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第14章 生命里的化学元素

随着生命化学的发展,人们初步揭开了生命的一些奥秘。

宇宙万物都是由元素组成的。组成人体的有60种元素,主要是氧、氢、碳、氮四种元素,它们占人体体重的96%左右。组成骨骼的主要元素是钙和磷,还有硫、镁、钠、氯等。其他元素如铁、碘、硼、硅、氟、铜、锰、钴、锌、硒、钒、镍、钼等,在人体内的含量很少。这些元素大多是从食物中得到的。

氧和氢两种元素组成了水。我们身体中,水分占了70%。凡是有细胞的地方就有水。血液、唾液、胃液……各种体液中,几乎都是水。即使是头发、骨头、指甲也都含有水。

人体里含钠约80克,其中80%分布在细胞外的体液里;含钾约150克,其中98%藏在细胞里。钾和钠对维持生命都起着重要作用,它们保持体内正常的渗透压,调节体内的酸碱度。它们还对神经、肌肉活动起作用。

钠和氯在人体中大多数结合在一起,以氯化钠形式出现。血液、淋巴液的咸味就因为它们含有氯化钠。它的主要作用是调节细胞内外渗透压,使细胞膜对体液保持通透性。它们还是酶的激活剂,能增进酶的催化能力。人不吃盐,食欲就会减退,甚至四肢无力,这就因为氯离子有提高淀粉酶催化的能力。人体每天排尿和排汗中含氯化钠约4~5g,所以人体每天应补充4~10g食盐。

在人体内钾主要以磷酸盐形式存在。钾的主要作用是调节血压和使心脏正常工作。每天人体大约排出钾1.8~3g,主要靠吃蔬菜补充,因此,多吃蔬菜对健康是有益的。

人体的无机盐有8.3%存在于骨骼中,骨和牙齿主要成分是钙,两者占人体含钙量的99%,其余1%在血液中。钙参与血液的凝固、心脏的收缩、调节血压等作用。成人每天应补充0.6~1.0g钙。缺少钙会引起神经松弛、抽搐、凝血机制差等疾病。动物骨、鸡蛋、鱼虾和豆类中含钙量较丰富。老年人和儿童应及时补充钙。为了提高钙的吸收率,在吃含钙食品的同时宜服些维生素D或多接受光照。

镁是近年来才确定的必需宏量元素,它在人体内起重要的催化作用。有趣的是,在人体中镁跟钙元素的比约在1∶4时才能起调节血压,使血压维持在正常水平。豆类蔬菜和虾蟹牡蛎中含镁量较丰富。

人体中含铁4.2~6.1g,只占0.004%。它是构成血红色素的主要成分,主要功能是把氧气输送到全身细胞,并把二氧化碳排出体外。成人每天应摄入铁1.5mg,女性应比男性多一些,约2.4mg。长期铁的摄入量不足会得贫血症。据统计,当今世界约有15%~20%的人有缺铁现象。美国缺铁者占人口的60%,因此有34个州规定每升面粉中应加入8~12.5mg铁。在日常饮食中动物肝脏、蛋黄、海带、紫菜、菠菜中含量较高,多吃这些食品有利于补充铁。茶叶中含有大量丹宁,它会使亚铁离子沉淀,吃含高铁食物应忌饮浓茶。

锌在人体中约占2g。人体中有70多种酶必须靠锌来激活,有些酶本身就含锌。碳酸酐酶如果缺锌,它的活性就受影响,二氧化碳排出受阻。锌还是人体合成生长激素的原料,儿童缺锌,生长和发育都会停滞,严重的会成侏儒。缺锌人的伤口难以愈合。锌广泛存在于豆类、瘦肉、米、面中。

人体中许多种酶含有铜,例如酪氨酸酶、抗坏血酸氧化酶等。铜在人体中的作用是促进细胞成熟、催化体内氧化还原反应,促进铁的吸收和利用,并协同造血,人体缺铜会出现贫血症状。

磷是人体的常量元素,约占体重的1%,它的3/4以磷酸盐形式分布在骨骼和牙齿中,另外1/4广泛分布在血液、脑、腺苷三磷酸中,其中腺苷三磷酸是人体能量的仓库。当人吃食物后,经过消化吸收,使其中的化学能转变成人体组织能吸收的腺苷三磷酸,供人体随时使用。成人每天需补充磷0.74g,吃含磷食物再摄入维生素D有利于人体对磷的吸收利用。磷多存在于肉、虾、鱼、奶、豆等食品中,一般饮食中磷跟钙的比以1.5∶1.1为宜。

距今1000多年前,我国唐代就知道海藻可治大脖子病,1850年法国科学家查庭发现人缺碘会得甲状腺病。已经测定,人体含碘约为20~50mg,在甲状腺中就占1/5,血液中每升含碘50~120μg。甲状腺主要分泌甲状腺素,它能增强人体新陈代谢,不让全身细胞“偷懒”。人体缺碘时甲状腺会肿大,俗称大脖子病,人就会无精打采,洋洋欲睡。世界上患这种病的人达2亿之多,大都在不食海盐的地区。我国云贵高原等地过去常发生这种病,解放后已逐渐消除。成人每天需摄入碘100~150μg,一般食海盐已能满足需要。含碘丰富的食物有海带、海参、紫菜等海生动植物。我国古代用海藻泡酒治大脖子病,就是利用海藻中碘易溶于酒中的性质。

人体中大约含氟0.005%,其中约有2/3在骨骼中,1/3在牙齿内,都以氟化钙的形式存在于体内。缺氟的人易发生龋齿,这就是在牙膏中常添加氟化物的原因。我国饮水规定每升含氟0.5~1.0mg。多了也不好,易得“氟骨病”和“斑釉病”。

人体里所需的化学元素主要依靠食物来补充,只要平时注意饮食多样化,不偏食,就能很好调节和平衡体内的需要,使人更加强健。

化学作为一门独立的科学,是从拉瓦锡时开始被人们接受的,但是使化学成为一门科学的第一步却是17世纪的波义耳走出的。正如恩格斯所说,“波义耳把化学确立为科学。”

波义耳最大的贡献之一,就是确立了元素这个概念。当时,欧洲大陆研究化学的人大都是药剂师或受过药学教育的,他们在制药实践中发现了不少新物质和新的化学反应。在英国,情况却恰好相反,使用化学取得巨大进展的大都是些业余科学爱好者。波义耳便是其中著名的一位。波义耳的家境十分富有,但他却从不追求安逸享乐的生活,而是以毕生的精力从事对自然科学探索。1662年,英王查理二世正式批准成立了皇家学会,波义耳是最早的会员之一,为了有更多时间从事科学研究,他曾于1680年谢绝了担任会长的任命。

波义耳在科学工作中,通过大量的化学实验认识到了世界上的物质是千差万别的,这些千差万别的物质是决然不能用亚里士多德的“四元素”或医药学家的“三元素”学说所概括的。

对此,他曾指出:谁也不能用任何一种分析方法把所有物体都分解成盐、硫或汞;当然,也没有任何方法能够把数目繁多的物体只变成4种物质——水、气、土、火。他曾经就此举过了一个非常著名的例子:黄金是不怕火的,它并不被火分解,更分不出硫、汞和盐来。放一点金子在王水中,可以发现它不久就溶解了。如果将溶液蒸干,可得到一种黄色的新物质,这是金的微粒和水结合的产物;如果在溶液中加一点锌,则在容器底部可发现一层金粉沉淀出,这就是开始溶入的黄金。总之,金微粒是永不消失的。

1661年,波义耳总结了自己几十年来的实验和研究成果,出版了著名的《怀疑的化学家》。该书涉及炼金家普遍推崇并为之辩护的、同时也是为化学家通常认为实在的种种要素。波义耳用旧理论的拥护者和怀疑化学家之间的对话的形式全面阐述了化学实验的意义、化学研究的目的和他本人对化学元素的见解。

这部著作中,波义耳这样阐述元素的概念:“我指的元素应当是某些不由任何其他物质所构成的原始的和简单的物质,或完全纯净的物质”,他认为元素是具有确定的、实在的、可觉察到的实物,元素是用一般化学方法不能再分解为更简单的某些实物的。并且,他还认为,那些原始的和简单的物体,以及混合的物体都由元素组成并且最终分解成元素。

如果从现代化学的观点来看,波义耳所定义的元素其实是单质。然而,他正是用这个概念将单质和化合物以及混合物区别开来,从而与“三元素”、“四元素”区分开来。一举揭开化学研究的面纱,为近代化学发展指明了方向。

研究过《怀疑的化学家》全文,我们可以看出,波义耳明确地把化学单独划分为一门科学,坚决反对将化学归属到炼金术或医药学的门下。

遗憾的是,波义耳的新学说在当时并未被大多数人承认,直至100多年之后,从拉瓦锡开始才被人们所接受。

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