嗜酸微生物能够在pH值低于2的条件下生长。在缺水的环境中，微生物的新陈代谢会减慢至停止，最后导致微生物的死亡。但是各种微生物生长繁殖时所要求的水分含量不同。对营养的要求微生物生长繁殖所需的营养物质主要有水、碳源、氮源、无机盐和生长因子等。万花筒微生物除了繁殖快、抗性高等特点外，它们还有很大的食量，而且是个儿越小“胃口”越大。微生物不仅食量大，而且无所不“吃”。......
2023-11-25
水生生物和陆生生物的生命活动受水分和无机盐影响
【摘要】：一般来说，水生生物和生命活动旺盛的细胞中含水量较高，陆生生物和生命活动弱的细胞中含水量较低。任何一种无机盐在含量上以及与其他无机盐含量的比例上过多或过少，都会引起生命活动的失常，导致疾病的发生，甚至死亡。组成生物体的有机物中，蛋白质的含量最高，约占身体干重的50%。
（一）组成生物体的元素
自然界中，已知构成物质的元素有100多种，构成生物体的元素有30多种，其中主要的是O、C、H、N、P、S、K、Na、Mg、Cl、Ca、Fe等。在这12种元素中，O、C、H、N四种元素的含量多，占生物体总组成的90%以上。在生物体内，除以上12种元素外，还有B、Zn、Mn、Cu、I、Mo、Co等元素，它们的含量虽很少，但在生命活动中起着不可缺少的重要作用，这些元素称为微量元素。
组成生物体的元素都是自然界中普遍存在的，没有任何一种元素是生物体所特有的，这说明了生物和非生物在元素组成上具有统一性。
（二）组成生物体的化合物
组成生物体的化学元素，一般都以化合物的形式存在。组成生物体的化合物包括无机物和有机物两类，无机物主要有水和无机盐，有机物主要有糖类、脂类、蛋白质、核酸和维生素等。
1.水
在生物体的化学组成中，水的含量最高，占生物体重的65%～95%。一般来说，水生生物和生命活动旺盛的细胞中含水量较高，陆生生物和生命活动弱的细胞中含水量较低。如水母体内含水量占其体重的98%，而休眠的种子和孢子的含水量则低于10%。
水是细胞中良好的溶剂，很多物质都能溶于水，有利于进行各种生化反应。水溶液能在生物体内和细胞间流动，将营养物质运送到各个细胞，又能将细胞代谢产生的废物运送到体外；水还直接参与多种代谢反应，如植物的光合作用、许多大分子物质的水解等都需要有水的参与；水还能起到调节体温的作用，由于水的比热和蒸发热都较大，当生物体处于高温条件下时，即以蒸发水分散热。
2.无机盐
生物体中无机盐的含量仅占身体干重的2%～5%，无机盐的含量虽少，但在组成生物体结构和维持正常的生命活动中却起着重要的作用。生物体内的无机盐大都以离子状态存在，如K+、Na+、Ca2+、Fe2+、Fe3+、Mg2+、Cl-、SO42-、PO43-、HCO3-等。
有的无机盐参与生物大分子的形成，如PO43-是合成磷脂和核苷酸的成分，Fe2+是组成血红蛋白和细胞色素的成分。有的无机盐是构成生物体结构的成分，如Ca2+是组成动物骨骼和牙齿的成分，Ca2+还可使血液中凝血酶原转变成有活性的凝血酶；Cl-可激活唾液淀粉酶的活性。无机盐还能调节体内渗透压和酸碱度，对维持生物体内环境的稳定起着重要作用。任何一种无机盐在含量上以及与其他无机盐含量的比例上过多或过少，都会引起生命活动的失常，导致疾病的发生，甚至死亡。
3.糖类
糖类广泛存在于生物体内，是生物体的主要能源物质。糖的种类很多，按其结构特点大体可分为单糖、双糖和多糖。
（1）单糖
单糖是最简单的糖。生物体中最重要的单糖是葡萄糖，其分子式为C6H1206，葡萄糖是生物体内的直接能源物质，细胞生命活动所需要的能量主要靠葡萄糖提供。例如，1 g葡萄糖彻底氧化可释放出17 138 J的热量。许多植物果实中富含葡萄糖，人的血液中也含有葡萄糖。除葡萄糖外，高等动物和人类乳汁中的半乳糖、蜂蜜和鲜果中的果糖等都属于单糖。
（2）双糖
双糖是由两个单糖分子脱去一分子水缩合而成的，分子式为C12H22O11。植物中最重要的双糖是蔗糖和麦芽糖，动物中主要的是乳糖，它们都溶于水，便于在生物体内运输。当生物体需要能量时，它们又可水解成各自组成的单糖。
（3）多糖
多糖是由许多单糖分子脱水缩合而成为链状或分支链状结构的大分子。植物中最重要的贮藏多糖是淀粉，动物中最重要的贮藏多糖是糖原。当生物体生命活动需要能量时，淀粉和糖原都可经过水解，最终成为葡萄糖。纤维素是许多葡萄糖分子缩合而成的多糖，是植物细胞壁的主要成分。植物细胞依赖纤维素的支撑，保持植物体的形态和坚韧性。
4.脂类
脂类是生物体的重要组成成分，广泛分布于动植物体内，其难溶于水，而溶于乙醚、氯仿、丙酮等有机溶剂。脂类主要包括脂肪、类脂和固醇。
（1）脂肪
脂肪是动植物体内的贮能物质。在动物的脂肪组织和油料作物种子中，脂肪的含量特别高。脂肪的功能是氧化供能，1 g脂肪彻底氧化，可释放出38 874 J的热能，比糖的热能高1倍多，因此，脂肪是生物体内最经济的贮能物质。在人体和动物体内，脂肪广泛分布于皮下和内脏器官的周围，可减少相互摩擦和撞击等，起着保护垫和缓冲机械撞击的作用。脂肪组织不易导热，还能起着热垫的保温作用。
（2）类脂
生物体内最重要的类脂是磷脂，磷脂是构成细胞膜的基本原料。每个磷脂分子都有一个亲水性头部和疏水性尾部。当磷脂分子被水包围时，便会自动排列为双层分子的膜，在膜的两侧是亲水性头部，而疏水性尾部则朝向膜的内面。所以磷脂在细胞里参与膜结构的形成。
（3）固醇
人体和动物中最重要的固醇类是胆固醇。胆固醇在紫外线照射下，在体内能转变成维生素D、肾上腺皮质激素和性激素，调节人体和动物的生长、发育和代谢等重要生理过程。但如果体内胆固醇过高或胆固醇代谢失调，会使动脉硬化、血管阻塞，引起高血压、心脏病和中风。人类食物中蛋黄、肥肉、猪内脏、鱼肝油、带鱼、虾、蟹等胆固醇含量较高，而瘦猪肉、牛奶、蛋白、植物油等胆固醇含量较低。
5.蛋白质
蛋白质是构成生命体最基本的物质之一。组成生物体的有机物中，蛋白质的含量最高，约占身体干重的50%。蛋白质是细胞中结构最复杂的生物大分子，最简单的蛋白质的相对分子质量也有6000左右，大的蛋白质的相对分子质量可达几百万以上。
（1）组成蛋白质的基本单位——氨基酸
现已知组成蛋白质的氨基酸有20种，这20种氨基酸在结构上具有共同的特点，即每种氨基酸至少含有一个氨基（－NH2）和一个羧基（－COOH），并且都连接在同一个碳原子上。氨基酸的通式如下：
通式中的R代表连接在碳原子上的基团。R不同，构成的氨基酸也不同。当两个氨基酸相互连接时，一个氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基，脱去一分子水，缩合形成肽键（－CO－NH－），这样，两个氨基酸分子就连接成二肽。二肽分子中还有一个自由的氨基和一个自由的羧基，都可以分别与其他氨基酸脱水缩合成三肽、四肽……多个氨基酸脱水缩合形成多肽，由于多肽是链状结构，又称多肽链（图4-1-1）。
图4-1-1 多肽链的形成
（2）蛋白质的多样性
蛋白质分子是由一条或几条多肽链聚合而成的，它包含着上百个乃至上千个氨基酸。由于氨基酸的种类和排列的顺序不同，构成了蛋白质的多样性，就像26个英文字母，可以组成成千上万单词一样。同时，蛋白质分子中的多肽链可以以不同的方式折叠，又构成了蛋白质复杂而多样的空间结构，这也是构成蛋白质多样性的原因（图4-1-2）。
图4-1-2 血红蛋白的结构（引自王镜岩等，2002）
不同的蛋白质，其功能不同。例如，牛奶中有贮藏养料的乳蛋白，红细胞中有运输O2和CO2的血红蛋白，构成肌肉的是肌蛋白，催化机体所有生化反应的酶蛋白、调节生理功能的多种激素也是蛋白质。
（3）酶
酶是活细胞所产生的具有催化能力的蛋白质，这种催化能力称为酶的活性。生物体内的一切代谢反应，只有在酶的催化下才能顺利而迅速地进行。在催化过程中，酶本身的化学性质和数量并不改变。
酶在行使催化功能时，必须与参与代谢反应的物质短暂结合，这种物质称为底物。酶与底物结合形成酶-底物复合物，这时底物在酶的催化下迅速分解或者合成为代谢的产物，立即从酶分子上释放出来，而酶分子又可跟第二个底物结合，反复行使它的催化功能（图4-1-3）。
图4-1-3 酶的催化图解（引自生物谷）
酶的催化具有高效性。酶的催化速度要比一般无机催化剂大几千万倍。如过氧化氢酶，它与过氧化氢结合并催化过氧化氢分解成水和氧，很快释放出产物分子，这个过程每分钟可进行560万次。又如红细胞上的一种碳酸酐酶，能催化二氧化碳和水合成碳酸，每分钟能释放3 600万个产物分子，因此，酶的催化具有高效性。
酶的催化具有专一性。酶分子之所以能和底物结合成酶-底物复合物，是因为酶分子有一个与底物分子互补的表面，这是由酶分子的空间结构所决定的，它们相互嵌合就像一把钥匙开一把锁，因此，能与这种底物结合的酶一般就不能和另一种底物结合。如淀粉酶只能催化水解淀粉，而不能催化蛋白质或脂肪。又如，麦芽糖酶只能催化麦芽糖分解成葡萄糖，而不能催化其他糖类。由于酶具有专一性，因此，能催化这种化学反应的酶，一般就不能催化另一种化学反应。
酶的种类具有多样性。生物体内，新陈代谢作用中的生化反应极其多样复杂，如一个葡萄糖分子彻底氧化要涉及22种中间产物，最后分解成水和二氧化碳。每一个中间代谢反应，都需要有专一性的酶参与，这样整个机体的新陈代谢就需要种类繁多的酶。细胞是生物体结构和功能的基本单位，在一个细胞中可进行上千种不同的生化反应，那就需要上千种专一性的酶。但由于酶催化的高效性，以及可反复使用，所以，每一种酶都是微量的。
6.核酸
核酸最初是从细胞核中提取出来的，呈酸性，故名核酸。核酸是生物的遗传物质。生物体内存在两大类核酸：一类是脱氧核糖核酸，简称DNA，主要存在于细胞核中；另一类是核糖核酸，简称RNA，主要存在于细胞质中。核酸也是生物大分子，相对分子质量差别很大，一般在2.5万～3000万。
（1）组成核酸的基本单位——核苷酸
核酸是由许多核苷酸组成的多核苷酸链。把DNA和RNA放在酸或碱的环境中，在酶的作用下水解，可以分别得到4种核苷酸。每个核苷酸由3种成分组成：一个五碳糖、一个磷酸和一个含氮碱基。在DNA中，五碳糖都是脱氧核糖，含氮碱基有4种，即腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）。在RNA中，五碳糖都是核糖（比脱氧核糖多一个氧原子），含氮碱基也是4种，所不同的是尿嘧啶（U）替代了DNA中的胸腺嘧啶（T），其他3种碱基DNA和RNA相同（图4-1-4）。
图4-1-4 组成DNA（左）和RNA（右）的核苷酸示意图
（2）核酸的多样性
DNA核苷酸和RNA核苷酸虽然各有4种，但由于它们的组合不同、排列顺序不同，使DNA和RNA分子具有极大的多样性。在DNA分子中通常包含着几千万乃至几亿个核苷酸。在RNA分子中，一般也包含着不止1000个核苷酸，即使最小的RNA分子，也有80个以上的核苷酸。如以1000个核苷酸计算，单体核苷酸有4种，2个核苷酸的排列组合有42=16种，3个核苷酸的排列组合有43＝64种，1000个核苷酸的排列组合就有41000种。生物学家认为，DNA和RNA中不同核苷酸的排列顺序，蕴藏着遗传无穷无尽的信息。
在丰富多彩的生物界中，每一种生物的细胞核里，都有着自己特有的DNA。细胞分裂时，DNA把自己蕴藏的信息从一个细胞传递给分裂产生的两个子细胞，从亲代传给子代。所以，核酸对指导各种蛋白质的合成和控制生物体的生长、遗传、变异等现象起着决定性的作用。
蛋白质和核酸都是生命活动最主要的物质基础。
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