組成細胞的基本元素,組成細胞的基本元素有多少種

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18:00

生 化 時 間

在高中生物學習的開頭

老師就讓大家背過

細胞的元素組成中

基本元素是C、H、O、N

大量元素有C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg

微量元素有Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo······

背是背熟了

但大家有沒有想過

為啥就是這幾種元素呢？

元素周期表里元素上百種

為啥就"寧"幾個是"帶藝術家"

在幾十億年的生物演化史上持續"霸麥"

也不讓其他元素上臺唱一段兒？

這些元素到底有什么特殊之處

細胞為啥“選”它們作為組成自身的原料？

要解決這些問題

還得回到宇宙大爆炸的時候

這可不是故弄玄虛

這個問題

確實得從那時候說起······

01

元素的誕生

首先

我們帶大家看看元素到底是怎么來的

先給結論：

元素的產生

是由于宇宙大爆炸、恒星聚變和超新星爆炸

至于為啥？

往下看

大家都知道

元素的區分

就是看質子數的不同

嚴格來說

所有元素都可以看作

n個質子和其他粒子的組合

要產生的新的元素

就好比要將若干質子

和一些其他粒子強行捏在一起

這需要很大并且適度的能量

能量太小肯定不成

能量太大又會打散已經成型的原子核

總之就是特別麻煩

而宇宙大爆炸產生了巨大的能量

這給元素的誕生創造了第一個條件——

巨大的能量

但是還有一個問題

就是這些能量無法控制——

爆炸時的能量雖然很大

但是衰減也很快

一開始能量太大

沒有成型的粒子

后來能量衰減太快

錯過了可以形成元素的能量區間

大規模聚變就喪失了條件

也很難形成元素

所以在劇烈爆炸和急劇衰變中間

只夾著一小段時間

滿足元素形成的條件

在這一小段時間內

除了1號元素氫以外

只來得及形成一些2號元素氦

以及極少量的3號元素鋰

因此，宇宙大爆炸

只留下了一大堆氫（約75%）

和一小堆氦（約25%）

和極少數的鋰

問題又來了

宇宙大爆炸階段過去之后

后邊更多的元素咋誕生呢？

這就要來到十億年后

這時宇宙中出現了

第一代活躍的原住民——恒星

我們熟知的太陽就是恒星

恒星會不斷發生核聚變

它的內部能量絕對大

足夠進行更重的原子核形成

打個比方來說

恒星就好像太上老君的煉丹爐一樣

能夠不斷“煉”出新的元素

有了恒星之后

越來越多的元素開始產生

2號、3號、4號······一直到26號Fe

一切都很順利

但是Fe之后

新元素的產生卻變得很困難

為啥呢？

這是因為

鐵原子核穩定得很

簡直堪稱原子核中的“穩定標兵”

不嚴謹地說

原子序數比鐵小的元素

得想方設法核聚變增加自己的質子數

原子序數比鐵大的元素

想方設法核裂變減少自己的質子數

要改變鐵這種穩定的狀態

需要巨大的能量

但恒星聚變的能量不夠大

所以鐵之后的元素

不能通過恒星核聚變形成了

既然煉丹爐里的能量不夠大

那怎么才能獲得更大的能量呢？

答案是：干脆把爐子炸掉

認真的嗎？

認真的

鐵之后的元素

就是在一些恒星死亡的時候——

也就是超新星爆炸的時候形成的

說了這么多

總結下來一句話

原子序號越大的元素，越難以形成

而越難以形成的元素

基本上在宇宙中的含量就越少

比如，太陽系中的元素組成就是這樣的

圖片來源:《走進奇妙的元素周期表》

0 2

生命的“被選擇”

根據上一段的介紹

我們肯定知道了

元素是由于宇宙大爆炸

恒星聚變和超新星爆炸形成的

而地球只是一顆行星

她是沒能力自己產生新元素的

所以組成地球的基本元素

從一開始就基本確定了

而且其比例

和宇宙中元素存量的普遍規律相差不大

圖片來源：維基百科

我們再來看看元素周期表

可以看到

構成細胞的大量元素

都聚集在元素周期表的上方

這時候就會有同學要問了

為什么構成細胞的元素

都聚集在元素周期表的上方呢？

從元素的角度來看

答案只有三個字

說起來有一丟丟"霸道"：數量多

從細胞的角度來看

答案也有三個字

說起來還有一丟丟悲涼：不得已

從進化論的思考角度來說

所有在同一環境下競爭的生物

適者生存，不適者被淘汰

對于生命來說

有機大分子是生命的標志

對于早期由各種元素組成的大分子結構來說

誰用常見、大量、易獲取的元素組成

誰就踩了"狗屎運"

越可能適應環境而生存

而誰用了不常見、少量、難獲取的元素

誰就越可能被淘汰

從概率的角度來說，

常見、大量、易獲取的元素

也有更大的概率被生命吸收

作為組成身體的元素

不常見、少量、難獲取的元素

則被嘗試的概率很小

所以，問題并不是生命"選擇"用哪些元素

而是哪些元素更多

哪種元素更能讓生命盡可能活下去

但是有些同學又要問了

有些存量也很多的元素

占據著得天獨厚的位置

但并沒有成為生命體的大量原料

這又是為啥呢？

這些"表現不好"的元素

我來點幾個名：

首先是

2號元素He

10號元素Ne和18號元素Ar

氦這種元素

真是讓人忍不住嘆氣——嗨！

因為，這元素實在是太穩定了

在化學中是惰性氣體的一員

壓根不喜歡和別的元素發生反應

如果元素總喜歡自己單混

幾乎從來不合其他元素組成化合物

那它們構成生命的可能性就太低了

畢竟生命體需要不斷進行各種反應

10號元素Ne和18號元素Ar

都不存在與生物體內

也是這個原因

我們再來說說9號元素F

一方面，F的存量相比周圍的O、Ne

也是一個大滑坡

另外F原子核本身不夠穩定

從化學角度來看

F的氧化性太強了

強到能和萬年solo惰性氣體發生反應······

在氧化還原反應中

不論是反應速度還是反應程度

都過于"霸道"而無法控制

而因為其反應過于徹底

改變其化合物也變得困難

這種不受控制的元素

用來構成生命也不合適

畢竟生命體還是要維持一個相對穩定的狀態

0 3

小結

每種元素都有自己的特點

生命與這些元素的結合程度

取決于非常多的因素

今天我們所講的因素只是其中的一些

一句話總結就是：

元素在生物體內的含量

與其在環境中的存在多少

以及化學性質的活潑程度有關系

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