自然界同位素成分变化

自然界同位素组成经常呈现一定程度的变化。引起同位素成分变化的主要过程有两类：一类是放射性同位素衰变，使母体同位素的数量随时间的推移逐渐减少，同时子体同位素的数量不断增加；另一类是由各种化学和物理过程引起的同位素分馏，氢、碳、硫、硅、氮等同位素组成变化主要是由同位素分馏引起的。对这两类作用的研究是同位素地球化学的主要任务。

6121 稳定同位素分馏

轻稳定同位素（Z＜20）的相对质量差较大（ΔA/A≥10%），在自然过程作用中由于这种质量差所引起的同位素相对丰度的变异，称为同位素分馏作用。根据分馏作用的性质和条件可区分如下：

（1）物理分馏：也称质量分馏，同位素之间由质量引起的一系列物理性质的微小的差别，如密度、熔点、沸点等（表61），使之在蒸发、凝聚、升华、扩散等自然物理过程中发生轻重同位素的分异。经过蒸发凝聚循环，H2O富集在蒸气相中，D2O更多地残留于水体中。经过多次物理分馏，在一些地区（如高纬度区）大气降水中将形成最轻的水。由于地球重力作用会引起轻重同位素分子的扩散分异，如大气圈高空富集14N，而低层15N集中。单向多次反复的物理过程中，同位素质量分馏效应最明显。

表61 水和重水的物理性质

（2）动力分馏：含有两种同位素的两类分子时，由于质量不同，它们参加化学反应的活性有差异。质量不同的同位素分子具有不同的分子振动频率和化学键强度。轻同位素形成的键比重同位素的键更易破裂，因此，轻同位素分子的反应速率较高，在平衡共存相间产生微小的分馏，在反应产物中，特别是活动相中更富集轻同位素。如：

地球化学

经实验测定K1/K2=117。

（3）平衡分馏：在化学反应中反应物和生成物之间由于物态、相态、价态以及化学键性质的变化，使轻重同位素分别富集在不同分子中而发生的分异叫做平衡分馏，也称同位素交换反应。达到同位素交换平衡时，共存相间同位素相对丰度比值为一常数，称分馏系数α。如：

地球化学

在25℃时同位素交换平衡分馏系数α=10310。

（4）生物化学分馏：生物活动和有机反应时的同位素分馏效应更强。如植物通过光合作用使12C更多地富集于生物合成有机化合物中。因此生物成因的地质体如煤、石油、天然气等具有最高的w（12C）/w（13C）值。生物化学分馏是同位素分异作用的重要控制反应。

6122 同位素丰度的表示方法

稳定同位素丰度的变异通常用R值来衡量和比较，如大气中的φ（16O）/φ（18O）比值：

地球化学

或

地球化学

R值只代表同位素丰度的相对变化。若取某一给定样品的R值为标准，则可测得各地质样品中R值与标准的绝对变差，以δ表示：

地球化学

习惯上将微量同位素作为分子。这样就可以从样品的δ值直接看出样品中微量同位素比标准富集和贫化的程度。例如样品的δ＞0，表明微量同位素比标准更富集；若δ＜0，表明微量同位素相对标准贫化；若δ=0，表明样品与标准具有相同的同位素丰度比。

被选作标准的样品应具备同位素成分均匀、数量大、地质产状有特殊意义及便于采样和同位素成分测定等特点，目前世界通用的同位素标准样品列于表62。

表62 H、O、C、S同位素国际标准

氧同位素有两种标准，它们之间的换算公式为：

地球化学

对于同位素分馏系数，设有同位素平衡分馏反应：

地球化学

式中：A、B为含有相同元素的两种分子；a、b为分子系数；1为轻同位素，2为重同位素。则同位素分馏系数α的定义为：

地球化学

地球化学

同位素分馏与其他化学反应不同，作用前后物质的化学成分未发生变化，只是两相间同位素的相对丰度发生了变化。分馏强度和平衡的达成受动力学因素控制。实验证明，ΔA/A愈大反应前后物态和价态的差异愈大，分馏愈强；缓慢的过程可达到充分的平衡和强的分馏效应，快速反应因不易达到平衡而分馏效应弱。分馏系数α是温度的函数，温度愈低分馏系数愈高，高温条件下，α→1，如反应：

地球化学

对反应：

地球化学

在0℃时，α=1064；在23℃时，α=1059；在327℃时，α=1014，可见温度升高，α逐渐趋近1。

分馏系数与平衡常数的概念是不相同的，它代表在体系的不同部分同位素丰度的变异关系，同位素交换反应可以达平衡或未达平衡，也可以不是同位素交换反应；它可能只有一个反应，也可能包含几个反应过程。

按平衡常数定义，（62）式可改写为：

地球化学

分馏系数与平衡常数的关系为：α=Ka/b，如果反应中只有一个原子发生同位素交换，则α=K。当α＞1，反应向右进行；当α＜1，反应向左进行；α=1，无同位素分馏。α值愈偏离1，则同位素分馏愈强。反应的α值可以实验测定，也可以用理论公式计算。地质体中共存相之间同位素分馏系数α可以通过实测两相δ值后用下列公式逼近：

地球化学

通常α值接近1，即α=100x-10x0，数学上可证明：1000lnx≈x，则下式可简化为方便的近似计算式：

地球化学

6123 放射性衰变

自然界中不稳定核素不断自发地放射出质点和能量、转变成稳定的核素，称为核衰变或蜕变。通常我们把衰变前的核素称为母体（母核），衰变后的核素称为子体（子核）。核衰变的结果使母体同位素不断减少，而子元素同位素不断增加，从而改变母体同位素和子体同位素的成分。核衰变是放射性核素的一种特性，不受任何物理化学条件的影响。

自然界的衰变反应有以下几种：

（1）β-衰变。原子核中一个中子分裂为一个质子和一个电子（即β-质点），β-质点被射出核外，同时放出中微子 v。如果以 X 代表母核，Y 代表子核，β衰变的反应通式为：

地球化学

式中：Z为原子序数；A为原子量；v为中微子；E为能量。衰变后核内减少一个中子，增加1个质子，新核的质量数不变，核电荷数加1，变为周期表右侧的相邻元素。如：

地球化学

衰变前后原子核的总质量不变，因此又被称为同量异位素。

（2）电子捕获。原子核自发地从K或L层电子轨道上吸取一个电子（多数为K层，故又称K层捕获），与一个质子结合变成一个中子。反应式为：

地球化学

衰变产物核质量数不变，核电荷数减1，变为周期表左邻的元素。例如：

地球化学

（3）α衰变。重核通过放射出由两个质子和两个中子组成的α质点（即核对，称四粒子组）而转变成稳定核。衰变反应式为：

地球化学

由上式可见新核同位素原子序数减2，质量数减4，在周期表上的位置向左移两格。例如：

地球化学

（4）重核裂变。重同位素自发地分裂成2或3个原子量大致相同的碎片，238U、235U和232Th等重核都可以发生这类裂变。

自然界中的放射性衰变过程，有时只通过一次衰变就可完成，如：

地球化学

但有些放射性同位素的原子核要经过一系列的衰变才能转变为稳定同位素。如238U、235U、232Th三个放射性的为母体的衰变是一个系列的衰变，它们的衰变过程可分别归纳为：

地球化学

体循环是指血液由左心室进入主动脉，各级动脉，流经组织处的毛细血管网，再由各级静脉、上、下腔静脉流回右心房的循环；在体循环中，从左心室摄入主动脉的动脉血，流经组织处的毛细血管时，血液中的氧气进入组织细胞，组织细胞中的二氧化碳进入血液，这样，动脉血就变成了静脉血．因此体循环结束后血液的变化是二氧化碳增多，氧减少．

故选：B

体循环是指血液由左心室进入主动脉，再流经全身的各级动脉、毛细血管网、各级静脉，最后汇集到上、下腔静脉，流回到右心房的循环，血液经过体循环后，颜色鲜红、含氧较多的动脉血就变成了颜色暗红、含氧较少的静脉血；肺循环的路线为：右心室→肺动脉→肺部毛细血管→肺静脉→左心房．在肺循环中，血液流经肺部毛细血管网时，与肺泡进行气体交换，血液中的二氧化碳进入肺泡，肺泡内的氧进入血液，这样，颜色暗红、含氧较少的静脉血就变成了颜色鲜红、含氧较多的动脉血．故体循环到肺循环过程中，血液成分的变化情况是由动脉血变成静脉血．

故选：B

血管是一系列复杂分支的管道。人体除角膜、毛发、指（趾）甲、牙釉质及上皮等处外，血管遍布全身。根据血管内的血流方向及管壁的结构特征，可把血管分为动脉、毛细血管和静脉三部分。

1．动脉（arteries）动脉的管壁都由内膜、中膜和外膜组成。从最大的动脉到最小的动脉，其管径大小和管壁构造都是互相移行的。按管径大小，动脉又可分为大、中、小三级，其中以中动脉管壁构造最为典型。

1）中动脉（medium sized artery）全身动脉中除主动脉、肺动脉等大的动脉和管径在1mm以下的小动脉以外，都属于中动脉。

中动脉的内膜（tunica intima）是中动脉管壁的三层膜中最薄的一层，由内皮、内皮下层和内弹性膜组成。内皮紧邻腔面，表面光滑；内皮下层含胶原纤维、弹性纤维和少量平滑肌纤维，有的血管此层不明显；内弹性膜为弹性蛋白组成的膜，膜上有许多较大的孔。中动脉内弹性膜最发达，在横切片标本中，因管壁收缩而呈现波纹状。

中动脉的中膜（tunica media）较厚，主要由多层环形排列的平滑肌细胞组成，故又称肌体动脉（muscular artery）。平滑肌细胞之间夹杂着数量不等的弹性蛋白、胶原蛋白和蛋白多糖等。近年的研究表明，动脉的内膜和中膜内不含成纤维细胞。中膜内只含平滑肌细胞，这些细胞具有产生结缔组织纤维和基质的能力。由于中动脉平滑肌发达，收缩力较强，可使血管明显地缩小或扩大，对分布到全身各部的血量起调节作用。

中动脉的外膜（tunica adventitia）厚度与中膜的相近，两膜交界处常见一层整齐的外弹性膜（extermal elastic membrane）。外膜由疏松结缔组织组成，内含弹性纤维、胶原纤维，并分布有小血管（即营养血管，vasa vasorum）、神经和淋巴管。

2）大动脉（large artery）是接近心脏的动脉，包括主动脉、肺动脉、无名动脉、颈总动脉和锁骨下动脉等。这种动脉的管壁中有多层弹性膜，故又称弹性动脉（elastic artery）。由于大动脉弹性强，能适应承受强大的血压和维持连续而匀速的血流。大动脉有如下特点：①内膜比肌性动脉的厚，被覆着内皮细胞。电镜下可见内皮细胞中有微绒毛、吞饮小泡、粗面内质网、微原纤维（microfilaments）、细胞间连接（intercellular junctions）和溶酶体。有些内皮细胞有吞噬功能。内膜与中膜没有明显界限。②中膜内的弹性膜发达，层数随年龄而增加（新生儿约有40层，成年人约有70层），弹性膜之间有少量胶原纤维、弹性纤维和平滑肌。③外膜比中膜薄，无外弹性膜，由较致密的结缔组织组成，并向外逐渐过渡为较疏松的结缔组织。

3）小动脉（small artery）属于肌性动脉。内弹性膜薄而不明显，中膜仅有1－2层或几层环行平滑肌。外膜与中膜厚度相似。一般外弹性膜不明显。管径在500—300μm以下的小动脉，称微动脉。小动脉和微动脉的收缩或扩张，对控制外周血流阻力，调节器官和组织中的血流量和维持正常血压有重要意义。

4）动脉的年龄相关变化人体动脉的结构模式是通过连续的变化过程直到20－25岁时逐渐建立的（如出生时主动脉属于肌性血管，以后才逐渐发育成为弹性动脉）。胚胎期动脉管的管壁很薄，出生以后逐渐变厚。从中年开始，弹性纤维、胶原纤维和氨基葡聚糖（glycosaminoglycans）通常伴随管壁中平滑肌和水分的逐渐减少而相对增加。这些变化可导致血管硬化，弹性动脉比肌性动脉更为明显，但小型肌性动脉和小动脉变化甚微或无变化。每种动脉都有其特定的分化和衰老的路径和预定时间。衰退性生理变化与能引起动脉硬化和粥样硬化的类似病理改变，在老年很难明确区分。正常退化和病理状态之间的临界变化：包括血管壁厚度的增加，胶原纤维之间交联（cross—link）数量的增加，平滑肌细胞的内质网相对减少，由于平滑肌细胞的迁移和增殖及其产物的累积致使内膜不规则呈斑片状，肌性动脉中膜钙盐和脂类沉着，内弹性膜断裂等。最容易受影响的动脉是主动脉、冠状动脉，以及大脑的动脉。

2．毛细血管（capillary）人体不同部位和器官中的毛细血管管径粗细可有差异，平均约为8μm。毛细血管在组织内有许多分支，相互吻合形成毛细血管网。分布在脾、肝和内分泌腺等器官中的毛细血管的管腔扩大，称血窦（sinusoid）。

毛细血管构造比较简单。管壁主要是一层内皮细胞，细胞基底面附着于基膜上。这种细胞多为扁平梭形，厚度很薄，细胞长轴与血管长轴平行排列。最细的毛细血管，一个内皮细胞就可围成整个管壁，而较粗的毛细血管，则由2－3个内皮细胞围成。内皮细胞的核为扁圆形，位于细胞中央。

内皮外面还有薄层结缔组织，其中有成纤维细胞、巨噬细胞和间充质细胞等，常统称为外膜细胞（adventitial cell）。还常见一种扁而有突起的细胞紧贴在管壁外面，称周细胞（pericyte）。这种细胞具有转变成其他细胞的潜力，但是否有缩血管作用尚不清楚。

毛细血管内皮细胞之间一般借少量细胞间质互相嵌合。电镜观察，在一些组织器官中的毛细血管，内皮细胞之间有缝隙连接，称连续毛细血管；另一些组织器官中的毛细血管，内皮细胞本身具有许多小孔，称有孔毛细血管，小孔往往被比细胞膜还薄的薄膜覆盖，但相邻细胞间也有细胞连接，同连续毛细血管的没有明显的差别。此外，在内皮细胞的细胞质内还含有许多吞饮小泡。吞饮小泡是内皮细胞膜向细胞质内凹入形成的，小泡内含有从细胞外吞饮的液体。因此，血液和组织之间的物质交换不但可以通过毛细血管内皮细胞间的细胞间质和细胞间隙进行，而且还可以通过内皮细胞本身的小孔和吞饮小泡进行，特别是吞饮小泡对大分子物质的交换有重要意义。

实验证明，内皮细胞受某些物质，如5—羟色胺、组胺和缓激肽的刺激时可收缩，使细胞间隙开大，血浆漏出。维生素C缺乏时，基膜和胶原纤维减少或消失，易发生毛细血管出血。

3．静脉（veins）根据管径的不同，也可分为大、中、小三级。其管壁也可分内膜、中膜和外膜，但三层膜的分界常不清楚。与动脉相比，静脉具有以下特点：静脉数量多；在向心脏汇集的过程中，其属支愈合并愈粗，管壁内平滑肌细胞和弹性成分减少，结缔组织相对增多，管壁薄，弹性小，管腔大，容血量多；体循环的静脉分浅、深二组，浅静脉行于皮下，多不与动脉伴行；深静脉行于深部，多与相应的动脉伴行；静脉的吻合支较丰富。全身除内脏、脑及头颈部的大多数器官的静脉无瓣膜外，其余各部的静脉都具有防止血液逆流的瓣膜，称静脉瓣（valvulae venosae）。四肢静脉的静脉瓣较多，尤以下肢的最发达，其功能是防止血液倒流。胸、腹部的静脉大多没有瓣膜。静脉瓣为两片，呈半月形，彼此相对，是由内膜向管腔内突出而形成的，表面衬以内皮，中间为结缔组织

血液循环系统是血液在体内流动的通道，分为心血管系统和淋巴系统两部分。淋巴系统是静脉系统的辅助装置，而一般所说的循环系统指的是心血管系统。

心血管系统是由心脏、动脉、毛细血管及静脉组成的一个封闭的运输系统。由心脏不停的跳动、提供动力推动血液在其中循环流动，为机体的各种细胞提供了赖以生存的物质，包括营养物质和氧气，也带走了细胞代谢的产物二氧化碳。同时许多激素及其他信息物质也通过血液的运输得以到达其靶器官，以此协调整个机体的功能，因此，维持血液循环系统于良好的工作状态，是机体得以生存的条件，而其中的核心是将血压维持在正常水平。

人体的循环系统由体循环和肺循环两部分组成。

体循环开始于左心室。血液从左心室搏出后，流经主动脉及其派生的若干动脉分支，将血液送入相应的器官。动脉再经多次分支，管径逐渐变细，血管数目逐渐增多，最终到达毛细血管，在此处通过细胞间液同组织细胞进行物质交换。血液中的氧和营养物质被组织吸收，而组织中的二氧化碳和其他代谢产物进入血液中，变动脉血为静脉血。此间静脉管径逐渐变粗，数目逐渐减少，直到最后所有静脉均汇集到上腔静脉和下腔静脉，血液即由此回到左心房，从而完成了体循环过程。

肺循环自右心室开始。静脉血被右心室搏出，经肺动脉到达肺泡周围的毛细血管网，在此排出二氧化碳，吸收新鲜氧气，变静脉血为动脉血，然后再经肺静脉流回左心房。左心房的血再入左心室，又经大循环遍布全身。这样血液通过体循环和肺循环不断地运转，完成了血液循环的重要任务。

心脏位于胸腔中纵膈内的上方，两肺之间，约2/3在身体正中线的偏左侧，1/3在右侧，并略向左扭转，所以右半心偏于前方，左半心偏于后方。心脏外观可分为心底和心尖，两面和两缘。

心底朝向右后上方，较宽大，与出入心脏的大血管相连，心尖朝向左前下方。心脏的前面为胸肋面，大部分被两肺遮盖，仅小部分与胸骨和肋软骨相邻；后面为膈面，贴在膈上。右缘锐利，左缘钝圆。打个比方，心脏在人体内的自然位置，恰如用右手写字时的位置相仿，手背相当于心底，手指尖端相当于心尖。

心脏表面近心底处有一环形的冠状沟，分隔心房和心室。心脏的前后面有前、后室间沟，为左、右心室的分界。

在心脏内部，由上部的房中隔和下部的室间隔将心脏分成互不相通的左、右两半。左、右两半又分别被左、右房室口及周围的瓣膜分为上部的心房和下部的心室。因此，心脏可分为四个腔，即上部的左、右心房和下部的左、右心室。通过左半心的是动脉血，通过右半心的是静脉血。

(1)左心房 在心脏的左心上部，位于主动脉和肺动脉的背侧，其一角向右前侧突出，叫左心耳。左心房有四个肺静脉开口，接受左、右肺两条静脉的血液(动脉血)；当其收缩时通过左房室口将血液压入左心室。因此，左心房的上面有四个静脉开口，下面有一个左房室口，由于心耳内面有梳状肌而表面凸凹不平，易使血流产生旋涡和流速减慢，在某些病理情况下 (如风湿性心脏病)，左心耳内易形成血栓，脱落后可引起心肌、四肢或脑栓塞等严重后果。

(2)左心室 在心的左下部，偏后侧，接受左心房的血液，收缩时把血液压入主动脉，推动大循环。左心室壁最厚，约为右心室壁的3倍，左房室口在左心室上部的左后方，主动脉口的右前方，两者并列接近。左房室口周围有传向心室的两片呈尖形、表面光滑、柔软而富于弹性、淡乳白色半透明的薄膜，叫二尖瓣。二尖瓣的游离缘和室面借助细而有弹性的腱索连接于心室壁的乳头肌。当心室收缩时，心室内血液即推动左房室瓣(二尖瓣)，将房室口关闭，同时乳头肌也收缩，腱索拉紧瓣膜，使房室口闭锁严密，防止瓣膜向左心房倒开，造成血液逆流。风湿性心脏病患者的二尖瓣狭窄和闭锁不全就常发生在这里。主动脉口周围有三个半月形的薄膜，叫半月瓣。三个半月瓣与主动脉壁一起形成三个兜，其凹陷向着主动脉方面。当心室舒张时，三个兜被逆流的血流充盈使主动脉瓣把主动脉口闭锁，防止血液回流至左心室。

(3)右心房 在心的右上部，接受全身流回心脏的静脉血，收缩时把血液压入右心室。其前部突出部分为右心耳。右心房内腔的上方和下方，分别为上、下腔静脉口，是心脏自身血液回流入心之处。心房腔内壁房中隔上有一指压形的卵圆窝，是胚胎时期左、右心房的交通孔 -卵圆孔。出生后逐渐闭合，若出生半年以上卵圆孔不闭合，就形成一种叫卵圆孔未闭的先天性心脏病。

(4)右心室 在心的右下部，接受右心房的血液，收缩时把血液压入肺动脉内。在房室口周围有三尖瓣，有防止右心室内的血液向右心房逆流的作用。肺动脉口在右房室口的前上方，其周围有三个半月形的肺动脉瓣。肺动脉瓣的形态和机能与主动脉瓣相同。

考点： 血液循环的途径 专题： 分析： 血液循环分为体循环和肺循环两部分，即体循环是指血液由左心室进入主动脉，再流经全身的各级动脉、毛细血管网、各级静脉，最后汇集到上、下腔静脉，流回到右心房的循环；肺循环是指血液由右心室流入肺动脉，流经肺部的毛细血管网，再由肺静脉流回左心房的循环．可见体循环和肺循环组成一条完整的循环途径，为人体各个组织细胞不断的运来养料和氧，又不断地运走二氧化碳等废物．血液循环过程中血液成分的变化：血液经过体循环后，由动脉血变成了静脉血；流经肺循环后，血液由静脉血变成动脉血．据此解答． 体循环是指血液由左心室进入主动脉，再流经全身的各级动脉、毛细血管网、各级静脉，最后汇集到上、下腔静脉，流回到右心房的循环，血液经过体循环后，颜色鲜红、含氧较多的动脉血就变成了颜色暗红、含氧较少的静脉血；肺循环的路线为：右心室→肺动脉→肺部毛细血管→肺静脉→左心房．在肺循环中，血液流经肺部毛细血管网时，与肺泡进行气体交换，血液中的二氧化碳进入肺泡，肺泡内的氧进入血液，这样，颜色暗红、含氧较少的静脉血就变成了颜色鲜红、含氧较多的动脉血．故体循环到肺循环过程中，血液成分的变化情况是由动脉血变成静脉血．故选：B 点评： 牢记血液循环分为体循环和肺循环两部分，理解掌握体循环与肺循环的途径及特点．