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1、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 生命中的主量元素(一) 4-1 4-2 4-3 4-4
2、 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 7-5 人体中的必需微量元素 人体中可能必需的
3、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 至理性、思维和做人。 应该承认， 印。
4、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
5、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
6、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
7、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，也就是还有着无 数个太阳！ 可是，既然是无穷尽的宇宙有
8、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（Christi
9、an 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，德国物理学家基尔霍夫发现并提出了分光学的几条基本定律
10、： 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（
11、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 1929年美国天文学家哈勃（E.P. Hub
12、ble）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
