生命体中都有哪些元素？这些元素对于构成生命系统有哪些意义？
当然是很奇妙的，除了四大元素碳氢氧氮之外，我只讲一些不常见元素在生命体内的作用吧。 一、氟 最主要存在我们的牙齿和骨骼里，占据了人体内所有氟的90%，这是因为氟可以帮助我们的骨质更加紧密。 居住在我国云南、贵州、山西、陕西、河南等地区的人，有不少人的牙上有很多棕色的斑迹，粗看起来就像是小花点，当地人把这叫做“花斑牙”。原来，这些地区的饮水中含氟的矿物质成分较高，过多的氟影响了牙齿的结构，使牙齿局部变色，医学上把这称为“氟斑牙”。 【氟斑牙的形态，可不是因为他们不爱刷牙哦。】  这些生氟斑牙的人虽然外观欠佳，却有一个非常好的优点，他们非常不容易得龋齿。原来，氟在牙齿中可以起到抗菌、抗酸、抗酶的作用。那么是不是氟斑牙越严重就越不容易生蛀牙呢？倒也不是，如果含氟量过高，牙釉质在发育期间遭到严重影响，这种牙齿的结构疏松，也难免会生蛀牙。 在高氟地区，如果人们长期饮用含氟量高的水，会造成慢性中毒，甚至引起“氟骨症”，得这种病的人会腰腿关节疼痛、关节僵直、骨骼变形等等。 【高氟地区的氟骨症患者，关节和骨骼已经变形，任何事物都是两面的，氟多了也没有好处。】  因为这个原因，一些商家推出了“含氟牙膏”，号称可以治蛀牙。其实，在低氟地区，用一些“含氟牙膏”是没有问题的，但是不要期望效果会有多大，因为本身我们每天的食物里就有微量的氟啊，你可不要指望使用了“含氟牙膏”之后，就能得到心仪已久的花斑牙啊。 如果本身你就在高氟地区了，那可要真的要注意了，因为长期过量摄入氟会极大可能引起“氟骨症”。 另外，即使你在低氟地区，也要尽量避免让儿童使用含氟牙膏，因为儿童吞咽功能不健全，刷牙也不够熟练，牙缝里常常会残留较多牙膏，甚至会把漱口水咽进肚里，如果长期使用含氟牙膏，将会导致体内氟摄入量增加，千万不能因小失大哦。 【含氟牙膏需要慎用。】  二、镁 叶绿体是光合作用的场所，叶绿体中主要有四种色素：两种叶绿素和两种类胡萝卜素，其中叶绿素最多，所以大多数树叶都体现出绿色。叶绿素分子也不是什么太复杂的结构，它由两部分组成：一部分是一个很长的脂肪烃侧链，另一端的核心部分是一个卟啉环，这个卟啉环的中央是一个镁原子。 原来，捕捉太阳能量的核心部件竟然是镁元素。 【叶绿素a的结构，绿色的是卟啉环中央的镁原子。】  最早发现镁元素是叶绿素核心的是德国生物学家韦尔斯泰特，这是第一次发现镁元素在生物体内发挥重要作用。韦尔斯泰特还总结出了叶绿素的经验公式，他因为对叶绿素的研究获得了1915年诺贝尔化学奖。 【1915年诺贝尔化学奖得主：韦尔斯泰特。】  科学家继续研究发现，镁元素在生物体内发挥的作用远不止于此。 话说美国生物学家麦科勒姆被誉为“维生素先生”，因为他发现了维生素A、B、D，他还建立了第一个庞大的“老鼠殖民地”，用于营养学研究，这让他饱受争议。 20世纪30年代初，他用老鼠和狗做实验，系统地观察了镁缺乏的反应。1934年他首次发表了人体发生镁缺乏的临床报道，证实了镁是人体的必需元素。 他对纽约时报的记者说到：“我们已经证实镁元素在人类食谱中非常重要，但只需要微小的数量，如果服用过多的镁元素会导致四肢乏力。我想说的是，离开了镁元素你不会有好的心情，但也没有证据表明你多吃一点会让你心情更好。” 【“维生素先生”麦科勒姆还在大学的小鲜肉期间。】  原来，镁离子是生物机体中含量较多的一种正离子，其量在整体中仅次于钙、钠、钾而居第四位；镁离子在细胞内的含量则仅次于钾离子而居第二位。 镁离子在生物体内的最重要之处在于它与ATP中磷酸的亲和性，而这正是每个细胞中的核酸化学反应的基础。大约有300种酶需要镁离子作为催化剂，这其中包括合成ATP和ATP释放能量的酶，还有核苷酸合成DNA和RNA的酶。把细胞放在显微镜下，找到了镁离子螯合物，基本上也就找到了ATP。 【镁离子被ATP中磷酸的氧原子的孤对电子螯合了。】  所以，镁元素对人体很重要，人的骨骼、心脏、肌肉、肠胃、神经系统都需要镁元素。如果缺乏镁元素，容易引起情绪不安、易激动、手足抽搐、反射亢进等症状。 【镁元素对人体的作用。】  一般来说我们不用过度重视去补充镁，植物体成熟以后，镁元素会富积在它们的种子里。所以，只要多吃一点植物的种子，比如谷物、豆类、瓜子和坚果，就可以了。另外，青叶蔬菜、香蕉中的镁也比较多。 【补充镁元素的食谱。】  三、钾、钠 动物体内的钠钾元素的总量差不多，却分布在不同的地方。30%的钠分布在骨骼里，其余大多数都在细胞外的组织液里。钠离子是体液电解质平衡的关键，它不仅帮助调节体液的量和酸碱度，并且参与传递神经信号，促进肌肉收缩。理解这一点很容易，如果你不小心皮肤上破了一个伤口，往上面撒点盐试试？ 说到这里，是不是可以明白植物体内的钠比较少的原因，陆地上的植物不需要移动，也就不需要肌肉，自然也就不需要过多的钠离子了。这也是盐碱地上很难种植粮食的原因所在，还记得罗马人在灭亡迦太基之后往土地上撒盐的故事吗？ 【汉尼拔的坎尼会战是最后一次对罗马的威胁。第三次布匿战争之后，罗马人用撒盐的方法“重创”了迦太基的土地，从此以后，迦太基再也无力对抗罗马。】  海洋性生物自身浸泡在富含钠离子的海水中，自然不缺乏钠离子。而当陆地动物登陆之后，在陆地植物里无法获得更多的钠，就千方百计到处去找钠的来源。在漫长的进化历程中，对钠元素的渴求让我们进化出了“咸味”的味觉，“酸甜苦辣咸”五味，咸是五味之首。我们经常看到一些草食动物舔食咸的石头，这是它们在补钠呢。 【小鹿在舔“咸味”的岩石。】  相对于草食动物，肉食动物可以通过捕食草食动物而从肉、血中获得足够的钠。人类进入农业文明之后，以谷物为主食，则必须要在食物中加入钠盐来维护自己体内的需求。到了现代，家畜大规模驯养，制盐效率提升，让我们的膳食结构又发生了变化。肉和盐的供应多了，而我们体内“嗜咸”、“嗜肉”的基因却不会因此而改变，有人估计，现代人每天摄入的钠盐比原始人多了十倍。 为了保持体液的浓度稳定，钠过多时身体会留存更多的水分，这意味着各种组织（比如血管）会承受更大的液体压力。有人提出，高血压人群的不断上升，跟人们摄入过多的钠是相关的。 【盐吃多了会导致高血压。】  人们又开始注意到钠的哥哥——钾在人体内的作用。跟弟弟钠离子相反，哥哥钾离子却主要分布在细胞内液中。钾和钠在人体内很多功能都是相对应的，比如：钠会让平滑肌收缩，钾会让它们放松；钠会促进肾脏排出钙，而钾会减少钙的尿出，等等。 1957年，丹麦科学家斯科在做助教的时候对这两兄弟在人体中的作用展开了研究，他发现钾钠离子之所以主要分布于细胞内外，是因为细胞膜上存在一种特殊的“泵”。细胞膜上的很多载体蛋白像工人一样每时每刻劳作着，每两个“工人”消耗一个ATP，将三个钠离子从细胞内“泵”到细胞外液，又将外面的两个钾离子“泵”进细胞内。这个过程叫“主动转运”，这个特殊的“泵”就叫做“钠钾泵”，就是这个“钠钾泵”保持了细胞内外的钾钠离子平衡。 【“钠钾泵”的机理。】  斯科的这个发现意义重大，他因此获得了1997年诺贝尔化学奖。 【1997年诺贝尔化学奖得主：丹麦人斯科。】  四、钙 这个大家都了解的比较多了，我就不多说了。详细的可以查阅最后的参考资料。  五、铁 血的味道尝上去既不好也不坏，有人会认为血液有一些金属的味道，这是对的，18世纪，意大利医学家Menghini研究血液的残渣，发现这些血渣竟然可以被磁铁吸引，也就是说血液里面竟然有铁。 【Menghini就是用这样的磁铁去吸引血渣，发现血液里有铁。】  在《氧》那一章里，我们已经提到拉瓦锡发现静脉血和动脉血颜色的不同，实际是因为其中的含氧量不同，也就是说血液里有能够输送氧气的物质。 1825年，恩格哈尔德研究了血液中的蛋白质，正是这些蛋白质让血液呈现出红色，因此它们被称为“血红蛋白”。他发现各种血红蛋白中都含有铁元素，每一种蛋白质中的铁含量都是恒定的，他还估算出一个血红蛋白的分子量是16000的n倍。这个发现太超前了，要知道，整整100年后，施陶丁格的高分子化学才诞生。在当时，没有一个人能想到会有这么大的分子，这让他受尽嘲弄。 一直到100年后，英国科学家阿代尔才用渗透压的方法确认了恩格哈尔德的发现，并且明确了n=4。 【红血球由血红蛋白组成，血红蛋白由珠蛋白和亚铁血红素组成。】  1959年，奥地利化学家佩鲁兹用X射线衍射的方法分析出了肌红蛋白（很类似血红蛋白）的结构，这一发现让他获得了1962年诺贝尔化学奖。 【佩鲁兹和妻子在诺贝尔奖舞会上。】  每一个血红蛋白分子由4个珠蛋白和4个亚铁血红素分子组成，每个血红素又由4个吡咯环组成，这4个吡咯环的中央有一个铁原子。氧气就是结合在铁原子上，被血液运输。当铁原子在二价状态时，可以和氧气结合成氧合血红蛋白；如果铁被氧化为三价状态，成为高铁血红蛋白，就失去了载氧能力。 【亚铁血红素的分子结构，二价铁离子在分子的正中心。】  说到血红蛋白和氧气的结合，也是一个很神奇的过程。 首先，一个氧分子与血红蛋白四个亚铁血红素中的一个结合，铁原子与氧结合之后，会拖动珠蛋白中的组氨酸，从而引起其他珠蛋白结构的变化，这种变化使得第二个氧分子更容易寻找另一个亚铁血红素结合。第三个、第四个也是一样的道理，反之亦然，一个氧分子的离去会刺激另一个的离去，直到完全释放所有的氧分子。 这种有趣的现象被称为协同效应。 【协同效应的示意图，每个结构中的圆形为铁原子，五边形是组氨酸分子。】  六、钼 一些固氮生物体（比如根瘤菌）内含有一种固氮酶，它是由两种蛋白质组成的：一种含有铁，叫做铁蛋白，另一种含有铁和钼，叫做钼铁蛋白。只有铁蛋白和钼铁蛋白同时存在，固氮酶才能发挥作用，将空气里的氮气转化成氨。 你看，哈伯花费那么大的力气发明的合成氨，大自然里竟然早就存在了！ 要知道，碳元素算得上是生命的骨架，氮元素则堪称生命的营养！没有了氮元素，就没有氨基酸、蛋白质，更不用说DNA里的含氮碱基了！钼元素就像一个神仙，将空气中没有灵气的氮元素接枝到有机物上，完成了生命的点化！ 【钼铁蛋白的晶体结构。】 然而，当科学家们仔细研究以后，却发现了一个巨大的谜团——早期地球可能根本不具备形成生命的条件！ 在氧的篇章里，我们曾经提到，距今大约24亿年前，地球上发生了一个重大事件——“大氧化”。在“大氧化”之前，地球上氧气含量一直很低，大多是一些厌氧型生命存在。 【地球生命成长史。】 是不是又离题了？氧气多少和钼有啥关系呢？ 原来，钼有2,3,4,5,6五种价态，只有6价的钼酸盐可溶于水。早期地球上的缺氧环境，使得大部分金属都处于较低价态，大多数钼都处于2价、3价的不溶于水的化合物形态，无法进入海洋这座“超级反应釜”。因此，在“大氧化”之前，固氮生命进退维谷，氮元素一直游离在空气里，无法进入有机物形成营养物质，难怪生命发展的那么缓慢。 【厌氧型生物多生活在海底火山口。】 有些科学家的思路更加天马行空，他们提出，早期地球上的氧气那么少，但是有一个地方氧气很多，那就是古老的火星。 据考证，早期的火星曾经很湿润，拥有液态水，火星本身就是一个富氧的环境，看看现在表面红色的氧化铁就知道了。在那个有水有氧的年代，钼元素很容易变成钼酸盐，把氮气转化成营养物质，在这种环境里产生氨基酸和DNA显然更加容易！ 【一系列的证据表明火星表面曾经有水。】 后来，来自火星上的陨石在太阳系内进行太空穿梭，有些携带了DNA到达了地球，地球的生命原来来自火星！ 只是，现在火星上的生命去哪里了？自毁了？还是飞向更精彩的地方？ 【生命，一站又一站？】  七、硒 20世纪中叶，一位叫施瓦茨的生物学家在研究防治肝坏死的办法，他通过大量的试验发现，有几种因素可以有效的保护肝脏：含硫氨基酸、维生素E和第三种未知因素。在他鉴定这种未知因素的过程中，他发现实验室里总是有类似大蒜的难闻气味。在跟同事聊天的时候，一位同事提及这种气味很像吃了高硒饲料牛呼出的气味，有心的施瓦茨马上往这个方向去研究，果然这第三种未知因素里有含硒物质的身影，他得出结论：缺硒可以导致肝坏死。 【缺硒对肝脏有害，稻米和坚果是良好的补硒食物。】 貌似缺硒远不止对肝脏有伤害。我国黑龙江省有一个克山县，这里的很多居民被心脏功能不全所困扰，这种奇怪的病被称为“克山病”。经研究发现，克山病是由于当地缺硒。 相反，对比中国一些著名的长寿之地，比如江苏启东、湖北恩施、安徽石台、广西巴马，却恰好都是富硒的区域。硒元素竟然这么神奇，竟然是让人长寿的活性元素！ 【硒和长寿的故事正变成商业炒作，后面我们提到，没必要针对性的补硒。】 要搞清楚这个道理，我们得回顾一下氧元素的桥段，里面提到距今35亿年前，已经有可以产生光合作用的生命了，但是一直过了10亿年，才让空气中的氧气含量有显著提升。这10亿年间究竟发生了什么呢？ 我们知道，对最早的厌氧型生命来说，氧气就是毒剂。这十亿年间，氧气含量稍有提升，就会死去一大批会光合作用的厌氧型生命，所以氧气含量一直提升不上去。但是到了大约30亿年前，突然有了变化，一种含硒的蛋白质——谷胱甘肽过氧化物酶出现了，这种蛋白质具有很好的抗氧化性，生命终于进化出可以抵御氧气的防护盾牌，新一代生命才可能度过“大氧化”时代，现在地球上多姿多彩的生命都得感谢硒元素为我们铸就的这幅盾牌。 【牛的谷胱甘肽过氧化物酶结构。哺乳动物中，大多数这种酶都是含硒的。】 人不过是一种高级生命，每时每刻，我们都依靠氧气氧化身体里的有机物得到能量，这就是新陈代谢，但同时产生的很多氧化性物质对人体来说就是垃圾。心脏是人体最辛劳的器官，没有之一。不管是我们静坐还是睡眠，我们的发动机——心脏都一如既往的跳动着。也正因此，最为疲劳的心肌里氧化性物质也是最多的，如果没有足够的抗氧化性物质去抵御 它们，心肌就会劳损。 正因如此，硒又是非常关键的微量元素，一个成年人每天需要补充50微克的硒。当然补硒也要注意方式方法，水果和坚果中的硒元素含量较高，是理想的补硒食品。但在一般的非缺硒地区，没有必要刻意补硒，只要每天合理膳食就可以摄取足够的硒元素，我们中国人常吃的稻米就是一种富硒食物。回想起本篇开始提到硒化合物那难闻的味道，我们想也不想就知道，过量的硒对人体是有害的。 【富硒的水果。】  八、碘 碘是一种特别重要的微量元素。人体中的甲状腺就像一个碘的“吸尘器”，“如饥似渴”的将大部分碘元素收入囊中。碘元素进入人体后，三小时左右就被它完全吸收，成年人的甲状腺每天需要60-80微克的碘，其中碘的浓度是血液浓度的20-50倍。 【甲状腺对人体的重要性：促进人体和大脑的生长发育。】 甲状腺之所以对碘如此饥渴，是因为碘主要参与甲状腺激素的合成。甲状腺激素是人体内很重要的一种激素，它主要起增强新陈代谢，促进生长发育（尤其是脑发育）的作用，我们体检时常听到的T3、T4，就是甲状腺激素的两种形态。 人体如果缺碘，最直接的后果就是甲状腺功能紊乱，他有各种表现形式，最常见的就是甲状腺肿大，也叫“大脖子病”。 【“大脖子病”患者。】 如果儿童的成长发育过程中缺碘，控制代谢的甲状腺发育不良，会影响儿童正常的生长发育，导致儿童矮小，智力减退等症状。这就是传说中的“呆小症”，学名叫做“地方性克汀病”。 【患“呆小症”的儿童。】 缺碘导致的病症在全球都有存在，从20世纪初开始，西方国家发现，在食物中加入碘是最有效而且最廉价的全民健康措施。1922年，瑞士最早推行在食盐中强制加碘的政策，其他国家也紧随其后，将碘元素轻松廉价的送到人民的饭桌上。 这一政策起到了很显著的效果，伟大的哲学家伯特兰*罗素都观察到了这一现象，他提出：“思考所用的能量似乎有其化学根源，比如，缺碘会把一个聪明人变成傻子，智力现象似乎是建立在物质基础上的。” 从现在的角度来看，罗素的这种说法不甚严谨，但最起码说明早在20世纪前半叶，碘盐提高人民素质就得到公认。 【一代宗师罗素为碘盐站台，你爱信不信。】 1990年，联合国提出“全球消除碘缺乏病”，目标是到2000年，25%的家庭食用碘盐，到2006年，这个数字要增长到66%。我国政府也于1991年郑重承诺，将在10年内减少碘缺乏病的流行，并自1995年正式实施食盐加碘政策。如今，我国90%的在售食盐都是碘盐，在全国范围内基本消除了各种碘缺乏病。 【2012年数据，每一百万人中患有碘缺乏病的人数，颜色越深代表人数越多，我国是黄色，代表碘缺乏病基本消除，】 我们再来看反面的一个例子，那就是喜马拉雅山脉另一边的印度，这也是一个土壤严重缺碘的古老国度。早在1930年左右，圣雄甘地带领印度人民进行了一场“食盐长征”运动，抗议英国人沉重的盐税。后来西方给印度推行碘盐的时候，印度人民的心目中，已经把它作为“殖民主义”的象征，一些民族主义者和甘地主义者就此强烈批评西方科技的入侵，甚至有人毫无依据的提出碘盐会传播癌症、糖尿病甚至肺结核。 【1930年，甘地领导的“食盐长征”。】 20世纪末，印度政府被迫撤回了针对三个州无碘盐的禁令，全国碘盐的消费量骤降13%，一些先天性缺陷又重新开始出现。 好在2005年，印度政府强势打压了这些声音，恢复了对无碘盐的禁令。 看看吧，不懂科学的怀疑论者世界到处都有，根本不是我国的专利，但是后果呢？ 【国际碘盐通用标志，食盐加碘，这是全球的共识。】  -------------------------------------------华丽的分割线-------------------------------------------  就说这几种吧，其他还有硼、铜、锌等都是重要的微量元素，恕篇幅原因不能一一列举，敬请见谅。  参考资料： 