展位28一組人體必須的金屬元素——錫釩鉻錳鉬鈷鎳

1、展位8 一組人體必需的金屬元素錫、釩、鉻、錳、鉬、鈷、鎳 對于標題上所列的這些金屬，人體的需要量極少，即使是一生的需要量加起來也不足30克(1盎司)。它們之所以被認為是人體必需的元素，是因為從動物體內(nèi)分離出來的多種酶中均含有這些元素，而這些酶的催化作用也被認為是人體系統(tǒng)的一部分。于是我們似乎可以合乎情理地推測，這些金屬是人體必需的元素。由于人體對它們的需求量極少，通常也意味著即使攝入量不足也不會對人體產(chǎn)生危害。下面，我們逐一簡要介紹它們，先后次序按表2中所列的各種金屬在人體中含量的多少排列。錫體重為70千克的成人，體內(nèi)平均含有20毫克的錫，其中一些來自于罐頭食品的金屬罐。我們一天大約攝入0.3

2、毫克的錫，但目前還沒有人類缺錫的任何證據(jù)，也沒有人體確實需要這種金屬的明確證據(jù)。只是對于某些動物來說錫可能是不可缺少的，比如如果給大鼠喂不含錫的食物，它就不能正常成長。對于人類來說也許同樣如此。 在古代，錫很早就已經(jīng)為人們所知了。在古埃及第十八王朝(公元前1580前1350年)的古墓里，人們便發(fā)現(xiàn)了錫指環(huán)和朝圣者用的錫制瓶子。在鐵皮上鍍一層錫保護層的馬口鐵，早在公元前320年就被泰奧弗拉托斯(Theophratus)提到過。tin(錫)是一個盎格魯撒克遜單詞，而其化學符號Sn卻來源于錫的拉丁語名stannum，而stannery(錫礦)這個詞也來源于這個拉丁語名。早期的錫貿(mào)易是由腓尼基人在地中

3、海沿岸進行的，他們從西班牙、布列塔尼、西西里島和康沃爾郡購得錫，再賣到其他地方。凱撒(Julius Caesar)在他的高盧戰(zhàn)記一書中就提到了英國的錫。 中世紀，在波希米亞和薩克森地區(qū)有規(guī)模很大的錫板工業(yè)。19世紀初，人們發(fā)現(xiàn)如果把食物尤其是肉類，密封在錫制罐子里儲存，就能夠存放很長時間。然而，吃這種肉可能是致命的，在第八層館我們將詳細討論這個問題。 大多數(shù)形態(tài)的錫毒性都很低，但有證據(jù)表明，某些錫的有機化合物有致癌和誘發(fā)基因突變的作用。在這些化合物里，錫原子和碳原子通過化學鍵連接在一起，從而形成了具有毒性的物質(zhì)。某些錫的有機化合物被用作防污涂料，涂在輪船和帆船的船體上，以防止藤壺等甲殼動物在上

4、面繁殖。但是，即便這種化合物的含量很低，對于像牡蠣這樣的海洋生物來說也是致命的，好在這種做法已逐漸停止。 錫是一種很軟且易于彎曲的金屬，但它不會以這種方式被人們利用，因為在低于13時錫就會慢慢地變成粉末狀這種性質(zhì)是因錫帶來的一場災難而廣為人知的。但是，這似乎只是一個傳說，即拿破侖的大軍于1812年從莫斯科撤退時，他那所向披靡的士兵幾乎都凍死在路上了，這是因為這些士兵軍服上的鈕扣全是錫做的，在寒冬里都變成了粉末。如今，人們把錫鍍在鋼板上，制成罐頭盒，還可將錫用于焊接。錫礦石的主要成分是氧化錫，主要產(chǎn)地有馬來西亞、蘇門達臘、俄羅斯、中國、玻利維亞和扎伊爾。錫在世界上的年產(chǎn)量是16.5萬噸，按目前的

5、速度，已探明儲量的錫礦只夠開采30年。錫主要用于制造罐頭盒，我們也可以回收罐頭盒，以對其進行循環(huán)利用。釩和錫一樣，人體內(nèi)含有的釩比實際需要的多很多。體重為70千克的成人，體內(nèi)平均含有20毫克的釩，每天的攝入量約為2毫克。人體中有一種酶能夠控制鈉的作用方式，人們認為釩就是這種酶的調(diào)節(jié)物質(zhì)。此外，釩還有其他的作用。釩第一次引起營養(yǎng)學家的關注是在1977年，當時人們發(fā)現(xiàn)市場上人工制備的腺苷三磷酸(ATP)能夠通過作用于神經(jīng)系統(tǒng)，擾亂體內(nèi)作用于神經(jīng)系統(tǒng)的鈉一鉀平衡。ATP是一種高能量分子，在參與人體代謝過程的每一個細胞里都有。人們對這種破壞鉀一鈉平衡過程的進一步研究發(fā)現(xiàn)，是釩在其中起了一些作用，從而引

6、起了人們對它的興趣。然而，至今人們?nèi)匀粵]有搞清楚，為什么釩是人體必需的一種元素。盡管如此，人們還是認為它是必不可少的。對小雞和大鼠進行的實驗告訴我們，釩有促進生長的功能，對于人來說估計也差不多。然而，人類不大可能出現(xiàn)缺釩的情況。 釩是一種閃爍著銀色光澤的金屬，主要用于制造合金，尤其是與鋼形成合金。1801年德里奧(Andr6s Manuel del Rio)在墨西哥的墨西哥城首次發(fā)現(xiàn)了這種元素，此后，1831年塞爾弗施特勒姆(Nils Gabriel Selfstrom)在瑞典的法倫再次發(fā)現(xiàn)了釩。盡管世界上有許多含量很高的釩礦，但人們并不直接從釩礦中提取釩，一般是在提煉其他元素時留下的副產(chǎn)品中

7、得到釩的，或者從委內(nèi)瑞拉產(chǎn)的石油中提煉釩。釩在全世界的年產(chǎn)量約為7 000噸。鉻體重為70千克的成人，體內(nèi)平均含有14毫克的鉻。現(xiàn)已證明，動物如果缺鉻，身體利用葡萄糖的能力就會下降，從而出現(xiàn)輕度糖尿病以及膽固醇水平下降的情況。動物既然如此，人類的情況估計也差不多。但目前還沒有確切的證據(jù)表明鉻是人體必需的一種元素，盡管人們已發(fā)現(xiàn)了幾個缺鉻的病例。人們已經(jīng)觀察到，隨著年齡的增大，美國人體內(nèi)的鉻含量會穩(wěn)定下降，但這意味著什么我們還不得而知。如果這意味著對人體將產(chǎn)生危害，那么我們就必須注意多吃一些含鉻量較高的食物，如啤酒酵母、糖蜜、麥芽和動物腎臟。(在飲食中補充無機類的鉻鹽絕非明智之舉，因為鉻鹽的毒性

8、很強。) 含鉻較多的食物有牡蠣、小牛肝臟、蛋黃、花生、葡萄汁、麥芽以及黑胡椒等。人們每天從飲食中攝入的鉻的數(shù)量差別很大，從10微克到1 200微克(即12毫克)不等，而每天排泄出去的鉻為50200微克。人體攝取的鉻是有毒性的，達到200毫克就相當危險了。人們懷疑鉻也是一種致癌物質(zhì)，而鉻酸鹽還能對皮膚和組織產(chǎn)生侵蝕作用。 鉻主要是通過產(chǎn)自土耳其、南非、津巴布韋、俄羅斯和菲律賓等地的黑色鉻鐵礦提煉出來的。全世界鉻的年產(chǎn)量約為20 000噸。鉻是一種堅硬的具有藍白光澤的金屬，經(jīng)過拋光后亮度極高，在空氣中不會受到氧化和侵蝕。鉻主要用于生產(chǎn)合金、鍍鉻以及金屬陶瓷。Chromium(鉻)這個名稱來源于希臘

9、語chrome，意思為“色彩”，因為鉻鹽通常能夠發(fā)出奪目的光彩。鉻黃這種顏料(即鉻酸鉛)在繪畫中用得很多，也是因為它能發(fā)出絢爛的色彩。錳體重為70千克的成人，體內(nèi)平均含有12毫克的錳。所有的動物和植物都需要這種元素。雖然我們已經(jīng)知道錳參與了葡萄糖的代謝和維生素B1的活動，而且，還與RNA有聯(lián)系，但它的確切功能是什么卻還不清楚。1931年，凱默勒(ARKemmerer)和他的同事們證明了錳是小鼠和大鼠體內(nèi)必需的一種元素。1936年，人們通過實驗發(fā)現(xiàn)，給小雞喂錳可以預防錳缺乏癥。后來，錳化合物開始被加到肥料和動物飼料中，這是因為有些土壤里缺錳，如果將牲畜在這樣的土地上放牧，就可能患上錳缺乏癥。 人

10、們每天攝入錳的量平均為4毫克，但范圍卻從1毫克到10毫克不等，這個上限已與20毫克的危險攝入量相差不遠了。然而，錳的毒性主要取決于它的化學形態(tài)。我們一般攝入的是錳的二價正離子(Mn2)，毒性并不很大，但高錳酸根離子(MnO4)的毒性卻很強。人們經(jīng)過實驗測定發(fā)現(xiàn)，錳的化合物具有致癌和導致畸胎的作用。在現(xiàn)實生活中極少出現(xiàn)因攝入錳的化合物而中毒的情況，但是身處含有錳的化合物的灰塵或煙塵之中卻對健康有害。工作環(huán)境中的錳的化合物含量不應超過5毫克米3，即使時間很短也不行。工人們?nèi)绻肓撕薪饘馘i的氣體，就會出現(xiàn)“煙霧熱”(fume fever)，其表現(xiàn)就是疲勞、厭食、乏力。 人們完全沒有必要補充錳這種

11、元素，因為我們從日常飲食中攝入的錳已大大超過了人體所需的量。富含錳元素的食品有：葵花籽、椰子、花生、杏仁、巴西堅果、烏飯樹漿果、橄欖、鱷梨、谷物、小麥、麥麩、大米、燕麥和茶。著名大菜法式蝸牛中也含有較多的錳。 世界上錳的年產(chǎn)量超過了600萬噸，主要產(chǎn)自南非、俄羅斯、加蓬和澳大利亞。據(jù)估計，僅太平洋板塊上的錳結(jié)核就有1萬億(1012)噸之多，但如果人們要開采這些寶藏，其目的往往是為了獲得其中包含的銅、鎳、鈷，而不是錳。錳的用途主要是制造合金：在人們開采的錳礦石中有95用于生產(chǎn)合金，而且主要是和銅、鋁等非鐵金屬制成合金；其余5的錳礦石用于生產(chǎn)錳的化合物。加入錳之后，合金的強度和性能會大大提高，并且

12、具有與鋼相同的阻抗。 紫水晶之所以會呈現(xiàn)出紫色，就是因為錳的存在。在中世紀，玻璃工匠們就利用軟錳礦(即二氧化錳)來去除玻璃中的綠色把二氧化錳加入熔化了的玻璃之中可以使玻璃變得晶瑩透亮。如果加多了，玻璃就會變成紫色。 錳是人們較早發(fā)現(xiàn)的所有生命體中都含有的金屬之一。甚至還在18世紀時，人們便已發(fā)現(xiàn)如果把鹽酸加入木頭灰燼中，就會釋放出氯氣。這是木頭灰燼中有二氧化錳存在的可靠證據(jù)，因為這種化合物能夠使鹽酸放出氯氣。如果把鹽酸加入其他植物的灰燼中，也能觀察到同樣的現(xiàn)象。1808年人們在牛骨中發(fā)現(xiàn)了錳，1811年又在人體骨骼內(nèi)發(fā)現(xiàn)了錳，1830年還在人體血液內(nèi)發(fā)現(xiàn)了錳。鉬體重為70千克的成人，體內(nèi)平均含

13、有5毫克的鉬，但是如果有人一次吃下5毫克的鉬就會有危險，而50毫克的鉬就足以使大鼠死亡。平均而言，一個人一天攝入鉬的量是0.3毫克(一生中大約攝入8克，相當于14盎司)。含鉬較高的食物有豬肉、羊羔肉、牛肝、葵花籽、黃豆、扁豆、豌豆和燕麥。 盡管鉬有毒性，但它卻是所有物種都必需的一種元素。哺乳動物都含有一種酶，叫黃嘌呤氧化酶，其中就含有鉬。另外鉬還是產(chǎn)生尿酸的關鍵成分，而尿酸是人體從體內(nèi)排出含氮廢物的主要途徑。如果黃嘌呤氧化酶活性過強，就會引起痛風。痛風是銳利的尿酸晶體聚積在關節(jié)處形成的一種會給人帶來劇烈疼痛的疾病。現(xiàn)代的治療手段就是降低這種酶的活性以減輕癥狀。 目前人們已發(fā)現(xiàn)了20種含鉬的酶，

14、其中最廣為人知的是固氮酶。這種酶能在某些植物，如豆科植物根部的結(jié)節(jié)處找到，具體內(nèi)容我們將在第六層館談到氮時再詳細介紹。另有一種鉬酶能夠在酒精的代謝中發(fā)揮作用。在體內(nèi)，酒精首先被一種含鋅的酶轉(zhuǎn)化為乙醛，然后乙醛再被一種含鉬的酶轉(zhuǎn)化為醋酸，而醋酸可以被人體用作能源，釋放能量后，變成二氧化碳。有些人種，如日本人，體內(nèi)含有鉬酶的數(shù)量較低，其結(jié)果就是把酒精轉(zhuǎn)變?yōu)榇姿岬倪^程非常緩慢。所以，和其他種族的人相比，日本人喝酒很少，卻醉得很快。 鉬還是參與新陳代謝的重要物質(zhì)。因為鉬的存在，海藻可以對硫進行處理，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槎谆鶃嗧?，然后借助于一種鉬酶，將其轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性的甲硫醚。甲硫醚會從海里揮發(fā)到大氣中去，并被氧

15、化成甲基硫酸，從而形成云團。甲硫醚還能把海鳥吸引到它所在的區(qū)域里去，這里一般都是營養(yǎng)豐富、魚群出沒的地方。 世界上鉬的年產(chǎn)量約為80 000噸。鉬礦主要分布在美國、澳大利亞、意大利、挪威和玻利維亞，現(xiàn)已探明的儲量僅夠開采50年左右。大多數(shù)的鉬被轉(zhuǎn)化為硫化鉬，用于潤滑油和防腐添加劑的制造。鉬還可以用于催化劑、電極和鉬合金之中，也能作為燈泡里支撐燈絲的電線，還可用于X光機中。鈷體重為70千克的成人，體內(nèi)平均含有3毫克的鈷。由于鈷是維生素B12分子的核心物質(zhì)，所以它確實是人體必需的一種元素。但如果飲食中含有太多的鈷，就會影響甲狀腺的正常功能，并對心臟造成傷害，有人甚至懷疑它是一種致癌物質(zhì)。我們每天攝

16、入的鈷數(shù)量差別很大，可能會高達1毫克，但除了構成維生素B12的鈷外，其余的將不被吸收而排出體外。人體需要鈷的數(shù)量很少，而且在整個人體中可能只含有1毫克(比110000盎司還少)的鈷。食物中含維生素B12較多的有沙丁魚、大馬哈魚、鯡、肝臟、腎臟、花生、豌豆、奶油、麥麩和糖蜜等。 鈷具有重要的商業(yè)價值，其礦藏主要分布在扎伊爾、摩洛哥、瑞典和加拿大。世界上鈷的年產(chǎn)量為17 000噸。鈷可以像鐵一樣被磁化，因此也可用于制造磁體。另外，在陶瓷和繪畫中也會用到鈷。鈷的放射性同位素鈷60還可用于醫(yī)療和輻照食品。輻照食品是指利用鈷60的放射作用，殺滅能引起食品腐敗的微生物以及能引起食物中毒的有害細菌，從而達到

17、長期保存食品的目的。鎳體重為70千克的成人，體內(nèi)平均含有1毫克的鎳。人們現(xiàn)已證明，對一些物種而言，鎳是必需的一種元素。鎳和生長有關，但它在代謝方面的確切作用還未搞清楚。一個人每天大約需要5微克的鎳，但通過飲食攝入的鎳卻可高達150微克。含有刀豆尿素酶的豆科植物中也含有鎳，這種酶的每個分子中都含有12個鎳原子。另一種含鎳相對較多的植物是茶，每千克干茶葉中含有7.6毫克的鎳。其他植物的鎳含量一般都小于這一數(shù)字的一半。 大多數(shù)鎳的化合物都是無毒的，但也有一些具有毒性，或具有致癌和形成畸胎的可能。羰基鎳有劇毒。有些人對鎳特別敏感，由于不銹鋼中含有鎳，他們會遭受不銹鋼表帶造成的瘙癢和濕疹之苦。鎳之所以被

18、認為是致癌物質(zhì)，原因在于它能夠置換出鋅和鎂，而鋅和鎂是形成DNA聚合酶必需的金屬離子。鎳離子與鋅離子、鎂離子略有不同，所以會影響這種酶的正常催化功能，結(jié)果可能會導致把不該結(jié)合在一起的核苷酸結(jié)合在一起，形成錯誤的DNA序列。如果這種情況真的發(fā)生了，發(fā)生連接錯誤的地方未被發(fā)現(xiàn)，也沒有得到糾正，那么體內(nèi)就可能會滋生癌細胞。好在人體自身檢查、糾正和刪除錯誤DNA序列的過程非常高效，能保護我們免受此種威脅。但很明顯，如果有些人因為職業(yè)的關系或其他原因，總是要接觸到過量的鎳，那么他們發(fā)生癌變的概率就會增加。 全世界鎳的年產(chǎn)量是51萬噸，已經(jīng)探明的儲量還夠人類開采140年左右。鎳礦主要分布在俄羅斯、美國、加拿大和南非。鎳是一種具有銀色光澤的金屬，容易加工，可以拉制成電線，即使在高溫下也不會氧化腐蝕，因此，它可以用在燃氣輪機和火箭發(fā)動機上。鎳鎘電池充電1 000次仍然能夠正常工作，但需要注意的是鎘會產(chǎn)生環(huán)境污染，我們將在第八展館討論這個問題。 大多數(shù)的鎳用于制造不銹鋼。不銹鋼的成分為：74的鐵，18的鉻和8的鎳。鎳還可以形成多種鎳合金，其中一種所謂的“超級鎳合金”將來可能會用于火箭發(fā)動機和噴氣發(fā)動機中，那里的溫度會高達1000以上。用途最廣的鎳合金恐怕還是鋁化鎳金