7.2: 物质
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物质是生态系统中发现的 “东西”。 从技术上讲，物质被定义为任何占用空间或具有质量的东西。 质量就是对加速的阻力。 简而言之，质量与重量相似，但重量是重力引起的加速度的原因。 物质通过生物地球化学循环在生物和非生物生态系统组成部分之间移动。 要充分了解这些循环，就需要了解构成物质、原子的粒子的背景。
原子和分子
元素是无法分解或化学转化为其他物质的物质（图\(\PageIndex{a}\)）。 总共定义了118种元素；但是，只有92种元素是自然存在的，在生物体中发现的元素少于30个。 剩余的26种元素不稳定，因此不存在很长时间，或者是理论上的，尚未被发现。 每种元素都由其化学符号（例如 H、N、O、C 和 Na）表示，并具有独特的特性。 这些独特的特性允许元素以特定方式组合和相互结合。
原子是元素中最小的成分，它保留了该元素的所有化学特性。 例如，一个氢原子具有氢元素的所有特性，例如它在室温下以气体形式存在，它与氧气结合产生水分子。 在保留氢气特性的同时，氢原子无法分解成任何更小的东西。 如果氢原子被分解成较小的颗粒，它将不再具有氢的特性。 在最基本的层面上，所有生物都是由多种元素组合组成的。 它们包含结合在一起形成分子的原子。 分子可以相互作用形成细胞，即生命的结构和功能单位。 在动物等多细胞生物体中，这些细胞结合形成组织，构成器官。 这些组合一直持续到整个多细胞生物形成为止。
原子结合形成分子。 分子是由两个或多个原子结合在一起制成的化学物质。 有些分子非常简单，比如 O 2，它仅由两个氧原子组成。 生物使用的某些分子，例如DNA，是由数百万个原子组成的。 所有原子都包含质子、电子和中子（图\(\PageIndex{b}\)）。 唯一的例外是氢气（H），它通常仅由一个质子和一个电子组成。 质子是一种带正电荷的粒子，位于原子核（原子的核心）中，质量为 1，电荷为 +1。 电子是一种带负电荷的粒子，在原子核周围的空间中传播。 换句话说，它位于原子核之外。 它的质量可以忽略不计，电荷为—1。 中子，像质子一样，存在于原子的原子核中。 它们的质量为 1 且不带电荷。 正电荷（质子）和负（电子）电荷在净电荷为零的中性原子中相互平衡。
每个元素包含不同数量的质子和中子，赋予它自己的原子序数和质量数。 元素的原子序数等于该元素包含的质子数。 质量数是质子数加上该元素的中子数。 因此，可以通过从质量数中减去原子序数来确定中子的数量。
化学键
元素如何相互作用取决于电子的数量及其排列方式。 当原子不包含相等数量的质子和电子时，它被称为离子。 因为电子的数量不等于质子的数量，所以每个离子都有净电荷。 例如，如果钠丢失一个电子，它现在有 11 个质子，只有 10 个电子，剩下的总电荷为 +1。 正离子是通过丢失电子形成的，被称为阳离子。 负离子是通过获得电子形成的，被称为阴离子。 元素阴离子名称更改为以-ide 结尾。 举个例子，当氯变成离子时，它被称为氯化物。
离子键和共价键是两个原子之间形成的强键。 这些键将原子保持在相对稳定的状态下。 离子键在两个带电相反的离子（阴离子和阳离子）之间形成。 因为正电荷和负电荷会吸引，所以这些离子聚集在一起，就像两个带相反电荷的磁铁粘在一起一样。 当两个原子@@ 共享电子时，就会形成共价键。 每个原子共享一个电子，然后电子绕两个原子的原子核运行，将两个原子保持在一起。 共价键是生物体中最强和最常见的化学键形式。 与大多数离子键不同，共价键不会在水中分离。 当分子的电子分布不均匀，因此具有部分正端和部分负端时，就会形成@@ 氢键。 因此，它们被彼此吸引（图\(\PageIndex{c}\)）。 从技术上讲，氢键仅发生在氢气与氧 (O)、氮 (N) 或氟 (F) 之间。 有时氢键连接不同的部分或大分子，例如在DNA和蛋白质中。 氢键比离子键和共价键弱，很容易断裂。 （请注意，氢键是分子间力中最强的分子间力之一，但氢键发生在分子之间。）
生物大分子
生物含有称为生物大分子的大型有机分子。 有机分子是那些含有与氢共价键合的碳的分子。 （相比之下，无机分子缺乏与氢气结合的碳，通常比有机分子更简单。） 此外，它们可能含有氧、氮、磷、硫和其他元素。生物大分子主要分为四类：碳水化合物、脂质、蛋白质和核酸。 每个都是细胞的重要组成部分，执行各种各样的功能。
人们常说生命是 “以碳为基础的”。 这意味着碳原子与其他碳原子或其他元素结合，构成了生物中独一无二的许多分子的基本成分。 其他元素在生物分子中起着重要作用，但碳无疑有资格成为生物中分子的 “基础” 元素。 碳原子的键合特性是其重要作用的原因。 碳可以与其他原子或分子形成四个共价键。 最简单的有机碳分子是甲烷（CH 4），其中四个氢原子与一个碳原子结合（图\(\PageIndex{d}\)）。
碳水化合物包括通常被称为单糖（如葡萄糖）和复合碳水化合物（例如淀粉）。 虽然许多类型的碳水化合物被用作能量，但有些碳水化合物被包括植物和动物在内的大多数生物用作结构。 例如，纤维素是一种复杂的碳水化合物，可增加植物细胞外层（细胞壁）的刚性和强度。
脂质包括各种各样的化合物，这些化合物由一个共同的特征结合在一起：脂质不溶于水。 脂质在细胞中执行许多不同的功能。 细胞以称为脂肪的脂质形式储存能量以供长期使用。 脂质还为植物和动物提供与环境隔绝的隔离。 例如，由于其防水性，它们有助于保持水生鸟类和哺乳动物的干燥。 脂质也是许多激素的基石，是环绕细胞并形成许多内部结构的膜的重要组成部分。
蛋白质是生命系统中最丰富的有机分子之一，在所有大分子中具有最多样化的功能范围。 它们都是氨基酸的聚合物。 蛋白质的功能非常多样化，因为有20种不同的化学上不同的氨基酸形成长链，而氨基酸可以按任何顺序存在。 蛋白质可以在生物体中促进化学反应中发挥作用，例如光合作用、以激素形式传递信息、导致肌肉收缩等等。
核酸是非常大的分子，对生命的连续性很重要。 它们携带了细胞的遗传蓝图，因此也携带了细胞功能的指令。 核酸的两种主要类型是脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。 DNA是在所有生物体中发现的遗传物质，从单细胞细菌到多细胞哺乳动物。 另一种类型的核酸 RNA 主要参与蛋白质合成。 DNA和RNA由称为核苷酸的小基块组成。 DNA 具有漂亮的双螺旋结构（图\(\PageIndex{e}\)）。