它们就是地球 上最古老的原始的居民之一。 大约 30~35 亿年前，生命开始起源，4 亿年前生物开始登陆，2 亿 3 千万年~6300 万年 前是恐龙时代，在 6300 万年前开始出现哺乳类动物，距今 200~250 万年前，人类的祖先便 应运而生了。 大约从 135 亿年前开始，化学元素完成了它的演化过程，后来，化学进化和生物进化的 漫长历程最终形成了高级生物――人类， 而我们人类又将在生命的进化中作出什么样的贡献 呢？ 生命进化中的一些难解之谜第一个：先有鸡还是先有蛋 第二个：RNA 起源说是真的吗？ 第三个：可能是小分子起源 第四个：生命与非生命之间有没有不可逾越的鸿沟？ 地球上的最微小的生命 生物学家告诉我们， 从生物进化的顺序来看， 类病毒应是最原始也是最微小的生命之一。 1）.病毒 病毒是一种比细菌更渺小的生命， 主要由蛋白质外壳和核酸构成， 最早发现病毒的是俄 国植物学家伊万诺夫斯基，他在 1892 年发现患有花叶病的烟草被压榨出来的液汁，将细菌 滤掉之后仍有致病力。1935 年 6 月美国科学家斯坦利成功地分离出结晶状的、可以引起烟 草花叶病的病毒。这在当时引起了轰动，因为花叶病的病毒可以在烟草叶子中繁殖，是活的 生物形态，但它又可以提炼成结晶形态，具有非生物的特征。 病毒的大小一般都在 150nm 以下，其中脊髓灰质炎病毒大小仅为 27nm，而最可怕的病 毒则是 AIDS 病毒。 2）.类病毒和朊 病毒 1971 年美国科学家丹尼尔在经过 4 年多的艰苦努力后，发现了类病毒，它仅是一种不 含蛋白质外壳的核酸。1922 年就有人发现马铃薯块茎有时会患一种严重的疾病，但是找不 到病原体。丹尼尔找到了这种病原体，原来它只是一个 RNA 分子，长 50 nm，粗 2nm，含 有 350 个核苷酸，但却具有生命的功能。 1982 年美国动物病毒学家普森勒又发现了羊蚤痒病的病原体，仅仅只是一种蛋白质物 质，称之为月 病毒，这一发现也使科学家大为惊奇，DNA 和 RNA 可以携带遗传信息，蛋 元 白质难道也可作为遗传信息的载体？九十年代发现的疯牛病的病原体也是一种朊病毒。 疯牛 病是脑海绵状变性，将感染的脑子用甲醛固定使其蛋白质变性并以 360℃高温处理，结果该 病毒的感染力丝毫未损，对其分离的结果发现是分子量在 2.7~3.0 万的一种糖蛋白，它既没 有 DNA，也没有 RNA 尽管病毒被发现是最原始的生命， 但是许多生物学家却认为病毒并不是介于生命与非生 命之间的东西。 虽然病毒在寄主细胞以外的环境中几乎没有什么生命活动的迹象， 虽然病毒 可以结晶而仍然保持感染力， 也不能就此认为生命就是以病毒这种形态， 从非生命体变成生 命体的．有人提出，病毒在寄主细胞外存在时的那种“没有生命活动”的状态，实际上是病 毒生命史的一个特殊阶段， 这种特殊阶段的性质和意义， 和某些微生物的孢子或芽孢或者某 些植物的种子的休眠状态是一样的， 也是对不适宜的环境条件的一种特殊的适应性， 并非如 有些人所想象的那样是非生命与生命之间的过渡。 3-3 生命元素的形成 什么是生命元素？简而言之， 即是构成生物的不可缺少的元素或者说是生物中的必需的 元素。 以人体为例，人体中约含有 60 多种元素,它们大致可以分为四类： 第一类 必需的宏量元素 它们是氧（65.0%） 、碳（18.0%） 、氢（10％)、氮（3.0%） 、钙（2.0％） 、磷（1.0%） 、 钾（0.35%） 、硫（0.25)、钠（0.15%） 、氯（0.15)、镁（0.05%） 。 第二类 必需的微量元素 它们是：Fe Zn Cu Cr Co I Se Mo 第三类 可能必需的微量元素它们是：Mn 它们是：:F 它们是:RbSi NiBV第四类 具有潜在毒性,但在低剂量时,对人体可能具有必需功能的微量元素 Pb Cd Hg As Al Li Sn 第五类 非必需和未确定的元素 Sb Be Bi Ga In Tl Te 1990 年,WHO 等机构的专家委员会提出： 人体必需微量元素是指人体内的生理活性物质， 是有机结构中的必需成分， 当从饮食中摄入的量减少到某一低限值时， 即会导致一种重要生 理功能的损伤。根据对微量元素的重新分类，可见第二、第三类元素应是必需微量元素，而 第四类则主要是有潜在毒性的元素， 但并不排除可能具有一些必需功能， 特别值得注意的是 原本认为是必需微量元素的氟（1973 年） ，这一次归入了“具有潜在毒性,但在低剂量时,对 人体可能具有必需功能”这一类。 从以上的分类可以看出一、 三类为生命元素， 二、 第四类是辅助营养及可能有益的元素： 它还包括对植物有明显营养作用的硼和稀土元素以及锗、铷、锶等元素。 在生命体中，还有着无害的沾染元素：约有 20～30 种在生物体组织中普遍存在，浓度 和生理作用均不确定。应该指出的是，第四、五类元素，如浓度达到一定数量时，就成了污 染元素，甚至对某些生命元素也是如此。特别是第四类中的 Pb Cd Hg As 等，在含量 较高时就成了严重有毒有害的污染元素。 以上的分类不仅是对人体， 而且对所有的生物体来说都几乎是相同的， 当然在具体的组 成元素上还是有着一定的差别，例如植物与动物之间，水生动物与陆地动物之间等等。2 生 命元素 生命元素指的就是：在活的有机体中，维持其正常的生物功能所不可缺少的元素，即生 物必需元素，简称为生物元素或生命元素. 3-4 生命体中元素的来源 地球上的生命尽管有着“天外来客”之说，但是生命的发展和繁衍确实是源于地球的， 因为这已有大量的证据。 1 地球是生命元素的源泉 生命体中的元素均来自于地球， 不曾发现过生命体中有着地球上不存在的元素， 因此构 成生命的元素确实是由地球来保障供应的。 1）人的血液组成与地壳中元素相似 英国化学家曾经测定了 200 例英国人血液中的所有元素， 结果发现它们与地壳中元素的 分布有着惊人的相似。 2）生命起源于海洋 按照生命起源的理论，生命的化学进化应是在海洋中进行的，这也有着大量的证据。 以人体为例，海水中的 10 种主要元素中，有 9 种就是人体中的主要元素。 此外，人体血液中的矿化度（溶解的盐类的总量）为 9 克/升（输液的生理盐水的浓度 是 0.9%NaCl） ，根据科学家的研究，30 亿年前的海水的矿化度也正是 9 克/升，这就是说现 代人的血液是和原始海水相同的。 2 生物体内元素的主要来源 我们已经知道了地球上生命中的元素来自于地球的环境体系， 这是因为地球上的生物圈 是在一个特定的环境体系中进行演化的，如果地球表面没有水圈、大气圈和土壤岩石圈，那 么生命也就成了无源之水、无本之木了。事实上，生物体本身就是一个开放体系，它通过与周围环境发生持续不断的物质、能量 和信息的交换而得以存在。 生物体内的元素主要有以下几大来源： 1）.天然淡水（河流、湖泊、地下水） 2+ + 2+ 2+ 天然水体中含有的最主要的离子有以下八种：Na 、K 、Ca 、Mg 、Cl 、SO4 、HCO3 、 2CO3 。 2）.海洋 海水有着较高的含盐量，一般为 32～37 克/每千克，平均值为 3.5%。组成海水的十大 元素有：O、H、Cl、Na、Mg、S、Ca、K、Br 和 C。 3）.土壤 在土壤中，元素组分的平均含量居前的元素有：O、Si、Al、Fe、C、Ca、K、Na、Mg、N、 Mn、P、S、Ba、Sr、F、Rb 和 Cl。很明显，这与生物体及人体的组成有着较大的差异。最典 型的是 Si 和 Al，它们并不是生物体中的主要元素，这显然与它们的化学性质有关。 人 体中的许多微量元素主要是来自于土壤。 在人类活动的影响下，土壤中还聚集着大量有毒、有害的污染元素，人体中的这些元素 就来源于这里。 4）.大气 大气层中除了大气组分的元素外， 自然界的其它元素还通过火山喷发， 海洋风浪的鼓泡 活动，岩石的风化作用以及人类的活动进入大气圈，然后又会通过沉降作用回到地球表面。 在参与生物圈循环的气体中，O2 和 N2 是主要成分，其余还有 H2、CO、CO2、CH4、NOx、 SO2 和 H2S 等。 受人类活动的影响，被污染的大气中还存在着重金属元素以及有毒化合物，如砷化物、 氟化物、铅等等，它们也成了生物体中这些元素的来源。 受雨水的冲刷，大气中的许多元素又重新回到地面，进入生物圈、水圈、土壤岩石圈， 这些量十分巨大，其中据科学家估计从大气进入到海洋的下列元素：Cu、V、Sn、I、Cr、Cd、 Hg、Pb，每年就达 1 万吨～10 万吨。 生物体是通过同地球环境的元素交换和吸收才构成了它自己的组成， 其通道就是血液等 细胞外液，它们是生物体组成元素的运输媒介。 应该指出的是：环境中的元素迁移到生命体内是一自然活动，但对人体而言，却由于 人类活动的结果，使得整个自然界的元素均有可能以各种方式进入人体。 生命体对元素的自然选择 生命是经过漫长的进化过程而逐渐形成的， 已有充分的科学根据可以认为： 生物的初期 进化是在海洋中进行的。 以人体为例,若将海水中的元素按浓度分类， 则可看出它们与人体中的生命元素的关系。 6 1）＞10 nmol／L: 氢、氧、钠、氯、镁、硫、钾、钙、碳、氮等； 2 6 2) 10 ～10 nmol／L：溴、硼、硅、锶、氟、锂、磷、铷、碘、钡等； 2 3）5～10 nmol／L：钼、铁、锌、铝、铜、钛、锡、钒、锰、镍、钴、硒、铬等； 4）＜5 nmol／L：其它元素。 显然，第 1）类组成了人体的常量必需元素,而第 2）,3）类的若干元素构成了人或生物 体所必需的微量元素,这就有力地说明了生物是在不断地从环境中选择某些元素去完成生命 所需的功能的。 根据科学家的研究， 生命在其演化过程中,不仅选择性地吸收元素,并且是遵循着一定的 规律去选择元素的,这些规律有: 1.丰度规则（该元素必须具有一定的丰度） ：生物体总是选择自然界中存在较丰富的元素。 2.生物利用度规则（该元素必须具有能被生物利用的性质） ：丰度高，若可利用率低， 也不会被选择。 3.基本适宜规则 （该元素必须具有某种特定的功能） 该元素应具有一定的热力学性质， ： 从而具备特定的生物功能。 4.有效性规则（该元素所具有的生物功能必须有效和专一） ：生物体总是选择更加有效 的化合物加以利用。 另外，在生命起源时最先选择的是轻元素。 生命元素可以分为非金属元素和金属元素两大类，但我们注意到主量元素中主要是由 C、H、O、N、S、P 这 6 个非金属元素组成，它们是一切生物体的基本构件材料，尤其是 C、 H、O 是绝大多数有机物的基本组分。 3-5 生命元素的主要形态和主要特性 1 人体的化学组成 科学家为了研究人体的化学元素的组成，提出了“参比人”的概念。 1975 年，Snyder 给出了“标准人”的化学组成，该“标准人”又称为“参比人” ，它是 指： 鲜重 70kg， 60kg 软组织另加 10kg 骨骼所组成。 由 具体的组成见表 1。 从表中可以看出： 分别占前十二位的元素有氧、碳、氢、氮、钙、磷、硫、钾、钠、氯、镁、硅。与以前发表 的一些数据相比， 硅的含量有了变化， 已成了人体中含量较高的微量元素 （比铁的含量要高， 也有一些文献报道说是比铁要低） 。这也表明了我们对硅在人体中的作用有了更新的了解。 在生命体中，化学元素组成了生命体所需的生命物质，并构成了生命的有机体。以生命的基 本单位-细胞为例，构成细胞的物质主要有水、蛋白质、脂类、糖类、核酸和无机盐等。 水在生物体中的含量最高，主要原因在于水是生命体新陈代谢过程中的最重要的介质， 因此生物体内大部分是水。一般植物体内含有 60%～80%的水，动物体内含 75%以上的水，含 水量最多的动物是水母，含水量达 97%. 另外,水在生物体体内的分布也是不均匀的，例如脊椎动物的肌肉和肝、脾、肾等脏器 含水约 70%～75%，皮肤含水约 64%，而骨骼内含水只有 12%～15%，血液中约有 80%是水。 在动、植物细胞里必须进行生物化学反应，而水又是反应的介质。对于食物消化说来，更不 可缺少水，因为多糖、蛋白质、脂肪等代谢，必须有水的参与。通过这些化学反应，动物才 能取得能量。水还是动物的血液和淋巴液中的溶剂。体内的养分、无机物、激素、抗体，甚 至代谢的废物都要通过血液或淋巴液运输。没有水，生物体根本就无法生存。构成水的的化 学元素就是氢和氧。 蛋白质可以说是生命的基础， 也是细胞内占第二位的物质， 它占到细胞干重的 50%以上， 即使象病毒这样极小的生命体， 也需要蛋白质的外衣。 动物组织里的蛋白质可达有机物质的 90%以上。植物中虽然含量较低，但在生命传种接代的种籽内仍含有较高含量的蛋白质。 蛋白质能承担输送氧（血红蛋白） 、脂类（血浆脂蛋白） 、催化生物体的化学反应（酶） 、 调节生理活动（激素） 、完成人体的运动（肌蛋白） 、承担生命的繁殖（染色体） 、…等等。 构成蛋白质的化学元素有碳、氢、氧、氮、硫、磷、铁等元素。 生物体的细胞内还有着能储藏能量的脂类，作为生理活动能源的糖类以及掌管的核酸， 以上这些也都是由碳、氢、氧、氮、硫、磷等元素组成的。 除了以上这些生命物质外， 细胞里还有着无机盐等一些金属元素。 随着分析化学的发展，检测手段的提高，从生命体里发现的元素已超过 60 多种，其中有着大量的微量元素。在科 学家们的深入研究下，微量元素在生物体中的作用也在不断的被揭示和展现出来。 2 生命元素在人体中的主要存在形态 对于所有的生物体来说，有机物质中的元素 H、C、N、O、P 和 S 都要占到生物体中原子 含量的绝大部分，构成了生命中的有机体（生命化合物）之外，例如人体中的 H 占 63%、C 占 9.5%、N 占 1.4%、O 占 25.5%。其余的一些主量元素如 Na、K、Mg、Ca、Cl，则一般都是 能自由移动的离子， 至于微量元素在生物体中则通常有着确定的化学结合体。 生命元素在生 物体中所起的作用，除了主要由碳、氢、氧、氮其余的元素概括地说可以分成两种情况，对 于主族元素离子来说，如 Na 、K 、Ca 、Mg 、Cl 、SO4 、HCO3 、PO4 等在生物体中主要维 持细胞和体液中的电荷平衡，及其合适的液体容量，同时还参与许多重要的生理过程，诸如 血液凝固、神经传导、释放激素、肌肉收缩等等；而极大多数的微量元素则通常是必需的酶 的组成或蛋白质的关键组分。此外，如钙、磷、硅、氟、镁等元素还常常以难溶无机物形态 构成生物体的硬组织。 以人体为例，生命元素在人体中的不同形态，大致可分为四种情况： （1）无机物结构元素 Ca、F、P、Si 和少量的 Mg，以难溶无机化合物形态存在于硬组织 中，如 SiO2、CaCO3、Ca10(PO4)6(OH)2 等。作为结构材料，Ca、P 构成骨骼、牙齿。 （2）有电化学功能和信息传递功能的离子 Na、Mg、K、Ca、Cl 等，分别以游离水合阳 离子和阴离子形式存在于细胞内、外液中，两者之间维持一定浓度梯度，Ca2+与氨基酸中的 羧酸结合起到传递某种生物信息的作用；存在于体液中的 Na+、K+、Cl-等起到维持体液中 水、电解质平衡和酸、碱平衡的作用。 （3）生物大分子：C、H、O、N、S 构成生物大分子，这里系指蛋白质、肽、核酸及类似 物等，需要金属元素(例如，Mo、Mn、Fe、Cu、Co、Ni、Zn 等)结合的大分子，包括具有催 化性能和贮存、转换功能的各种酶。 （4）小分子：属于这一类的元素，一般有 F、Cl、Br、I、Cu 和 Fe，存在于抗生素中； Co、Cu、Fe、Mg、V 和 Ni 等存在于卟啉配合物中，如含有 Fe2+的血红蛋白负责运载 O2 的作 用；As、 Ca、Se、Si 和 V 等存在于其它小分子中。 3 生命元素的主要特征 生命元素在生物体中主要有以下五个特征： 1.生命过程中的某一环节（如某一生化反应）必需有该元素的参与。 2.在生物体内有着能主动摄入该元素并调节其体内分布和水平的机构。 3.在生物体内有着含该元素的能发挥正常生物功能的生物活性化合物。 4.缺乏该元素时会引起生理化学变化，经补充后就可以恢复。 5.当生命元素在生物体内过量时会造成代谢的障碍乃至中毒. 从这五个特征当中，我们可以看到，生命体与生命元素存在的量密切相关。对于参与了 生命组成的元素来说， 它对生物体的作用不仅取决于它的化学性质， 还取决于它在生命体中 的含量。+ + 2+ 2+ 23-法国科学家 G.Bertrand 在研究了锰对植物生长的影响后提出了一个最适营养定律：即 植物缺少某种必需的元素时就不能成活， 当该元素适量时就能茁壮成长， 但若过量时又会转 为有害。该定律不仅适用于植物，也适用于一切生物。图生命元素的最适营养浓度示意图上图给出了最适营养定律的大意， 即某种必需元素在浓度低时生物体生长迟缓、 繁殖衰 退，甚至死亡，但这种失调是可以通过补充营养物质予以纠正的。随着浓度的增加，其生理 效应逐渐变好，曲线的中部或高台部分表示这种元素处于足量状态，此时功能最佳，高台的 宽度因不同的元素和不同的生物体而异，在曲线陡然下降区域之外，则是致死浓度。 在生物体摄取的营养物质中， 必需元素的严重不足会导致生物和人对环境中微量元素变 化的适应能力是有限度的，当元素变化幅度超过生物忍耐力极限时，生理上就会起反应，产 生损害健康的病症。可见所有的元素在高浓度时都是有着不同程度的毒性。 同时， 还要指出的是生命必需元素与非必需元素的主要区别就在于： 非必需元素缺乏时 并不影响生物体的生长，它也不存在一个最适浓度而只有一个可耐受的浓度。 4 生命元素与地球生物化学循环密切相关 我们已经知道了地球上生命中的元素来自于地球的环境体系， 这是因为地球上的生物圈 是在一个特定的环境体系中进行演化的，如果地球表面没有水圈、大气圈和土壤岩石圈，那 么生命也就成了无源之水、无本之木了。 事实上，生物体本身就是一个开放体系，它通过与周围环境发生持续不断的物质、能量 和信息的交换而得以存在。图生物圈与水、大气、岩石圈的元素交换自然界存在着适用于几乎所有元素循环的普遍原则： 1．当某一元素从一个圈(或介质)迂移到另一圈(或介质)时，其化学形式通常会变化。 2．一元素从某一化学形式转化为另一形式，必受其它过程的影响，这些过程可以是化学过 程，也可以是生物过程。 3．在元素循环过程中，总可发现在元素循环链的某处存在一个或两个元素库，停留在这种 大库中的物质与较小的、 但比较容易出入的库之间会发生元素交换作用， 这是由化学的和(或) 生物的过程所造成的。 在大多数情况下，生物体中的元素浓度要比其周围环境高得多，这种现象称为“生物积 累”、“生物浓缩”或“富集”。生物积累现象在水生光合自养植物(藻类)中最为显著。生 物体中之元素浓度与其环境之比称为“富集因子”，通常可达 10 ～10 ,尤其是对微量必需 元素。某些元素沿着食物链一步一步被富集，称之为“生物放大作用”，这是由于新陈代谢 过程中排泄率低于摄入率所造成的。 3-6 影响生命元素演变的两个重要因素 1 生命外部环境的差异和变化所造成的影响 生命的进化是生命元素演变的最主要的动力。但是生命的进化本身又是受到环境及其 变化的强烈制约的，例如恐龙的灭绝就是如此，因此也可以说，地球环境的差异和变化应是 生命元素演变的最主要的推动力。 人类生活方式发生的变化同样也会影响到生命元素的变化， 因为人类的吃穿住行都是与 生活环境密不可分的。而生活环境又是和地球环境紧密相连的。 数十年前开始的“绿色革命”大大提高了世界农作物的产量，也基本解决了我国的吃粮 问题。但是从上个世纪 90 年代开始，营养学家却注意到了一种令人不安的现象，那就是由 绿色革命产生的高产的农作物中， 矿物元素和维生素的含量都很低。 导致了患微量元素缺乏 症。最典型的是发生了流行性贫血病，这种情况，生物无机化学家称之为“金属缺乏症” 。 除了矿物元素缺乏外，同时很多大棚蔬菜中还均含有较高的硝酸盐。 2 地球环境破坏对人类带来的影响 人类应该认识到， 地球生物化学循环发生重大变化势必会导致生命元素组成的变化。 这 种变化将会随着环境的遭受破坏而加剧。 同时也使得生命体内有毒有害的污染元素的水平大 大提高并完全有可能破坏生命的遗传机制和进程。 有些科学家认为， 恐龙的灭亡有可能是它 们大量释放甲烷造成地球环境的破坏所导致的， 如果确是这样， 如今我们人类就正在重蹈覆 辙。4 5第四章生命中的主量元素(一)生命中的主量元素包括有：O、C、H、N、P、S、Ca、K、Cl、Na、Mg 11 种元素，对 人体而言，它们要占到人体总重量的 99.9% 4-1 碳是生命的物质基础 据计算，碳在地球上所有活细胞中的重量百分比为18%，而氧却要占到65%。生物体内碳 的含量虽不及氧，但碳却是生命物质的重要基础。一切生命都离不开碳。 碳原子的外层有4个电子，在周期表中正好处于电正性元素和电负性元素的中间，它既 能给出电子，又能接受电子，可以跟其它元素的4个电子偶合，生成4个化学键。 碳在周期表内属轻元素， 原子核外的电子轨道较小， 因此容易靠近其它原子并生成较强 的化学键，同时在碳与碳之间也可生成稳定的化学键，还可合用1～3对电子，因而可生成碳 碳单键、双键和叁键，这就使得碳化合物数量众多，已有的已达数百万种，并且每天都有新 的发现，这在其它元素中是绝无仅有的。 硅与碳是同一周期，而且在地壳内硅比碳要多146倍，可是生命体选择了碳，而不是硅， 这是什么原因呢？这恐怕与碳的化合物二氧化碳有关， 因为二氧化碳在自然界广泛分布， 在 地球上进行着巨大的循环；而二氧化硅则不然，它不溶解于水，不能以单体存在而形成高聚 化合物 --Si―O―Si―O―Si-- 是一坚硬而稳定的化合物， 硅原子间的化学键又不如碳碳键牢固，而且它也不能生成双键和叁键化合物,不能形成像碳链一样的骨架；另外碳元素 的生成也要比硅早。 4-2 糖类化合物 糖类是生命体组成的基本物质，它提供生物所需的能量，就人体而言，人的一生需要大 约14吨糖。糖类还是除蛋白质、核酸之外的又一类信息分子，它不是存储信息，而是进行通 讯识别，对于细胞的的识别、增生、分裂具有重要的作用，例如，输血的血型、病毒的感染 以及生育等等。 糖类是一类由碳、氢、氧三种元素组成的以碳元素为主链的多羟基的醛或酮，它可以分 为单糖、低聚糖和多糖。自然界里的糖来源于植物的光合作用：一.单糖 单糖是一类不能再水解的多羟基醛或多羟基酮,又可叫做醛糖或酮糖。 单糖分子的碳原 子数一般不超过10个。 1.葡萄糖 C6H12O6 。图 2.果糖和半乳糖葡萄糖的环式结构图 果糖和半乳糖 3.核糖 最初是在细胞核中发现的，后来才知道细胞质里和细胞膜里也有。 核糖是细胞的重要组成部分，生命的一切特征如遗传、变异、新陈代谢等都跟核糖有着 密切关系，它是生命活动不可缺少的重要物质。 核糖和脱氧核糖是戊糖，其中脱氧核糖少了一个氧原子。图核糖和脱氧核糖二. 二糖 一分子葡萄糖跟一分子果糖失去一分子水而缩合在一起就成为蔗糖， 是由两个单糖缩合 生成的，因此叫做二糖，麦芽糖、乳糖也是二糖，它们是同分异构体。分子葡萄糖的缩合就 成为麦芽糖。 一分子葡萄糖跟一分子半乳糖的缩合就成为乳糖。 三.多糖 多糖是由大量的单糖缩合而成。 三种重要的多糖是淀粉、 纤维素及糖原都是由葡萄糖单 位构成的。 1.淀粉淀粉是一种储存在植物细胞这的多糖， 它容易被人消化， 在淀粉酶和麦芽糖酶的作用下 水解成麦芽糖，最后完全水解成葡萄糖。图 淀粉 2. 纤维素 纤维素可能是地球上最为丰富的有机化合物。 它是组成植物细胞壁及其它支持组织 （如 植物纤维和木质部） 的一种结构性糖类。 纤维素中葡萄糖单位之间的键合与淀粉和糖原不同 之处在于，它对人体消化道中的淀粉酶具有抗性，所以，它简直不能为人体所消化。但是， 在食草动物的瘤胃和结肠中生存的某些细菌及原生动物含有能够水解纤维素的酶， 因而这些 动物可将纤维素用作食物。图纤维素3. 糖原 糖原是贮存在动物组织中的糖， 尤以肝及骨骼肌中含量最多。 它是由上千个葡萄糖单位 组成的支聚物，其最低分子量为5百万。 肝细胞能将其它单糖转化成葡萄糖， 然后将葡萄糖转化为糖原。 贮存的糖原当需要时． 可 再分解为葡萄糖。这二种过程，分别称为糖原生成和糖原分解，它对稳定地维持血液和组织 中的葡萄糖水平是极其必要的。肝中进行糖原生成所用到的葡萄糖，主要来源于食物糖类。 可是， 当膳食中糖的来源不足时， 肝细胞能将非糖类前体 （血液中的乳酸、 蛋白质中氨基酸、 脂肪水解得到的甘油）转化为葡萄糖，进而转化为糖原。这种过程称为葡萄糖异生作用。 四. 粘多糖和糖蛋白 粘多糖是多糖所形成的复合大分子， 是机体的许多结构和功能组分。 其中大部分均含有 氨基糖和糖酸等单糖衍生物单位。粘多糖包括：透明质酸，它是眼玻璃体的结构成分及细胞 间粘合剂和滑液； 肝素， 在肝中合成的一种功能性抗凝剂物质； 硫酸软骨素亦是一种粘多糖， 它是动物软骨和骨骼的结构物质。 糖蛋白是多糖蛋白复合体大分子，包括血浆球蛋白、垂体促性腺激素、血型物质及唾液 中的一些物质。五.维生素C 维生素C是单糖的衍生物，它是葡萄糖第6碳原子上的羟基被氧化为羧基，因此称为6碳糖酸。图 维生素C 人体如长期缺少维生素C,就会引起坏血病,因此维生素C又叫做抗坏血酸。软骨、血管内 皮、纤维组织的胶质都需要抗坏血酸的保护,一旦缺乏,细胞间质就会减少,细胞变脆,引起出 血。已知在人体的血浆内，抗坏血酸的浓度为23~85μmol/L。除了能防止坏血病以外，维生 素C还具有以下较多功能： 1. 维生素C和芳香族氨基酸的代谢有密切关系；2.由于胶元和粘多糖是骨基质主要组 成成分，其合成过程需有维生素C参加；3.维生素C与铁的利用有关，食物中的铁必须经过消 化，组合成为可溶性低分子复合物；4.维生素C有抗组织胺的作用，能减轻感冒时的呼吸道 阻塞；5.可使病毒钝化，易于被吞噬；6.可与亚硝酸盐起反应，阻止亚硝胺形成，有防癌 作用；7.维生素C可促进胆固醇转移至肝脏并转变为胆酸，激活脂蛋白酯酶，降低甘油三酯 与β脂蛋白；8.维生素C尚有抗衰老，促进免疫球蛋白形成等作用。9. 维生素C缺乏时,骨 纤维蛋白的合成会减少,严重时可导致骨的畸形。 维生素C在抗氧和抗衰老的研究中又被认为是具有抗氧化和保护DNA遗传物质的作用,它 能驱除细胞内有害的自由基。 可是值得注意的是2001年美国&科学&周刊报道了美国宾夕法尼 亚大学的一个研究小组的研究结果,他们通过试管试验发现维生素C能够作为催化剂帮助生 成一种损伤DNA的“基因毒素”,这种毒素与DNA作用后将引发DNA突变,这意味着维生素C在 保护DNA的同时也有着伤害它的能力。这样看来,维生素C其实是一把“双刃剑”。 六.血糖 正常一个成年人血糖是60～100毫克/100毫升血，人的大脑完全倚赖它提供能量，如果 低于60～70mg／100ml就是低血糖，低于45 mg／100ml就会出现昏迷、休克，大于100毫克也 不正常。不吃早餐会引起低血糖昏迷，而早餐吃得过多，又会刺激胰岛素分泌过多，增强细 胞对葡萄糖吸收，加快转变成糖原，使葡萄糖快速下降到正常水平，也会造成低血糖，所以 早餐也应适当含有蛋白质，脂肪，可以避免过分刺激胰腺，并且蛋白质、脂肪会减少葡萄糖 进入血液的速度。 葡萄糖在普通的脏器内是无氧分解产生乳酸,返回肝脏后会再形成葡萄糖.而在大脑中 则是有氧分解,产生了二氧化碳和水。成年男子一小时要消耗5克葡萄糖,一天约120克,血糖 的消耗也是每小时5克,一顿饭可在肝脏内储存50～60克血糖,因此很快就会“花完”,因此 只有具备足够的葡萄糖才能保证大脑和人体的正常活动。4-3. 糖类化合物的生理功能 糖类化合物的主要生理功能有：1 氧化后放出能量。2 转化为糖原和脂肪。科学家对糖 类化合物的一些最新研究表明：它还具有进行生物信息识别的功能。 糖脂和糖蛋白在细胞的识别、免疫、癌变以及对药物、激素的反应等各方面都有着密切 的关系。 4-4 脂类化合物 脂肪,化学家通常称之为脂类,是一类种类繁多的物质,具有一个共同的特征:不溶于水 而溶于氯仿,四氯化碳和苯等有机溶剂中.它们主要是由C、H、O三种元素来组成的. 具有重要的生理功能的脂类及其衍生物有:中性脂肪、磷脂、糖脂、甾族化合物、脂溶 性维生素等. 一.中性脂肪和脂肪酸 1.中性脂肪 人体内储存的脂肪与食物中大部分脂肪都是中性脂肪,构成中性脂肪的组分是甘油和脂 肪酸.甘油是一种三元醇,含三个羟基,化学式为C3H 5 (OH)3 ,结构式如下:图甘油和甘油三脂图三酰基甘油的合成2.脂肪酸 跟甘油反应生成脂的有机物就叫做脂肪酸,它可分成两类：一类是分子内不带碳碳双键 的饱和脂肪酸，如硬脂酸、软脂酸等。另一类是分子内带有一个或几个碳碳双键的不饱和脂肪酸，其中最常见的是油酸。 不管饱和的或不饱和的， 生物体内脂肪酸的碳原子数都是偶数。 含有多量饱和脂肪酸的 甘油三酯在常温时往往是固体。例如牛油、猪油等 ,大多属动物脂肪。必需脂肪酸有两种：1）亚油酸。进入人体后，会在酶的催化下转化成γ-亚麻酸和花生 四烯酸。亚油酸、γ-亚麻酸和花生四烯酸都被统称为ω-6 脂肪酸，ω-6 脂肪酸表示其第一 个双键位于长链末端数起的第 6 个碳原子上， 在人类的食物中较常见。 一个人每天只要能获 得 5 克与亚油酸相类似的脂肪酸，就能使皮肤保持较好的状态。2）α-亚麻酸。进入人体后， 在同一种酶的催化下转化成 EPA 和 DHA。α-亚麻酸、EPA 和 DHA（廿二碳六烯酸）都被 统称为ω-3 脂肪酸，近年来的研究多认为它们对人的健康有重要作用，由于在人类膳食中 较少摄入，因此联合国粮农组织，世界卫生组织联合发表声明要在世界范围内推广ω-3 系 列不饱和脂肪酸。 二.磷脂和糖脂 磷脂是甘油的一个羟基跟磷酸脂化而生成的脂类化合物。蛋黄中的卵磷脂是胆碱磷酸 脂，大脑内含有丰富的脑磷脂，它们都是神经组织的重要成分。卵磷脂经肠道消化酶作用， 释放出胆碱直接进入脑部， 与醋酸结合生成一种神经传递介质乙酰胆碱， 乙酰胆碱是有利于 智力发育，改善记忆力的。据报道卵磷脂的吸收是有助于老年痴呆症的改善的。乙酰胆碱则 在鱼肉中含量较高。 糖脂是脂肪酸与半乳糖相结合的脂类化合物,存在于神经组织和细胞膜中,尤以神经细 胞髓鞘中为最多，以脑苷脂的形式存在。糖脂在细胞膜上的作用前面已经作过介绍。 三.甾族化合物 甾类化合物的化学结构与上述脂类不同。由于甾类化合物是在细胞中发现的脂肪物质， 而且一般也是不溶于水，而溶于脂肪溶剂，因此，一并归为脂类。 甾类化合物实际上是环戊烷的多氢菲衍生物。1.甾醇(固醇)图 维生素D和性激素 1.胆固醇(胆甾醇): 是人体内分布最广的化合物,存在于组织和血浆中,在神经组织和肾上腺中含量特别丰 富,约占人脑中固体物质的17%,其生理功能尚未完全搞清. 一切动物来源的脂肪食物中,都含有胆固醇。 在人体内胆固醇是重要的生化反应的原料,包括性激素、肾上腺皮质激素、胆汁酸、维 生素D的生物合成的起始点.在人体中，可以由肝脏合成，在胆汁中就有许多胆固醇，大多数 胆结石也是胆固醇。图 6-21 胆固醇和胆汁酸图 甾类激素 2.甾酸(胆汁酸) 肝细胞能合成大约十种胆汁酸， 就性质而言它们是甾类化合物。 胆汁酸都是胆酸的衍生 物。 胆汁中分泌的胆汁酸是钠盐， 亦称胆汁盐。 胆汁盐能与一些不溶于水状消化液的脂肪酸、 胆甾醇和脂溶性维生素结合而形成水溶性复合体。这样，肠道易吸收这些物质进人血液。胆 汁盐也是强有力的乳化剂，能将食物的脂肪颗粒分散成乳糜微滴，随后在（消化）脂酶的作 用下而被消化（水解）。脂肪未经乳化，脂酶就不能有效地进行反应。因为脂肪不乳化，便 没有足够的表面积。反应基团也不会暴露出来。所以，胆汁盐在脂肪消化与吸收的整个过程 中都是绝对必需的。 3.甾类激素 激素是一类生物小分子， 由生物体内产生的一些微量的有机化合物。 它能通过体液和细 胞输送到特定的作用部位， 从而引起特殊的激动效应， 可调节控制各种物质的代谢和生理功 能。 性激素属甾类化合物，大致分为两类：雌激素和雄激素。雌激素，如雌酮和雌二醇，是 由卵巢卵泡细胞分泌的；黄体酮是由黄体细胞所分泌。两者的生理功能稍有差异。性激素除 调节正常的生殖功能外，还有促使雌、雄第二性征出现的职能。 肾上腺皮质也能活跃地产生大量甾类激素。皮质甾类按其生物活性可分为糖皮质激素、盐 皮质激素及性激素三种。以可的松和皮质醇为代表的糖皮质激素，具有调节糖、蛋白质和脂 肪代谢的功能，而且，在机体应激反应中也起着重要的作用。醛甾酮是一种重要的盐皮质激 素，它的功能是维持体内水和电解质平衡，肾上腺皮质还可产生少量的雌激素和雄激素 4．维生素D： 维生素D是脂溶性维生素，它实际上是所有具有胆钙化醇生物活性的类固醇的总称，是 一种甾醇。其前体在动物和植物组织中，分别为7一脱氢胆固醇和麦角固醇，7-脱氢胆甾醇 还存在于哺乳动物皮肤中。两者在日光或紫外线的照射下分别转化为维生素D3（胆钙化醇） 和维生素D2（麦角钙化醇）。维生素D一般指的是维生素D3和维生素D2，D2比D3多一个甲基和 一个双键。分子结构见图6-23。图维生素D2和D3在人体中，维生素D主要贮存于脂肪组织和骨骼肌中，在肝、大脑、肺、脾、骨和皮肤 中也有少量。维生素D的特点是：它是一种类固醇，其作用类似于其他的类固醇激素，它是 我们已知的仅有的一种可以转化成激素的维生素； 当皮肤得到充足的紫外线照射后， 人体能 够产生并贮存一定量的维生素D。维生素D的生理功能主要与钙和磷的代谢相关，它可以影响这些矿物质的吸收和在骨组 织内的沉积。其主要作用有以下几方面： a．能促进小肠对钙、磷的吸收。 b．能促进骨质钙化和骨质溶解。 C．参与柠檬酸代谢。维生素D还可使组织中的柠檬酸水平增高，增加柠檬酸的排泄量。 d．可防止血液中氨基酸的丢失。血液中的氨基酸中含有维生素D，可防止氨基酸通过肾 脏时被损失，当维生素D缺乏时，尿中的氨基酸排出量也增高。 由于阳光照射皮肤即可在机体产生维生素D，所以其供给量受光照因素的影响，同时 还与钙、磷的供给量有关。 5. 脂溶性的维生素 维生素A、D、E、K都是脂溶性的维生素，它们不溶于水，用脂溶剂可将其和其它脂类 物质一起从动植物组织提取出来，所以它们被视为脂类物质。它们也都是由碳、氢、氧元素 组成的有着较长碳链的化合物。链上的单个烃组件通常称为异戊二烯单位。图 维生素 A、E、K 多不饱和醇维生素 A（视黄醇）存在于动物组织中，肝中贮量最丰富。维生素 A 的前 体为淡红油性色素――胡萝卜素， 是在胡萝卜等植物中发现的。 肝脏能将胡萝卜素转化成维 生素 A。缺乏维生素 A，会引起皮肤上皮和角膜疾患及夜盲症。除眼部的症状外，维生素 A 缺乏还会引起机体不同组织上皮干燥、角化、增生，指甲多纹，无光泽，头发干燥易脱落。 另外，维生素 A 缺乏时，免疫功能低下，儿童生长发育迟缓。 维生素A（视黄醇）是一种几乎无色（淡黄色）的脂溶性物，不溶于水，因此蒸煮提取时 也不损失。 但在空气中和日光下其醇、 醛、 酸形式可通过氧化而迅速破坏。 在无氧的条件下， 视黄醛对碱比较稳定。 但在酸中不稳定， 可发生脱氢或双键的重新排列。 油脂在酸败过程中， 其所含的维生素A和胡萝卜素会受到严重的破坏， 食物中的磷脂、 维生素E或其他抗氧化剂有 提高维生素A和胡萝卜素稳定性的作用。 类胡萝卜素色素呈深红色，其溶液显淡黄或橘黄色。许多水果和蔬菜都有这种颜色。食 物的色素越深， 前维生素A含量就高一些。 绿叶菜尤其是深绿菜的叶子也含丰富的前维生素A。胡萝卜素和类胡萝卜素的溶解度和稳定性与维生素A相似。烹调中胡萝卜素比较稳定，并且 食物的加工和热处理有助于提高植物细胞内胡萝卜素的释放， 提高其吸收率。 但长时间的高 温，特别是在有氧和紫外线照射的条件下，维生素A的损失有明显的增加。依我国的炒菜方 法，胡萝卜素保存率为70％～90％。维生素A在动物的肝脏、蛋类和奶类中含量较多。在植 物性食物中，可取得维生素A原，即胡萝卜素。尤其是效价较高的β胡萝卜素，这类物质存 在于深绿色的蔬菜中，也存在于胡萝卜和具有胡萝卜颜色的水果（如木瓜、南瓜等），黄色 的甜薯也有较多的含量。 维生素E又名生育酚。目前已知有四种生育酚，即α、β、γ、δ一生育酚，还有α、β、 γ、δ生育三烯酚，这其中以α-生育酚的生物活性最高。）。前四者之间的不同之处是环 状结构上的甲基的数目和位置不同； 后四者与前四者的不同之处是后四者侧链上有三个双键 而前四者则无。图 维生素 E 的结构式 这类化合物，最初是从麦胚油中分离出来的。人们知道维生素E对实验动物的正常生殖 机能和肌肉活动是不可缺少的，但是，在人类膳食中，是否必需维生素E，则迄今尚未阐明。 生育酚是有效的抗氧化剂， 在体内可以保护维生素A和胡萝卜素不被氧化和失活， 同时， 亦能防止其他脂肪不致酸败。维生素E抗氧化作用的意义在于：①防止不饱和脂肪酸受到过 氧化作用的损伤， 从而维持含不饱和脂肪酸较多的细胞膜的完整和正常功能； ②由于预防了 脂质过氧化，就消除了体内其他成分受到脂质过氧化产物（氢过氧化物，各种有机自由基） 的伤害。维生素E也能防止维生素A、维生素C的氧化，保证它们在体内的营养功能。 大剂量维生素E可以减少高压O2对机体的损害，减轻眼晶体纤维化。人的衰老与组织中脂 褐质的堆积呈直接的比例关系，缺乏维素E的动物这种色素的堆积也比正常者高。有人认为 这种色素是自由基作用的产物。一些学者认为，衰老过程是伴随着自由基对DNA及蛋白质的 破坏的积累所致。因此，维生素E等抗氧化剂，可能使衰老过程减慢，但尚未有确切的证据 证明维生素E可以延长寿命，例如有的间歇性跛行可以用大剂量维生素E使之缓解。说明对 老年人的健康可能有用。 维生素E的抗癌作用在动物试验尚未确定。但维生素E可破坏亚硝基离子，在胃中阻断亚硝 胺生成比维生素C更有效。维生素C与维生素E两者都有抗氧化作用，但维生素E为脂溶性，其 防止生物膜的脂类过氧化作用更有效。两者有协同作用，维生素C可以节约维生素E，但大剂 量维生素C作用与之相反，可以降低维生素E抗氧化能力，相应地提高维生素E需要量。 维生素K按其化学结构是一种萘醌衍生物。在缺乏维生素K时，肝细胞不能合成血浆蛋白 凝血酶原和其它一些正常凝血所需要的凝血因子， 所以表现为凝血障碍。 由于维生素K缺乏，凝血时间延长，因而可发生内出血。此外，维生素K还参与细胞氧化还原过程，是呼吸链的 成员之一。 维生素K是脂溶性维生素，一般有三种形式（图6-27）。在植物中的为K1，在动物中分离的 为维生素K2，维生素K3是人工合成产物，在体内可变为相应的维生素K。维生素K1和K2的 图 维生素K的结构式吸收与其它脂溶性维生素一样，需要胆汁、胰液，其吸收率约为摄人量的10％－70％。维生 素K的储存部位是肝，皮肤及肌肉。 人类维生素K的来源有两方面：一方面从肠道细菌合成，占50％一60％。因此人体缺少 维生素K，往往是因缺少胆汁，使肠道吸收脂溶性维生素发生障碍引起的。同时，长期服用 广谱抗菌素，会破坏肠道内合成维生素的菌群，新生婴儿，因肠道中细菌还很少，有时就会 发生维生素K缺乏症。另一方面从食物中来，占40％一50％，绿叶蔬菜含量高，其次是内脏、 肉类与奶类，水果及谷类含量低。 6. 前列腺素 前列腺素， 是在三十年代早期从人体的精液和精囊中提取出来。 而不是象其名称所指的 那样，从前列腺提取的。现在我们知道前列腺素存在于许多组织和体液中。这类激素可归类 为局部或细胞激素。有几种前列腺素都是与环戊烷环相连的多不饱和20碳脂肪酸的变体。图 前列腺素 细胞中的前列腺素， 是多不饱和脂肪酸的前体――花生四烯酸合成的。 细胞膜的磷脂成 分中，含有大量的花生四烯酸，很可能当需要时前列腺素就在细胞膜上合成。前列腺素的特 点是微量存在时就有效，但活性寿命短（注射后，被迅速分解）。前列腺素具有广泛的生理 学效用： 其中包括对子宫平滑肌的强烈收缩作用及对黄体酮分泌的抑制作用， 这些效应说明 它在分娩中能起作用。在感冒、感染时，体内会产生不需要的前列腺素，引起发热和疼痛。 此外，据研究它还具有抗癌的作用。 前列腺素还可以抑制血小板的聚集， 因此有着防止血栓的作用。 服用少量的阿司匹林也有着防止血栓的作用，但服用大剂量则会抑制前列腺素的合成，从而可能起相反作用。当血 管收缩时,人体组织就会开始生产前列腺素，它能引起发烧和炎症,作用于神经末梢,引起痛 的感觉,阿斯匹林能使大脑调节组织中前列腺素的合成,因而能退热. 5.脂类化合物的主要生理功能 1） 供给和储存能量。 2）构成组织和细胞。 3）维持体温、保护器官。 4）促进维生素吸收。 5）供给脂肪酸，调节生长功能。 4-5 碳素在生命体中的代谢和循环 一. 碳营养源 对于所有生命来说，碳不仅构成了有机体，更重要的是它还是生命的能源的提供者。对 于绿色植物来说， 二氧化碳和水就是它们的能源，只有依靠它们才能吸收太阳能，进行能 量的转换和储存。绿色植物的细胞中都含有叶绿体，叶绿体中含有许多色素，包括叶绿素、 胡萝卜素、叶黄素，这些色素都能吸收太阳光，但是在进行光合作用时，吸收和传递光能的 主要物质是叶绿素，结果就发生了以下的反应：据估计， 每年大约有1500亿吨的CO2和600亿吨的H2O被转变成1100亿吨氧气和1000亿吨有 机物，值得一提的是其中的90%是由海藻完成的。光合作用因此又叫做碳素同化作用， 有些生命体不靠叶绿素， 例如有些细菌吸收二氧化碳并不放出氧气， 它们能把二氧化碳 氧化成有机物，这便叫做碳素异化作用。 二. 碳在生物体内的循环 对于植物来说， 光合作用中放出的能量并不能完全满足植物的需要， 它们常常有控制的 氧化所储存的糖类， 放出生物化学上可以利用的能量， 动物则全部依靠这一能源转换的氧化 作用，这在生物化学上就称之为“呼吸”，为了与一般生物的呼吸空气相区别又把它叫做组 织呼吸。 生物通过呼吸从碳水化合物中获得能量的同时又产生了二氧化碳：C6H12O6+6O2 →6CO2+H2O+38ATP（腺三磷）二氧化碳既是碳营养源，又是代谢的废物，同时它还是调节者， 这就构成了碳的循环， 人体就依赖它在许多场合调节体液的PH值。 没有碳的循环，也就没有生命，生命一旦结束，碳的循环也就随即停止。 三. 糖类代谢的疾病―糖尿病 四. 脂类代谢的疾病―心血管疾病第五章生命中的主量元素（二）5-1 生命与氮 生命体里的氮主要是以氨基的形态与碳、氢、氧以及硫、磷等组成了生命的机体材料 ――蛋白质、核酸等，从而构成了细胞和组织的结构物质，与糖类、脂类化合物不同的是它 们大多是更大的生物大分子， 而其基本的结构单位就是由氨基参与组成的氨基酸， 这就是生 命中的氮元素所表现出来的一个主要特点。 蛋白质是生命的基础，任何有生命的生物，几乎都少不了蛋白质，即使象病毒，它可以 不含糖类和脂质，但却仍有着蛋白质的外衣。 所有地球上的生物都在大气下生活，而大气的 79%都是氮气，可是动植物却不能直接 吸收大气中的氮元素，主要原因还是氮分子的两个氮原子之间是以三键结合的极强的化学 键，要使它们断裂，需要每摩尔 670 千焦的能量。 动物可以通过食物来取得氮；植物只能通过吸收氨来获得氮。在土壤里有一种固氮菌， 能使空气里的氮变成氨，这就叫做氮的固定。固氮菌的作用是依靠它所含的两种独特的酶， 因而降低了反应所需的活化能。 闪电的巨大能量也能使氮变成氨并转入到土壤溶液中， 植物的根部吸收氨溶液， 把氮元 素运输到植物体内，变成氨基酸，制成植物性蛋白。动物再将植物性蛋白变成动物性蛋白。 氮有着较多的化学价， 可在生物体内参加较多的生化反应， 产生各种不同的数量极多的组成 生命的化学物质。参加生物体内氮循环的化合物有好多，除了氨之外，还有着硝酸盐和亚硝 酸盐等其它氮化合物在生物体内进行着氮的循环。 5-2 氨基酸 动物体细胞的基本组成是蛋白质，因此动物组织的蛋白质含量可达有机物质的 80%以 上。植物的结构物质是纤维素，因而蛋白质的含量较低，但在细胞核或种子里仍然含有好多 的蛋白质。蛋白质在人体的细胞中的含量仅次于水，占到细胞干重的 50%以上。 组成蛋白质的单元就是氨基酸，它是既有着氨基，又有着羧基的有机化合物。氨基-NH2 有着弱硷性，羧基-COOH 有着弱酸性，因此氨基酸可以说是两性物质，而蛋白质同样也就 具有两性，所以他们能在体液的缓冲系统中起着重要作用。 氨基酸都是无色晶体，熔点较高，易溶于水，难溶于无水乙醇、乙醚等有机溶剂。自然 界已发现的氨基酸有 180 多种（也有说是 300 多种