为什么人们感觉不到新元素对生活的影响了?

科普中国-科普融合创作与传播 2019-03-13

  出品:科普中国

  制作:荆博

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  在回答这个问题之前,我们先回顾一下历史,我们也曾狂热的追捧着新元素,甚至在我们对其不甚了解的情况下就大肆推广,你不会想象出,具有放射性的镭,被用来添加到服装、饰品、玩具、日化用品,甚至饮料、药品;当然现在微商的主营产品化妆品也是当时含镭产品的重头戏。

  

  “水中贵族”含镭矿泉水(公有领域)

  所幸的镭的价格当时也是极为昂贵,大多数的产品含量非常低或者只是声称含有镭元素,但即便如此还是造成了极其严重的后果——大量用户受到辐射,而最严重却是那些生产含镭产品的工人。那么,为什么对我们生活起到重要作用的元素都是我们所熟知的呢?因为这里有两个基本原则:

  生命会以最容易的方式同环境进行物质交换

  这里要先介绍一个大家可能知道但不是特别熟悉的概念:丰度——各元素在限定的研究范围中比例。由于人类的活动主要是位于岩石圈的上层、水圈和大气圈中;所以,从生命进化的角度讲,生命获取元素的来源一定从上述的圈层中摄取,所以生命体活动也会受上面所述圈层的影响,这就导致了不仅人体,一般的生物体的元素丰度都会高度一致,而且生命体的部分元素比例还会还原生命的进化中某些关键节点,比如人的体液的元素丰度同古代海洋有较高的一致性,可以作为生命来自海洋的佐证。

  

  数据来源:USGS公共统计信息,图像作者翻译编制

  从上图可以看出,地壳的各种元素的含量相差巨大(注意y轴为指数标记),其中含量最高的氧硅铝铁钙五种元素所占了绝大部分,此外地壳中的主要造岩元素也是我们所熟知的,其原子序数都位于30之前,地壳中丰度最大的前十名元素,可占全部比例的99.85%。对比下图,可以发现生命有机体构成元素组成重要性和丰度与地壳的丰度有着高度一致性。

  

  数据来源:Chang, Raymond (2007). Chemistry (Ninth ed.). McGraw-Hill. p. 52,图像作者翻译编制

  从整体上讲,绿色越深的颜色丰度越大,绿色越浅的丰度越小,不仅如此,那些未用颜色标注的元素,大多数不仅含量低,而且对生命体一般还会构成危害。

  

  数据来源:Chang, Raymond (2007). Chemistry (Ninth ed.). McGraw-Hill. p. 52,图像作者翻译编制

  形成鲜明对比的是,构成生命的四种基本元素——碳氢氮氧,在地球上部圈层中有着非常高丰度,而且均有多种气态化合物,对生命有重要意义的重要元素都有不低的丰度,这为生命体能够顺利同环境进行物质交换中提供了基本保证。

  这样的结果与生命的出现和进化有着直接的关系:从量变到质变,第一个可以自我复制的分子的诞生,一定是发生在较大丰度的元素中,才完成由无机体自发形成有机体的突破,再结合生命周而复始的特性,那么这种元素应该得失电子的能力都一般;基于这种考虑碳基生命和硅基生命都有其存在的道理,但自然界中没有硅的气态化合物,液态化合物种类也非常少,要知道气态物质的化学反应的速率和几率要远高于固态物质。所以,斯坦利·米勒在设计验证生命起源假说——“原始汤”的合成氨基酸实验中,使用了甲烷,氨和氢,以及水蒸气的混合物循环通过一个装置,利用电火花激化,一周后成功合成了不少于5种氨基酸(2011重新测定发现23种)。这样设计实验,除了需要模拟古代海洋和大气的条件,气态和液态物质的反应速率也是一个重要的考虑。所以在地球上诞生碳基生命而非硅基生命并非偶然——因为生命真的是一个欢快化学反应的集合体啊!

  

  最早提出“原始汤”假说的亚历山大·奥帕林(公有领域)

  元素之间虽有不同,但亦有相似性,并没有那么多的不可替代

  第二个基本原则就是我们熟知的元素周期律,门捷列夫发现的元素周期律告诉我们这样的一个规律,同一列的元素由于最外层电子数相同,化学性质相近,因而很大比例可以找到替代元素,而这种规律甚至成为我们在利用元素过程中的难点,比如晶体的不完美很多时候并不是生长问题,而是在最初原子位置被同族元素替代,比如钾钠,比如钙镁,这些也同样丰富了我们的世界(还记得被各种长石支配的日子吗)

  

  纷繁复杂的长石矿物相图(图像来自于共有领域,旁注作者加)

  为了生活的苟且,我们选择性价比

  除了这些科学上的原理,工程思维与我们的生活更加息息相关。什么是工程思维,就是将科学理论实现,除了基本科学性,可行性同样重要。我们常说的多快好省可以看作工程思维的集中体现,既要考虑简单实用,又要兼顾经济实效。所以我们在设计建造的过程中,不求最好,只求最适合,现实生活中我们大量使用替代材料,而非最