生命中化学元素讲义

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 导论：化学与生命1-1 引言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 生命的起源3-2 生命进化的历程3-3 生命元素的形成3-4 生命体中元素的来源3-5 生命元素的主要形态和主要特性3-6 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 碳是生命的物质基础4-2 糖类化合物4-3 糖类化合物的

2、生理功能4-4 脂类化合物4-5 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 氮与生命5-2 氨基酸5-3 肽5-4 蛋白质5-5 酶、维生素、激素5-6 核酸和基因5-7 生命体中其它重要的含氮小分子化合物5-8 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 氧和生命6-2 氧的功与过6-3 生命中的氢元素6-4 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 人体中的必需微量元素7-2 人体中可能必需的微量元素7-3 可能具有人体所必需功能、但具有潜在毒性的微量元素7-4 有毒有害元素7-5 对微量元素的一些

3、研究第八章 人类与地球共命运8-1 环境问题生命对环境的破坏8-2 环境问题的本质生命元素循环的严重破坏8-3 环境污染对生命的危害8-4 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 导论：化学与生命1-1 引言生命中的化学元素，是不可能讲清“生命是什么？”这一人类认识史上最基本、最核心的问题的，但是我们可以从化学的角度来讲述生命科学研究中的部分重要发现及其研究成果，可以讲述组成生命的化学元素的一些重要作用及其运动规律，可以探讨人类是怎样认识生命的，而对这些知识的了解，将一定会多

4、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，人类本身是一种极为复杂的发展过程的产物，有着偶然和必然交替变化的烙印。人类的将来会怎么样？得自己掌握自身的命运。宇宙中并没有有关生命之谜的现成答案，这些问题得由人类自己来回答，而且还必须在人类有限的生存期间，找到人类存在的真正意义。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

5、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，尤其是人类又在克隆、基因改造和遗传工程上取得了巨大的成功。生命当然还会继续进化下去，而这一进化过程肯定将会比以往任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

6、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，人类突然发现生命已从来没有像今天这样受到人类的意志的控制和改造，以克隆为基础的无性繁殖作为核心，这一控制和改造究竟会走到哪一步？这肯定是我们这些世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，

7、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，化学家们自然还需要和其它学科的科学家们一起加倍地努力，每一个有志于科学研究的人都应该努力。第二章 化学元素的起源2-1 宇宙如何创生传说和思考生命孕育于宇宙，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”，令人不解的是，这一说法竟有着它的世界普遍性，不论是埃及神话还是希腊神话都有着相类似的说法，即宇宙

8、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”，这个“宇宙蛋”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。2-2 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！有人还会说，不，这无数太阳离我们可实在太远了，它们的光照不亮我们的夜空。可是，既

9、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），而当汽车驶过我们远离而去时，其音调却不断变低（也即声音的频率在降低）

10、。这种现象由奥地利物理学家多谱勒（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”。不久他的这一说法就被证明了是错误的。1

11、859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，长时间地在胶片上曝光后所显示的图形即是天体的光谱图，这种光谱图或是在暗黑的背景上有一些亮线，或是在明亮的背景上有一些暗线，而且这些线条都有一定的位置，这个位置即表示一定的波长（或者频率）。这些线条后来发现就是天体上存在的元素的“条形码”。4.

12、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，却得到了一个意外的发现，发现它们的谱线偏离了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。多谱勒效应的计算公式为： Z+1 =Z 红移量 c 光速 V观察者与光

13、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. 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，他因此提出了著名的哈勃定理：一个星系的退行速度同这个星系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

14、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。 7. 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

15、Alpher、Bethe、Gamov），提出了宇宙大爆炸的理论。这一理论认为，宇宙的原始状态是一巨热的核粒子气体混合物，大爆炸是由混合物的迅速膨胀引起的，如今我们在地球上所发现的全部元素都是在大爆炸发生后半小时所产生的尘埃。同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（为微波辐射）相当，因此我们今天的宇宙应是在一片微波的辐射之中。遗憾的是，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

16、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，测量出了天空的有效噪声温度为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，无论测量天线对准天空的哪个方向都能接收到这一背景辐射，这意味着它是各向同性的，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，因为它没有方向性。此时他们恰好看到了一篇有关大爆炸理论的论文，根据这一理

17、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”，这一消除不掉的残余噪声就是“大爆炸”的遗迹宇宙的背景辐射。彭齐亚斯和威尔逊的这一发现震动了全世界的科学界，也使他们获得了1978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

18、段：根据大爆炸理论，科学家们推算出，大爆炸一瞬时（10秒）的温度极高，大于10K，可以用公式=1.5×10/来近似估计（T为温度，K ；t 为时间，秒），此时的温度，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秒到10秒，温度约在10K 到10K，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秒

19、到10秒，温度约在10K 到10K，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秒到10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，产生两个光子或一个电子及正电子对（后者产生于两个光子的碰撞），另外，两个胶子也会产生两个光子。由于夸克的大量湮灭，由X粒子衰变成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

20、子伏特，因此当粒子的平均能量降至这差值时，许多中子便开始衰变成光子、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） 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H：p +H He + r He+He He +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%

21、 ，氦核占23% ，约3：1，这与现代天文学测量的结果相一致。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。此时氢核和氦核都捕捉到了电子形成了氢原子和氦原子（因此可以说氢和氦原子的年龄是与宇宙的年龄相差无几的）。由于原子不带电，光子也便开始独立生存。宇宙在膨胀中不断冷却，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

22、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，宇宙的年龄约为137亿年，这一结果的近似的误差率仅为1%；在宇宙的构成上，据计算，原子占4%，暗物质为23 %，剩下的73%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、更有力的支持，普林斯顿高等研究院的巴卡尔说，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10秒，且不说这一瞬如何发生，而在这一瞬之前，宇宙又是

23、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涨阶段，“暴涨宇宙模型提供了一种可能的机制，依靠这种机制。观测宇宙即从一个无穷小区域开始演化。因此，引人注目的将是进一步推演整个宇宙的确是从无中演化过来的。”霍金斯坐在轮椅上也悟出了宇宙生于“无”的理论，1998年，他在写作名著时间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

24、真空能量使宇宙发生了暴涨，暴涨在真空的能量都转化为物质能之后而停止。其时宇宙开始热化，从而引发了大爆炸。除了以上的研究之外，物理学家们还提出了形形色色的多宇宙理论，有埃弗雷特的分叉宇宙（每一个宇宙都是前一个宇宙分裂出来的）、有霍金的泡泡宇宙（暴涨必然会产生许多单独的泡泡，产生一个个相距遥远的泡泡宇宙）、还有惠勒的无尽的再生宇宙（大爆炸和大坍塌交替进行）。这些理论在数学上都是可行的，但并未得到科学家们的公认。尽管还有着许许多多的难解之谜，就目前来说，应该承认大爆炸理论目前已是解释我们的宇宙起源的最好理论。2-4 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

25、人类。然而，一切均从“无”到有。最初的“有”就只是一片“浑然一气”，那是由大爆炸后产生的电子、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

26、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，下夸克带有-1/3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、奇夸克、灿夸克、底夸克和顶夸克，科学家已从实验中发现了所有6种夸克的存在。事实证明，夸克作为最基本的粒子之一，已完全能解释已发现的数百种各种粒子的组成。2 中微子科学家们发现，中子是不

27、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

28、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 D（氘核）+（光子）D + H He +He + He He +2H 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：

29、7，上述核反应表明，两个质子和两个中子转化为一个氦核He，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，巨大的引力使得原子的运动发生碰撞，并把它们的能量传递给其余的物质。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

30、。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，这一聚变反应中释放出来的巨大的能量就维持着恒星内部的高温以及恒星的辐射，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，在恒

31、星生成的第二阶段，由于氢的燃烧生成了氦，这两个阶段即是主序星阶段。当温度继续升到一亿度时，氦的燃烧就生成了碳、氮、氧元素，此时恒星外层的物质由于离开中心区已十分遥远，因此恒星发出红光，是为红巨星。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”。至此，核反应的能量耗尽，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成了大量的氦，因此有人认为宇宙中的氦也有可能就是在恒星的核合成

32、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，但是实际计算的结果发现竟只是0.35K，因此这种解释与实际是不符的。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 H H2 H HeH +He Li2 He 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Be是很不稳定的，有着

33、很短的半衰期，因而在宇宙的星体中很少有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，那么又怎么合成A=9、A=10呢？这个问题就称为A8沟。科学家的研究发现了恒星中的碳的丰度特别大，因而推论在氦层的下面生成了碳层，而不是形成了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，英国天体物理学家霍伊尔提出了一个假说，他认为存在着以下的一个反应： Be + He 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Be存在的时间还要快，而且他还认为碳可以在两

34、个氦核聚合成一个铍核开始的过程中合成2He Be Be +He C实际上就是 3He C它们之间存在着共振，因此使得它们的核反应的几率变得很大，从而顺利的产生了C，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。如此说来，地球上的生命竟是出于如此“偶然”，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： C + H N + N C + e+ C + H

35、 N + N + H O + O N + e+ N + H O +同时， 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，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）He燃烧 3He C + C +He O + O +He Ne + Ne +He Mg + N +He F +6）.C燃烧 Na + HC +C Ne + （氦核粒子流） Mg + （高能光子流） C + O +7）O 燃烧 Si + O +O P + H S + n （中子） S + Ne + O + Ne + Mg +8）重元素的生成 Mg +

36、 Mg Si + Si + Si Fe + 当硅燃烧完后，恒星中铁的含量也就达到了最大。要指出的是，根据科学家的研究认为：并非所有的恒星都能发生以上所有的反应，有的恒星还未到生成铁核，中途就结束了自己一生。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，但恒星的核心被铁垄断后，燃烧也就不能再继续了，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，可以知道恒星的演化过程就是化学元素的生成过程，恒星其实就是一个个把轻元素炼成重元素的“炼炉”，古代术

37、士梦寐以求的炼金炉，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，必然有少量的氢云遗留下来，它们因万有引力而聚集在一起，同时受到超新星爆发时抛射出来的重元素的污染。当这些污染的氢云开始聚集成行星时，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

38、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，只要计算出岩石中的铀和铅的质量就可以计算出岩石的年龄，这是因为原子量为238的铀会衰变成铅和氦，每衰变掉一半的质量需时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，地球的地壳在形成之前还有过一段熔融状态的时期，如再加上这段时期，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，它也是宇宙大爆炸中最早产生的元素。然而

39、周期表的最后一个元素应是谁呢？也就是由门捷列夫建立起来的这一“王国”的边界究竟又在哪里呢？直到1940年以前，元素周期表始终是以第92号元素铀作为它的末尾，这也是地球上所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号元素钅卢 (Rf),105

40、号元素钅 杜 . ( (Db), 106号元素钅喜 (Sg),107号元素钅波 (Bh),八十年代又发现了108号元素钅黑 (Hs) , 109号元素钅麦 (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号元素的研究工作。第三章 生命元素的形成和演变3-1 生命的起源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

41、学者们称为“第一推动力”亦即“神创论”。古希腊的柏拉图（Platu）就认为世界上存在的一切都是造物主创造出来的。除了第一推动力的说法外，还有反对“神创论”的“自生论”，自生论在整个人类认识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”，既“不是被创造出来的，也没有特别的理由”，自然而然就发生了。我国远在上古时代，生物自生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，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

42、，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。这种原始有机物的起源与早期演化，是一种化学过程，亦即化学进化。化学进化造就了一类化学材料并构成了氨基酸等生命通用的结构单元。蛋白质等生命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

43、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（.）首先提出了一个比较系统的生命起源的假说，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、CH、HO、H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。以后奥巴林学派又进一步提出了“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”，最终形成了复杂体系，而称之为团聚体，该学说还描述了生命起源的三个阶段，那就是：

44、1.从无机物到简单有机物的形成，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，成功地模拟了原始地球大气的条件下氨基酸产生的过程。他把一个专门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、NH、CH，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，模拟地球闪电的自然条件连续进行火花放电，并在实验过程中随时进行取样分析，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。

45、经分析，形成的物质有甲酸（HCOOH）、甘氨酸（HNCHCOOH）、乙醇酸（HOCHCOOH）、乳酸（CHCHOHCOOH）、丙氨酸（CHCHNHCOOH）、丙酸（CHCHCOOH）、乙酸（CHCOOH）（CHCHCOOH）,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

46、源的“热聚合假说”，他认为，在海洋附近的火山地带，氨基酸经过加热就会变成类似蛋白质的类蛋白，它们溶解于海水后，就成为“微球体”，并有着与细菌相似的形态和结构，这种微球体和团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，随之在漫长的岁月里它们就发生了化学和生物化学的过程，最终也就形成了地球上最早的生命。综合以上的学说，化学进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

47、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，19

48、37年发现了第一个星际分子甲川（CH），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，其中有9种为地球上找不到的或很难找到的，有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，它们很可能是由更复杂的分子解体而成，只要原始太阳星云中的部分有机分子在太阳系形成时未受破坏而存留

49、下来，并在地球冷却后从星际降落地面，那么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。彗星一生中绝大多数时间在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

50、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，是

51、在南非的斯威士兰的太古代地层中找到的31 亿年前的细菌化石，大小和形状类似于现在的棒状细菌（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。那就又引出了一个问题，究竟是先有植物还是先有动物？近年来的研究表明，由于最初原始的大气中没有氧气，最初的生命应是厌氧菌并且是异养型的，被称为古细菌，科学家们也确实在海洋的深处发现

52、了古细菌，例如极嗜盐菌，硫磺细菌。1989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，而我们人类

53、又将在生命的进化中作出什么样的贡献呢？生命进化中的一些难解之谜第一个：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，从生物进化的顺序来看，类病毒应是最原始也是最微小的生命之一。1）.病毒病毒是一种比细菌更渺小的生命，主要由蛋白质外壳和核酸构成，最早发现病毒的是俄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

54、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，称之为月元 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