生命的化学内涵

生物学是一门涉及多种学问的学科，生物体及其环境是化学和物理学的观点所适用的自然系统。

2.1 物质由化合物构成

生物体由物质（matter）构成，物质由元素（element）构成。元素无法以化学反应分解成其他物质。两种或以上元素合并形成化合物（compound），化合物具备超越其组成分子的特性，这也是重组后的物质会产生涌现性质的例证。

我们已辨认出 $92$ 种存在于自然界的元素，其中约 $20-25%$ 已知为生物体所需的必需元素（essential elements）。不同生物体的基本元素相似，但仍有变化。C、O、H 和 N 构成活物质的 $96%$。生物体需求量极微的元素称为微量元素（trace elements）。

2.2 元素性质取决于原子结构

原子（atoms）是物质中保持元素性质的最小单位，由次原子粒子（subatomic particles）组成，其中，与元素性质有关的仅有中子（neutron）、质子（proton）与电子（electron）。

质子与中子凝聚成位于原子中心的带正电的原子核（atomic nucleus），快速移动的电子在原子核周遭形成带负电的「云雾」。相反电荷间的吸引力将电池维系在原子核附近。中子与质子质量几乎相等，约为 $1\space dalton$（Da，道尔顿，amu）。电子的质量约为其 $1 / 2,000$。

特定元素之原子均具备一致数量的质子，即原子序数（atomic number）。原子序数显示电中性原子的质子数及电子数，下标于元素符号左下方。质量数（mass number）表示原子核中的质子数加中子数，下标于元素符号左上方。以 Na 为例： $$ ^{23}_{11} Na $$ $中子数 = 质量数 - 原子序数 = 23 - 11 = 12$。质量数即可代表原子的大致质量，亦即「原子量（atomic weight）」。因此，钠的原子量约为 $23\space Da$。

中子数不一的原子形式称为该元素的同位素（isotopes），自然界中的元素以其同位素的混合物形式存在。元素的同位素质量不同，但有相同的化学反应行为。通常所给的原子量（如碳的 $12.01\space Da$）是该元素所有自然发生同位素原子量的平均值，且根据其丰沛度计算重量。稳定同位素的原子核没有损失粒子，即衰变（decay）倾向；放射性同位素（radioactive isotope）指原子核会自动衰变而释出粒子与能量的同位素。放射性衰变导致质子数变化时，便使该原子转变为另一种元素的原子。

放射性示踪剂（radioactive tracer）可用于医学诊断，能够像非放射性同位素般并入具生物学活性的分子，显示代谢反应中的原子动向。衰变所释放的辐射线会伤害细胞，但医学诊断所用的剂量大多安全。

测量化石的放射性衰变可为其定年，过往已消失物种与现存生物之差别为进化提供证据。「亲代」同位素以固定速率衰变为「子代」同位素，即同位素的半衰期（half-life）——50% 亲代同位素衰变所需时间。各放射性同位素半衰期不同，且不受环境变量影响。我们运用放射性估年法（rediometry dating）测量不同同位素比例并计算所经历半衰期的个数。

练习：计算标准放射性同位素衰变曲线

已知 $^{14}C$ 会衰变为 $^{14}N$，半衰期为 $5,730$ 年。$^{14}C$ 与碳的另外两种同位素，$^{13}C$、$^{12}C$ 按固定比例存在于大气及生物体中。生物体死亡后便停止摄取 $^{14}C$，其组织内的 $^{14}C$ 持续衰变；$^{12}C$ 则因不具放射性而维持不变。根据化石中 $^{14}C$ 对于大气的比例，即可为化石定年。例如，若化石中的 $^{14}C$ 为大气的 $7.8\times 10^{-3}$，则早于目前时间应当已经过 $\log_{0.5}0.0078\approx 7$ 个半衰期，化石年龄约为 $7 \times 5730 = 40,110$ 年。

电子能级

原子核和电子非常小，原子里大半是空的，因此，两个原子在化学反应中逐步靠近时，其原子核不会接触。三种与元素性质有关的次原子粒子中仅有电子直接涉及原子间的化学反应。原子中电子所具备的能量可以改变，能量是「造成变化的能力」（如做功）。势能（位能，potential energy）表示物质因位置或结构而蓄积的能量，物质有向较低势能状态转移的自然趋势。