阿西莫夫最新科学指南-下 [美]-第38部分
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获得这些螺母和螺栓效率会更高，对于汽车装配线的设备不会造
成任何损失。同样，生物可以从它的食物中获得维生素，以节省空
间和原料。
维生素还说明了生命的另一个重要事实。据目前所知，所有
的活细胞都需要
B族维生素，不论是植物、动物还是细菌，辅酶是
每一个活细胞的细胞机器不可缺少的一部分。不管细胞是从食物
第十五章 人 体
第十五章 人 体
中得到还是自己制造
B族维生素，如果它要生存和生长的话，就
必须有这些维生素。这种对一组特殊物质的普遍需要，是一件给
人以深刻印象的证据，证明所有的生命在本质上是一致的，而且很
可能都是由在原始海洋中形成的单个原始生命变来的。
维生素
A
虽然现在对
B族维生素的作用已经知道得很详细，但证明其
他维生素的化学功能却是棘手的问题。惟一得到了真正进展的是
维生素
A。
1925年，美国生理学家弗里德里夏和霍尔姆发现，用缺乏维
生素
A的食物喂的大白鼠，在暗光下活动有困难。对它们的视网
膜的分析表明，它们缺乏一种叫做视紫红质的物质。
眼睛的视网膜上有两种细胞——杆状细胞和锥状细胞。杆状
细胞专司暗光下的视觉，它们含有视紫红质。因此，缺乏视紫红质
只妨碍暗光下的视觉，从而造成所谓的夜盲症。
1938年，哈佛大学的生物学家沃尔德开始研究暗光下视觉的
化学。他证明，光可以使视紫红质分离成两个组成部分：叫做视蛋
白的蛋白质部分和叫做视黄醛的非蛋白质部分。视黄醛被证明在
结构上和维生素
A非常相似。
在黑暗中，视黄醛总是与视蛋白重新结合，形成视紫红质。但
是，当它在光下和视蛋白分离的时候，因为它不稳定，会有一小部
分被分解掉。然而，视黄醛的供应可以从维生素
A中得到补充，
维生素
A能够在酶的帮助下移去两个氢原子转变成视黄醛，因此
维生素
A成了视黄醛的一个稳定的来源。如果膳食中缺乏维生
素
A，最后视黄醛的供给和视紫红质的量就会下降，结果造成夜盲
症。由于在这一领域中的成就，沃尔德分享了
1967年的诺贝尔医
学与生理学奖。
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维生素 A一定还有其他的功能，因为缺乏维生素 A会引起黏
膜干燥以及其他不属于眼睛视网膜的疾病。但是对维生素 A的
其他功能目前人们还不明了。
对于维生素 C、D、E和 K的化学功能人们同样也还不了解。
无 机 盐
人们自然会猜想，能够构成像活组织那样奇妙东西的物质，其
本身一定是异乎寻常的。蛋白质和核酸确实是非常奇妙的，但是
人们坦率地认识到，构成人体的元素像泥土一样平常，而这些元素
仅用几个美元就可以买到。（以前用几十美分就可以买到，但通货
膨胀使东西都涨价了。）
19世纪初期，当化学家们开始分析有机化合物时，就清楚地
了解到，活组织主要是由碳、氢、氧和氮组成的。仅这 4种元素就
占人体重量的 96％，其次体内还有少量的硫。如果把这 5种元素
烧掉，就会剩下一些白灰，大部分都是骨骼的残留物。这些灰就是
一些无机盐。
在这些灰中可以找到普通的食盐（氯化钠），这并不令人惊奇。
说到底，食盐不只是一种调味品，而是一种生死攸关的物质。你只
要尝一尝血液就会认识到，食盐是人体的一种基本成分。食草动
物大概因为只食缺乏盐分的草和叶，所以必须经常冒险到盐渍地
去舔盐，以弥补食物中缺少的盐分。
早在 18世纪中叶，瑞典化学家甘思就已经证明，骨骼主要是
由磷酸钙组成的；意大利科学家门基尼已经证实，血液中含有铁。
1847年，李比希在组织中发现了钾和镁。到 19世纪中叶，已经知
第十五章 人 体
第十五章 人 体
道人体内的无机盐成分包括钙、磷、钠、钾、氯和铁。此外，这些成
分在生命过程中的活性和组成有机化合物的各种元素是一样的。
铁就是一个最清楚的例子。如果饮食中缺少铁，血液中就会
缺乏血红蛋白，从肺部给细胞输送的氧就会减少。这种情况叫做
缺铁性贫血。这种病人因缺少红色素而显得苍白，因缺少氧而感
到疲倦无力。
1882年，英国医生林格发现，在含有钠、钾和钙等基本上按青
蛙血液所含的比例配制的溶液中，青蛙的心脏在它的体外仍能存
活和跳动（这种溶液今天仍叫做林格溶液）。每一种成分都是肌肉
的功能所必不可少的。过量的钙会造成肌肉永久性的收缩（钙僵
直），过量的钾会使肌肉陷入永久性的松弛（钾抑制）。另外，钙对
血液凝集也是十分重要的，没有钙，血液就不能凝集，在这一方面
任何其他元素都不能代替钙。
在所有的无机物中，磷是最后一种被发现的，它在生命
的化学机制中执行的功能最多而且最重要（见第十三章）。
钙是骨骼的一个主要成分，占人体的
2％；磷占
1％。上面提
到的其他无机盐是按递减的比例排列的，一直到铁，铁仅占人体的
0。004％。（即使这样，一般成年男子的组织中仍含有
3克铁。）但
是，这个清单并没有完结，还有其他一些无机盐，虽然在组织里的
量勉强可以测得到，但是对生命来说是必不可少的。
一种元素可能仅在体内存在，并不一定有用，它可能只是一种
杂质。我们都会从食物中摄取我们环境中的每一种元素，至少是
微量的，每一种都会有一小部分进入我们的组织。但是，像钛和镍
等元素对身体毫无用处，相反，锌却是必需的。人们怎样区别必需
的无机盐和非必要的杂质呢？
最好的方法是证明某种必需的酶把这种微量元素作为一种必
要的成分。（为什么要用酶来证明呢？因为微量元素只有通过酶
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才能发挥重要作用。）1939年，英国的基林和曼证明，锌是碳酸酐
酶的重要成分。现在已经知道，碳酸酐酶是身体处理二氧化碳所
必不可少的，而对这种重要废物的适当处理又是生命所必需的。
人们从理论上推导出，锌对于生命是必不可少的，而实验证明确实
如此。用低锌的食物喂大白鼠，大白鼠就会停止生长，身上的毛脱
落，皮呈鳞状，最后过早死亡，缺乏锌确实如同缺乏一种维生素。
用同样的方法已经证实，铜、锰、钴和钼也是动物生命所不可
缺少的，食物中缺乏这些元素就会引起营养缺乏病。钼是一种叫
做黄嘌呤氧化酶的成分之一。20世纪
40年代，人们首先注意到
钼和一些植物有重要联系，当时的土壤科学家发现，如果土壤中缺
乏钼，植物就不能很好地生长。看来钼是土壤微生物中某些酶的
一种成分，这些微生物可以催化空气中的氮转变成含氮的化合物。
植物依赖微生物的这种帮助，因为植物本身不能从空气中摄取氮。
（地球上的各种生物都紧密地相互依赖，这只是无数个例子中的一
个。生物界就像一条漫长而复杂的链锁，任何环节被破坏，都可能
遭受困难甚至灾难。）
并非所有的微量元素都是普遍必需的。微量的硼对于植物似
乎是必不可少的，但对于动物显然并不需要。某些被囊动物可以
从海水中获得钒，并在它们的运送氧的化合物中使用它，但是几乎
没有其他动物以任何理由需要钒。有些元素，如硒和铬，人们怀疑
是身体所必不可少的，但它们的确切作用尚未确定。
现在已经知道，正如有无水的沙漠一样，也有微量元素的沙
漠；两者通常在一起，但并不总是在一起。在澳大利亚的土壤中，
科学家们发现，以某种适当的化合物形式把
1克的钼撒在
2000平
方米的缺钼的土地上，结果土壤的肥力大为增加。
1960年对美国
农田的调查表明，有
41个州的土地缺硼，29个州的土地缺锌，还
有
21个州的土地缺钼。微量元素的用量是十分重要的。过多或
第十五章 人 体
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过少都不好，因为有些元素（如铜）在少量时是生命所必需的，量大
了就会有毒。
这自然使我们想到相当古老的施肥习惯的合理性。直到近
代，施肥用的还是动物粪便、绿肥和鸟粪等，这样可以恢复土壤中
氮和磷的含量。这样施肥常常伴随着恶臭和传染疾病的可能性。
19世纪初期，由李比希研究出的干净而无臭味的化肥取代了粪
肥。
钴
在无机盐缺乏病中，关于钴的发现是最引人注目的篇章之一。
它关系到一种曾经无药可医的致命疾病恶性贫血。
20世纪
20年代初期，罗彻斯特大学病理学家
G。 H。惠普尔
进行了利用各种食物补充血红蛋白的实验。他先给一些狗放血，
造成贫血，然后再给它们喂各种不同的食物，看哪一种食物能够使
这些狗最快地补充上失去的血红蛋白。他这样做并不是因为他对
恶性贫血或任何种类的贫血感兴趣，而是因为他要研究胆色素，胆
色素是身体利用血红蛋白制造的化合物。
G。 H。惠普尔发现，肝
脏是能够使狗最快地制造血红蛋白的食物。
1926年，两位波士顿医生迈诺特和墨菲研究了
G。 H。惠普尔
的结果，决定用肝对恶性贫血病人进行试验治疗。这种治疗果然
奏效。只要病人把肝作为食物的重要部分，这种不治之症就能治
好。G。 H。惠普尔、迈诺特和墨菲分享了
1934年的诺贝尔医学与
生理学奖。
遗憾的是，虽然肝经过适当的烹调，加上鸡蛋、洋葱和鸡油，是
一道美味的菜肴，但经常食用会使人感到腻烦。生物化学家们开
始寻找肝中能够治病的物质；到
1930年，哈佛医学院的
E。 J。科恩
和他的同事们制备了一种浓缩物，效力是肝本身的
100倍。但是
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要分离出活性因子，还需要进一步纯化。幸而，20世纪
40年代，
默克实验室的化学家们发现，从肝中得到的浓缩物可以加速某些
细菌的生长。这就提供了一种检验任何一种肝制剂效力的简便方
法，于是生物化学家们可以进而把浓缩物分解成碎片，并连续对它
们进行快速检验。因为这些细菌对肝物质的反应方式和它们对硫
胺素（维生素
B1）或核黄素（维生素
B2）的反应方式基本相同，所以
研究人员现在强烈地猜测他们寻找的这种因子是一种
B族维生
素。他们称之为维生素
B12。
到
1948年，利用细菌的反应和色谱法，英国的
E。 J。史密斯和
默克实验室的
K。 A。 福克斯成功地分离出了维生素
B12的纯样品。
维生素
B12被证明是一种红色物质，两位科学家都认为它的颜色和
某些钴化合物的颜色相似。当时人们已经知道，缺乏钴会使牛羊
严重贫血。
E。 J。 史密斯和
K。 A。 福克斯都曾把维生素
B12的样品
烧掉，分析剩下的灰，发现确实含有钴。这种化合物现在被命名为
氰钴胺素。到目前为止，这是在活组织中发现的惟一的含钴化合
物。
将维生素
B12断裂并检验其片段，化学家们很快就断定，维
生素
B12是一种极其复杂的化合物，他们研究出的经验式是
C63H88O14N14PCo。后来英国化学家
D。 C。 霍奇金利用
X射线确定
了它的完整结构。维生素
B12晶体的衍射图使她建立了分子的电
子密度图，即哪些区域发现电子的可能性大，哪些区域可能性小。
如果把同等可能性的区域用线条连接起来，就会构成整个分子形
状的骨架图。
这件事并不像听起来那么容易。复杂的有机分子能够产生一
种极其复杂的
X射线散射。把这种散射翻译成电子密度所需要
的数学运算是极端冗长的。
1944年，计算机帮助搞清了青霉素的
结构式。维生素
B12比青霉素复杂得多，D。 C。 霍奇金不得不使用
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更先进的电子计算机（
SWAC），并做了一些艰苦的准备工作。不
过，这项工作最终为她赢得了
1964年的诺贝尔化学奖。
维生素
B12（氰钴胺素）分子原来是一种倾侧的卟啉环，一侧缺
少一个连接两个较小的吡咯环的碳桥，在另一侧吡咯环上有复杂
的侧链。维生素
B12分子和较为简单的血红素分子相似，但有这样
一个关键的差别，血红素在卟啉环的中心有一个铁原子的地方，氰
钴胺素有一个钴原子。
只要把极少量氰钴胺素注入恶性贫血病人的血液里就会产生
活性。人体对这种物质的需要量只是其他
B族维生素的
1/1 000。
因此，任何食物都应该含有我们所需要的足够的氰钴胺素。即使
食物中的含量不够，肠内的细菌也能制造出一些来。那么，为什么
还会有人患恶性贫血呢？
显然，患这种病的人只是因为不能通过肠壁给身体吸收足够
的维生素
B12。实际上他们的粪便中含有丰富的维生素
B12（因为
缺乏这种维生素他们就会死亡）。通过食用可以提供特别丰富的
维生素
B12的肝，这类病人可以勉强吸收足够的氰钴胺素而存活下
去。但是病人通过膳食对这种维生素的需要量是直接往血液里注
射需要量的
100倍。
患这种病的人一定是肠器官出了毛病，使维生素
B12不能通过
肠壁。由于美国医生卡斯尔的研究，人们从
1929年以来就已经知
道，答案不管怎样是在胃液上。卡斯尔把胃液中这种必需的成分
叫做内在因子。而在
1954年，研究人员从动物的胃黏膜中发现了
一种帮助吸收维生素
B12的产物，并证明这种产物就是卡斯尔的内
在因子。很明显，恶性贫血病人没有这种物质。当把少量的这种
物质与氰钴胺素混合后，病人可以毫不费力地通过肠来吸收维�
