科学网—杂说生活中的碳（3）动植物体内的碳
精选
已有 240 次阅读
2025-11-5 07:28
| 个人分类: 科学与生活 | 系统分类: 科普集锦
杂说生活中的碳（3）动植物体内的碳
上一篇说到了碳排放，为了不使大气中的二氧化碳浓度增加过快，我们应当尽可能减少碳排放。另一方面，如果我们多植树造林，也可以在一定的程度上放缓二氧化碳急剧增加的程度。
地上的森林长出来，地面上的物质就增加了。这些物质是从哪里来的？可能有人会说，这些东西从地上长出来，当然是土壤中的物质变化而成的了。如果这样想，就是忘记小时候学过的知识了。植物体内的物质，绝大多数（可以说基本上都是）从空气中得来的。土壤只供给了占植物总质量极少数的氮磷钾以及钙铁等无机盐，当然土壤也对植物的植株起到固定作用。占植物总质量绝大多数的碳氢氧元素都来自空气中的二氧化碳和下落的雨水。正是二氧化碳和水进行了光合作用，造成了植物中的纤维素、淀粉、木质素等主要的物质。如果我们给植物供给了氮磷钾以及少数微量元素，就完全可以进行无土栽培。
这里最基础的反应是二氧化碳和水合成了葡萄糖，然后由葡萄糖再转化为纤维素、淀粉、蛋白质等植物的各种组分。这是一个吸能的反应（你怎么知道需要能量？燃烧纤维素生成二氧化碳和水并放出热量是我们每一个人都看得到的。把反应倒转回去，要二氧化碳和水生成纤维素当然需要能量。）合成葡萄糖所需能量的来源是太阳光即太阳辐射中的可见光，所以这个作用称为光合作用。
树木等植物生长的过程，是把空气中二氧化碳中的碳元素固定到植物中去，所以可以说是一个固化二氧化碳的过程。在地球的历史上，森林面积大的时地质年代，往往就是空气中二氧化碳成分较少的年代，也是气温较低的年代。
当然，光合作用所生成的植物，很大一部分会被分解掉。例如，一部分植物会被大大小小的各种动物吃掉，这些动物的排泄物、尸体等，以及枯萎或死亡的植物很大一部分都会腐烂，实际上就是作为细菌的“食物”，最后又分解为甲烷、二氧化碳和水，这些产物又回到大气中。
这是碳的循环。但是在这个过程中，仍然会有一部分碳的化合物被保存在地面上。我们现在植树造林，仍然是一个可以减少碳排放的措施。
植物体内的纤维素、木质素等是碳元素存在的主要物质，在植物体内还存在相当多的多糖类物质，例如淀粉。有些植物的淀粉存储在种子里，有些则储存在茎里或根里，形成块茎或块根。无论是种子还是块茎、块根，这些淀粉都为植物下一代的继续成长提供能量。
纤维素、淀粉和其他糖类物质的化学组成都是Cn（H 2 O）m，因而被称为碳水化合物。其构成元素按质量占比大致为：碳44%、氢6%、氧49%。
在植物体内，还存在一些脂肪，这些脂肪多存在植物的种子里。不但我们常见的油料作物如花生、大豆、芝麻、油菜、棕榈、油橄榄等植物种子含有脂肪，就是稻米、小麦、玉米等所谓粮食作物的种子胚芽里也有含有不少脂肪，现在这些胚芽都可以用来提取脂肪。
植物体内脂类的主要化学成分是脂肪酸的甘油酯即脂肪。它也由碳、氢、氧三种元素组成，典型脂肪分子中碳元素达到76.7%，氢元素占12.0%，氧元素占11.3%。它氧化时释放出的能量比淀粉多。这些脂肪也为了植物下一代的生长提供能量。
在植物体内还有一些蛋白质，这也是含有碳元素的物质。这些的蛋白质有的是植物体的结构物质，是细胞的组成部分，例如细胞膜结构蛋白；有的是酶，催化细胞内的化学反应（如参与光合作用等代谢过程）；有的起到免疫防御作用（如抗病蛋白可以抵御病原微生物侵害）等。
与植物不同，动物体内含碳元素的主要物质是蛋白质。动物体内的肌肉和各种器官主要由蛋白质组成（当然，这里的叙述都除去了水，无论是动物还是植物还是微生物，活着的生命体内最大量的物质都是水，各种生物体内的化学反应基本上都在水溶液中进行）。
蛋白质是一类天然高分子物质，它是由氨基酸缩合而成的聚合物。也就是说它的单体是氨基酸，氨基酸的主体是一个碳链，碳链上有羧基有胺基，一个氨基酸分子中的胺基与另一个氨基酸分子中的羧基脱水缩合成肽键，形成二肽；再与另一个氨基酸缩聚形成三肽；如此等等，若干氨基酸依次通过肽键连接成多肽，也就是蛋白质。
虽然蛋白质分子中可以有成千上万个氨基酸单体，但是这些单体一般只有20种氨基酸，最多21种。由这20种氨基酸组成自然界数不清的蛋白质品种，就像用20来个字母可以写出无穷无尽篇不同的文章一样。
组成氨基酸的化学元素主要有碳、氢、氧、氮四种，个别氨基酸还含有硫。由氨基酸组成的蛋白质虽然有各种各样，但是我们把主要存在的蛋白质平均测量，其元素含量的质量比例大致如下：碳元素约占50%～55%，氢元素约占6%-7%，氧元素约占20%-23%，氮元素约占15%-18%。按原子个数来说，这些化合物中还是氢原子最多，但是氢原子太轻了，所以其质量就显得少了。
在与我们人类的尺寸可以在相似数量级上的生物是植物和动物。植物可以从阳光中摄取能量进行光合作用从而生活和生长，而动物则需要从其他生物（包括植物或其他动物）摄取能量和物质才能够生活和生长，也就是说，动物需要动才能够生活。
植物的结构物质主要是纤维素、木质素等，构成了根茎叶等；而动物的结构物质主要是蛋白质，构成了肌肉和内脏等。
糖类（单糖、双糖、低聚糖和多糖）是植物生活和生长所需能量的主要物质，它也储存淀粉和脂肪用以下一代的生长和生活。
我们应当注意到，同样质量的脂肪所能够提供的能量比糖类（如淀粉）多得多。糖类、蛋白质和脂肪都能够在高级动物体内氧化从而提供能量。它们所能够提供的能量分别是4kcal/g（糖类）、9kcal/g（脂肪）和4kcal/g（蛋白质）。每克脂肪能够产生的热量是糖类的两倍还多。
在动物体内储存能量的物质既有糖类也有脂肪和蛋白质。动物体内的糖原（一种多糖）能够迅速水解成葡萄糖给细胞提供能量。动物不可能一天到晚吃食物以随时提供葡萄糖。所以，动物把在消化吸收时得到的葡萄糖聚合为糖原，储存在在动物的肌肉和肝脏中。在两餐之间，一些糖原可以水解成葡萄糖以迅速提供能量。
但是，在动物体内储存能量以供较长时间使用的是脂肪。动物是需要活动的，不能过于臃肿，过于臃肿就容易成为别的动物的食物。正因为脂肪的能量密度比淀粉高（也就是说，提供相同的能量需要的脂肪比淀粉轻得多），所以动物体内长期储存能量的物质是脂肪而不是淀粉或其他糖类。
虽然蛋白质也能够提供能量，但是对于一般动物，蛋白质是结构材料，从而更为宝贵。另一方面，蛋白质氧化提供能量的时候，需要把氮元素转化为尿素排出体外，这会增加肾脏等器官的负担。所以，我们人类减肥，需要减掉的是脂肪而不是肌肉或内脏。但是，如果减肥不当，只是一味饥饿，消耗掉的很可能只是蛋白质而不是脂肪，这就很糟糕了。
为了保持满足我们体内各器官的物质需要，一般认为，我们在食物中摄入产生能量的主要物质的比例应当为：蛋白质10-15%、脂肪20-30%、糖类55-65%。
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自冯大诚科学网博客。 链接地址： https://blog.sciencenet.cn/blog-612874-1508914.html
上一篇： 杂说生活中的碳（2）燃料与碳排放