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-复旦大学通识教育课》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生命中的化学元素-复旦大学通识教育课（166页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业生命中的化学元素 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 3-1 3-2 3-3 3-4 3-5 3-6 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

2、元素(一) 4-1 4-2 4-3 4-4 4-5 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） 5-1 5-2 5-3 5-4 5-5 5-6 5-7 5-8 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) 6-1 6-2 6-3 6-4 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 7-1 7-2 7-3 7-4 7-

3、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 8-1 8-2 8-3 8-4 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

4、 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

5、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

6、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

7、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（Georges Edouard Lemaitre） 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

8、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

9、即声音的频率在降低） 谱勒（Christian Johann Doppler）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（Auguste Comte）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

10、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

11、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 V Z 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（William Huggins）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 1

12、929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= HD V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

13、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（George Gamow）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）和其助手（姓名起首的希腊字母为）及德国物理学家汉斯（起首 字母为）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

14、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

15、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（Bigbang model）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

16、（10 43秒）的温度极高， 大于10 32 K，可以用公式T=1.510 10 /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10 32 K 到10 28 K，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

17、10 33秒到10 6秒，温度约在10 28 K 到10 14 K，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

18、。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） 2 H（氘）+ r（光子） 氘粒子、质子不断相互碰撞，最终也就组成了氦核4 H： p + 2 H 3 3 H e + r H e + H e H e +2 p 在很短的时间内，全部中子都参与了氦核的合成，由于中子数远少于质子数，多余的质 子就生成了氢核，最终氢核占77% ，氦核占23% ，约3：1，这与现代天文学测量的

19、结果 相一致。在当时的温度条件下，它们还无法结合电子。 第七阶段：30分钟到100万年，宇宙继续冷却，原子形成，大约在30万年后，宇宙进 入了原子时代。 原子的年龄是与宇宙的年龄相差无几的） 在膨胀中不断冷却，这一冷却持续了将近在150亿年，最终冷却到了如今的2.7K。 第八阶段：100万年至150亿年前后，宇宙的进一步进化，形成了星系、恒星、行星和 生命。 2003年2 月，美国报道，一个国际天文学家小组借助美国宇航局的微波背景辐射探测 器获得了“婴儿期”宇宙迄今最精细的照片（见图2-11） 他们根据新照片计算的结果显示， 1%；在宇宙的构成上，据计算，原子占4%，暗物质为23 %，剩下的7

20、3%全部是暗能量； 另外，宇宙是“平坦”的，并将永远膨胀下去。 图 美国宇航局微波背景辐射探测器获得的宇宙迄今最精细的照片 这些研究结果为大爆炸理论提供了更准确、 尔说，在哲学意义上，它们标志着宇宙学研究由不确定进入了确定阶段。 10. 宇宙生于“无” 大爆炸理论解释了宇宙生成的各个阶段，认为宇宙开始于大爆炸的极短的一瞬间，即4310 秒，且不说这一瞬如何发生，而在这一瞬之前，宇宙又是什么？ 1984年古斯（Alan H. Guth）等在Scientific American上发表论文，提出了“暴涨宇 宙”的概念，指出宇宙在极短的瞬间进入了假真空，在巨大的负压强推动下，经历了一个异 乎寻常的暴

21、涨阶段， 一个无穷小区域开始演化。 来的。 简史的基础上进一步发展了他的学说并发表了重要的论文，提出了：宇宙是由无通过量子 跃迁创生的，创生之初的宇宙是一个“果壳状”的四维欧氏球面，在一个非常短的瞬间，巨 大真空能量使宇宙发生了暴涨， 始热化，从而引发了大爆炸。 除了以上的研究之外， 宇宙（每一个宇宙都是前一个宇宙分裂出来的） 单独的泡泡，产生一个个相距遥远的泡泡宇宙） 坍塌交替进行） 尽管还有着许许多多的难解之谜， 的宇宙起源的最好理论。 化学元素的诞生 宇宙之初，万物皆无，既没有时间、空间、恒星、行星，也没有动物、植物和人类。然 而，一切均从“无”到有。最初的“有”就只是一片“浑然一气”

22、电子、夸克和其他粒子所构成的灼热等离子体。 随着等离子体的迅速冷却，就形成了质子、中子、原子核、原子、恒星、星系和行星， 最后在许多合适的星系中可能都形成了生命，其中的一个就是我们的太阳系，并“碰巧”产 生在它的一个行星地球上，经过大约40多亿年的变迁，在地球上由化学元素形成最简 单的生命开始，最终进化成了植物、动物和人类。这就是宇宙及生命发展的简史，也是宇宙 的进化史。 1夸克 1964年美国物理学家默里盖尔曼和乔治茨威格提出质子和中子是由更小的粒子所组成 的，组成它们的粒子是三个夸克。1966年在美国的大型电子加速器上工作的物理学家们证 实了他们的假设。1970 年欧洲核试验中心用中微子轰

23、击质子的试验也证实了这一假设。 科学家们的研究证明。要描述宇宙中所观察到的稳定的核物体需要有两种夸克，科学家 图 2-13 质子、中子结构示意图 们把它们写成u和d，分别表示上夸克和下夸克。上夸克带有2/3个正电荷， 个正电荷. 根据夸克理论，夸克是一类没有内部结构的“点状”粒子，它们共有六种，有上夸克、 下夸克、 事实证明， 2 中微子 科学家们发现，中子是不稳定的，它在衰变时，会放出质子、电子和另外一种粒子 中微子，中微子也是一个不能分割的基本粒子： n（中子） p（质子）+ e（电子）+ （中微子） 中微子是中性的粒子，其静止质量为零，穿透力极强，因此它能通行无阻地穿透任何物 质，又质量

24、非常之小，几乎不与其它物质起反应 。1942年，我国著名的核物理学家王淦昌 发表了一篇论文关于探测中微子的一个建议登载在美国权威的物理评论1月号上， 同年6 月号，该杂志就发表了美国物理学家艾伦根据王淦昌的建议所做的实验，证实了中 微子的存在。 除了夸克、中微子外，电子也是一个不能分割的基本粒子，迄今为止还没有发现能构成 电子的粒子。 3化学元素的最初核合成 我们从大爆炸后的八个阶段的推测中已经知道，宇宙生成的大致结构如下： 图 宇宙生成的大致结构图 显然，化学元素的生成应该从原子核的生成开始。根据科学家们的观测，宇宙空间中充 满了星际气体，这种气体弥散在浩瀚的太空里，大部分是氢气，它们构成了

25、星系总质量的大 部分。除了氢云之外，还有着氦云，它们都是宇宙大爆炸的产物，因此氢和氦应是宇宙中最 早出现的元素。当宇宙的年龄约在100秒，平均温度降到10万K时，质子和质子的融合形 成了氦核。其过程如下： H+n 1 2 D（氘核）+（光子） H 3 He + D+ He He +2 1 H 这就是宇宙中化学元素的最初的、在大爆炸中的核合成。根据弱相互作用计算，核合成 初期的中子与质子比约为1：， 氦的质量百分数约为25%，这与天文学的观察完全相符。 4 化学元素的恒星核合成 1）.恒星的生成 宇宙年龄大约在十万一亿年时，平均温度已降到了300K，此时的氢云和氦云极其巨 大，由于氢和氦粒的不均

26、匀的分布产生了引力中心，在引力中心的吸引下，经过漫长的年代 就形成了致密的原子团， 的物质。引力的收缩不断地把原子挤压得越来越紧密，温度变得越来越高，最终也便生成了 恒星。为什么重元素不能在大爆炸中的最初核合成中生成？这是因为当时缺乏质量数为5和8的稳定核素，而无法在最初宇宙条件下生成比氦重的原子核。 2）.化学元素的恒星核合成和“铁峰” 1938年，贝特提出了恒星的热核聚变理论，他认为太阳和恒星的能源是来自于星体的 核心部分的核反应，由于恒星在生成的过程中，中心的温度极高，这就使得粒子有极高的动 能，原子核之间能克服静电排斥而人发生碰撞，结果就发生了热核聚变，较轻的原子核合成 为较重的原子核

27、， 的辐射，这就开始了化学元素的恒星核合成。根据科学家的研究，这一核合成经历了以下一 些过程：主序星、红巨星、白矮星，一直到超新星爆发。下面是主序星到红巨星变化的三个 阶段的示意图： 图 化学元素的恒星核合成 可以看到恒星的最初是由聚集的氢云形成的， 成了氦， 氧元素， 进一步核反应的结果，温度继续升高，碳、氮、氧燃烧的结果就生成了硅和镁，再往后，恒 星的中心区就生成了铁，形成了恒星的铁核，这便形成了“铁峰” 尽，更重的元素的合成需要更高的能量，恒星的核合成已不能继续完成，核火快烧尽时，温 度下降，恒星就收缩为白矮星，直至完全烧尽，其中少数发生了爆炸，即为超新星。 由于在恒星的最初的核反应中生

28、成了大量的氦， 在恒星的核合成中产生而并非是在大爆炸中产生的，但是科学家们指出，在天体中，氢、氦 是最丰富的元素，二者丰度之和约为99%，其余的元素越重的也就越少。氦的丰度约为2530%。如果所有的氦都是在恒星中合成的，那么这一核合成中释放出来的能量就应该成 为宇宙的背景辐射， 3）元素合成中的“A8沟”和霍伊尔假说 根据元素的恒星核合成的理论，重元素是由轻元素合成的，这一合成的顺序应该是按 着质量数的排列进行的，也就是按次序进行以下的合成： 2 2 2 H 4 H H He H + 4 He 4 2 He 6 Li 8 Be 元素生成的反应进行到这里便发生了问题，因为现在已知8 Be是很不稳

29、定的，有着很 短的半衰期，因而在宇宙的星体中很少有8 Be，既然如此，进一步的反应显然将会因此而中 断，如果不存在原子量A=8， 科学家的研究发现了恒星中的碳的丰度特别大， 不是形成了8 Be。生命元素碳为什么会在宇宙中继氢、氦之后先出现？A8沟与碳的合成又 有什么关系？ 为了解决这个问题， 个反应： 8 4 Be + He 12 C 但是Be是极不稳定的，很快就会衰变，因此理论上是无法进行的，霍伊尔认为这个反 应实际上进行得很快，是一个共振反应，它比8 Be存在的时间还要快，而且他还认为碳可以 在两个氦核聚合成一个铍核开始的过程中合成 2 4 He 8 Be 8 Be + 4 He 12 C

30、 实际上就是 3 He 4 12 C 它们之间存在着共振， 霍伊尔还预测了这一共振反应的能量，美国加利福尼亚工学院核物理实验室以后进行了实 验，证明了这一假设是正确的。应该指出，如果不存在共振，宇宙中的碳很可能只是微不足 道的元素, 结果地球上也就不可能形成生命。 这便是当今科学家所能告诉我们的“故事” 4）碳氮氧循环 恒星核反应的继续燃烧使得其它元素逐步合成，越过A8沟后生成了碳，接下去的就是 碳氮氧循环： H 12 1 13 C + +N + N 13 13 C + e+ H 13 1 14 C + H 14 1 15 N + +N + O + O 15 15 N + e+ H 15 1

31、16 N + 同时， O 16 12 4 O + C+ He 这就形成了碳氮氧循环，在这一循环中，由4个氢生成了一个氦，12 C起了催化剂的作用， 同时生成了其它的元素。可以看出在这一循环中是氢燃烧，它是氢燃烧的第二个序列。 5）4 He燃烧 3 4 He 12 C + C + 4 He 16 O + O + 4 He 20 Ne + Ne + 4 He 24 Mg + 18 N + 4 He F + 6）. 12 C燃烧 23 Na + 1 H C+ C 12 12 20 24 C + 12 16 7）O 燃烧 16 O+ O 16 16 Ne + 20 Ne + 20 8）重元素的生成 2

32、4 Ne + （氦核粒子流） Mg + （高能光子流） O + 28 Si + 31 1 P + H + n （中子） 31 S + 32 S O + 16 Mg + 24 Si + 24 28 Mg 28 Si + 28 + Mg Fe + 56 Si 当硅燃烧完后， 并非所有的恒星都能发生以上所有的反应， 生。 图 宇宙中化学元素的分布 5 超新星爆发 比铁更重的元素的生成需要更高的能量， 续了，最后导致了超新星的爆发，在爆发中生成的重元素被抛射到了宇宙空间中。也有的科 学家认为更重的元素可能来自于更猛烈的爆炸，例如两颗中子星的爆炸。 总结以上所上说的化学元素的生成过程， 过程，恒星其实就

33、是一个个把轻元素炼成重元素的“炼炉” 原来它们就“高悬”在我们的头顶上。 6.地球的生成 科学家们描绘：大约在四十六亿前，在距银河系约3百万光年的地方，有过一颗巨大的 恒星，由于燃烧耗尽，核心坍缩，形成了超新星的爆发，把最外面的壳层以每秒数千千米的 速度抛向宇宙空间，在它附近的氢、氦气体云受到这一冲击也自行坍缩，收缩的结果致使其 核心引发了核反应，这就造成了太阳系的诞生。 大部分氢云收缩形成恒星时， 起， 元素就开始分离，重元素由于引力大先聚集在中心，轻元素由于引力小，反而逃脱而四散， 不会产生高温，因此原子就有机会形成分子，分子又聚集成固体和液体，表面则附有薄薄的 一层气体。地球的产生就正是

34、由于以上这样的过程。 科学家们通过计算岩石的年龄来计算地球的年龄， 可以计算出岩石的年龄， 需时45亿年，有人据此进行测量后计算出地球岩石的年龄为三十几亿年，但地球的年龄也 并不完全等于岩石的年龄， 段时期，科学家们估计地球的年龄约在45-46亿年，这就是现在公认的地球的估计年龄。 2-5“元素王国”的边界 元素周期表的第一个元素是氢， 后一个元素应是谁呢？也就是由门捷列夫建立起来的这一 直到1940年以前， 发现的最后一个天然元素。1940年，科学家们合成了第93号元素镎(Np),它是第一个人工 合成的元素,是用中子来轰击铀得到的.不久又发现了第 94 号元素钚(Pu).随后发现的一些 元素

35、的命名有很多是用来纪念科学家的,如:99 号锿(Es)是纪念爱因斯坦的,100 号元素镄 (Fm)是纪念费米的,101 号元素钔(Md)是纪念门捷列夫的，103 号元素铹(Lr)是纪念劳伦斯 的. 上个世纪七十年代,科学家又合成了第 104 号元素钅 (Rf),105号元素钅 . ( (Db), 106号元 素钅 (Sg),107号元素钅 (Bh),八十年代又发现了108号元素钅 (Hs) , 109号元素钅 (Mt). 如今元素周期表已排到了第112号，从110-112号尚未有中文的命名。据悉，也有报道 说发现了第116号元素，但未证实。而俄罗斯杜布纳核研究所目前已经开始人工合成第118号元

36、素的研究工作。 第三章 生命的起源 3-1 生命元素的形成和演变 生命起源的传说一直和宗教迷信融合在一起，甚至比地球和宇宙的起源的传说更传奇。 几乎每个国家、每个民族都有自己的“神”的传说，我国的女娲和西方的上帝，就是其中最 著名的代表，传说就是他们创造了生命。这一观点被学者们称为“第一推动力”亦即“神创 论” 除了第一推动力的说法外，还有反对“神创论”的“自生论” 史上流传十分广泛和长久。古希腊的德谟克里特就提出生命是从“地里冒出来的” 是被创造出来的，也没有特别的理由” 的思想也已十分流行，这当中有“腐草化萤” “汗液生虱” “肉腐出虫”等。尤其是腐肉生 蛆的说法在全球各民族中盛行。在西方

37、，一直到十九世纪，法国微生物家巴斯德通过精密的 实验才证明了自生论的错误，他把肉汤放入特制的曲颈玻璃瓶中，煮沸灭菌，尽管空气可以 进入瓶内，但是瓶子里的肉汤却经久不见浑浊，也就是说没有出现细菌。这是由于悬浮于空 气中的细菌或孢子比空气重，因此它们就沉淀于曲颈的底部而进不了瓶子。然后，巴斯德又 将瓶颈截断，结果微生物就大量繁殖起来，肉汤也就浑浊变质了。这就从根本上完全否定了 生物自然发生的说法。 1 生命起源的学说之一（化学进化说） 科学家们认识到，生命起源的必要条件应是：在原始地球上自然条件下的非生命物质， 要先通过化学作用产生出多种有机物和生物分子来。 一种化学过程， 结构单元。蛋白质等生命

38、物质就是由这些结构单元组合而成。有了生命物质后，进一步地进 化，也就组装成了原始的生命体。恩格斯指出：生命的起源必然是通过化学的途径实现的。 这就是关于生命起源的化学进化学说。 1924年，前苏联生物化学家奥巴林（. ） 起源的假说，他认为生命起源于地球，是一个化学进化过程。地球上最简单的有机物质-烃 类，完全有可能由地球上的原始气体NH 3、CH 4、H 2 O、H 2等来原始生成，而最初生成的 烃类化合物通过一步一步地演化最终必然会形成类蛋白化合物。 出了“团聚体”学说，认为由类蛋白物质形成的胶体小块颗粒状，不溶于水，并能吸附其他 有机物而“生长” 个阶段，那就是：1.从无机物到简单有机物

39、的形成，2.从复杂到有机物到多分子体系“团聚 体” 3.从团聚体到具有新陈代谢能力的蛋白体的形成。 1953年，美国芝加哥大学的一位年轻的博士研究生米勒（S.L.Miller）根据奥巴林20年 代提出的理论观点， 设计的密封玻璃容器事先抽成真空，并在130 高温消毒18小时，放入200毫升水，然 后通入CH 4、NH 3、CH 4，使它们的比例和科学家认为的原始大气的组成基本相同，接着 就在加热的条件下， 取样分析，结果在八天后，装置中的液相由无色变为黄色，并有黄棕色沉淀。经分析，形成 的物质有甲酸（HCOOH） （CH 3 CHOHCOOH） （CH 3 COOH） CH 3 CH 2 CO

40、OH）,还有痕量的谷氨酸和天门冬氨酸，总共有11种氨基酸。 这就有力地证明了化学进化过程是生命起源过程中最重要的一环。 米勒实验之后的20年中，人们不断地模拟原始地球条件，从无机物合成了众多的生命 有机物：天然蛋白质中的所有氨基酸，以及各种嘌啉、嘧啶、核糖、脱氧核糖、核苷、核苷 酸、脂肪酸、卟啉和脂质等等。 在这以后，美国生物化学家福克斯（Fox Sidney Waiter）又提出了生命起源的“热聚合 假说” 它们溶解于海水后，就成为“微球体” 聚体一样也可能成为原始细胞的基础。 完全可以设想，如果由原始大气产生的有机物或是由其它途径产生的有机物进入海洋 后， 的生命。 综合以上的学说，化学进

41、化学说所描述的生命起源的过程包括了以下4个阶段： （l）从无机小分子物质生成有机小分子物质。 （2）从有机小分子物质生成有机大分子物质。 （3）从有机大分子组成能自我维持稳定的和发展的多分子体系 （4）从多分子体系演变为原始生命 多分子体系再经过漫长的岁月，不断地演变和进化，最终就形成了原始生命。 应该指出：尽管科学家们在合成生命化合物上已取得了巨大的成功，例如我国科学家 1965年和l981年，在世界上就先后首次合成了胰岛素和酵母丙氨酸转移核糖核酸。此外， 科学家们还借用生物材料合成了基因。但是无法否认的是，一直到目前为止，实验室里还不 能全面验证生命起源的化学进化过程。 2 生命起源的学说

42、之二（早期胚种说） 1.孢子说： 2.陨石说： 3 生命起源的学说之三 新宇宙胚种论 .星际分子起源论 由于化学进化的研究停滞不前，外来生命学说就吸引了大量的研究。 早在上个世纪20年代，英国天文学家爱丁顿就提出宇宙中存在着星际分子，1937年发 ，到40年代又发现了氰基（CN）和甲川正离子（CH+） 进入70、80年代后，又发现了许多星际分子。 已知在银河系发现的57种星际分子中， 的甚至在地球上的实验室里也很难稳定地存在，例如二碳分子（C2） 1978） 图 星际分子（1987 年公布） 1978年霍伊尔明确提出了最早的有机物来自于地球之外的观点，他认为原始地球的表 面不一定有利于无机物和

43、有机外物的合成，因为有着宇宙射线的破坏，海水的稀释等等，而 对星际分子的研究却表明， 部分有机分子在太阳系形成时未受破坏而存留下来， 它们在地球环境中就会发展成为最初的生命，这是一种新的宇宙胚种论。那么，有机分子的 保存和降落又是如何实现的呢？霍伊尔认为最有可能的是彗星。 远离太阳的寒冷空间中度过，可以长期保存原始太阳星云物质，一旦它们与地球相遇，就有 可能降落到地球上来。1985年哈雷彗星回归，科学家们检测到彗星表面的尘埃中有着大量 的碳。另一方面与彗星有关的陨石中也发现了碳粒陨石和含有机物的陨石。2001年俄罗斯 科学家借助于扫描电镜发现了一些陨石中有着微生物化石，认为它们有可能是属于蓝细

44、菌。 现在知道，蓝细菌存在于整个地球的进化史中，从未改变过形状，它是迄今最古老的生物体 系之一。 4 生命起源的学说之四（新地球生成论） 随着研究的深入，新的地球生成论又相继出现，较有代表性的有： 1）火山爆发起源说： 2）深海烟囱起源说： 3-2 生命进化的历程 根据科学家对生命起源和进化的研究，一般地认为地球上生命起源和进化的顺序为： 化学元素（C、H、O、N） 无机物（二氧化碳、水、氨） 有机物（甲烷、氨基酸、核酸、糖类） 类病毒（RNA分子） 病毒（核蛋白分子）甲烷菌（原始单细胞）蓝球菌与细菌原核生物（原核细胞） 原生生物真菌（真核细胞） 较高等生物（真核多细胞）植物 动物人类 地球上

45、发现的最古老的原始生命的化石 1960年美国的巴拉霍恩博士宣称他发现了距今31亿年前的最古老的化石， 斯威士兰的太古代地层中找到的31 亿年前的细菌化石， （杆菌） 1968年9月美国的恩格尔又宣布他在南非的罗得西亚从3235亿年前的岩石中找到了 被认为是藻类的化石，呈球形，直径在0.10.01毫米。近来又有报道，在澳大利亚的西北部 太古代地层中发现了原核生物的化石，至今已有35亿年。 如果上述的说法都能被证实的话，那么地球上最早的生命应是出现在3035亿年前， 它们可能是细菌也可能是藻类。 年来的研究表明， 被称为古细菌，科学家们也确实在海洋的深处发现了古细菌，例如极嗜盐菌，硫磺细菌。 19

46、89年Huber声称在意大利的一个温度为110的深海火山口发现了有着嗜甲烷的太古菌生 长。最新的报道称，德国科学家也在黑海海底首次发现了厌氧的嗜甲烷菌，该研究发表在 科学杂志上，而且科学家们认为，这种细菌生存了大约40亿年，很可能它们就是地球 上最古老的原始的居民之一。 大约3035亿年前，生命开始起源，4亿年前生物开始登陆，2亿3千万年6300万年 前是恐龙时代，在6300万年前开始出现哺乳类动物，距今200250万年前，人类的祖先便 应运而生了。 大约从135亿年前开始，化学元素完成了它的演化过程，后来，化学进化和生物进化的 漫长历程最终形成了高级生物人类， 呢？ 生命进化中的一些难解之谜

47、 第一个：先有鸡还是先有蛋 第二个：RNA起源说是真的吗？ 第三个：可能是小分子起源 第四个：生命与非生命之间有没有不可逾越的鸿沟？ 地球上的最微小的生命 生物学家告诉我们， 1）.病毒 病毒是一种比细菌更渺小的生命， 国植物学家伊万诺夫斯基，他在1892年发现患有花叶病的烟草被压榨出来的液汁，将细菌 滤掉之后仍有致病力。1935年6月美国科学家斯坦利成功地分离出结晶状的、可以引起烟 草花叶病的病毒。这在当时引起了轰动，因为花叶病的病毒可以在烟草叶子中繁殖，是活的 生物形态，但它又可以提炼成结晶形态，具有非生物的特征。 病毒的大小一般都在150nm以下，其中脊髓灰质炎病毒大小仅为27nm，而最

48、可怕的病 毒则是AIDS病毒。 2）.类病毒和朊 病毒 1971年美国科学家丹尼尔在经过4年多的艰苦努力后，发现了类病毒，它仅是一种不 含蛋白质外壳的核酸。1922年就有人发现马铃薯块茎有时会患一种严重的疾病，但是找不 到病原体。丹尼尔找到了这种病原体，原来它只是一个RNA分子，长50 nm，粗2nm，含 有350个核苷酸，但却具有生命的功能。 1982年美国动物病毒学家普森勒又发现了羊蚤痒病的病原体，仅仅只是一种蛋白质物 质，称之为月 病毒，这一发现也使科学家大为惊奇，DNA和RNA可以携带遗传信息，蛋 白质难道也可作为遗传信息的载体？九十年代发现的疯牛病的病原体也是一种朊病毒。 病是脑海绵

49、状变性，将感染的脑子用甲醛固定使其蛋白质变性并以360高温处理，结果该 病毒的感染力丝毫未损，对其分离的结果发现是分子量在2.73.0万的一种糖蛋白，它既没 有DNA，也没有RNA 尽管病毒被发现是最原始的生命， 命之间的东西。 可以结晶而仍然保持感染力， 命体的有人提出，病毒在寄主细胞外存在时的那种“没有生命活动”的状态，实际上是病 毒生命史的一个特殊阶段， 些植物的种子的休眠状态是一样的， 有些人所想象的那样是非生命与生命之间的过渡。 3-3 生命元素的形成 什么是生命元素？简而言之， 即是构成生物的不可缺少的元素或者说是生物中的必需的 元素。 以人体为例，人体中约含有 60 多种元素,它

50、们大致可以分为四类： 第一类 必需的宏量元素 它们是氧（65.0%） 钾（0.35%） 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 1990年,WHO等机构的专家委员会提出： 是有机结构中的必需成分， 理功能的损伤。根据对微量元素的重新分类，可见第二、第三类元素应是必需微量元素，而 第四类则

51、主要是有潜在毒性的元素， 原本认为是必需微量元素的氟（1973年） 人体可能具有必需功能”这一类。 从以上的分类可以看出一、 三类为生命元素， 它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：约有 2030 种在生物体组织中普遍存在，浓度 和生理作用均不确定。应该指出的是，第四、五类元素，如浓度达到一定数量时，就成了污 染元素，甚至对某些生命元素也是如此。特别是第四类中的Pb Cd Hg 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， As等，在含量 成元素上还是有着一定的差别，例如植物

52、与动物之间，水生动物与陆地动物之间等等。2 生 命元素 生命元素指的就是：在活的有机体中，维持其正常的生物功能所不可缺少的元素，即生 物必需元素，简称为生物元素或生命元素. 3-4 生命体中元素的来源 地球上的生命尽管有着“天外来客”之说，但是生命的发展和繁衍确实是源于地球的， 因为这已有大量的证据。 1 地球是生命元素的源泉 生命体中的元素均来自于地球， 成生命的元素确实是由地球来保障供应的。 1）人的血液组成与地壳中元素相似 英国化学家曾经测定了 200 例英国人血液中的所有元素， 分布有着惊人的相似。 2）生命起源于海洋 按照生命起源的理论，生命的化学进化应是在海洋中进行的，这也有着大量

53、的证据。 以人体为例，海水中的 10 种主要元素中，有 9 种就是人体中的主要元素。 此外，人体血液中的矿化度（溶解的盐类的总量）为 9 克/升（输液的生理盐水的浓度 是 0.9%NaCl） 代人的血液是和原始海水相同的。 2 生物体内元素的主要来源 我们已经知道了地球上生命中的元素来自于地球的环境体系， 是在一个特定的环境体系中进行演化的，如果地球表面没有水圈、大气圈和土壤岩石圈，那 么生命也就成了无源之水、无本之木了。 事实上，生物体本身就是一个开放体系，它通过与周围环境发生持续不断的物质、能量 和信息的交换而得以存在。 生物体内的元素主要有以下几大来源： 1）.天然淡水（河流、湖泊、地下水） + + 2+ 2+ - 2- - 天然水体中含有的最主