Question

地壳元素丰度与人体的化学组成

Answer 1

地球上的一切物质都是地球历史的产物。包括人在内的一切生命也是地球历史的产物。人类从地壳物质中不断地取得能量，摄取营养，才赖以生存和繁衍。那么，地壳化学元素的丰度与人体化学组成有什么关系呢？为此，还必须从生物繁衍的“丰度效应”说起。

近几十年的研究证明，有二十七种元素是生物正常生活有关的，它们是Li、Na、K、Ca、Mg、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、B、C、N、O、F、Si、P、S、Cl、I、Mo、Sn、Mn、Se、As。这些元素大部分在周期表前四个周期里。其中，H、Li、Na和K在原子结构和化学性质上相似，为什么H、Na和K是生物必需元素，而Li不是；Be、Ca、Mg的化学性质相似，Ca、Mg是必需元素，而Be为什么不是。如果单从生物化学性质上来讲，确是令人费解。那么，我们从元素的海水丰度来看，就一目了然了（见表5.6）。表5.6的对比说明，单纯从元素的生物化学性质判断化学元素对生命体的必需性是不够的，生命演化过程中，地壳元素丰度似乎是一个更重要的因素。这一地壳丰度控制生命元素的必需性的现象称之为“丰度效应”。

“丰度效应”作为一种规律，5亿年来一直影响着生物的进化与生存。生物的变异是随机的。一个违背“丰度效应”的错误变异选择将使生物演化引向一条死胡同。例如，蠕虫选择铁来运载血氧，而海鞘则选择钒。原始海洋中铁一度是丰度很大的元素，至今仍比铜和钒高一个数量级，选择铁的蠕虫在摄取营养物方面明显地占优势，且载氧效率高于钒，所以它沿着顺利的方向演化，进化为脊椎动物。相反，由于海水中钒的低丰度，且载氧效率低，在生物体内不能充当多功能的催化剂，结果，海鞘的发育失去了神经系统，其原虫本来有的脊椎也在生长中退化成一个简单神经节，这种神经节毫无思维能力。于是，钒的选择导致生物演化上的退化。

有的学者^〔3〕认为，人的原始诞生地是海洋。人类离开他的诞生地海洋已经许久了，但严格有序排列的遗传基因却将原始的（或许是最佳的）化学组成一代一代地传递下来。人类的化学组成仍保持着与原始海水的相似性。例如，钠是人体必需的常量元素，每天需摄入1100—3300mg/L。漫长的地质历史使易迁移的Na逐渐集中于海洋，陆地生物圈中钠的丰度已很低，无论是饮水、粮食或蔬菜都不能提供足够的钠来维持人体血液中那海水般的浓度水平，于是人类餐桌上不知从什么时候开始出现了食盐。

“丰度效应”的真实性为近二十多年中的数据和资料所支持。60年代，英国的地球化学家汉密尔顿（E.Hamilttn）测定了220例英国人体组织中各种元素的含量，他在对数坐标中比较了人体血液与岩石中各种元素的丰度。其结果是，除了原生质主要组分（N、H、O、C）和岩石组分Si以外，两组样品中元素的丰度的相关性是惊人的（见图5.4）^〔3〕。微量元素的区域地球化学过高和过低都会引起疾病，如缺碘引起甲状腺肿，高氟引起氟病等。

人体几乎含有元素周期表中自然界存在的所有元素（见表5.7）。按其占体重的百分比算，分为常量元素及微量元素。

表5.6　元素在海水的丰度及其生物必需性^〔8〕

图5.4　人体血液中与地壳中元素丰度比较^〔3〕

表5.7　人体的化学组成^*〔4〕

*按体重70kg的男性计算。

（1）常量元素：占体重0.01%以上者，共12种。它们是O、N、H、N、Ca、P、S、K、Na、Cl、Mg、Si。

（2）微量元素：占体重0.01%以下者，目前检出的约达70多种，它们是Fe、F、Sr、Br、Pb、Cu……等。

如果按元素的地球化学性质及其对人体的必需性来分类，可分为^〔46〕：

（1）必需元素：必需的常量元素为Ca、Cl、Mg、P、K、Na和S，共7种，人每天需要量在100mg/L以上；必需的微量元素为Cr、Co、Cu、F、I、Fe、Mn、Mo、Se和Zn，共10种，每天需要量不超过nmg。

（2）可能的必需微量元素：Ni、Si、Sn和V共4种。

（3）不必需或有毒的元素：Al、As、Cd、Pb和Hg共5种。其中，有些元素可能是必需，但无定论。

（4）其它元素：Sb、Ba、Be、Bo、Br、Li、Rb、Ag、Sr、Ti等，它们对人体健康的影响仍不甚清楚。