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初三化学生命必需元素 远离毒品知识精讲 湘教版
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　　　　初三化学生命必需元素 远离毒品知识精讲 湘教版　　一. 本周教学内容：　　专题9
保护人体健康　　单元2
生命必需元素　　单元3
远离毒品　　1. 了解生命必需元素及有毒元素，树立平衡营养的观点；　　2. 知道毒品及其种类，进一步了解它对人类的危害；　　二. 重点、难点：　　生命必需元素及毒品的知识　　单元2
生命必需元素　　人体中除了含有大量的C、H、O等元素外，N、Ca、I等元素也是人体所必需的，它们统称为人体中的生命必需元素。　　一. 常量元素　　根据元素在人体内含量的多少，通常将生命必需元素分为两类，在人体内含量较多的生命必需元素称为常量元素，像C、H、O、N、S、P、Ca等；　　二. 微量元素　　含量仅为人体体重 0. 01％以下的生命必需元素称为微量元素，如 Fe、Zn、Cu、I 等。　　生命必需元素，特别是微量元素在人体中的功能是一个极为复杂的问题，现代科学技术已经帮助人类了解到了一些细节。如钙（Ca）是骨骼、牙齿的主要组成元素，参与神经传递和肌肉收缩；锌（Zn）是多种酶的组成元素；铁（Fe）是血红蛋白的组成元素，血红蛋白在体内运输氧气和部分二氧化碳；磷（P）是核糖核酸的组成元素，磷还参与生物体内有机物质的合成和能量代谢等。　　物质 缺乏症 过量症 富含该元素的食物　　Fe 贫血，免疫力低，无力，头痛，口腔炎，易感冒，肝癌等 影响胰腺和性腺，心衰，糖尿病，肝硬化等 肝、肉、蛋、水果、绿色蔬菜等　　Cu 贫血，心血管损伤，冠心病，脑障碍；溃疡等 黄疸肝炎，肝硬化，胃肠炎，癌等 肝、干果、葡萄干、葵花子、茶等　　Zn 侏儒，溃疡，炎症，不育，白发，白内障等 胃肠炎，贫血，高血压，冠心病等 肉、蛋、奶、谷物、蔬菜、贝类等　　F 龋齿，骨质疏松，贫血等 氟斑牙，氟骨症，骨质增生等。 海产品、茶叶等　　I 甲状腺肿，心悸，动脉硬化，智障 甲状腺肿等 海产品等　　Se 心血管病，克山病，大骨节病，癌，心肌病等 硒土病，心肾功能障碍，脱发等 海产品、大米、大蒜等　　不少生命元素在人体中的功能至今还不太了解。化学家将会和其他科学家一道，继续帮助人类全面了解各种生命元素对人体的作用机理。　　三. 有毒元素　　自然界中有许多元素不是人体所需要的，而且会在一定程度上毒害有机体，我们把这类元素称之为有毒元素，如铅（Pb）、镉（Cd）、汞（Hg）等金属元素。　　有毒金属元素进入人体内主要是环境污染所造成的。　　四. 元素与人体健康　　任何一种生命必需元素都有其相应的生理最佳浓度。如果因为某些原因，体内的某种元素含量达不到一定的标准，就必须采取适当的途径及时进行补充，否则会引发许多疾病。　　科学研究发现，人类的许多疾病是由于人体中某些元素的含量不足而引起的，　　如克山病——是与缺硒（Se）有关的一种疾病；　　克汀病——是由于严重缺碘引起的一种疾病。　　请你查阅资料或走访有关人士，了解一下哪些疾病与生命必需元素的缺乏有关，怎样补充这些元素？　　一般来说，人体中某些元素的缺乏是由饮食习惯、地区差异或遗传等因素引起的。人体比较容易缺乏的元素有钙（Ca）、铁（Fe）、碘 （I）等。在补充人体所缺乏的元素时，要注意遵循不缺不补、食补为主、药补为辅的原则。　　生命必需元素的缺乏会危害人体健康，但有时元素的过量可能比缺乏更令人担忧，因为某种元素的缺乏易于补充，而过量则难以清除，或清除过程中会产生副作用。　　单元3
远离毒品　　一. 毒品　　毒品是指鸦片、海洛因、冰毒、吗啡、大麻、可卡因以及国家规定管制的其他能够使人形成瘾癖的麻醉药品和精神药品。而像吗啡、杜冷丁等虽然都是医疗应用药物，但当它们被非法滥用时，就成为毒品。　　　　海洛因即二乙酰吗啡，鸦片毒品系列中最纯净的精制品，是目前我国吸毒者吸食和注射的主要毒品之一。1874年英国化学家C•莱特在吗啡中加入冰醋酸等物质，首次提炼出镇痛效果更佳的半合成化衍生物二乙酰吗啡即海洛因。海洛因为白色粉末，微溶于水，易溶于有机溶剂，盐酸海洛因易溶于水，其溶液无色透明。　　海洛因进入人体后，首先被水解为单乙酰吗啡，然后再进一步水解成吗啡而起作用。因为海洛因的水溶性、脂溶性都比吗啡大，故它在人体内吸收更快，易透过血脑屏障进入中枢神经系统，产生强烈的反应，且高纯度的海洛因有比吗啡更强的抑制作用，其镇痛作用亦为吗啡的4-8倍。最初的海洛因曾被用作戒除吗啡毒瘾的药物，后来发现它同时具有比吗啡更强的药物依赖性，常用剂量连续使用两周甚至更短即可成瘾，由此产生严重的药物依赖。　　鸦片又称“阿片”，俗称“大烟”、“鸦片烟”、“烟土”等，是英文名Opium的音译，来自于鸦片罂粟。鸦片有生鸦片和熟鸦片之分。　　.........【图文】第一讲 化学元素与生命_百度文库
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第一讲 化学元素与生命
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你可能喜欢生命“必需元素”不再必须？——再评“砷基生命”
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|个人分类:|系统分类:|关键词:砷基生命 极端微生物 GFAJ-1
生命&必需元素&不再必须?
&&评&食砷&细菌的发现
&& &11月2日，美国《科学快讯》刊发了美国宇航局（NASA）天体生物学家费丽莎&乌尔夫-西蒙（Felisa Wolfe-Simon）博士的研究论文&&&一种能够利用砷替代磷生长的细菌&。此次发现的&食砷&细菌GFAJ-1能在不含磷元素的培养基上，利用砷元素生长。而且菌株GFAJ-1体内的生物大分子中也含有砷元素，这就说明对于生命体而言，磷元素能够被砷元素替代。同时也预示着，生命的&必需元素&不再是&必须&。
&& &11月2日《自然》网站、和次日出版《科学》杂志都对此发现进行了报道和评论。&食砷&细菌的发现，不仅颠覆了科学上对生命&必需元素&的定义，而且，引发了公众对外空生命的无尽遐想。由于研究机构是致力于探索外空生命的美国宇航局。该消息一度被误传为&NASA发现外空生命&，甚至白宫的官员都为此致电NASA核实事情真相（据《华盛顿邮报》）。为此，NASA的专家不得不反复重申：此次发现的&食砷&细菌是在地球上首次发现，而并非是传言的外空生命。
风光旎丽的国家公园
& &&&食砷&菌GFAJ-1的发现地是位于美国南加州优胜美地（Yosemite）国家公园的莫诺湖（Mono Lake）。&优胜美地&是号称全美最漂亮的国家公园，而其中的莫诺湖更是以其特有的&石灰华&（tufa）景观而著称。在平静的湖面上冒出数个&石灰华&，看起来宛若梦幻般的仙境。据说，在这里即使是傻瓜照相机也能拍出美妙的图片。因此，莫诺湖也被成为&摄影家的天堂&。
&&& 但是，吸引西蒙博士来此进行研究的却不是这里旎丽的风景，而是莫诺湖独特的自然环境。莫诺湖由于没有自然出口，长期的蒸发使得湖水的渗透压很高。这里湖水的 pH高达10，盐度更是海水的两倍。加之，莫诺湖是北美最古老的内陆湖。在这里特有的生存环境下，可能还蕴含着地球上最古老的生命形式。
& &&更为重要的是，莫诺湖也许是地球上含砷量最高的湖泊。这里湖水的砷含量高达200uM。在此生长的微生物势必能够耐受高浓度的砷元素。而它们正是西蒙博士苦苦寻觅的&嗜砷&（loving- arsenic）细菌。
&& &西蒙博士和她的团队从2009年就开始莫诺湖湖底的沉积物中分离天然微生物。并在培养基中不断提高砷元素的浓度。最终筛选到了能耐受较高砷浓度的&嗜砷&细菌GFAJ-1。
&&& 从恶劣环境中分离极端微生物，这在科学上不是新鲜事。但是，当培养基中去除了磷元素后，西蒙博士惊奇的发现，菌株GFAJ-1在完全不含磷元素的培养基中也能生长。随后的研究进一步表明， GFAJ-1是利用了砷元素替代磷元素去合成生物大分子，行使生理功能。
&&& 一株平常的&嗜砷&（loving- arsenic）细菌竟然还是&食砷&（eating- arsenic）细菌。此发现改变了此前科学界对于生命&必需元素&的认识。同时，这也预示着此前在人们所自认为的&生命禁区&中，可能还存在没有发现的生命形式。因此，NASA在新闻发布会上就指出，&该研究成果或将改变需找外空生命的策略&。
性情相近的&兄弟&元素
&& &长期以来，碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、磷（P），硫（S）被认为是形成生命体的&必需元素&。缺乏其中的任意元素，蛋白、核酸、糖类、脂类等生物大分子都无法合成。从最简单的单细胞细菌到分化复杂的高等生物，生命&必需元素&对于生命体而言绝对是&必须的&。英文中六种生命必需元素的缩写，常常连起来组成了专用称谓&CHONPS&。但是，&食砷&细菌的发现，至少已经就将磷元素从&CHONPS&的名单中划出。
&& &而此前，磷元素普遍被认为是不可或缺的&必需元素&。磷在生命体中主要以磷酸根（PO43-,）的形式存在。磷酸二酯键维系着核酸（DNA，RNA）的基本结构。磷脂双分子层是&生物膜&重要组成部分，借助后者细胞才能选择性的&吐故纳新&。而三磷酸腺苷（ATP）更是被称为细胞的&能量货币&，细胞通过合成和水解其中的&高能磷酸键&去贮存和释放能量。
&&& 因此，对于生命体而言，从分子结构到细胞功能，从新陈代谢到能量转化，磷元素都是不可替代的。磷元素对于生命中如此重要，早在1987年《科学》杂志就刊出名为 &自然界为什么会选择磷&的文章，对磷元素的重要性进行详尽阐述。
&&& 与&生命必需元素&&&磷相比，同为氮族元素砷却常常与&重金属中毒&联系起来。三氧化二砷更是剧毒的砒霜。然而，若从化学性质的角度说，砷和磷却是性情相似的&兄弟&。
&&& 在化学元素表上，砷元素与磷元素同属氮族元素。二者化学性质相似。砷与磷具有接近的原子半径，也同样带有相同的负电荷。而且，它们在自然界的存在形式更是大同小异。砷元素多以砷酸根（AsO43-）的形式存在，它与磷酸根（）具有相同的酸碱度（pH）和氧化还原电位。唯一不同的地方是，砷的分子量更大，化学性质也相对活泼。与磷相比，砷元素更具&金属性&
&&& 正是由于磷元素与砷元素的相似性。细胞内部的代谢途径常常不能区分二者。当细胞摄入砷后，砷会进入磷的代谢途径。而砷的 &金属性&，又使其在水环境内极不稳定。过短的半衰期导致其不能行使磷元素的生理功能，最终导致了砷元素的中毒。
&饮鸩止渴&的&食砷&细菌
&&& 当微生物的生长环境中没有磷时，它是否能够通过摄入砷来替代磷呢？这听起来有点像&饮鸩止渴&的故事。但是西蒙博士却不这么认为。
&&&& 据《新科学家》2008年报道，西蒙博士尚在哈佛大学攻读博士后期间，就注意到了砷与磷的相似性。她认为，在地球上生命形成的早期，由于火山爆发等原因，砷元素会溶解在水中。此时，尚没有足够的微生物从岩石中分解到磷。那么，早期的生命很可能是，依靠砷来合成DNA等生物大分子。
&&&& 西蒙博士的观点发表在当年的《国际天体生物学》，并以 &自然界是否也选择了砷？&为题。与上文提及的经典文章&&&自然界为什么会选择磷&遥相呼应。
&&& 在生物体内，任何元素的替代都导致分子结构、代谢途径的改变。虽然，此前也有报道：作为&酶&的辅基，有些金属是在生理功能上可以互换的。比如，在低等的节肢动物体内，金属元素铜可以替代铁成为氧载体的辅基。但是这些&替换&仅仅局限在生物体内&微量元素&。而对于含量占到生物质干重近百分之一的磷元素来说，它被其他元素替代，这在科学上是难以想象的。
&&& 但是两年后，西蒙博士利用了放射性元素示踪、两种质谱技术（二次离子质谱、X射线）等方法研究，结果 &表明&：&食砷&细菌GFAJ-1的DNA等生物大分子中含有砷元素，而且同时其体内的磷元素在细胞干重中的含量，也由百分之一降为千分之一。这就预示着，在&食砷&菌细胞内部，砷元素已经开始替代磷元素。
尚未解开的疑惑
&& &莫诺湖中存在某些极端微生物能够降解砷元素，这在本世纪初就已经发现。2004年，《欧洲微生物学会联合会微生物生态学》所刊论文&莫诺湖中微生物的砷循环&就已经提及此事。甚至对于嗜砷微生物的分布，砷元素的微生物降解机制进行详细介绍，也有数篇论文详细论述。如：2005年《科学》杂志刊出论文 &高盐环境下利用微生物实现的砷循环&。2006年《元素》杂志也刊出论文&自然界中微生物对砷的转化&等等。（可删去）
&&&& 但是，砷元素能够替代生命&必需元素&&&磷元素，这一发现在科学上还属首次。12月3日《科学》杂志刊出的评论标题为 &毒药？却能合成DNA&，科学界对于此发现的惊奇之情，已经跃然纸上。而此前，《自然》杂志网站上已经刊出评论 &食砷细菌或将改变生命体的化学定义&。文章断言：食砷&细菌GFAJ-1不仅将磷元素从&CHONPS&的名单中划掉，而且，改变了人们对生命&必需元素&的已有认识。甚至，&食砷细菌&GFAJ-1也有了另外一个名号&砷基生命&（arsenic-based life）。
&&&& 西蒙博士的研究虽然震惊世人，但是研究过程中发现的许多现象都未曾解释。比如，GFAJ-1菌株在含砷不含磷的培养基上生长，其生长速率降为对照的60%，细胞形态明显变大，存在类似&液泡&的细胞结构。这些现象肯定与砷、磷两种元素的替换有关，但是细胞内部究竟发生了什么，人们不得而知。
&&&& 之后，科学界对此研究进行了深入的讨论。随之，也不断有科学家开始对&砷基生命&提出异议。12月9日出版的《自然》杂志就集中刊载了科学界对此研究的质疑。
&&& 首先，论文在细节上误导了公众。论文中所提及不含磷的培养基，实际上也含有&痕量&的磷。另外，结论中使用的&表明&（suggest）一词，而非&证明&（prove）。这是源于目前的检测手段不能直接或完全证明，砷元素已经构成DNA等生物大分子。要想证明这一点，需要利用&靶向质谱&技术进一步确证。
&&& 更为重要的是，与磷元素相比，砷元素更为活泼。在细胞内的水环境中，半衰期很短的砷元素如何维持生物大分子的稳定结构呢？有科学家形象的将此比喻成，&用锡箔去连接不锈钢链条&。以此来形容，脆弱的砷酸键难以承载起DNA的物理结构。
&& 对于该发现的真正意义，也许正如12月9日《自然》杂志所使用的文章题目所言，这只是&微生物对于有毒物质的一种反应&。它仅仅是，极端微生物对恶劣环境的适应。就此颠覆生命&必需元素&的概念，为时尚早。谈及&砷基生命&更是有些夸大、哗众。
&&& 对于这些以上质疑，西蒙博士除了向《科学》杂志补充了部分试验数据外，并未直接回答以上质疑。但是此前，她也坦言，研究仅仅开始，&弄清一切也许要再化上三十年的时间&。
&&& 近期，西蒙博士将赴阿根廷，在那里特有的&高砷低磷&的环境中，继续她的研究。
&食古不化&的极端微生物
&& &此次发现的嗜砷细菌GFAJ-1，属于嗜盐菌种（）中常见的盐单胞菌属（Halomonas） ，在微生物分类学上，类似的&嗜盐&多属于古细菌界（archaea）。古细菌被成为&生命的第三域&，早在地球上生命形成之初，它们就已经存在。那时的地球生存环境极其恶劣，高温、高压、缺氧，生存环境等等。能够在这种环境下生存的古细菌，体内有着独特的代谢途径，和行使催化能力的&酶&。经过数亿年的进化，这些古细菌最终成为了如今嗜热（Thermopiles）、嗜冷（Psychrophiles）、嗜酸（Acidophiles）、嗜碱（Alkaliphiles）、嗜压、抗辐射等&极端微生物&（extremophiles）。
&&& 如今，这些极端微生物的存在，已经成为地球上生命形式一道独特的风景线：从一万多米深的马里亚纳海沟、到常年干旱的塔克拉玛干沙漠，从冰封上千年的格林兰冰川，到温度高达250℃的火山口，这些&生命禁区&，都普遍发现了极端微生物的存在。
&&& 甚至， 2000年《自然》杂志报道，在古老盐结晶体内发现的一株耐盐菌，已经存活了2. 5 亿年。可以说，作为&边缘生命&的极端微生物，一直都在挑战人类关于生命现象的有限认识。极端微生物不断刷新的生存纪录也在暗示人们，在地球上还存在一个未曾被发现的 &影子生物圈&（shadow biosphere）。研究极端微生物，或许可以为探索外空生命提供线索。这也是NASA为什么一直热衷研究&极端微生物&的原因。
&&& 更为重要的是，极端微生物在恶劣环境中得以生存，其所依赖的&生物酶&，具有广阔的工业应用价值。比如，嗜热微生物Thermus aquation体内的DNA聚合酶（Taq酶）已经应用于PCR（聚合酶链式反应）技术，而后者可以任意扩增DNA片段，使得&基因工程&成为可能；嗜冷微生物体内的低温活性酶可以用于食品加工、低温发酵。嗜酸微生物体内的酶用作饲料添加剂，能够提高饲料的利用率。而嗜盐微生物、嗜碱微生物则更多的应用于环境中污染物的生物降解。
&&& 随着地下水的过度开采，近年环境中&砷污染&与临床上&砷中毒&的事件不断发生。利用此次发现的嗜砷微生物GFAJ-1菌株去治理环境，不失为解决上述问题的一条捷径。
&&& 诚然，&食砷&细菌的发现，或许能为探索外空生命提供新的线索，但是更为实际的&生物降解&、&生物治污&才是此类科学研究最为重要的现实应用。
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