探索生命現(xiàn)象的利器

提到生命現(xiàn)象，人們總認(rèn)為它神秘莫測。即使是關(guān)心者，也往往因那些蛋白質(zhì)、肽鏈、核糖核酸、基因、遺傳密碼等等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和深奧的功能所苦惱。

誠然，生命現(xiàn)象本身是十分復(fù)雜的，因此構(gòu)成了生命科學(xué)的高深。但是，對它直接做元素問題來探討，那么它將變得簡單多了。

新學(xué)科的誕生

生物是從低等進(jìn)化為高等的，今日的復(fù)雜生物就是由億萬年前的簡單物質(zhì)發(fā)展而來的。元素稱得上是生物的基礎(chǔ)，它們在生物的生長、發(fā)展、衰弱、死亡過程中起著十分重要的作用。

例如磷，近些年來的研究表明，它的某些化合物是人體內(nèi)部的能源“供應(yīng)站”。所有的食物在人體經(jīng)代謝一氧化反應(yīng)之后，所釋放的能量除一部分以熱能形式失散于體內(nèi)之外，其余大部分則被同時發(fā)生的吸熱反應(yīng)所利用，并儲存于某些特殊的化合物中。這個現(xiàn)象，與我們將電能儲于蓄電池的過程十分相似。研究發(fā)現(xiàn)，這種蓄電池般的特殊化合物，竟然全是有機磷化物，以三磷酸腺苷為代表，遍及人體各部位。以后各項生命活動所需的能量，再由有機磷化物氧化供應(yīng)。

又如鎂離子，它能激活人體中的許多酶，一旦人體內(nèi)的鎂離子濃度過低，蛋白質(zhì)的合成就會出差錯或中斷。某些地區(qū)食道癌發(fā)病率高，很可能就是那里的土壤缺少鎂離子的緣故。即使是植物，它的葉綠素中也含有大量的鎂離子，進(jìn)行光合作用離不開它。為此，人們稱鎂離子為太陽能的最好轉(zhuǎn)換器。

被譽稱為“生命火花”的鋅，它包含在許多蛋白質(zhì)之中，也是大多數(shù)酶的必要組分，能激活腸磷酸酶及肝、腎過氧化氫酶，又是合成胰島素所必需的元素。心臟病、肝脾腫大、性腺功能減退和癌癥等，在一定程度上都與鋅在人體中的含量不正常有關(guān)。體內(nèi)缺鋅的兒童，常表現(xiàn)出食欲不振、味覺不靈敏、身高和體重都差。甚至在眼睛里也含有高達(dá)4％的鋅，看來它對視覺必有特殊的效用，可惜至今尚未明確。

此外，人們了解到鈷是維生素B12的一個必需的組分：維生素B12由細(xì)菌生成，且為哺乳動物生長所必需。人體內(nèi)缺乏鈷，腸道細(xì)菌便無法合成維生素B12了。其次，有些酶催化反應(yīng)，也需要維生素B12作為酶的輔因子，例如參與核糖核酸的合成。而核糖核酸與神經(jīng)纖維的功能有關(guān)，因此缺鈷時就會引起神經(jīng)退化。醫(yī)生們認(rèn)為，它很有希望成為治療某些神經(jīng)系統(tǒng)疾病的基礎(chǔ)元素。鈷還能防止脂肪在肝中積累。根據(jù)研究，青光眼急性發(fā)作時，血中鈷含量往往會減少，而采用“鈷食”療法能使患者的眼壓很快恢復(fù)正常。

從以上的事實可以看出，生物體內(nèi)的元素含量雖少，但它們的作用和功能確實對生命現(xiàn)象有巨大的影響，成為生命科學(xué)所不能忽視的一個方面。近年來，這方面的研究，已逐漸形成了一門嶄新的學(xué)科。因為人們通常都把鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬和鉻等金屬元素的離子及它們所合成的絡(luò)合物(它們的結(jié)合沒有像化合物那么緊密，而像是聯(lián)絡(luò)在一起的物質(zhì))，列為無機化學(xué)的研究范疇。所以這一門研究生物體內(nèi)無機物與生命現(xiàn)象的嶄新學(xué)科，被稱為生物無機化學(xué)。

犀利的武器

生物無機化學(xué)一般從研究小分子(例如鉀、鈉、鈣、鎂等離子)對生物體的作用入手。

例如蛋白質(zhì)，它是生命現(xiàn)象的物質(zhì)基礎(chǔ)。生物體各種組成部分的自我更新或新陳代謝，歸根結(jié)底是通過成千上萬種化學(xué)反應(yīng)來實現(xiàn)的，而這些化學(xué)反應(yīng)幾乎又都是在一類特殊的蛋白質(zhì)——酶的催化作用下進(jìn)行的。至于酶，鎂、鋅、錳、銅等金屬元素是它們不可缺少的組成部分。酶作為催化劑，其催化效率高得驚人。例如同樣是使過氧化氫分解成為氧氣和水，過氧化氫酶的催化效率比一般化工廠中常用的無機催化劑高出1000萬倍!其實，這還不算突出的，某些酶的催化效率，甚至比催化相同化學(xué)反應(yīng)的非生物體催化劑高10萬億倍!換句話說，在相同的條件下，用普通催化劑催化需要1年甚至100萬年才能完成的化學(xué)反應(yīng)，用酶催化則只要1秒就成了。

只要我們真正弄清金屬元素和酶的結(jié)構(gòu)、關(guān)系，十分有希望人工合成出高催化效率的酶，使化學(xué)工業(yè)發(fā)生一場根本性的變革。這方面工作，在固氮制肥料的研究中已取得了不少成績。

不僅如此，如果進(jìn)一步根據(jù)遺傳工程學(xué)，把固氮基因轉(zhuǎn)移到小麥、水稻、玉米等主要糧食作物根系的細(xì)菌中去，就能使它們獲得大豆那樣的固氮能力，為作物提供氮肥。還有人設(shè)想，把固氮基因干脆轉(zhuǎn)移到動物甚至人體的腸道細(xì)菌的細(xì)胞中去，以實現(xiàn)由腸道細(xì)菌利用所固定的氨態(tài)氮來制造氨基酸、蛋白質(zhì)等，達(dá)到部分自造營養(yǎng)，減少食量的目的。這并非是天方夜譚，因為白蟻和船蛆就早已具備了這種功能，它們的腸內(nèi)都有固氮細(xì)菌，所以能靠含氮量很低的食物生活。人的腸內(nèi)也可能有固氮細(xì)菌，只是固氮量很少罷了。這方面的設(shè)想，現(xiàn)在已有人在蠶絲生產(chǎn)上做努力。如果最終能把產(chǎn)生絲蛋白的基因引入細(xì)菌細(xì)胞中，使它具備合成絲蛋白的能力，那么就可以在發(fā)酵罐中生產(chǎn)蠶絲，大大縮短生產(chǎn)周期，并使整個生產(chǎn)實現(xiàn)工業(yè)化。

當(dāng)前，由于環(huán)境受到污染，造成了我們生活環(huán)境的惡化，某些化學(xué)元素進(jìn)入人體引起的危害，也是大家熟知的事實。例如汞，它是水俁病的根源；鎘積聚在。腎臟、動脈和肝中，則會干擾某些需鋅的生物酶的作用?，F(xiàn)在，通過生物無機化學(xué)的研究，科學(xué)家已經(jīng)找出其中的原因。原來，由于鎘和鋅的化學(xué)性質(zhì)相似，而鎘對某些腎組織比鋅有更大的親和作用，因此它能不可逆地取代鋅，從而改變了依靠鋅的一切生物化學(xué)反應(yīng)，最終引起尿蛋白癥、糖尿病、水腫甚至癌癥等病癥。此外，像鍺中毒，主要是因為它會引起水平衡失調(diào)，積存在脾中就會縮短壽命。所以，研究化學(xué)元素的作用，將有助于防治因環(huán)境污染所引起的各種疾病，做到對癥下藥，有的放矢。

生物無機化學(xué)的研究表明，食鹽在人體內(nèi)的作用主要由鈉離子實現(xiàn)，它能調(diào)節(jié)血液的酸堿度，使其維持恒定，以適合于細(xì)胞的新陳代謝。最近，關(guān)于食鹽的研究更有驚人的發(fā)現(xiàn)，利用食鹽可以選擇嬰兒的性別。在加拿大的魁北克省蒙特利爾圣心醫(yī)院和巴黎皮埃爾·瑪麗·居里研究所，分別取得了選擇成功率達(dá)80％以上的成績，但在他們的報告中，他們所采用的辦法卻出奇的簡單。其基本原則是，欲生男孩，未來的母親在懷孕前應(yīng)多吃一些咸食物，以增加體內(nèi)的鈉和鉀的含量；欲生女兒的，就多吃乳酪、牛奶、雞蛋、未發(fā)酵的干酪、甜黃油以及含鈣和鎂豐富的食物。這些研究者認(rèn)為，這些食譜能對卵巢產(chǎn)生化學(xué)影響，卵巢又將影響到卵子對精子的選擇，從而組合成男或女的染色體，最終孕育成男嬰或女嬰。

根據(jù)一些研究報告，食譜法還可用來避免某些遺傳病。例如血友病，它只遺傳給男孩而不遺傳給女孩。某對可能生下血友病嬰兒的夫婦，在醫(yī)生指導(dǎo)下照食譜飲食，最后產(chǎn)下了一個女孩，因此避免了將血友病遺傳給后代。

生物無機化學(xué)在探索生命現(xiàn)象中所初步顯示出來的非凡作用，已引起了科學(xué)家的極大關(guān)注，它的前景未可限量。