综上所述,生命在其长期进化的过程中,选择了一系列的化学元素为生命所用,这些元素最终就构成了生命元素。那么,对于生命元素又该如何来定义它呢?很显然,生命元素即是构成生物的不可缺少的元素或者说是生物中的必需元素。
以人体为例,人体中约含有60多种元素,但它们并不全都是生命元素。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70千克,由60千克软组织另加10千克骨骼所组成的人,其具体组成见表3-2。从表中可以看出:人体中含量占前十二位的元素有氧、碳、氢、氮、钙、磷、硫、钾、钠、氯、镁、硅。与在这以前的一些研究所发表的数据相比,硅的含量有了变化,它已成了人体中含量较高的微量元素(比铁的含量要高,但以前有一些文献说是硅比铁要低)。有关人体中化学元素组成的数据在不同的文献中是有着一定的差异的。
表3-3还指出了生物体内的元素组成中还有着相对的不变和可变组分。
表3-2 “参比人”(70千克)的化学组成
表3-3 生物体内的元素组成(%)
续 表
根据人体中元素的百分含量以及国际科学机构的专家对它们的研究,我们大致可以将它们分为以下几类。
第一类,必需的宏量元素。它们是氧(61.0%)、碳(23.0%)、氢(10%)、氮(2.6%)、钙(1.4%)、磷(1.0%)、钾(0.20%)、硫(0.20%)、钠(0.14%)、氯(0.12%)、镁(0.027%)。
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,Si,Ni,B,V。
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。它们是:F,Pb,Cd,Hg,As,Al,Li,Sn。
第五类,非必需和未确定的元素。它们是:Rb,Sb,Be,Bi,Ga,In,Tl,Te等。
1973年,世界卫生组织(WHO)专家委员会明确确定了14种“必需微量元素”,即是以上的第二、第三类元素再加上F(氟)。
1990年,联合国粮农组织(FAO)、国际原子能机构(IAEA)和世界卫生组织(WHO)联合专家委员会根据最新的研究成果,对“必需微量元素”又重新进行了审定。联合专家委员会规定,在人体组织中的浓度小于250微克/克的元素为微量元素,并将它们归为3类:第Ⅰ类为人体必需的微量元素,有铁、碘、锌、硒、铜、钼、铬、钴8种;第Ⅱ类为人体可能必需的微量元素,有锰、硅、镍、硼、钒5种;第Ⅲ类是具有潜在毒性,但在低剂量时对人体可能是必需的元素,包括氟、铅、镉、汞、砷、铝、锂、锡8种。特别值得注意的是原本认为是必需微量元素的氟,这一次归
从元素周期表来看(见图3-6),在生命体元素中12种非金属元素(H,C,N,O,P,S,F,Cl,I,Si,Se,B),除H外都集中在元素周期表p区右上角,而13种金属元素在周期表中有两个主要密集区:一是ⅠA,ⅡA族的K,Na,Ca,Mg四金属,它们是常量元素;二是第一过渡系,它们是微量元素,是金属蛋白和金属酶的重要结构成分。
可以看出,构成生物体(动物)的11种必需主量元素均位于元素周期表前20个主族元素之内,在地壳中丰度都比较大。其余的9个元素中,氦、氖、氩是由于化学性质的惰性;锂和铍则因为在元素进化中的特殊原因而含量很低;硅和氟(氟还被认为具有潜在的毒性)是必需的微量元素;硼是植物所必需的元素;独独只有在地壳中有着巨大含量的铝在生物体中竟无重要角色可演。
同样,在地壳中含量很丰富的硅,早期也曾被认为不是人体必需元素,而现在已发现硅是唯一抗人体结构老化的必需微量元素,参与体内结缔组织的发育和修入了“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。
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。
从以上的分类中可以看出:人体组织中的元素的第一、第二、第三类为必需的生命元素,第四类则是辅助营养及可能有益的生命元素。对植物而言,生命元素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:有20~30种元素在生物体组织中普遍存在,浓度和生理作用均不确定。但第四、第五类元素,如浓度达到一定数量,就成了污染元素(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不同生物体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。同时,还要指出的是将微量元素分为必需与非必需,有毒或无害,只有相对的意义,因为即使是必需微量元素,在高浓度时,也极有可能是有害或有毒的。而且这样的划分也只是人类不同阶段认识程度的反映,随着对微量元素研究的深入,相信以后一定会发现一些非必需元素以及有害元素也具有重要的生物学功能,甚至可能是必需元素。复。而铝却并没有因为在地壳中含量高而在生命中有所贡献。这也许是出于它的氧化能力太强,不易被还原的缘故。
图3-6 生命元素在元素周期表中的位置分布
在植物和动物之间,生命元素是有着一定区别的。一般认为高等植物必需的宏量元素有6种——氮、硫、磷、钾、钙、镁;必需的微量元素有8种——铁、锰、锌、铜、硼、氯、钼、镍,另外钠和硅也为有些高等植物所必需。
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