生命中的化学元素 - 复旦大学通识教育课(6)

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） 也不会被选择。

3.基本适宜规则

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） 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” 指：

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，

也有一些文献报道说是比铁要低）

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， 即使象病毒这样极小的生命体，

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） 调节生理活动（激素）

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，

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，

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， 的含量。

+

+

2+

2+

-

2-

-

3-

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，

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，

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，

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，

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，

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 …… 此处隐藏：3472字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……