Campbell Biology Ch.2 The Chemical Context of Life

Elements and Compounds#

物质由元素组成。元素无法通过化学反应分解为其他物质。目前，化学家已确认自然界存在 $92$ 种天然元素，每种元素都有专属符号，通常取自其名称的首字母或前两个字母。部分元素符号源自拉丁语或德语，例如钠的元素符号 $\text{Na}$ 来源于拉丁语 $\text{natrium}$。

化合物是由两种或两种以上不同元素以固定比例结合而成的物质。例如食盐，即氯化钠 ($\text{NaCl}$），是由钠元素与氯元素按 $1:1$ 的比例构成的化合物。

The Elements of Life#

在 $92$ 种天然元素中，约 $20\%$ 至 $25\%$ 为必需元素 (essential elements)，是生物维持健康生命与繁衍所必需的物质。不同生物的必需元素大体相近，但仍存在一定差异。

$\text{O}$、$\text{C}$、$\text{H}$、$\text{N}$ 四种元素，约占生物体物质总量的 $96\%$。$\text{Ca}$、$\text{P}$、$\text{K}$、$\text{S}$ 等少量元素，构成生物体剩余约 $4\%$ 的质量。微量元素 (trace elements) 是生物体需求量极少的元素。$\text{Fe}$ 等部分微量元素为所有生命所必需，另一些则仅为特定物种所需。

Subatomic Particles#

尽管原子是保持元素性质的最小单位，但这种微小物质仍由更小的亚原子粒子 (subatomic particles) 构成。物理学家借助高能碰撞，从原子中分离出上百种粒子，本章仅涉及三种：中子、质子与电子。质子和电子带有电荷：每个质子带一个单位正电荷，每个电子带一个单位负电荷。顾名思义，中子呈电中性。

质子与中子紧密聚集在原子中心致密的核心，即原子核内；质子使原子核带正电。高速运动的电子在原子核外围形成带负电的电子云，正负电荷间的相互吸引，使电子维持在原子核周围。图 2.4 以氦原子为例，展示了两种常用的原子结构模型。

中子和质子的质量几乎相等，约为 $1.7\times 10^{-24}$ 克。我们通常不用克来描述这类极小的微观物质，而是使用道尔顿 (dalton)，该单位为纪念 $1800$ 年前后建立原子理论的英国科学家约翰・道尔顿而命名 (道尔顿等同于原子质量单位 (atomic mass unit, amu))。

Atomic Number and Atomic Mass#

不同元素的原子，其亚原子粒子数量各不相同。同一元素的所有原子，原子核内质子数完全相同。这种专属某一元素的质子数量，称为原子序数，标注在元素符号的左下角。例如 $_2\text{He}$ 表示 $\text{He}$ 元素的一个原子的原子核中有两个质子。除非另有说明，原子整体呈电中性，即质子数与电子数相等。因此，原子序数既可表示质子数，也能确定电子数。

我们可通过质量数推算中子数，质量数为原子核内质子数与中子数之和。质量数标注于元素符号左上角。例如，氦原子可简写为 $_2^4\text{He}$。由于原子序数代表质子数，用质量数减去原子序数，即可得出中子数。

由于电子的质量微乎其微，原子的绝大部分质量都集中在原子核内。中子与质子的质量均接近 $1$ 道尔顿，因此质量数与原子的总质量（即原子量）相近，但并不完全相等。例如钠原子 $_{11}^{23}\text{Na}$ 的质量数为 $23$，但其原子量为 $22.9898$ 道尔顿，二者差异的原因将在下文中解释。

Isotopes#

同一元素的所有原子质子数相同，但部分原子的中子数更多、质量更大。同种元素的这类不同原子形态，称为该元素的同位素。自然界中，一种元素往往以多种同位素的混合形式存在。以原子序数为 $6$ 的碳元素为例，它有三种天然同位素。最常见的是 $_6^{12}\text{C}$，约占自然界碳总量的 $99\%$，含有 $6$ 个中子。剩余约 $1\%$ 的碳主要为 $^{13}_6\text{C}$，含 $7$ 个中子。第三种更为稀有的 $_6^{14}\text{C}$ 则含有 $8$ 个中子。同种元素的同位素质量略有差异，但化学性质完全一致。

若一种元素存在多种天然同位素，其原子量为各同位素按天然丰度加权计算的平均值，因此碳的原子量为 $12.01$ 道尔顿。

$^{12}\text{C}$ 和 $^{13}\text{C}$ 都是稳定的同位素，其原子核不会自发丢失亚原子粒子，该过程称为衰变。而 $^{14}\text{C}$ 同位素性质不稳定，具有放射性。放射性同位素的原子核会自发衰变，释放粒子与能量。若放射性衰变导致质子数发生改变，该原子便会转化为另一种元素的原子。

The Energy Levels of Electrons#

原子中电子所具备的能量各不相同。能量被定义为引发变化的能力，例如通过做功实现。势能是物质因其位置或结构而拥有的能量。例如山间水库中的水体因海拔高度而具备势能。当水坝闸门开启、水流顺坡而下时，这份能量可用来做功。

物质天然倾向于趋向势能最低的状态，正如水流自发向下流淌。若要恢复水库的蓄水势能，就必须克服重力做功，将水体抬升。

原子的电子因与原子核存在距离而具备势能(图 2.6)。带负电的电子会被带正电的原子核吸引。将电子移至远离原子核的位置需要消耗能量，因此电子离原子核越远，其势能越高。与水流连续向下流动不同，电子的势能变化只能以固定的能量单位分级发生。

具有特定能量的电子，类似于阶梯上的小球。小球所处台阶不同，势能大小也不同，且无法长时间停留在台阶之间。同理，电子的势能由其能级决定，只能存在于特定能级之上，不能处于能级间隙。

电子的能级与其到原子核的平均距离密切相关。电子分布在不同的电子层中，每层都有固定的平均距离与能级。示意图里的电子层常用同心圆表示，如图 $2.6\text{b}$ 所示。第一层电子层离原子核最近，其中的电子势能最低；第二层电子能量更高，第三层电子的能量则进一步升高。

电子可以在不同电子层之间跃迁，但必须吸收或释放特定能量，数值等于两层间的势能差。电子吸收能量后，会跃迁至离原子核更远的外层。当电子释放能量时，会回落至靠近原子核的内层，散失的能量通常以可见光或紫外线的形式向外辐射。

Electron Distribution and Chemical Properties#

原子的化学性质，由电子层中的电子排布方式决定。以结构最简单的氢原子为起点，我们可以设想，其他元素的原子都是依次增加一个质子、一个电子，并搭配相应数量的中子逐步构成。

以元素周期表的前三行 (图 2.7) 为例，每一行表示一个周期，行数对应原子所含的电子层数。每一周期内，元素从左至右排列，对应质子数与电子数的依次递增。

氢的 $1$ 个电子与氦的 $2$ 个电子均位于第一层电子层。和所有物质一样，电子倾向于处在势能最低的稳定状态，在原子中，这一最低能级即为第一层电子层。但第一层最多只能容纳 $2$ 个电子，因此周期表第一行仅有氢和氦两种元素。电子数多于 $2$ 个的原子，剩余电子只能排布在更高的电子层，因内层已被填满。

下一个元素锂含有 $3$ 个电子：$2$ 个电子填满第一层，余下 $1$ 个电子排布在第二层。第二层电子层最多容纳 $8$ 个电子。位于第二周期末尾的氖，第二层拥有 $8$ 个电子，核外电子总数为 $10$。

原子的化学性质主要取决于最外层电子的数量。这些外层电子被称为价电子 (valence electrons)，最外层电子层则称为价层。价电子数目相同的元素，化学性质相似。价层被电子填满的原子化学性质稳定，不易与其他原子发生反应。元素周期表最右侧的氦、氖、氩，是图 $2.7$ 中仅有的三种价层已满的元素，这类元素属于惰性 (inert) 气体，化学性质不活泼。

Electron Orbitals#

图 $2.7$ 中描绘的同心圆仅代表该层电子与原子核的平均距离，并不能还原原子的真实结构。我们无法确定电子的精确位置，只能描述电子大概率出现的空间范围。电子有 $90\%$ 概率出现的三维空间区域，被称为原子轨道。

每个电子层都有着固定层级的电子，分布在特定形状和不同方向的轨道上 (图 2.8)，可以将轨道视为电子层的一部分。

可将轨道理解为电子层的组成单元。第一电子层仅有 $1$ 个球形 $s$ 轨道（即$1s$）；第二层包含四个轨道：$1$ 个更大的球形 $s$ 轨道（$2s$），以及 $3$ 个哑铃形 $p$ 轨道（$2p$轨道）。第三层及更高电子层，除 $s$、$p$ 轨道外，还含有结构更复杂的轨道。一个轨道只能容纳 $2$ 个电子，第一个电子层的 $s$ 轨道可以容纳 $2$ 个电子 ，第二层的 $4$ 个轨道最多可以容纳 $8$ 个电子。

Covalent Bonds#

共价键是两个原子共用一对价电子所形成的化学键。以两个氢原子相互靠近为例：氢原子的第一层仅有 $1$ 个价电子，而该电子层最多可容纳 $2$ 个电子。当两个氢原子距离近到足以使 $1s$ 轨道发生重叠时，二者便可共用电子。此时每个氢原子都拥有 $2$ 个电子，价层达到饱和稳定结构。由共价键结合的两个或多个原子构成分子，上述结合产物即为氢分子。

图 2.10a 展示了氢分子的多种表示方式。其分子式，$\text{H}_2$ 简明表示该分子由两个氢原子构成。电子共用关系可通过电子排布图或路易斯电子式 (Lewis dot structure)呈现，即在元素符号周围用黑点表示价电子，如 $\text{H}:\text{H}$。也可使用结构式，$\text{H}-\text{H}$，短线代表单键，即一对共用电子。空间填充模型最贴近分子的实际形态。

氧原子的第二层含有 $6$ 个价电子，还需 $2$ 个电子即可填满价层。两个氧原子通过共用两对价电子形成分子(图 2.10b)，这种结合方式称为双键，写作 $\text{O}=\text{O}$。

每种能够共用价电子的原子都具有一定的成键能力，即该原子可形成的共价键数目。成键后，原子的最外层电子层将达到满电子的稳定结构。这种成键能力被称作原子的化合价 (valence)，其数值通常等于填满最外层价电子层所需的电子数。

分子中的原子对共用成键电子的吸引能力因元素种类而异。原子在共价键中吸引共用电子的能力，称为电负性 (electronegativity)。原子的电负性越强，对共用电子的吸引力就越大。

同种元素的原子形成共价键时，二者电负性相同，电子被平均共用，电子争夺达到平衡，这类化学键为非极性 (nonpolar) 共价键。例如 $\text{H}_2$ 中的单键与 $\text{O}_2$ 中的双键均属于非极性共价键。但若成键两原子电负性存在差异，共用电子会偏向电负性更强的一方，电子无法均等分配，由此形成极性共价键。键的极性强弱，取决于两个原子的电负性差值。

氧是电负性最强的元素之一，对共用电子的吸引力远大于氢。在氧、氢形成的共价键中，电子出现在氧原子核附近的时间远多于氢原子核附近。由于电子带负电，水分子中共用电子偏向氧原子，使氧原子带有部分负电荷 (用 $\delta^-$ 表示)，氢原子带部分正电荷 ($\delta^+$)。

Ionic Bonds#

在某些情况下，两个原子对电子的吸引力差距过大，使得其中一方完全失去电子，形成两个带相反电荷的原子，称作离子。带正电的离子叫阳离子 (cation)，带负电的离子叫阴离子 (anion)。由于所带电荷相反，它们之间产生的吸引力叫做离子键。

通过离子键组成的化合物称为离子化合物，或者盐。自然界中发现的盐通常是大小和形状不同的结晶。每个盐都是被电吸引力结合在一起，排列在三维晶格中的大量阴阳离子的聚合体。

离子这一概念同样适用于整体带电的分子。以氯化铵 $\text{NH}_4\text{Cl}$ 为例，其阴离子为单个氯离子 $\text{Cl}^-$，而阳离子是 $\text{NH}_4^+$，由一个氮原子与四个氢原子以共价键结合形成。整个铵根离子带有 $1$+ 单位正电荷，因其失去了一个电子，核外电子总数相较中性状态少一。

环境会影响离子键的强弱。在干燥的盐晶体中，离子键作用力极强，需借助工具破坏大量化学键才能将晶体敲裂。但当盐晶体溶于水后，离子键会大幅减弱，原因是水分子会与离子相互作用，对离子形成静电屏蔽。

Weak Chemical Interactions#

除强化学键外，分子内部与分子之间的弱相互作用同样不可或缺，对生命的涌现特性至关重要。许多大型生物分子依靠弱相互作用维持其功能构象。此外，细胞内两个分子相互接触时，可借助弱作用力短暂结合。弱相互作用具备可逆性，这一特性极具优势：分子能够短暂结合、相互作用，随后再彼此分离。

Hydrogen Bonds#

当氢原子以共价键与电负性较强的原子结合时，氢原子会带有部分正电荷，进而吸引附近带有部分负电荷的其他高电负性原子。这种氢原子与电负性原子之间的非共价作用力，即为氢键 (Hydrogen Bonds)。活细胞中，参与形成氢键的电负性原子多为氧或氮。图 2.14 展示了水分子 $\text{H}_2\text{O}$ 与氨分子 $\text{NH}_3$ 之间的氢键作用。

Molecular Shape and Function#

分子具有特定的大小与空间构型，这是其在活细胞中行使功能的关键。由两个原子构成的分子均为直线形，而绝大多数多原子分子拥有更为复杂的立体结构。分子的空间形状由原子轨道的排布方式决定(图 2.15)。原子形成共价键时，价层轨道会发生重新杂化排布。

对于价电子同时分布在 $s$ 轨道与 $p$ 轨道的原子，$1$ 个 $s$ 轨道与 $3$ 个 $p$ 轨道会重组形成四个全新的杂化轨道 (hybrid orbital)。这些轨道形态一致，呈泪滴状，自原子核区域向外伸展，如图 $2.15a$ 所示。若将泪滴轨道的大端依次连线，便会构成一个四面体。

水分子中，氧原子价层的四条杂化轨道里，两条与氢原子共用成键；剩余两条被孤电子对占据（图 $2.15b$）。最终水分子呈 $\text{V}$ 形结构，两个共价键的键角为 $104.5°$。

分子的空间构型至关重要：它决定了生物分子如何特异性识别并相互作用。生物分子常通过弱相互作用短暂结合，而前提是二者结构互补。

以鸦片类物质为例，吗啡、海洛因等衍生物能够止痛、改变情绪，原理是与脑细胞表面特定受体微弱结合。这些物质与由垂体分泌的内啡肽 (endorphin) 结构类似，能够竞争性结合大脑内的内啡肽受体，最终产生相同生理效应，缓解疼痛并产生愉悦感。