生命的物质基础是什么

蛋白质（protein）是组成人体一切细胞、组织的重要成分。蛋白质是生命的物质基础，是有机大分子，是构成细胞的基本有机物，是生命活动的主要承担者。没有蛋白质就没有生命。氨基酸是蛋白质的基本组成单位。

摄入更多蛋白质的饮食习惯会有更大的患癌风险。机体所有重要的组成部分都需要有蛋白质的参与。一般说，蛋白质约占人体全部质量的18%，最重要的还是其与生命现象有关。

生理功能：

构造人的身体

蛋白质是一切生命的物质基础，是机体细胞的重要组成部分，是人体组织更新和修补的主要原料。人体的每个组织：毛发、皮肤、肌肉、骨骼、内脏、大脑、血液、神经、内分泌等都是由蛋白质组成，所以说饮食造就人本身。蛋白质对人的生长发育非常重要。

——蛋白质

人体组成的主要元素及作用

百余种天然化学元素，生命必需27种，称生物元素(Bioelement)。

[人体元素组成]C是最基本元素，和O、H、N、P、S共称为人体的主要元素。金属元素含量较少，有Na、K、Cl、Ca、Mg等。这11种元素共占人体总质量的9995%。C、O、H、N、P、S是组成蛋白质、脂肪、糖类和核糖核酸的主要元素；Na、K、Cl、Ca是组成体液的重要成分；Ca是骨骼的主要组成成分。

一 碳、氢是生物分子的主体元素碳是构成生物分子的主要基础元素，是IV族中最轻的元素，位典型金属元素和典型非金属元素中间，价电子数为4。借公用电子对形成稳定的共价键。

二 氧：氧是进行新陈代谢关键物质是生命第一需要血液携带血氧向全身输入能源

三 氮：氮是构成蛋白质的主要成分，占蛋白质含量的16～18%，是细胞质、细胞核和酶的组成成分。核酸、核苷酸、辅酶、磷脂等化合物都含有氮，某些激素、维生素(如B1,B2,B6,PP等)和生物碱等也含有氮素。氮占有首要的地位，又称为生命元素。

四硫:硫是CoA（辅酶A）的成分之一。[CoA结构式]CoA中的硫氢基(—SH)具有固定能量的作用，用于许多方面的合成反应。氨基酸、脂肪、糖类等的合成，都和CoA有密切的关系。

五 钙：钙是骨骼和牙齿的主要成分。调控人体正常肌肉收缩和心肌收缩，同时起细胞信使作用。

[钙的生理作用]血液中Ca2+过多，会造成神经传导和肌肉反应的减弱血液中Ca2+太少，会造成神经和肌肉的超应激性，使人痉挛性抽搐。

六磷：磷存在于磷脂、核酸和核蛋白中，磷脂是细胞质和生物膜的主要部分，核酸和核蛋白是细胞质和细胞核的组成部分之一。所以磷是细胞质和细胞核的组成成分。

[身体中磷的作用]骨骼和牙齿中除Ca外，磷也是重要的元素。体内90%的磷是以磷酸根PO43-的形式存在，如牙釉质中的主要成分是羟基磷灰石Ca10(OH)2(PO4)6和少量氟磷灰石Ca10F2(PO4)6，氮磷灰石Ca10Cl2(PO4)6等。牙釉质是由不溶性物质所组成，称为羟基磷灰石Ca10(OH)2(PO4)6。

七 钾、钠、氯、：K+，Na+，Cl-的首要作用是控制细胞、组织液和血液内的电解质平衡。

八镁:是许多酶系的辅助因子或激活剂；对神经系统和心肌作用十分重要；是骨细胞结构和骨功能所必需的元素。参与胃肠道作用。

人体内的宏量元素又称为主要元素，共有11种，按需要量多少的顺序排列为：氧、碳、氢、氮、钙、磷、钾、硫、钠、氯、镁。其中氧、碳、氢、氮占人体质量的95%，其余约4%，微量元素约占1%。在生命必需的元素中，金属元素共有14种，其中钾、钠、钙、镁的含量占人体内金属元素总量的99％以上。把含量高于001%的元素，称为常量元素，低于此值的元素，称为微量元素。

另有两种可能必须的微量元素，为镍和砷，体内含量各为01ug/g。

铁 铁是血液中交换和输送氧所必需的一种元素，生物体内许多氧化还原体系都离不开它。体内大部分铁分布在特殊的血细胞内。没有铁生物就无法生存。

锌 锌是一种与生命攸关的元素，它在生命活动过程中起着转换物质和交流能量的“生命齿轮”作用。它是构成多种蛋白质所必需的。眼球的视觉部位含锌量高达4%，可见它具有某种特殊功能。锌普遍存在于食物中，只要不偏食，人体一般不会缺锌。

铜 铜元素对于人体也至关重要，它是生物系统中一种独特而极为有效的催化剂。铜是30多种酶的活性成分，对人体的新陈代谢起着重要的调节作用。据报道，冠心病与缺铜有关。铜在人体内不易保留，需经常摄入和补充。茶叶中含有微量铜，所以常喝茶是有益的。

铬 在由胰岛素参与的糖或脂肪的代谢过程中，铬是必不可少的一种元素，也是维持正常胆固醇所必需的元素。

钴 钴是维生素B12分子的一个必要组分，B12是形成红细胞所必需的成分。

锰 锰参与许多酶催化反应，是一切生物离不开的。

钼 钼是某种酶的一个组分，这种酶能催化嘌呤转化为尿酸。钼也是能量交换过程所必需的。微量钼是眼色素的构成成分。在豆荚、卷心菜、大白菜中含钼较多。多吃这些蔬菜对眼睛有益。

碘 碘在体内的主要功能是参与合成甲状腺素。缺碘会导致甲状腺机能亢进，儿童缺碘会造成智力低下。

氟 氟是形成坚硬骨骼和预防龋齿所必需的一种微量元素。

地球在宇宙中形成以后，开始是没有生命的。经过了一段漫长的化学演化，就是说大气中的有机元素氢、碳、氮、氧、硫、磷等在自然界各种能源（如闪电、紫外线、宇宙线、火山喷发等等）的作用下，合成有机分子（如甲烷、二氧化碳、一氧化碳、水、硫化氢、氨、磷酸等等）。这些有机分子进一步合成，变成生物单体（如氨基酸、糖、腺甙和核甙酸等）。这些生物单体进一步聚合作用变成生物聚合物。如蛋白质、多糖、核酸等。这一段过程叫做化学演化。蛋白质出现后，最简单的生命也随着诞生了。这是发生在距今大约36亿多年前的一件大事。从此，地球上就开始有生命了。生命与非生命物质的最基本区别是：它能从环境中吸收自己生活过程中所需要的物质，排放出自己生活过程中不需要的物质。这种过程叫做新陈代谢，这是第一个区别。第二个区别是能繁殖后代。任何有生命的个体，不管他们的繁殖形式有如何的不同，他们都具有繁殖新个体的本领。第三个区别是有遗传的能力。能把上一代生命个体的特性传递给下一代，使下一代的新个体能够与上一代个体具有相同或者大致相同的特性。这个大致相同的现象最有意义，最值得我们注意。因为这说明它多少有一点与上一代不一样的特点，这种与上一代不一样的特点叫变异。这种变异的特性如果能够适应环境而生存，它就会一代又一代地把这种变异的特性加强并成为新个体所固有的特征。生物体不断地变异，不断地遗传，年长月久，周而复始，具有新特征的新个体也就不断地出现，使生物体不断地由简单变复杂，构成了生物体的系统演化。

地球上早期生命的形态与特性。地球上最早的生命形态很简单，一个细胞就是一个个体，它没有细胞核，我们叫它为原核生物。它是靠细胞表面直接吸收周围环境中的养料来维持生活的，这种生活方式我们叫做异养。当时它们的生活环境是缺乏氧气的，这种喜欢在缺乏氧气的环境中生活的叫做厌氧。因此最早的原核生物是异养厌氧的。它的形态最初是圆球形，后来变成椭圆形、弧形、江米条状的杆形进而变成螺旋状以及细长的丝状，等等。从形态变化的发展方向来看是增加身体与外界接触的表面积和增大自身的体积。现在生活在地球上的细菌和蓝藻都是属于原核生物。蓝藻的发生与发展，加速了地球上氧气含量的增加，从20多亿年前开始，不仅水中氧气含量已经很多，而且大气中氧气的含量也已经不少。细胞核的出现，是生物界演化过程中的重大事件。原核植物经过15亿多年的演变，原来均匀分散在它的细胞里面的核物质相对地集中以后，外面包裹了一层膜，这层膜叫做核膜。细胞的核膜把膜内的核物质与膜外的细胞质分开。细胞里面的细胞核就是这样形成的。有细胞核的生物我们把它称为真核生物。从此以后细胞在繁殖分裂时不再是简单的细胞质一分为二，而且里面的细胞核也要一分为二。真核生物（那时还没有动物，可以说实际上也只是真核植物）大约出现在20亿年前。性别的出现是在生物界演化过程中的又一个重大的事件，因为性别促进了生物的优生，加速生物向更复杂的方向发展。因此真核的单细胞植物出现以后没有几亿年就出现了真核多细胞植物。真核多细胞的植物出现没有多久就出现了植物体的分工，植物体中有一群细胞主要是起着固定植物体的功能，成了固着的器官，也就是现代藻类植物固着器的由来。从此以后开始出现器官分化，不同功能部分其内部细胞的形态也开始分化。由此可见，细胞核和性别出现以后，大大地加速了生物本身形态和功能的发展。

生命的起源

关于生命起源的问题，很早就有各种不同的解释。近几十年来，人们根据现代自然科学的新成 就，对于生命起源的问题进行了综合研究，取得了很大的进展。

根据科学的推算，地球从诞生到现在，大约有46亿年的历史。早期的地球是炽热的，地球上的一切元素都呈气体状态，那时候是绝对不会有生命存在的。最初的生命是在地球温度下降以后，在极其漫长的时间内，由非生命物质经过极其复杂的化学过程，一步一步地演变而成的。目前，这种关于生命起源是通过化学进化过程的说法已经为广大学者所承认，并认为这个化学进化过程可以分为下列四个阶段。

从无机小分子物质生成有机小分子物质 根据推测，生命起源的化学进化过程是在原始地球条件下开始进行的。当时，地球表面温度已经降低，但内部温度仍然很高，火山活动极为频繁，从火山内部喷出的气体，形成了原始大气(下图)。一般认为，原始大气的主要成分有甲烷（CH4）、氨 原始地球的想象图

(左)原始大气(右)有机物形成

（NH3）、水蒸气（H2O）、氢（H2），此外还有硫化氢（H2S）和氰化氢（HCN）。这些气体在大自然不断产生的宇宙射线、紫外线、闪电等的作用下，就可能自然合成氨基酸、核苷酸、单糖等一系列比较简单的有机小分子物质。后来，地球的温度进一步降低，这些有机小分子物质又随着雨水，流经湖泊和河流，最后汇集在原始海洋中。

关于这方面的推测，已经得到了科学实验的证实。1935年，美国学者米勒等人，设计了一套密闭装置(下图)。他们将装置内的空气抽出，然后模拟原始地球上的大气成分，通入甲烷、氨、氢、水 米勒实验的装置

蒸气等气体，并模拟原始地球条件下的闪电，连续进行火花放电。最后，在U型管内检验出有氨基酸生成。氨基酸是组成蛋白质的基本单位，因此，探索氨基酸在地球上的产生是有重要意义的。

此外，还有一些学者模拟原始地球的大气成分，在实验室里制成了另一些有机物，如嘌识、嘧啶、核糖，脱氧核糖，脂肪酸等。这些研究表明：在生命的起源中，从无机物合成有机物的化学过程，是完全可能的。

从有机小分子物质形成的有机高分子物质 蛋白质、核酸等有机高分子物质，是怎样在原始地球条件下形成的呢？有些学者认为，在原始海洋中，氨基酸、核苷酸等有机小分子物质，经过长期积累，相互作用，在适当条件下（如吸附在粘土上），通过缩合作用或聚合作用，就形成了原始的蛋白质分子和核酸分子。

现在，已经有人模拟原始地球的条件，制造出了类似蛋白质和核酸的物质。虽然这些物质与现在的蛋白质和核酸相比，还有一定差别 ，并且原始地球上的蛋白质和核酸的形成过程是否如此，还不能肯定，但是，这已经为人们研究生命的起源提供了一些线索；在原始地球条件下，产生这些有机高分子的物质是可能的。

从有机高分子物质组成多分子体系 根据推测，蛋白质和核酸等有机高分子物质，在海洋里越积越多，浓度不断增加，由于种种原因（如水分的蒸发，粘土的吸附作用），这些有机高分子物质经过浓缩而分离出来，它们相互作用，凝聚成小滴。这些小滴漂浮在原始海洋中，外面包有最原始的界膜，与周围的原始海洋环境分隔开，从而构成一个独立的体系，即多分子体系。这种多分子体系已经能够与外界环境进行原始的物质交换活动了。

从多分子体系演变为原始生命 从多分子体系演变为原始生命，过是生命起源过程中最复杂和最有决定意义的阶段，它直接涉及到原始生命的发生。目前，人们还不能在实验室里验证这一过程。不过，我们可以推测，有些多分子体系经过长期不断地演变，特别是由于蛋白质和核酸这两大主要成分的相互作用，终于形成具有原始新陈代谢作用和能够进行繁殖的原始生命。以后，由生命起源的化学进化阶段进入到生命出现之后的生物进化阶段。

关于生命起源的化学进化过程的研究，虽然进行了大量的模拟实验，但是绝大多数实验只是集中在第一阶段，有些阶段还仅仅限于假说和推测。因此，在对于生命起源，问题还必须继续进行研究和探讨。

蛋白质和核酸是生物体内最重要的物质。没有蛋白质和核酸，就没有生命。1965年，我国科学工作者人工合成了结晶牛胰岛素（一种含有51个氨基酸的蛋白质）。1981年，我国科学工作者又用人工的方法合成了酵母丙氨酸转运核糖核酸（核糖核酸的一种）。这些工作反映了我国在探索生命起源问题上的重大成就。

生命的特征

虽然对生命很难下定义，但还是可以描述生命为生物体的状态，而生物体与非生物体比较具有若干特征。这些特征可包括下列几点：

（1）以细胞为基本结构单位

所有的活的生物体都是由细胞和细胞的产物构成的，因此有共同的结构单位。有些生物体如细菌和变形虫，由单细胞构成，叫做单细胞生物；其他的生物则由许多细胞构成，叫做多细胞生物。细菌的体积只有其他生物细胞的1％～2％，结构比较简单，没有细胞核和细胞器，是原核细胞。除细菌外其他的细胞结构都比较复杂，有细胞核和细胞器，是真核细胞。

多细胞生物包括简单的多细胞生物和复杂的多细胞生物。简单的多细胞生物由少数细胞构成。这些细胞基本相同，相互之间的联系与活动的协调也很少。复杂的多细胞生物是由大量细胞组成的，如人体的细胞可达几十万亿个。这些细胞有多种多样的形式和机能，各司其职而又相互协调，形成一个整体。这些细胞的形式和机能虽有差异，但其基本结构却是一致的。细胞内的亚细胞结构（细胞器）都有特定的结构和机能，形成有序的系统。

（2）相同的化学成分。

所有的细胞和由细胞组成的生物体都有相同的化学成分。所有细胞的主要成分都是水，其含水量为60％～90％。水对于生命是不可缺少的，因为水是所有的细胞活动的介质。此外，所有的细胞都含有四类有机大分子，即糖类、蛋白质、核酸和脂类。这四类有机大分子又是分别由简单的有机分子单糖、氨基酸、核苷酸和脂肪酸所构成。

（3）新陈代谢

所有的活细胞都不断地进行着两类化学反应。一类是将获自外界的营养物质转化为细胞的组成成分；另一类是将进入机体内的营养物质分解以获得细胞活动所需要的能量。这两类反应便是细胞的新陈代谢。这些反应都不是简单的过程，而是包含一系列复杂的反应过程，叫做代谢途径。主要的代谢途径在各种细胞中都是一致的，这也许是生物体的最惊人的特性。

（4）稳态

生物体是一个开放系统。从单细胞的变形虫到多细胞的人体都不断地与外界交换物质和能量，然而却又能够保持着内部的稳定状态。如果生物体不能够保持机体内部的稳定状态，就可能导致生命活动的终结。这种内环境的相对稳定状态是通过复杂的调节活动来维持的，这种状态称之为稳态。稳态是各种形式的生物体的普遍特征。

（5）应激性

所有生物体，从单细胞的变形虫到多细胞的人体都能觉察机体内外环境的变化并产生一定的反应。这种特性叫做应激性。动物具有应激性是很明显的，植物是否也具有应激性呢？绝大多数植物不像动物那样受到刺激就会发生明显的反应，但植物也普遍地对某些刺激发生反应，只是比较缓慢。如大多数植物对光的刺激都会发生向光生长的反应。

（6）生殖与遗传

生物体（动物、植物、微生物）都能生殖后代。这就是自身的复制，生命组织的复制。在生殖过程中生物体将自身的性状传给后代，产生与亲代相似的子代。

（7）进化

生物体在历史的发展过程中通过遗传、变异和自然选择逐渐由简单到复杂，由低级到高级。

自《人类生物学》，陈守良等编著

通向生命之路

要研究生命的起源，只要从十分渺小的生命开始就可以了。在生命形成之前，应该先出现单个的细胞——小得只有在显微镜下才能看见的生命。科学家们已经知道：细胞也是十分复杂的，它由膜包住，膜的里面是大量具有某种精巧组织结构的有机物，它们与无机物的区别在于：无机物分子所含的原子数目较少，而有机物分子所含的原子数目比较多。科学家在研究有机化合物怎么由无机化合物形成的时候，实际上也就是在探讨小的、简单的分子是怎样形成大的、复杂的分子的。

到20世纪40年代，科学家们已经发现所有的细胞，不管是植物的、动物的，还是细菌的，毫无例外，都是由两种比其他物质更重要的物质构成，这两种物质就是蛋白质和核酸。蛋白质和核酸都是由非常大的分子形成的。蛋白质是由氨基酸组成的，大多数蛋白质只有20种不同的氨基酸，它们可以有许多不同的组合方式，每一种组合方式构成一种略有区别的分子。核酸分子是由更小的化合物——核苷酸组成的长链，每一个核苷酸都由几十个原子组成，其中包括碳、氢、氧和磷。每一个核苷酸分子由3部分组成：第一部分是由碳原子和氮原子构成的嘧啶或嘌呤，第二部分是核糖或脱氧核糖，第三部分是含有一个磷原子的磷酸盐基。

科学家在探索生命的起源中，开始研究由无机物变成氨基酸和核苷酸的途径。由于两者含有碳、氢、氧、氮元素，所以，必须寻找地球早期可能存在的元素。

与此同时，天文学家逐渐地得出了结论：宇宙间最普遍的原子是最简单的两种：氢和氦。一般地说，宇宙间所有元素中90％是氢，9％是氦，其他全部元素只占1％，而且，这些其他元素中，大部分又是碳、氮、氧、硫、磷、氖、氩、硅和铁。

氦原子不与别的任何原子结合，但氢原子却不同，它的存在量很大。因此，凡能与它化合的任何一种原子都会与氢化合。这样，1个碳原子与4个氢原子结合可以形成甲烷，1个氮原子与3个氢原子结合可以形成氨，1个硫原子与2个氢原子结合可以形成硫化氢，1个氧原子与2个氢原子结合可以形成水。这些含氢的化合物都是气体，或者是容易变成气体的液体，所以，它们都能在原始的大气中和海洋中找到。这种含有甲烷、氨、水和硫化氢的大气被称为I型大气。

1932年，科学家发现：在又大又冷的行星——木星上，主要大气是氢和氦，另外还含有大量的氨和甲烷，这为研究生命起源的假设条件提供了证据。由于地球的引力不会像木星那样大，所以，不能吸住非常小、非常轻的氦原子和氢原子，因此，科学家们推断：在很早以前，地球的大气层中主要包含着氨、甲烷、硫化氢和水蒸气，大部分的水用来构成海洋，海洋中的水溶解着硫化氢和氨，也少量溶解着甲烷。但是，氢和氦是构成原始大气的主要成分，而与生命息息相关的重要元素氧却十分稀少。

1929年，英国生物学家约翰·霍尔丹提出一种大胆的设想：氧并非从一开始就存在于地球大气层中。他认为植物在由无机物形成有机物时，总是要用掉二氧化碳，产生氧气，所以，他认为现在地球中大气层中的所有氧气都是植物作用而产生的。在有生命之前，大气层中以氮、二氧化碳和水蒸气为主，并有一个溶有大量二氧化碳的海洋，这种大气称为Ⅱ型大气。由于地球离太阳太近，大量的紫外线照射到地球的大气中，这些紫外线有很强的能量，足以使高层大气的水蒸气分子分解成氢和氧，氢飘出了大气层，而氧由于较重而留了下来。氧可以与甲烷中的碳原子和氢原子结合，形成二氧化碳和水，也可以与氨中的氢结合形成水，剩下的氮组成氮分子。由于越来越多的水被紫外线分解，大气中的甲烷和氨逐渐地全部转化成了氮和二氧化碳，直到游离的氧在光能的作用下，在15英里左右的高度上形成了能吸收太阳紫外线的臭氧，这样，紫外线被遮住，水分子不再分解，不等氧气真正充满大气时，整个反应过程就停止了，一直到植物出现并利用叶绿素开发能够穿过臭氧层的可见光能时，这一过程才重新开始，大气中才充满了氧气。

霍尔丹认为生命起源于Ⅰ型大气中，但是，俄国生物学家亚历山大·奥巴林却有不同的想法。1936年，奥巴林出版了《生命的起源》一书，他认为生命起源于第Ⅰ型大气。甲烷、氨、水和硫化氢都是各自包含3～5个原子的甲烷、氨、水和硫化氢小分子，其中有碳、氢、氮和硫原子，它们都可以结合成为更大的氨基酸分子。

哪一种意见正确呢当时还无法证明。直到1950年，美国加利福尼亚大学的卡尔温，才开始动手进行这方面的试验。

1950年，他开始研究Ⅱ型大气的一个部分——二氧化碳和水蒸气。他有意不把氮放在一起研究，想看看到底能生成什么物质。

卡尔温也知道，在早期地球上，紫外线是最可能存在的能源，但是，他不喜欢这样做，他选中了某些总是在爆炸的原子中释放出来的能量。他认为地球上的放射性元素缓慢地分裂着，以至于这些原子每年都略有减少，那么，在数十亿年以前，地壳中的放射性元素一定要比现在多一倍以上，放射性的能量对于形成生命也许曾是很重要的。

于是，他用放射性原子爆炸放出的高速粒子去撞击气体混合物，然后，再测定这些混合物，发现除了二氧化碳和水以外，在溶液中还有一些非常简单的有机分子，比如甲醛和甲酸，这说明在原始地球条件下，分子可以由简单变得更复杂，而新形成的复杂分子由于比原来的分子的含氧量少，所以氧就会越来越多。