蒋高明的博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/蒋高明 中国科学院植物研究所研究员,从事植物生态学研究

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谈谈生命元素

已有 1796 次阅读 2019-12-4 18:00 |个人分类:环保呐喊|系统分类:科普集锦| 生命元素, 大量元素, 微量元素, 污染元素, 食物安全

谈谈生命元素

蒋高明


 (一)生命元素的组成


构成生命的基本物质是元素,这些元素以大分子的形态存在于生命体之中。构成生命基本物质的元素为生命元素。元素周期表中有103种元素,但这些元素并不都是生命所必需的。研究发现,生命必需元素28种,包括氢、 硼、碳、氮、氧、氟、钠、镁、硅、磷、 硫、氯、钾、钙、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、砷、硒、溴、钼、锡和碘。其实,硼仅是某些绿色植物和藻类生长的必需元素,而哺乳动物并不需要硼。因此,人体必需元素实际上为27种。

28种生命必需的元素中,按体内含量高低可分为大量元素(常量元素)和微量元素。大量元素指含量占生物体总质量0.01%以上的元素。如氧、碳、氢、氮、磷、硫、氯、钾、钠、钙和镁。这11种元素在人体中含量变化在0.03%~62.5%之间,合计占人体总质量的99.95%

微量元素指占生物体总质量0.01%以下的元素,如铁、硅、锌、铜、溴、锡、锰等。这些微量元素合计仅占人体总质量的0.05%左右。微量元素含量虽小,但在生命活动过程中的作用是十分重要的。在微量元素中,已被确认与人体健康和生命有关的有18种,即铁、铜、锌、钴、锰、铬、硒、、氟、钼、

生命元素中,大量元素主要分布在元素周期表中的第一、第二和第三周期,分别为第一周期的氢;第二周期的碳,氮,氧;第三周期的钠,镁,磷,硫,第四周期的钾,钙,其质量总和占生命体的99.95%以上。除第二周期的硼,第三周期的硅,微量元素主要分布在元素周期表中的第四周期,如钒,铬,锰,铁,钴,镍,铜,锌,砷,硒等。第五周期以后,基本没有元素参与生命体组成,如出现了就是污染造成的。

应当指出的是,不同生物体元素含量是不同的,如禾本科植物含硅多,海岛的鸟类排泄物中含磷多,海带中含碘多,但大量元素与微量元素的总体含量趋势是一致的。碳、氢、氧、氮、硫、磷是生命元素中比较重要的元素。构成生命元素中比较坚硬的金属元素为钙,在元素周期表中排第20位,之后出现的金属尤其重金属元素,在生物体中都是极其微量的,多则对生命构成威胁。

 

(二)  大量元素的功能

 

碳、氢、氧、氮、硫、磷  组成生物体蛋白质脂肪碳水化合物核糖核酸,提供基础结构单元,也是组成地球生命的物质基础。

钠、钾和氯  主要功能是调节体液渗透压,电解质平衡和酸碱平衡。通过钠-钾泵,将钾离子、葡萄糖和氨基酸输入细胞内部,维持核糖体的最大活性,以便有效地合成蛋白质。钾离子也是稳定细胞内酶结构的重要辅因子。同时,钠离子、钾离子还参与神经信息的传递。

钙和氟  是骨骼、牙齿和细胞壁形成时的必要结构成分(如磷灰石、碳酸钙等),钙离子还在传递激素信号,触发肌肉收缩和神经信号,诱发血液凝结和稳定蛋白质结构中起着重要的作用。

  参与体内糖代谢及呼吸酶的活性,是糖代谢和呼吸不可缺少的辅因子。既与乙酰辅酶A形成有关,还与脂肪酸的代谢有关。镁参与蛋白质合成时起催化作用;与钾离子、钙离子、钠离子协同作用共同维持肌肉神经系统的兴奋性,维持心肌正常结构和功能。在植物中,镁参与的重要生化合成过程是光合作用,在此过程中含镁的叶绿素捕获光子,并利用该能量固定二氧化碳而放出氧。


(三)  微量元素的作用

 

  主要功能是作为机体内运载氧分子的呼吸色素。哺乳动物血液中血红蛋白和肌肉组织中的肌红蛋白活性部位,都由铁(II)和卟啉组成。含铁蛋白(如细胞色素铁硫蛋白)是生物氧化还原反应中的主要电子载体,它是所有生物体能量转换反应中不可缺少的物质。

  主要功能与铁相似,起着载氧色素(如血蓝蛋白)和电子载体(如铜蓝蛋白)的作用。除此之外,铜对调节体内铁的吸收、血红蛋白的合成以及形成皮肤黑色素、影响结缔组织、弹性组织的结构和解毒作用都有关系。

  是许多酶的辅基或酶的激活剂。锌在维持维生素A的正常代谢功能及对黑暗环境的适应能力,维持正常的味觉功能和食欲,对生长发育尤其是对促进儿童的生长和智力发育具有重要的作用。

 是水解酶和呼吸酶的辅因子。没有含锰酶就不可能进行专一的代谢过程,如尿素的合成。锰也参与组建植物光合作用中光解反应中心。此外,锰还与骨骼的形成和维生素C合成有关。

  固氮酶和某些氧化还原酶的活性组分,参与氮分子的活化和黄嘌呤、硝酸盐以及亚硫酸盐代谢。阻止致癌物亚硝胺的形成,抑制食管和肾对亚硝胺的吸收,从而防止食道癌和胃癌发生。

是体内重要维生素B-12的组分。维生素B-12参与体内很多重要的生化反应,主要包括脱氧核糖核酸DNA)和血红蛋白合成、氨基酸代谢和甲基转移等。

  是胰岛激素的辅因子,也是胃蛋白酶的重要组分,还经常与核糖核酸(RNA)共存。其主要功能是调节血糖代谢,帮助维持体内所允许的正常葡萄糖含量,并和核酸脂类、胆固醇合成以及氨基酸利用有关。

钒、锡、镍  是人体有益元素。钒能降低血液中胆固醇含量;还具有胰岛素的作用,对糖尿病人有一定的好处。锡可能与蛋白质的生物合成有关。镍能促进体内铁的吸收、红细胞的增长和氨基酸合成等。

  是骨骼、软骨形成的初期阶段所必需的组分。同时,能使上皮组织和结缔组织保持必需的强度和韧性,保持皮肤机械稳定性以及血管壁通透性,还能排除机体内铝的毒害作用。

  是谷胱甘肽过氧化物酶的必要构成部分,具有保护血红蛋白免受过氧化氢和过氧化物损害的功能,同时具有抗衰老和抗癌的生理作用。

11)碘和溴  参与甲状腺素的合成。溴以有机溴化物的形式存在于人和高等动物的组织和血液中,其生物功能有待进一步确证。

12)砷  是合成血红蛋白的必需成分。

13)硼  对植物生长是必需的,尚未确证为人体必需的营养成分。


(四)污染元素

 

污染元素是指存在于生物体内,阻碍生物机体正常代谢过程,影响生理功能的微量元素。根据资料报道,人体内发现的元素有70多种,占元素周期表所有元素的67%,超出生命必需元素(28种,占27%)的40%,增加的元素是由于环境污染造成的。随着自然资源开发和现代大工业发展, 尤其工业化农业发展与工业化食物开发,环境与食物污染问题十分突出。某些元素(如汞、铅、镉等)通过大气、水源和食物等途径侵入人体,在体内积累而成为人体中的污染元素。

即使是生命必需的元素,它们在体内的含量都有一个最佳的含量范围,超过或低于这个范围,对健康产生不利影响。硒是重要的生命必需元素,成人每天摄取量以100μg左右为宜,若长期低于50μg可能引起癌症、心肌损害等;但过量摄入,又可能造成腹泻,神经官能症及缺铁性贫血等中毒反应,甚至死亡。同时,生命必需元素的存在形式对人体健康也直接有关。铁在生物体内不能以游离态存在,只有存在于特定的生物大分子(如蛋白质)包围的封闭状态之中,才能担负正常的生理功能,铁一旦成为自由铁离子就会催化过氧化反应产生过氧化氢和一些自由基,干扰细胞代谢和分裂,导致病变。 

 

(五)如何理解生命元素

 

从生命的角度如何理解生命元素呢?第一,生命元素是自然存在的,以可以被生命利用的形态进入生命体,并构成生命体的一部分;第二,这些元素可以循环利用,生命死亡了但元素不会死亡;第三,曾经构成过生命,又组成新的生命元素,或通过矿化作用直接进入新生命,或者沉睡到岩石、或游离在大气,漂流在水体中,被生命重新利用;第四,生命体仅利用了元素周期表中27%的元素组成生命体,多余的是环境污染造成的,过量增加的元素尤其重金属元素会造成癌症等恶性疾病发生。

生命元素来自大自然,大都是通过生物合成作用,即以有机体的形态出现的。最初对有机物的定义,就是生命有机体合成的物质,后来人类能够合成尿素等有机物之后,有机物才扩大了范围。有机物原意是来自生物体的物质,因为早期发现的有机物都是从生物体内分离出来的。健康的有机物,或多样性的自然食物,含有构成生命的主要元素,不需要人工合成也能够满足正常需求,且是安全的。个别缺素现象,如缺碘、缺硒等,可以通过食物获取,而非药物。

对于农业来言,那些天然有机物中存在的元素是最好的生命元素。人工合成的化合物,尽管取材来自自然界,但经历的不是生命过程,没有参与过生命合成,而是高温高压有催化剂参与的非生命过程,要么不能降解,有么对环境有害,对生物有害,这些物质如农药、地膜、激素、防腐剂、添加剂等等。围绕人类食物链,人类发明了5万多种化学物质,这些物质中的元素大多没有经历过生命过程。如重金属也是以微量元素名义,添加到动物饲料中去的,动物排泄物中增加的重金属会污染土地,进而污染食物,造成了人体中出现了非预期的元素。

要获得健康的食物和健康的身体,人类最好大量使用自然的生命元素,尽可能少地使用非生命元素。



 




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