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胃酸为什么是盐酸而不是硝酸?

发布时间:2019-09-29 来源:知乎 阅读:248


这个问题很有趣,我尽可能回答一下吧。因为我是学医出身而非生命科学专业,所以可能有些观点和知识掌握并不全面系统,谨在此抛砖引玉,欢迎有关专业的知友批评指正。

为防文长不看,先说结论:

1,硝酸容易引起化合价改变,影响生物体利用。

2,氮元素和硫元素对生命而言都是重要的战略性元素,不会拿来做胃酸的,这太不经济了。

3,把我的回答看完,我相信你不会后悔。

========文长不看的分界线,以下是详细回答=======

首先从化学角度讲

硝酸相比盐酸和硫酸而言,氧化性太强。做过中学化学实验就不难发现,硝酸处理的很多物质元素会发生化合价的变化,而且同时还可能伴随释放氮氧化物气体。硝酸之猛,往往会把很多种元素氧化至最高化合价,这就会给生物的利用造成很大负担。因为生物能够利用的元素化合价不一定是最高价态。举一个最简单的例子,铁元素广泛存在于血红蛋白中,其为+2价,而且肠道对+2价的亚铁离子吸收效率更高。

然后是生命科学/医学角度谈

这就不免要从生命起源说起了,而这恰好是一部壮丽的诗篇,每次想到这个过程都会内心汹涌澎湃。

地球诞生于46亿年前,诞生之初的地球表面温度可能高达230℃,大气成分主要是水蒸气,甲烷和氢气。此后,随着原始热量通过不断的火山喷发耗散,同时地球内部可衰变物质逐渐耗竭,地球逐步冷却降温。

不知从哪一年开始,地表气温终于降至水的沸点以下,大气中无处不在的水蒸气汇聚成雨云,进而化作倾盆大雨,大量的液态水落在地表,于低洼处形成越来越大的水坑,进而汇合成原始的海洋。这片原始的海洋大约只有今日海洋面积的1/10,盐分也比今天稍低。

38.5亿年前,地球迎来了新的浩劫——影响整个太阳系的陨石雨,当时太阳系内的主要行星都被砸得坑坑洼洼。你可以用华为P30pro拍一下月亮,看看月亮表面那些至今残留的环形山体会一下当年陨石雨的猛烈。而这场星际“大雨”一下就是0.5亿年。

大家想象一下,地表火山喷发不断炽热的岩浆喷溅而出,火山灰被巨大的力量喷至数千米高;大气中密集的雨云相互摩擦产生巨量的闪电,裹挟着火山灰的雨水不停落下;高空中不停有陨石与大气摩擦,发出耀眼的光,拖着长长的尾巴:

冥古宙的地球


然而就是这地狱一般的环境,为生命的诞生打下了基础:

火山喷发不断把地幔内的元素带入大气层,雨云雷电的电能和彗星摩擦大气产生的热能促进大气中各种元素(主要是碳氢氮氧)的化合,最初的有机物就这样被合成出来了,包括氨基酸,嘌呤,嘧啶,核糖等,这些可以形成最初生命的物质被雨水带到地表,汇入彼时的原始海洋。因为氨基酸有特殊的鲜味,所以当年的海洋应该是一锅盐度低于今日海水,鲜味却爆表的浓汤。

而几十亿年后,人类用实验模型再现了原始地球有机物合成的过程——米勒-尤列实验。该实验由芝加哥大学的史坦利·米勒与加州大学圣地亚哥分校的哈罗德·尤列于1953年主导完成:

米勒-尤列实验示意图


科学家在一侧烧瓶中加入纯水模拟并通过加热使其形成水蒸气进入电击室,电击室内预充了氨气、甲烷、氢气这些原始大气中广泛存在的气体,电击模拟原始地球大气中无处不在的闪电,最后反应气体通过冷凝管收集,模拟降温后的原始地球广泛降雨。冷凝液流入收集管(模拟原始海洋)。最后在收集管中科学家发现了多种脂肪酸、氨基酸和尿素、尿酸等复杂有机物。这个实验有力的验证了亚历山大·欧帕林与J. B. S. 霍尔丹的生命起源学说。

原始海洋浓汤熬好了,大量来自大气,由电击和陨石-大气摩擦合成的简单小分子有机物第一次遇到了来自海洋的卤族元素(如氯溴碘)、硫、磷和其他金属元素化合物。在漫长的时间里,来自大气的有机物和来自海洋的各种盐发生复杂的化学反应。分子结构部逐渐复杂,功能逐渐丰富,最终在距今36亿年前的某一天,嘌呤、嘧啶、核糖、磷酸被组合出一类神奇的链状分子——DNA和RNA。这种分子甚至还和周围无处不在的氨基酸发生了“友善互动”——引导氨基酸分子团结起来,形成了蛋白质:

两坨蛋白质夹住一条RNA,并以RNA序列为蓝本合成肽链


而有些蛋白质甚至可以帮助DNA/RNA更高效的复制。


DNA合成酶在快速复制DNA


再后来,DNA/RNA和蛋白质的“协作社”被脂质双分子包裹起来就形成了最原始的单细胞生命,这大致发生于36亿年前。而这些细胞逐渐不满足于从周围海水中摄取氨基酸——毕竟其他原始生命要跟你抢海水中的氨基酸,所以发展出自己合成氨基酸的能力,把溶解在海水中的氮化物摄取进来,通过氧化还原反应释放的能量/光能将氮化物(主要是硝酸根、亚硝酸根、尿素等含氮化合物)将氮元素转化为对生命意义更加重要的氨基酸/蛋白质。所以氮元素对于生命而言,是更加珍贵的战略性资源,对生命的生长和复制意义重大。生物学中有一个重要概念——氮循环,即氮元素在动植物、土壤、大气和细菌、真菌间的循环过程,一种元素被不同生物体反复循环利用,足见其对生命的重要意义。

生物学中有一个


现存的绝大多数动物都已经不再能利用大气和土壤中的氮元素,往往需要通过吃掉生产者(植物)和分解者(细菌、真菌等)来获得它们已经固定到氨基酸内的氮元素。植物大多数需要吸收土壤中的硝酸盐来获取氮元素。而豆科植物就更牛了,它们提供栖身之所和一些碳水化合物,让土壤中的根瘤菌住进来形成根瘤。根瘤菌安稳地住在根瘤里面吃喝不愁,就快速增殖并且不断把大气中的氮气转化为氨态氮供植物合成蛋白质。这就给了豆科植物以巨大的生存优势。可见利用好氮元素对生物的生存和兴旺意义多么重大。

而且在生命的进化过程中,为了应对环境射线/热量/有毒化合物对自己造成的损伤,生命需要很多含有还原性基团的物质对核酸和蛋白质的损伤进行快速有效的修复。这时候,巯基的作用就凸显出来。巯基由一个硫原子和一个氢原子构成,在受到氧化时可以两个巯基变为二硫键,同时释放两个氢和两个电子,用于还原/加氢反应。而加氢反应是典型的还原反应,对生命受到的氧化损伤有很好的补救作用。同时可以用于对有毒化合物的还原变性,使其极性/溶解度/生物活性等发生改变,从而影响其毒性。不仅如此,生命活动中日常的化学合成也需要用到还原剂,有些条件下的还原反应就需要巯基这种快速提供氢和电子的物质。生物体会合成大量的谷胱甘肽作为巯基的载体,负责及时还原氧自由基、结合重金属和还原毒素等作用。这些谷胱甘肽牺牲自己的巯基,保护重要功能性蛋白质的巯基,起到牺牲小我保全大我的作用。所以硫元素也就成了生命的另一种战略性元素,对生命应付复杂的生存环境意义重大。

两分子还原型谷胱甘肽(GSH)被氧化为一份子谷胱甘肽(GSSG)


谷胱甘肽循环:左侧为谷胱甘肽接受来自NADPH(还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)和氢离子的两个氢,形成两分子还原型谷胱甘肽。右侧为还原性谷胱甘肽将氧化物的过氧根还原为氧原子和水,同时两分子GSH结合为GSSG

PS,这里提示一个小知识点。如果吃了含有重金属的东西,在去医院的路上快点喝些牛奶/生鸡蛋清也可以起到一定的解毒作用,为抢救争取时间。因为牛奶/生鸡蛋清中也有丰富的含巯基蛋白质,它们可以结合重金属离子,从而牺牲自己保护人体。

从上述两点就可见,硫元素和氮元素在体内都是以有机物形态,起到非常重要的作用——氮是蛋白质的基本构成元素,硫是蛋白质的重要功能元素。所以生物体拿氮和硫的无机化合物硝酸、硫酸做胃酸太不划算了。即便二者可以被回收再利用,那还需要一整套生物催化系统把它们再转化为有机态,这得消耗多少能量,占用多少蛋白质啊!生命在于繁殖,不在于折腾啊!

反倒是海水中的卤族元素——氯,廉价量又足。而且从生命诞生到演化的全过程中,-1价氯离子一直就在生命体周围,可谓是地球生命的老朋友了。这位老朋友就微笑旁观着生命从无到有,从简单到复杂,却从不染指生命基础——蛋白质的任何结构或功能。反倒是细胞不断利用氯离子调整细胞内外的电解质平衡与电位平衡。? 长期与氯离子打交道,生命也演化出了专门负责接送氯离子的蛋白质——氯离子通道。所以利用含氯的盐酸作为胃酸,不仅非常经济,而且生命早就轻车熟路,深谙氯离子请进来-送出去的套路,可谓非常熟练:

胃酸的分泌图示


回答为什么胃酸是盐酸,回顾的是生命诞生和演化的壮丽史诗。? 所以朋友,当你再次因为胃酸过多而苦恼,请你嚼一片酸中和药的时候联想一下生命从无到有,从简单到复杂的过程,可能胃就不疼了。

PS,记得经常胃反酸胃痛要及时看医生啊!



关键词:胃酸 盐酸 硝酸

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