生命必要元素

发布时间：81年04月28日

Vlado Valkovic 编译薛祉纶钱和生

摘要

元素的宇宙丰度分布图型，可以用星球里发生的已知核反应途径来解释。H、C、N、O、Na、Mg、P、S、Cl、K和Ca，这十一种原子量很轻d 元素构成生命物质的大部分组分。它们属于周期表中原子序数最低的20个元素，同时也是宇宙中最丰富的元素。生命非必要的轻元素，除了惰性气体之外，就是Li、Be、B（硼对某些植物是必需的）和Al。另外许多元素也确认是必要的，例如F、Si. V. Cr、Mn、Fe. Co、Ni Cu Zn Se. Mo、Sn'和I，对温血动物是必需的。大部分必要的微量元素是d轨道未填满的过渡族金属。原子序数大于碘（I=53）的39个元素，已经表明没有任何生理学上作用。

发生在远古时代的海洋微生物灭绝一事中，微量元素可能起了重要作用。有明显证据表明，大量动物群灭绝与地球磁极颠倒存在着伴随关系。我们提出了一种机理，用它可以解释地磁场对物种灭绝的影响。同时也认为生命必要的微量元素的浓集因子与磁场有关。

引言

有关生命必要元素的起因，以及在植物期以前生命可能发生的起因，都可以从周期表里必要元素的分布中得到某些线索。生命体化学应该经受得住类似原始时代化学环境，这种假定是合理的。一种生物体不会使其本身取决于一种稀有元素而存在，只要更丰富的元素能起同样作用，就可取而代之。

显而易见，只有存在某元素，才能对该元素的基础代谢进行研究。为何选择一种特定元素来研究基础生化作用，其理由可反证如下，未选中的元素，是因为它在环境中丰度太低，这就是说或者该元素绝对量太低，或者相比另一种能起同样作用的元素而言，含量过低。

为了满足代谢作用，一个元素必须有适当的性质，例如离子电荷或氧化还原电位。完成一个给定的代谢作用的元素，或者是周期表里具有执行这种作用的唯一元素，或者是在生命进化起源或发展过程中，通过对更丰富的元素专一性（分子亲和力）适应的增加，在两个或更多元素之间作出选择。

生物元素可以分成二个组，第一组由C、N和O组成，在周期表中占有独特地位，没有其它元素，即使是与之相关的元素也不能取代它们。第二组是由性质与某一个元素或者许多元素密切相似的元素组成，这样，一个就可以用作另一个元素的示踪剂，例如Rb和K. 很明显，丰度会以不同方式影响这二组元素的功用。

某些学者持这种见解，即原始条件时，生物体使用比目前更多的元素，甚至可能普及整个周期表。在很古或近代，通过自然选择，其数目减少。

我们认为必要元素的分布反映了原始时代化学环境的条件。必要微量元素的浓集因子与某些物理参数的关系，是作出这种必要性选择条件的指针。为了生存，陆上动物不仅必须会保存必要元素，而且会排斥可能是有毒的过量元素，这是由于敏感的体内平衡机理已经得到发展——这种机理使生物进化过程继续下去。

某些元素的作用和化学性质迄今还不了解，但是却是必要的。这个领域的进展是与微量元素分析的现代发展休戚相关，因此在不久也可能发现另外一些必要的微量元素。

元素起源

宇宙中物质起源与化学元素及其丰度的起源是相关的课题。有关宇宙的知识，人类是基于对许多遥远的银河，以某种速度，正远离我们的银河的观察而得到的。我们生活在一个不断膨胀的宇宙里，有好几种宇宙理论解释这一点。“大爆炸宇宙论”认为，宇宙是起源于简单的突然爆炸，这种理论引起争论最少。自从发现同位素微波本底辐射以来，该理论普遍被接受了。据信元素的合成是发生在星球里，而开始时仅只有¹H组分。

一切始于H的燃烧（或称质子 - 质子链），其实是一系列核反应结果的产物。

4¹He→⁴He＋能量

四个氢原子结合成一个氦原子，释放出大概4.2×10^-12焦耳能量。在星球热的中心区，氢原子转化成氦原子过程中，耗去星球大部分的能量。许多以质子-质子链进行的重要核反应结果如下：

¹H＋¹H→²H＋e⁺＋V

¹H＋²H→³He＋Y

³He＋³He→¹H＋¹H＋⁴He

³He＋⁴He→⁷Be＋Y

⁷Be＋¹H→⁸B＋Y

⁸B→⁸Be*＋e^-＋V→⁴He＋⁴He

或者：

⁷Be＋e^-→V＋⁷L

⁷L＋¹H→⁴He＋⁴He

在质子-质子链中，不生成⁶Li、⁷Li、⁸Be、¹⁰B和¹¹B同位素。据信太阳正在燃尽氢。但是当质量与太阳相同的星球，只有10%氢原子生成⁴He，那么热压还不够大，因此引力成为占支配地位的因素。引力收缩结果，使得星球半径变小，密度变大。这导致了温度增加，伴之速度或粒子的增加。这是较重元素生成的开始，其过程称为He燃烧。在一系列核反应过程中，生成了直至Ti的许多较重的元素和同位素，其中包括C、O、Ne、Mg、Si、S、Ar和其它元素。

当所有可用能量耗尽时，也就是大部分稳定核在Fe附近时（Fe是最稳定的核），这个燃烧-收缩循环就结束。换言之，假如原始仅由H组成的星球达到稳定的话，它将生成一个铁的核心。铁核越变越大，铁组元素的进一步加热也不会再产生新的同位素。

星球不能维持永久不变，它通过电磁辐射和粒子辐射损失其能量。最后引力收缩会克服所有其它力。经10⁶到10¹⁰年的缓慢收缩，星球就死亡。最通常的方法是通过核爆使其崩溃。大多数元素的天然丰度大概是在星球爆炸崩溃时最终几秒里被确定的。在高温爆炸时，核反应发生如此猛烈，以致整个星球的组成改变了。所有物质以尘埃形式抛入星际空间。有时，许多这样爆炸的残余物会形成气体云，它是生成新星球的核心。按照目前理论，星球是通过引力崩溃而毁灭的。

元素的丰度

除了地球、月球和陨石之外，至少还可以得到太阳系里太阳和其它行星，包括外部银河系的一些气体星云，星球间空间和宇宙射线的某些元素丰度。在这些宇宙部分，发现H（¹H和²H同位素）和He（³He和⁴He同位素）的元素丰度比所有其它元素总和还多得多。关于宇宙组分的数据有某些不对靠程度，例如地球的平均组成完全由地壳下面的物质测定而得。而地壳丰度不代表太阳系的原始组成。

在石陨石中，最重要的一种_是球粒陨石。有些人认为这些物体为我们提供了极好的样品，它们可以代表太阳系非挥发性物质的组成。太阳表面也认为是相当好代表太阳系原始组成。

在石陨石中，最重要的一种类型是球粒陨石有些人认为这些物体为我们提供了极好的样品，它们可以代表太阳系非挥发性物质的组成。太阳表面也认为是相当好代表太阳系原始组成。

从光谱观察到的数据，可知大部分星球组分与太阳组分相当接近。但是光谱测量仅仅给出星球表面的资料，而星球内部的组分可能有差异。

轻元素丰度分布中，Li、Be和B显然有极低值。这可以从H燃烧中核反应性质中得到一些解释。因为在这过程中，无Li、Be和B核生成。由：He燃烧结果而生成的下一个核是¹²C.另一个具有极低值的元素是钪。后面将会叙述到这些元素是生命不必要的，除了硼对植物必要之外。近地球的宇宙射线中元素的相对丰度不出现这些极低值。据认为不同的散裂过程产生了这四个丰度低的元素。对Li-Be-B低谷的出现，这可能得到解释；但是对Sc附近区域的核素，这种解释尚未接受。

陨石中微量元素含量，以及各个元素的同位素组成，虽然代表了自然界元素的相对比例。太阳和陨石的元素组成相当一致。只有二个例外，太阳里铁低3 ~ 4个数量级，陨石里铟（In）是低的，其含量不规则。

一个特定原子核的丰度取决于它固有的稳定性、结合能，也取决于生成该原子核的核反应的效率。

导致生成太阳、太阳星云以及由太阳星云生成行星的步骤是：（1）星球间气体云的引力不稳定性开始，（2）气体云以自由下降和碎成小块而崩溃。

地球行星

地球虽已有4.5×10⁹年历史，但至今未达到化学平衡。地核主要由Fe和百分之几的Ni组成，平均密度10⁴kg/m³。它具有大约31.4%的地球质量。地幔可能是由与夏威夷火山的熔岩类似的物质组成，主要为硅酸镁，密度5×10³kg/m³，地幔的质量约占地球总量的68.1%。地壳只占地球半径0.08%的最外一层。

在液体岩浆冷却过程中，生成火成岩的物质结晶出来。随着时间流逝，火成岩由于物理、化学和生物过程而遭到缓慢破坏。沉积层只占岩石圈的5%，而火成岩占95%。三种主要类型的沉积岩的地球化学数据测得的相对组分范围为：70 ~ 83%页岩，8 ~ 16%沙岩，5 ~ 14%石灰石。

海水的元素组成是特别感兴趣的。原生时代的地球，在海洋和大气中可能已经发生某些元素的丰度变化。现在元素的浓度可能不像远古时代的地球那样，显然情况是复杂的。多次侵蚀和沉积循环，海洋就不断变更，据认为这二种过程达必威在线网站首页网址平衡至少已有0.5×10⁹年，这样海洋组成也维持同样长的时间。

估计海洋的存在已有约7.7×10⁹年。关于海洋的起源，有二种可以接受的理论。一种认为水是结晶岩石早期释放出来的；另一种认为整个地质年代，水不断释放出来。海洋的多数性质和变化过程，某种方式上讲是涉及到它们的化学组分。大量元素存在于海洋里，它们浓度变化可达14个数量级之差。原子序数比钙大，而且浓度大于1 ppm的元素仅有Br和Sr。作为必要微量元素存在于生物体的金属离子浓度为10^-3ppm大小。海水中微量元素确切的存在形式尚不清楚。要提及一点，那就是许多元素在海水里浓度是变化的。某些元素（Ag、Lo、Ni）显示出明显的地区性变化，而有些元素（Rb、Cs、Mo）的浓度是恒定的。影响浓度的一些最重要因素是：海水深度，是否接近大陆，浮游生物作用和是否接近分界面。海水上面空气和底部沉积物是两个最重要的分界面。

生命有机体的元素组成

生命细胞一个最重要特征是它们有能力从存在浓度梯度的溶液中摄取元素。直接从海水中获得营养物的海洋微生物这种作用特别明显。浓集因子定义为：

从环境中摄取元素取决于许多因素，例如植物从土壤中摄取元素取决于：岩石圈里元素丰度，元素存在形式，土壤pH值，土壤的物理条件（耕种深度、温度、湿度）和植物的遗传组织。

人和高等动物，为了摄取不足量的元素，排斥过多量的元素，已有体内平衡机制（在肠和肾）。摄入的营养物中只有一部分被人和动物在代谢过程中吸收和利用。消化途径中的许多因素可以影响到许多元素的吸收，其相互作用是很复杂的。一个非常重要的因素是元素之间彼此间的相对浓度。似乎不同离子可能按照周样代谢过程通过肠膜。

浮游生物和海藻对某些元素的浓集因子高达60,000。生物体可以浓集它们生存环境中所有的元素。随着实验技术的改进，有可能发现生物体组织和液体里所有元素。人们关心的是其中多少种元素是生命必需的。显然：某些元素仅是环境沾染而得的，反映了生物体与环境的接触情况。

构成活体大部分元素是容易检测得到的，长期以来人们就认为它们是生命必要的元素。其它一些元素只少量存在于生命组织里，长期来未能精确测得其浓度，为之我们常称之为微量元素。一个元素要成为生命必要元素的标准是：（1）存在于活体动物的所有健康组织里；（2）应有适当的恒定浓度；（3）缺乏这种元素会引起所有动物中同种结构异常；（4）补充这种元素后会逆转上述结构异常过程；（5）缺乏这种元素引起的异常往往伴随着特殊的生化变化，若不缺乏后，这种变化就可避免。

生物体中元素适宜浓度范围很狭。与所需量相比，稍微缺少一些，就会引起各种异常现象，并伴随着引起相关的特殊生化变化；浓度过高就会导致有毒。植物中严重缺乏所需元素时，元素浓度的下降会引起生长缓慢，该现象称为Steenbjerg效应。因此适宜浓度是很狭窄的。

H、C、O，Na、Mg、P、S、Cl、K和Ca元素组成大部分活体组织。F、Si、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Mo、Sn和I是温血动物必要的微量元素。考虑到这些元素在动物里成为有益或有毒的浓度范围相当狭窄，因此确立人类需要标准是特别重要的。现在只知道几个必要微量元素对人类的有毒量，如Co（490 mg），和I（1000 mg）。人类对必要微量元素的每日需求量了解得比较清楚。

随着人的生长，人体中所有必要微量元素也增加，然后在整个生命中保持恒定。不吸收的元素进入肝，有时进入胰腺，就Cr、Mg、Cu、Zn而言，大部分以胆汁排泄进入肠子。尿是排泄Co和Mo的基本途径。若大量出汗时，可发现有Co和Mo存在。若过分出汗，也会发生血清中损失大量元素，例如Fe和Zn。头发不是排泄这些元素的重要途径。

大多数微量元素主要作为具有活力作用蛋白质酶系统的关键组分。金属与酶紧密结合在一起称为金属酶，金属往往是深深嵌入蛋白质结构里。假如金属原子被除去，蛋白质通常要失去作为酶作用的能力。正如几个研究小组指出的，由于量元素缺乏或过量引起的动物许多临床和病理性疾病，不可能用生化和酶知识来解释。这就启示了，或者存在着许多至今尚未发现的具有重大代谢意义的、与微量元素有关的酶，或者这些元素参与了组织中其它化合物的活性。

微量金属元素有催化各种化学反应的能力。当一个金属与合适的有机受体相结合，金属的催化作用就可能得到剧增。在酶活性中心，金属也能以纯粹的物理存在来影响酶的活性。Wacker和Vallee指出核酸中存在着金属。假如这些金属，通过类似于二硫化物桥来稳定第二级螺旋结构，对核酸的构型施加控制，那么必须考虑这些金属在蛋白质合成和遗传信息传递中所起的作用。过渡元素的化学性质反映了d电子的数目。基于d电子数目，预见二价Zn会干扰Cu的代谢，因为Zn和Cu有相似的化学性质。同样道理，Hg不会干扰Cu和Zn的代谢，二价Ag会干扰Cu代谢，但不会影响Zn的代谢。

生物体对元素需要的起因

多次探讨过海水中元素浓度对生物体最初需要的元素所起的决定性作用。认为海洋与沉积物和大气处于必威在线网站首页网址平衡的稳定状态。经常认为生物的组分代表了海洋的组分，但可得到不同的结论，Li、Br、Sr、Rb和其它一些高浓的非必要元素就是例证。海洋里必要微量元素已被大量耗尽，未能满足植物或动物的要求。除此，C和N含量比起生命物质与宇宙丰度要低得多。

现要提出的问题是：（1）哪种环境可与生命组织的组分相比较，回答是要用生命组织与之有过密切接触的环境；（2）哪种生物体用于这种研究，最适当的生物体似乎是十分简单的海藻。

结果与预见的恰好相反，元素宇宙丰度与周期表内必要元素分布是非常一致的。必要元素是最丰富的元素，而必要微量元素差不多围绕着Fe—起组成第二个峰，这也是核内核子结合能最大区域，宇宙丰度曲线中该峰的出现也是这个原因。显然一种元素的丰度不是决定生物作用的唯一因素。就卟啉为例，可以来说明海水中溶解度的影响。

好几个研究者讨论过，在进化过程中，在卟啉环里，选择适当的中心金属原子的影响因素。Si和Ti的化合物在水中不溶，这可排除这些金属结合进入卟啉络合物。Na、K和Ca与卟啉络合物在水介质中是水解的。只有Mg和Fe的络合物很稳定，在进化过程中保持不变。这些络合物中，在垂直于卟啉环平面上，有着辅助的配位空缺，这样能够与反应分子，例如蛋白质相结合。在石油中发现V和Fe的卟啉，它们可能是由于叶绿素降解和中心Mg原子被取代而生成的。

假如我们接受这种观点，即生物体的化学组成，某种程度上必定反映其进化与之相关的环境的组分，那么生物体里存在着地球上极端稀少的元素这种情况可能表明生命起源于地球之外。几年前，由于Mo丰度的争论，又重新提出这种观点。

生物发生说观点补充了遗传密码普遍性的论据。还有一种可能，在地球生成之前而宇宙已经开始了的一段时间，在银河的其它地方就存在了技术社会。持生物发生说观点的人认为，生命的原始形式是通过另外星球上技术先进的社会故意移植在地球上的。

偏光性是一个密切有关的问题。从不旋光物质开始，实验室合成出1：1的L-和D-同分异构体混合物。然而在生物体里的蛋白质仅发现L-氨基酸。这就需要提出一个问题，可能在环境中就已经存在影响选择的某些不对称因素。有几个例证，包括（1）偏振光，（2）旋光性石英，（3）天然放射性。

另有一种解释认为生命起源于放射性环境。β放射性纵向极化的结果，使β射线产生圆偏振的轫致辐射。这种辐射认为是优先破坏D-同分异构体。但是某些最近实验不支持这种假设。

假定氨基酸可能在星际空间里的尘埃粒子上合成，那么观察到的旋光性可能是宇宙射线轰击的结果。由于在质子（宇宙射线）- 质子（氨基酸）散射中大的对称，宇宙射线中极化的高能质子可能是优先破坏一种同分异构体。

星际尘埃似乎在星际分子生成中起了决定性作用。分子可在颗粒表面或里面生成。在星际空间已经观察到许多分子。Johnson报道过曾观察到星际卟啉（MgC₄₆H₃₀N₆分子）。星际分子的存在认为是：（1）这些分子支持或者就是星际生物群的代谢产物，（2）这些分子参与了由星际物质的行星凝聚，可能对行星生命起源作出有意义的贡献。

地磁场的作用

大约三分之一生物种类在接近白垩纪时被消灭。在经历了长时间正常磁场活动之后，在接近白垩纪时又发生地球磁场的极性颠倒。有明显证据表明，大量动物群灭绝与地球磁极颠倒存在伴随关系。在最近地质年代，这种关系的合理性似乎通过单细胞海洋微生物的化石标本研究得到确立。

已经提出几种机理来解释地磁场对生物体的影响。多数基于这样假定：在极性颠倒时、地磁场的两极分力可能削弱或消失几千年，这样就让强得多的太阳质子和银河宇宙射线轰击地球表面。其它机理包括气候变化，引起大气中臭氧量大量减少，这样会增加紫外线辐射的照射。也已经探讨进地磁场直接对生长的影响。

最近提出地磁场可能影响物种灭绝的机理。为了解释地磁场对生物体影响，假定了浓集因子与地磁场强度的关系。在磁极性颠倒时地磁场强度降低一个数量级。在这段时期，物种受到H₁磁场强度的影响。假如生物体生活在供给它们元素的环境里，当地球磁场为H₀时，它们处在适宜生存的范围。由于假定浓集因子与磁场强度有关，当磁场为H₁时，生物体可能处在缺乏或有毒范围里。几代长期处于缺乏或有毒环境，就可能导致灾难性影响，甚至包括物种的灭绝。只要缺乏或过量一或二个以上必要元素，这种情况就会发生。毋需改变环境中微量元素的效力，磁场对浓集因子的影响就可将生物体带入缺乏或有毒范围。可以想象一下，一个物种生活在这样一种环境，这种环境提供的某种必要微量元素处在适宜范围的边缘。在这种情况时，仅仅发生小小扰动就会引起不适当的提供必要微量元素，从而造成生物进化的异常。

以前实验报道了所用的生物体是呼吸不全的析状细菌M的突变体，另外它还丧失了作为菌丝体生长的能力。相反，它以球状细胞存在，仅当在酒精发酵条件下它繁殖生长。突变体对温度是灵敏的（30℃死亡），对强烈机械震荡也是灵敏的。在确定的培养基里，它的生长相当缓慢。

在实验中，培养物是在包含14毫升培养基的圆底烧瓶，并在室温进行培养。每只烧瓶用以接种，使得有10³个细胞/毫升。六只烧瓶置于圆筒形线圈内，它们的磁场在整个生长活性区是很均匀的。另外六只用作对照组。每天通过测定细胞悬浮液的浑浊度来监测细胞数生长。经过7~10天，当细胞数目达到饱和时，细胞就被收集。

微量元素甩质子激发X射线发射光谱来分析，靶子用3 MeV质子束辐照，用Si（Li）探测器测量特征X射线。本方法已有详细叙述。所有必要微量元素可以同时测定。

Mn/Zn和Cu/Zn所测得的数据表明在微生物里，它们的浓度之比可能是与磁场强度有关的。Mn/Zn和，Cu/Zn之比，二者都随着磁场强度增加而降低（Mn/Zn降低5%，Cu/Zn降低13%）。然而这种降低仍在实验误差之内。为了核对本结果，进行了另一次测量。虽然Cu/Zn浓度之比绝对值稍高于先前实验，但是Cu/Zn之比趋势与第一次实验相同：随着磁场强度增加，其值降低。类似但不很确定的结论也对Mn/Zn和Fe/Zn浓度之比有效。Ni/Zn浓度比，当磁场强度增大时未呈现降低趋势。