高中生物/化學組成（1）鴻毛的外交官——無機物
生物體內的無機物
[編輯]水的分類與生物學功能
[編輯]水是生物體內含量最豐富的化合物，也是生命活動不可或缺的介質。其分子由兩個氫原子和一個氧原子構成（H₂O），具有極性特性，能夠形成氫鍵，從而表現出高比熱容、高汽化熱以及優異的溶劑能力等物理化學性質。在生物體內，水以兩種形式存在：自由水與結合水。
自由水是指未與其他物質結合、可自由流動的水分子，占細胞總水量的絕大部分。自由水直接參與多種生化反應，是細胞內化學反應的核心介質。例如，在動物消化系統中，水作為溶劑促進消化酶對營養物質的水解作用；在植物光合作用中，水不僅是光反應的原料（參與光系統II的水裂解反應），還通過蒸騰作用驅動水分和礦質離子的長距離運輸。此外，自由水在維持細胞滲透壓平衡中起關鍵作用：血液中的血漿以水為基質，負責運輸氧氣、營養物質及代謝廢物；淋巴液和組織液中的水則構成細胞外液，為細胞提供穩定的內環境。水的高汽化熱特性使其在溫度調節中具有重要意義。例如，動物通過汗液蒸發散熱維持體溫穩態，植物通過蒸騰作用降低葉片溫度以保護光合機構。
結合水則與蛋白質、多糖等大分子通過氫鍵結合，成為細胞結構的一部分。這類水分子失去流動性，但仍對細胞結構的穩定性至關重要。例如，植物細胞壁中的結合水與纖維素形成氫鍵網絡，維持細胞壁的機械強度；動物細胞中的結合水則參與細胞膜雙分子層的穩定化。自由水與結合水的比值動態平衡直接影響生物體的代謝強度與抗逆性：比值較高時（自由水占優），代謝活躍但抗逆性較弱；比值較低時（結合水占優），代謝減緩但抗逆性增強。這一特性在種子萌發和休眠過程中尤為顯著——種子在休眠時結合水比例上升，代謝速率降低，從而增強對乾旱、低溫等逆境的耐受性；萌發時自由水比例恢復，代謝活動迅速激活。
無機鹽的存在形式與生理意義
[編輯]無機鹽通常以離子形式存在於生物體內，其功能涉及多個層面。常見的陽離子包括鈉（Na⁺）、鉀（K⁺）、鈣（Ca²⁺）、鎂（Mg²⁺）等，陰離子則主要包括氯（Cl⁻）、磷酸根（PO₄³⁻）、碳酸氫根（HCO₃⁻）等。這些離子通過跨膜轉運蛋白（如鈉鉀泵）維持細胞內外液的離子濃度梯度，進而調控細胞電位、滲透壓及酸鹼平衡。
在神經與肌肉活動中，無機鹽的作用尤為關鍵。鈉離子（Na⁺）和鉀離子（K⁺）通過鈉鉀泵的主動運輸機制建立跨膜電位，為動作電位的產生與傳導提供基礎。鈣離子（Ca²⁺）作為細胞內第二信使，參與肌肉收縮、神經遞質釋放及基因表達調控。例如，骨骼肌中肌質網釋放的Ca²⁺與肌鈣蛋白結合，觸發肌絲滑行，最終導致肌肉收縮。此外，無機鹽通過緩衝體系維持內環境穩態。碳酸氫鹽緩衝體系（HCO₃⁻/CO₂）是血液中最主要的pH調節系統，通過肺和腎臟的協同作用，將pH穩定在7.35-7.45的狹窄範圍內。
無機鹽對酶活性的調節亦至關重要。許多酶需要金屬離子作為輔因子，例如葉綠素的核心結構含鎂離子（Mg²⁺），直接影響光能吸收效率；乙醇脫氫酶依賴鋅離子（Zn²⁺）催化酒精氧化反應。此外，三磷酸腺苷（ATP）的水解反應需要Mg²⁺作為輔助因子，以中和ATP的負電荷，促進酶促反應進行。
實驗驗證與實例分析
[編輯]通過實驗可直觀驗證水與無機鹽的功能。將小麥種子晾曬後，自由水大量流失，細胞代謝速率顯著下降；進一步高溫焚燒後，結合水與有機物被分解，殘留的灰燼即為無機鹽（如磷酸鈣、氯化鈉等）。這一過程揭示了水和無機鹽在生物體中的存在形式及其對代謝的支撐作用。
無機鹽缺乏症的表現進一步印證了其生理意義。植物缺鎂會導致葉綠素合成障礙，表現為葉片黃化（缺綠症）；缺磷則影響ATP合成，抑制能量代謝。在人體中，鈣離子（Ca²⁺）不足會引發骨質疏鬆，而鐵（Fe²⁺）缺乏導致血紅蛋白合成障礙，引發缺鐵性貧血。此外，鈉鉀泵功能紊亂可能引發電解質失衡，表現為肌肉抽搐或心律失常，凸顯了無機鹽在維持細胞電生理特性中的核心地位。
課堂小結
[編輯]水與無機鹽共同構成生物體的基礎化學環境。自由水與結合水的動態平衡調控代謝強度，而無機鹽則通過離子形式維繫生理穩態。兩者的協同作用確保生物體在複雜環境中維持正常生命活動，從分子水平的酶促反應到宏觀層面的代謝調控，均離不開無機物的支持。