张璞

还记得你的母校的化学楼一定有的一幅画像：俄国化学家迪米特里·门捷列夫（Dimitri Mendeleev）吗？在1869年,化学家门捷列夫将当时已知的63种元素写在卡片上并根据化学和物理性质对它们进行排列，这也就是我们每一个人都曾经背诵过的化学元素周期表雏形。在随后的一百多年里，经过科学家们的不断努力，越来越多的元素被发现或者合成，也就有了我们背诵的现代化学元素周期表。为了纪念化学元素周期表诞生150年，联合国教科文组织宣布将2019年定为“国际化学元素周期表年”。

从46亿年前地球的诞生开始算起，从单纯的化学元素到现代人类，我们经历了38亿年的进化，说生命从化学起源一点也不为过。在漫长的岁月里，有无数的化学反应不停歇的在身体内发生着。最后，是偶然也是必然，我们站在了食物链的最高端。记录在元素周期表上的大部分自然元素都可以在人体寻得，那么问题来了：人体是由什么化学元素组成的呢？

人体是由四种主要元素组成的精密装置

首先，我们来翻开一下周期表，确认构成人体元素的各种比例。还记得构成人体最多的元素是什么呢？是碳（C）吗？如果从原子数量来比较的话，最多的是氢原子，约占了62.7%。接着是氧原子，大约占了23.8%。氢原子和氧原子多的原因非常简单：人类是水做的。水分子H2O里包含了一个氧原子和两个氢原子。排在第三位的是碳原子（C），大约占了身体的1.1%。构成人体元素的第四位是氮原子（N），氮是空气中最多的元素,在自然界中存在十分广泛，在身体内是组成氨基酸的必须元素。氢，氧，碳，氮这四种原子，一共占据了身体组成约99.5%。

微量元素，少而不可缺的必须元素。

排在身体内的第五名是磷原子（P），处于化学元素周期表的第三周期，约占身体的0.23%。磷存在于人体所有细胞中，是DNA链接重要的元素（还记得中学时要求背诵的3’，5’-磷酸二酯键吗），也是细胞膜的组成成分之一。磷元素是使心脏有规律地跳动、维持肾脏正常机能和传达神经刺激的重要物质，几乎参与所有生理上的化学反应，也是维持骨骼和牙齿的必要物质。说到骨骼和牙齿，几乎大家第一反应都是钙（Ca）是维持骨骼牙齿硬度和强度的元素。钙是一种金属元素，在化学元素周期表中位于第4周期，排在构成人体元素的第六位，约为0.22%。现实中人体是不可能像电影《终结者》那样的金属身躯，坚硬的物质来源于钙磷化合物。比如牙齿表面的牙釉质，主要成分是羟基磷灰石( Ca5（PO4）3OH )。

这里插入一个意外话，F元素是什么大家还记得吗？对，是氟原子的标记，在元素周期表中位于第二周期。口腔医生提倡使用含氟牙膏刷牙，是因为其中的氟化物在口腔内释放出氟离子，与牙釉质表面的晶体发生置换反应，生成氟磷灰石，使釉质溶解性降低，从而增强牙齿对各种酸性产物的抵抗力。3NaF+Ca5（PO4）3OH=3NaOH+Ca5(PO4)3F，Ca5(PO4)3F相对Ca5（PO4）3OH更加坚硬，所以对于预防蛀牙是非常有效果的哟。

排在我们身体构成原子第七位的是硫原子，在元素周期表中位于第三周期。硫原子大约占了0.04%的组成，主要是存在于必需氨基酸的甲硫氨酸（Methionine）里。在构成我们指甲、头发的角蛋白里，也有硫的存在。头发的韧性正是来自于两个硫原子的结合。 那么这里再来讲一个有趣的题外话：为什么雨天的头发比晴天的头发更容易卷曲坍塌，不容易维持造型呢？简单来说，空气中大量的水汽（其实就是氢原子）会影响头发中的角蛋白质结构。相邻角质蛋白束的分子之间能够形成双硫键，也就是两个硫原子以共价键结合。这种键是永久性的，它决定了头发的强度，而且不受空气湿度的影响。相邻角质蛋白还可能以氢键结合。这种键结合力较弱且并不持久。因为潮湿空气中的水分子更多，因此头发在潮湿空气形成的氢键更多，进而让角质蛋白之间有更多的氢键，最后头发就会在分子水平上产生更多的弯曲。

排在元素周期第三周期第一位的钠原子（Na）约占身体组成的0.04%，第四周期第一位的钾原子（K）占了约0.03%。这两个元素都在体内以+1的阳离子形态存在。我们身体内的所有肌肉活动，可以说都是被这两个离子承包了。

身体组成元素排在第十位的是氯原子（Cl），约占了0.02%。 氯原子位于元素周期表第三周期，氯离子是生物体内含量最丰富的阴离子，通过跨膜转运和离子通道参与机体多种生物功能，代表之一就是γ-氨基丁酸通路。γ-氨基丁酸简称GABA，是人体中枢神经系统中重要的抑制性神经传达物质，约30%的中枢神经突触部位以GABA为递质。在人体大脑皮质、海马、丘脑、基底神经节和小脑中起重要作用，并对机体的多种功能具有调节作用。当人体内GABA缺乏时，会产生焦虑、不安、疲倦、忧虑等情绪。GABA受体是一种氯离子通道，y-氨基丁酸能激活GABA受体，导致氯离子通道开放，使氯离子流入神经细胞内。

微量元素的最后一位，是Mg，镁原子，约占身体元素组成比例的0.01%，人体的 镁离子，60%～65%存在于骨、齿，27%分布于软组织，多以活性形式Mg2+ -ATP形式存在，在骨骼中仅次于钙、磷，是骨细胞结构和功能所必需的元素，对促进骨形成和骨再生，维持骨骼和牙齿的强度和密度具有重要作用。

为什么人体组成元素都来自于元素周期表的上层？

到目前为止所提到的4种主要元素，都是在元素周期表的第一或者第二周期。7种的微量元素中有5种是在第三周期，剩下两个在第四周期。人体大部分组成的元素都是在周期表的上位。从12位开始是铁元素（Fe），锌元素（Zn）、锰元素（Mn）,铜元素（Cu）都位于元素周期表的第四周期。元素周期表第五周期里的锶（Sr）和碘（I）在人体内以及属于非常非常少的了。那么，为什么人体是有周期表的上层的元素组成呢？简单来说就是因为宇宙中大多数存在的也是元素周期表的上层的元素。最初的生命起源来自于宇宙的，所以人的组成也和宇宙的组成元素类似，都由元素周期表上层的元素构成。

人类的生命活动离不开微量元素

“为了预防贫血，请多吃含铁食物”，“要注意骨密度，所以记得定期补充钙和镁”，“为了提高免疫力，需要喝含锌口服液”，这些关于健康的情报我们常常听见，却从来不会有人说，“为了健康请服用水银吧”。那么，这是为什么我们的身体选择了这些微量元素呢？还是那句最简单的话：生命来自于宇宙，我们的健康元素都是宇宙中大量存在的元素。在从化学元素到现代人的漫长无尽的38亿年里，生命体慢慢的通过利用存在环境里的元素来不断的进化，正所谓物尽其用。正是因为如此，所以今天构成我们人体的每一个元素，都是进化里缺其不可的元素，但缺少这个元素时，也就容易亚健康状态了。

血液为什么是红色而不是蓝色？

答案很简案：位于元素周期表第四周期的铁元素决定了我们血液的颜色。铁是一种金属元素，铁有0价、+2价、+3价和+6价，其中+2价和+3价较常见，+6价少见。血红细胞是血液内含量占绝大多数的细胞成分，而成熟的红细胞是没有细胞核的，其细胞质内充满血红蛋白（hemoglobin），血红蛋白是含铁的蛋白质，约占红细胞重量的33％。血红蛋白由于其氨基上的官能团功能是亚铁离子（+2）价决定的，所以显红色。

其实，化学结构上可以代替二价铁离子的元素很多：铬（Cr），锰（Mn），镍（Ni），铜（Cu）等都可以代替铁与氧气可逆结合达到载氧效果。但是为什么最后我们身体选择了用铁来作为血红蛋白的关键元素，或许也是那句话：生命起源于宇宙，而宇宙中大量存在的铁元素，如果宇宙中大量存在的是钴元素，也许我们的血液也就是蓝色的了。

人类的身体也被比喻为「小宇宙」，由各种元素组成。现代科学表明，这些组成我们身体的元素来自于宇宙中闪耀的群星产生并散布着。宇宙与人类不可思议的联系，也都记录在这张化学周期表里。

最后，像这位开创了放射性理论、发明分离放射性同位素技术、发现两种新元素钋和镭元素的女士致敬。

来源: 科普中国-星空计划（创作培育）

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