生命中的化学元素_复旦大学通识教育课

生命中的化学元素复旦大学《生命中的化学元素》（概要）朱万森编复旦大学化学系二00八年八月目录第一章1-1引言导论：化学与生命1-2化学与生命第二章化学元素的起源2-1宇宙如何创生——传说和思考2-2科学家的发现：宇宙是在膨胀中2-3宇宙大爆炸理论2-4化学元素的诞生2-5“元素王国”的边界第三章生命元素的形成和演变3-13-23-33-43-53-6生命的起源生命进化的历程生命元素的形成生命体中元素的来源生命元素的主要形态和主要特性影响生命元素演变的两个重要因素第四章生命中的主量元素(一)4-14-24-34-44-5碳是生命的物质基础糖类化合物糖类化合物的生理功能脂类化合物碳素在生命体中的代谢和循环第五章生命中的主量元素（二）5-15-25-35-45-55-65-75-8氮与生命氨基酸肽蛋白质酶、维生素、激素核酸和基因生命体中其它重要的含氮小分子化合物氮素在人体中的代谢与循环第六章生命中的主量元素(三)6-16-26-36-4氧和生命氧的功与过生命中的氢元素水和生命6-5钙和磷6-6钠和钾6-7氯和硫6-8镁第七章微量元素和人体健康7-17-27-37-47-5人体中的必需微量元素人体中可能必需的微量元素可能具有人体所必需功能、但具有潜在毒性的微量元素有毒有害元素对微量元素的一些研究第八章人类与地球共命运8-18-28-38-4环境问题——生命对环境的破坏环境问题的本质——生命元素循环的严重破坏环境污染对生命的危害人类与自然的和谐——建立起人类绿色的家园第九章让生命之树常青9-1生命能否永恒？9-2生命、人类——从化学中选择什么？9-3科学研究如何让生命之树常青第一章1-1引言导论：化学与生命《生命中的化学元素》心的问题的，果，生命的，而对这些知识的了解，将一定会多多少少地影响到每个人的学习、研究和工作，乃至理性、思维和做人。应该承认，印。这些问题得由人类自己来回答，义。1-2生命与化学生命与化学之间究竟有什么关系？我们不妨可以从以下三个方面来考虑：1.生命是演变的产物所谓演变，其实就是一系列的化学变化，因为唯有化学变化才会产生新的物质，因此生命实际上就是化学反应的产物。生物学家把生命看成是一系列的过程，从化学的角度来看，生命就可以说成是一系列的不以生物体意志为转移的化学反应的过程和传递化学信息的过程，这也就是化学进化的过程。所以要真正地了解生命，就必须首先从了解生命中的化学元素及其变化开始。2.生命还在变化中有人问道：人类起源于猿人，那么什么样的人类将起源于我们？这确实是一个值得研究的命题。在地球的演变史上，生命的进化是从来没有停止过的，何况当今的人类还在不断地创造出数不胜数的新的化学物质来影响着它的进化，工程上取得了巨大的成功。何时候更强烈地受着化学运动的制约和主导。3.地球上的生命的最终命运一切事物都存在着死亡的过程，太阳如此，地球也如此，当那一天到来时，地球上的生命将会如何？茫茫宇宙中，何处去延续或是孕育新的生命？化学的研究能否为未来的生命寻找最终的出路，这是一个科学界所高度关切的课题。在新世纪的开端，克隆为基础的无性繁殖作为核心，纪初的人是无法想象的，其先兆和曙光如今已出现在地平线上。当然，我们也应该承认，尽管科学家们在化学与生命上进行了很多研究，但是至今我们还不能说，我们完全了解了生命。另一方面，到目前为止，化学家们合成的化学物质大约已有2000万种，其中仅6-7万种为人类所使用，有约7000种为工业大量生产，可是环境中据说已发现有近10万种不同种类化合物，它们与生命的关系将又如何，有无影响到生命的未来？要真正掌握地球上的生命的最终命运，加倍地努力，每一个有志于科学研究的人都应该努力。第二章宇宙如何创生——传说和思考2-1化学元素的起源生命孕育于宇宙，宇宙又是如何创生的？人在成其为人并具有可思索的理性思维后，恐怕就一直在探寻着这一与人“性命攸关”的宇宙生成的问题，最初自然是猜测，后来就形成了传说。有关宇宙创始时的描述，我国古代的传说认为宇宙在创生时“混沌如鸡子”的是，即宇宙诞生的最初是混沌一片的。1927年比利时数学家勒梅策（GeorgesEdouardLemaitre）提出了他的宇宙说，他认为，一切物质起初大概都来自一个极端致密的“宇宙蛋”宙蛋”发生了爆炸，于是就诞生出我们这个宇宙。当然，他的这个说法与古代的传说是有着区别的，因为他的认识是有着大量的科学认识的基础的。科学家的发现：宇宙是在膨胀中1.夜里的天空为什么是黑的？这好象是每一个人都能回答的问题，其实不然。大多数人都会回答：因为夜里太阳下山了。但是浩大的宇宙是有着无限多的恒星的，也就是还有着无数个太阳！可是，既然是无穷尽的宇宙有着无穷多的星星，那么数学上就可以证明，这无穷多的星光完全足以照亮整个夜空。早在1826年，德国天文学家奥伯斯（H.W.M.Olbers）就提出了著名的奥伯斯佯谬。他指出：如果宇宙是无限的，并且在这个无限的宇宙中分布着无限多颗像太阳一样的恒星，那么夜空就不应该是黑暗的，相反，应该到处象太阳一样明亮。因此，宇宙的无限性和均匀性其中至少有一个是错的，或者两者全错。2多谱勒效应我们都有这样的经验：在公路旁，我们可以听到两种截然不同声音的感受，当汽车高速向我们驶来时，马达声响的音调在不断升高（即声音的频率在升高）远离而去时，其音调却不断变低（也即声音的频率在降低）谱勒（ChristianJohannDoppler）最早于1842年提出的，并发现了运动着的物体的声音频率在变化的这一效应，这在物理学上就称之为多普勒效应。多普勒效应不仅适用于声波，也适用于光波，同样，一个天体所发射的光的频率，也会因其运动与观察者的关系而改变，如该天体接近我们的话，其光的频率会升高，反之，则会变低。因此，这一重要发现也就帮助了人类认识了天体的运动。3.分光学定律1835年法国著名的实证主义哲学家孔德（AugusteComte）曾提出了“天体不可知论”声称“无论用什么方法，我们都无从了解它们的化学组成”是错误的。1859年，德国物理学家基尔霍夫发现并提出了分光学的几条基本定律：1）每一种化学元素都有它自己的、具有特征的光谱线；2）每一种化学元素可以吸收掉它自己能够发射的那些光谱线；3）灼热状态的固体和液体都发射连续光谱，气体发射不连续的明线光谱，但高压下的气体也发射连续光谱。天文学家对天体的光谱进行了长期的研究，他们将某一恒星射来的光用望远镜捕捉后，通过棱镜的分光，是在暗黑的背景上有一些亮线，位置，这个位置即表示一定的波长（或者频率）的“条形码”4.太阳的光谱天体光谱学的诞生，就此宣告了不可知论的破产。基尔霍夫在1861年又发表了《太阳光谱论》一书，书中附载了一张划时代的太阳光谱图，长2.4米，他指出只要将图上的吸收图2-5太阳的光谱图（局部）线的位置与元素的标准光谱相比较，就不难辨认出太阳上究竟存在哪些元素了。对遥远天体的光谱图作研究的时候，它们原来应在的位置，移向了低频率，也就是光谱的红色部分，因此被称为红移。天文学家经过研究认为，根据多谱勒效应，正常光谱线向光谱紫端或红端的偏移，意味着该天体正朝向地球而来或远离地球而去。cV多谱勒效应的计算公式为：Z+1=cVZ—红移量c—光速V—观察者与光源之间的相对速度1868年，英国天文学家哈金斯（WilliamHuggins）根据多谱勒效应宣布了天狼星正以每秒46.5公里退离地球而去。5.哈勃定理1929年美国天文学家哈勃（E.P.Hubble）研究了银河系之外的24个星系，结果发现这些星系都在远离我们而去，离我们的距离成正比，即V=HDV—退行速度H—哈勃常数，约为15千米/秒·百万光年D—距地球的距离，光年这一定理后来得到了很多天文学家的证实。6.宇宙在膨胀宇宙是在膨胀中，这就是很多天文学家研究的结果。可以设想，一个气球在充气膨胀时，它上面的各点彼此之间将会四散分开，对于这气球表面或是气球当中的任何一点（假定每一点是代表一个星球）来说，其它各点似乎都是在退离它而去。于是，1927年比利时数学家勒梅特将已观测到的银河外星系红移解释为宇宙膨胀的结果，并在此基础上提出了他的“宇宙蛋”的假说，我们这个宇宙原来是起源于“宇宙蛋”的大爆炸。1948年，苏联出生的美籍物理学家伽莫夫（GeorgeGamow）和其他两位科学家一起提出了宇宙大爆炸的理论。2.7K背景辐射1933年伽莫夫离开苏联来到美国工作，1948年，美国《物理评论》发表了伽莫夫（姓名起首的希腊字母为γ）和其助手（姓名起首的希腊字母为α）及德国物理学家汉斯（起首字母为β）一起署名的文章（亦即Alpher、Bethe、Gamov）一理论认为，引起的，时大爆炸产生的辐射还遗留到今天，这种辐射应该同处于5K（-268℃）温度下的物质所具有的辐射伽莫夫的大爆炸理论由于当时缺乏证据，后来就渐渐地被人遗忘了。我们在收听广播时，常会遇上噪声，导电电子的无规则热运动就会产生噪声，因此噪声的水平是可以用温度来标志的，例如当地面温度为300K（23℃）时，在无线电接收机中就会产生20-30K的噪声，这20-30K就是用来度量噪声的噪声温度。1964年5月，美国的贝尔电话实验室的两位科研人员彭齐亚斯和威尔逊在进行消除噪声的研究中，的有效噪声温度为6.7K，他们在扣除了地面噪声和大气吸收的影响之后，得到了3.5K的背景辐射，在此后近一年的研究中，无论他们如何改进仪器都无法消除这一残余噪声温度，而且他们还发现，各向同性的，而且季节的变化也不影响它。这两位科学家感到迷惑不解，因为这种辐射不可能来自某个特定的辐射源，论文，根据这一理论，宇宙应遗留着“大爆炸”后的遗迹——宇宙的背景辐射，在深入的研究之后，他们确信他们的“发现”宙的背景辐射。年度的诺贝尔物理学奖，宇宙大爆炸理论因此获得了强有力的支持。1989年11月，美国宇航局首次发射的“宇宙背景探测器”COBE）发现宇宙的温度为2.7K，为大爆炸理论提供了最有力的证据。2-3.宇宙大爆炸理论随着宇宙大爆炸理论得到科学界的广泛赞同，大爆炸宇宙模型（Big—bangmodel）也得到了深入的研究。天体物理学家一般地推测：大爆炸后的宇宙大约经历了以下八个阶段：第一阶段：根据大爆炸理论，科学家们推算出，大爆炸一瞬时（1043秒）的温度极高，大于1032K，可以用公式T=1.5×1010/t来近似估计（T为温度，K；t为时间，秒）时的温度，任何物质都不可能承受，科学家们无法描述当时的宇宙状态，这一段时间的秘密很可能就需要物质与引力的统一理论来揭示。第二阶段：大爆炸后的1043秒到1033秒，温度约在1032K到1028K，此时，能量产生了物质，宇宙中充满了各种可能出现的粒子，主要的有夸克、电子、中微子、光子、胶子和X粒子等，随后由于温度的迅速降低，X粒子便衰变成夸克。整个宇宙就如就如我国古代哲学家庄子所描写的那样：只有浑然一体、弥漫无际的气体。第三阶段：大爆炸后的1033秒到106秒，温度约在1028K到1014K，此时夸克的温度迅速冷却，各种粒子的平均能量约为10亿电子伏特。第四阶段：大爆炸后的106秒到103秒，当能量下降到10亿电子伏特以下时，夸克和反夸克相互碰在一起就会大量湮灭，光子的碰撞）的夸克就变得十分重要，此时参与“自杀”的反夸克已难以找到。当这些剩余的夸克之间的距离小到一定的程度时，三个夸克就形成一个质子或一个中子，宇宙开始进入了质子时期。第五阶段：大爆炸后的103秒到100秒，此时宇宙冷却到10亿度左右。由于中子的质量大于质子的质量约130万电子伏特，始衰变成光子、电子和中微子，结果中子就少于质子。同时这一阶段还发生了电子和正电子的湮灭，产生出光子，仅有少量的电子幸存下来，等待着原子的合成。第六阶段：100秒至30分钟，大约在3分钟后，宇宙的温度降至9亿度，此时便有了一个质子和一个中子碰撞的机会，形成了氘，过剩的能量以光子的形式辐射出去：p（质子）+n（中子）→2H（氘）+r（光子）氘粒子、质子不断相互碰撞，最终也就组成了氦核4H：p+2H→33He+rHe+He→He+2p在很短的时间内，全部