臺灣化學教育

2019國際元素週期表年(IYPT)：微量元素，人體中的有感元素！

張榮耀

臺北市立和平高級中學

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「You are what you eat!?」但你還記得早餐吃了多少的釩？喝了幾口的鋅嗎？

　　正常的成年人體內(體重以平均70公斤計)，約含有7×10²⁷個原子。其中，至少可檢測到的化學元素約有60種，大多數是人體與生俱來就擁有，而有些元素則是藉由飲食等方式進入人體。每種元素的含量因人而異，主要是由於體內脂肪、肌肉和骨骼的比例不同；脂肪含量較高的人，擁有較高比例的碳，而其它元素的比例就會較少。

　　組成人體的主要元素，由多至少依序為氧(O)、碳(C)、氫(H)、氮(N)、鈣(Ca)、磷(P)、鉀(K)、硫(S)、鈉(Na)、氯(Cl)、鎂(Mg) (見圖1)；以上這11個元素在一般人的體重中，佔了幾近99.9%的比例！

圖1組成人體主要元素的百分比

其餘的元素屬於微量元素，它們的含量總和，甚至低於鎂元素(正常人體中不到10克)，但卻影響了人體許多重要的生理機能，本文主要即針對這些平常為大家所忽略，卻又對於人體十分重要的元素進行介紹！

n  主要元素

　　水約佔人體重量的70%，因此，氧與氫的含量多令人不足為奇；另外，擁有氫元素的分子可以在特殊的條件下形成分子內或分子間的氫鍵，使得這樣的分子具有特殊的形狀與性質，例如：各種蛋白質的形成、DNA的雙股螺旋結構等。

　　碳是生命體中重要的元素，動植物體中所含的物質，其主要組成絕大部分含有碳元素，並稱之為有機化合物，例如：葡萄糖、纖維素、各種胺基酸、蛋白質、DNA、RNA等。

　　氮藉由各種不同的胺基酸存在於人體中，構成了蛋白質並影響許多重要的生理機能，例如：胃蛋白酶，可將食物中的蛋白質分解為小的胜肽片斷，再被人體消化而吸收。

　　鈣是重量組成中含量最多的元素，它的含量超過其它金屬重量的總和。骨骼是撐起身體的主要支架，而鈣與磷正是形成骨骼的最主要成分，約99%的鈣是以磷酸鈣的型式形成骨骼(這同時也是磷的主要存在型式)，剩餘部份則與牙齒生長、肌肉收縮、神經系統的運作、幫助血液凝固和細胞分裂等有關。

　　鉀在紅血球、肌肉與腦組織內含量較多，若攝取不足或過多，會影響心肌的跳動；鈉對多項人體功能十分重要，有助於維持體內細胞液和酸鹼性的平衡，也是神經傳導與肌肉收縮的重要元素。

　　硫與肝臟的代謝機能有關，除此之外，在防止消化道的細菌感染、避免大腦衰老和抗氧化等方面也十分重要。在日常的飲食中，可以在蔥、蒜、韭菜等具有刺激性氣味的食物中，攝取到含有硫與硒的有機化合物。

　　我們每天必須攝取適量的食鹽(氯化鈉)，以維持體內正常的運作；而人體中也會製造氯化物，例如：胃會分泌胃酸(主要成分為鹽酸)來活化蛋白質酶，幫助食物消化。

　　鎂可以協助蛋白質的製造，組成部分的酵素，是人體中不可或缺的元素；老年人缺乏鎂，會精神不佳、情緒低落，經由正常的飲食，即可獲取足量的鎂。

n  微量元素

　　除了前述的11種元素，為了維持人體正常的生理機能，尚需要其它的元素；由於這些元素的含量極少，一般便以毫克為計量單元，我們稱為微量元素。

　　人體內的鐵(Fe)元素(見圖2)，主要存在於肝臟、脾臟與骨髓中，血紅素含有亞鐵離子(Fe^2＋)，容易與氧氣結合，藉由血液的循環將氧輸送至身體各處。乳鐵蛋白在腸胃道中，可幫助鐵離子運送與吸收，對人體的免疫功能有重要的影響。肝臟、豬血、紅肉、紫菜、蛋、全穀類、乾果類、綠色蔬菜中都含有豐富的鐵質，若搭配維生素C則更容易被吸收。女性比男性需要攝取更多的鐵，特別在懷孕期間，可多攝取上述的食物。

圖2鐵元素的外觀

（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%93%81）

　　鋅(Zn)為人體生長的必需元素(見圖3)，控制發育生長、壽命及生殖能力的酵素大多含有鋅，人體肝臟的酒精脫氧酶是以鋅為中心，可進行酒精的分解；成長中的孩子若缺乏鋅，則可能有食慾不振、注意力不集中的問題。海鮮類(牡蠣、蝦、蟹)、動物肝臟、牛肉、蛋黃、五穀類、豆類、茄子、核桃、蘋果、柿子中，皆含有豐富的鋅，藉由平日均衡的飲食習慣，即可攝取足量的鋅。

圖3鋅元素的外觀

（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%94%8C）

　　排名在鋅後面的銅(Cu)、錫(Sn)、釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鉬(Mo)、鈷(Co)、鎳(Ni)，多為酵素的一部分，通常不必擔心這些金屬攝取不足的問題；要擔心的，反而是攝取過量，對其它金屬產生排斥的作用，影響了人體正常的生理機能。

　　銅(Cu)是人體的必要元素(見圖4)，成年人的體內約含50～120mg，可幫助人體內的鐵吸收形成血紅素，科學家建議每日銅的正常攝取量為2mg。銅經由人體吸收，很快由尿液、膽汁及糞便排出，但長期服用過多的銅會損壞肝臟及腎臟，人體可能出現中毒症狀，例如：噁心、嘔吐、口腔灼熱感、腹痛下痢、頭痛暈眩、胃痙攣等。含銅較多的有牡蠣、蝦、蟹等海鮮類，在牠們的血液中，負責輸送氧的血青素中含有銅，類似人類血紅素中鐵的功能。

圖4銅元素具有紅棕色的外觀

（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%93%9C）

　　當牡蠣體內累積的銅超過500ppm以上，肉眼就會看見綠色，此綠色是由於銅存在牡蠣淋巴系統中，而牡蠣對銅具有生物累積作用。例如：在民國75年間，高雄與臺南交界的二仁溪口海域，因為不肖業者在回收廢電線、電子零件、電路板等廢棄五金中的貴金屬後，將含有大量銅離子的廢液排放至溪水中，使得沿海養殖的牡蠣呈現綠色，即所謂「綠牡蠣」事件，綠牡蠣體內的含銅濃度，是附近海水中的50萬倍(韓柏檉,1989)。

圖5蚵農採集的綠牡蠣

（圖片來源：https://ourisland.pts.org.tw/綠牡蠣悲歌）

　　大部分的錫(Sn)化合物是無毒的，簡單的錫化合物和錫鹽的毒性相當低，但一些有機錫化物的毒性非常高，例如：三苯基醋酸錫，這種已禁用的農藥，具有毒性且可能致癌。錫的三烴基化合物(例如：三丁基錫，TBT)具有強烈毒性，早期被用來製作船的底漆(見圖6)，以殺死附生在船身的微生物、藻類和貝殼。但是環境研究顯示，三丁基錫是持久性的有機污染物，不只是毒化物，也是一種環境荷爾蒙，目前世界各國尚未訂出安全標準，但TBT的蓄積具有生物放大效果，長期累積不易分解，如果吃下含有TBT的魚貝類，會對人體發生類似賀爾蒙的干擾作用。　國際環保組織已決定從2003年開始逐步禁止使用TBT或其他有機錫基的船底漆，自2008年開始全面停止生產錫基船底漆以保護環境。但根據環保署委託成功大學環境微量毒物研究中心，針對臺灣七大漁港底泥與生物樣本的研究顯示，漁港底泥中的TBT濃度並未降低，且港內魚體的TBT含量仍遠高於港外。由於TBT為持久性有機污染物，長期累積不易分解，要降低環境中TBT濃度並不容易。

圖6有機錫常作為船舶的底漆塗料

（圖片來源：https://scitechvista.nat.gov.tw/c/sZ33.htm）

　　人體內的釩(V)元素(見圖7)，是一些酶的組成成分，可能有促進成長的功用；部分小動物，例如鼠和雞也需要少量的釩，缺釩會阻礙它們的生長和繁殖。一些含釩的物質具有類似胰島素的效用，醫學上已嘗試用來治療糖尿病患。另外，科學家發現，一些微生物使用含釩的酶來固定空氣中的氮，許多海藻類生物含有釩溴過氧酶(vanadium bromo-peroxidase,V-BrPO)，能促進鹵素離子的氧化作用並進行有機分子的鹵化反應。

圖7釩元素的外觀

（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%92%92）

　　鉻(Cr)是人體必需的微量元素(見圖8)，三價的鉻是對人體有益的元素，在醣類與脂質代謝中，具有特殊的作用：可調節人體內的醣類代謝、維持正常的葡萄糖濃度、影響有機體的脂質代謝、降低血液中膽固醇的含量、預防心血管疾病等。此外，可做為DNA和RNA的穩定劑，用以防止細胞內某些基因物質的突變。蛋黃、牛肉、肝、花生、蘋果、香蕉、麵粉、馬鈴薯及黑胡椒等，是鉻的主要來源。六價的鉻有毒，對人體組織造成刺激與腐蝕性，並具有致癌的風險。

圖8具有銀白色金屬光澤的釩

（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%93%AC）

　　錳(Mn)是高等動物必需的元素(見圖9)，在人體中的錳含量約為4ppm，對體內主要的影響包括生長、血液與內分泌功能。當人體缺乏足量的錳，會導致骨骼發育不健全，並會引起生長遲緩等情況。綠色蔬菜、堅果、茶葉、豆類、鳳梨、玉米、小麥與米等穀類，都是很好的錳來源。

圖9錳元素的外觀

（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%94%B0）

　　鉬(Mo)是一種在人體內重要的微量元素(見圖10)，但若是過多則會形成毒害。在人體中，鉬的主要功能是作為酶的催化劑，幫助分解體內的氨基酸。醫學上發現，酒精進入身體，先被含有鋅的酶氧化成醛，再被含鉬的酶氧化成酸，完成代謝。此外，某些含鉬的酶則會製造尿酸，但如果這些含鉬的酶太活躍，尿酸會在關節處累積，反而造成痛風。

圖10鉬元素的外觀

（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%92%BC）

　　鈷(Co)是維生素B12的中心元素(見圖11)，與紅血球的生成有關，多吃綠色蔬菜對鈷的攝取很有幫助。鈷鹽有擴張血管的作用，因此攝食後，可能會出現面色潮紅、血壓下降等症狀；鈷鹽對甲狀腺功能也有影響，臨床實驗證實鈷為甲狀腺素合成的必需物，無機鈷攝食過多可能導致甲狀腺增生，並造成肺臟、心臟的病變。另外，由於半生期較長，人工放射性同位素鈷-60的γ射線，已代替早期鐳的X射線或α射線，用以治療癌症、滅菌、標記追蹤劑等，也可用於材料內部結構的分析(近年來，由於銫-137具有更長的半生期，不但放射性強度穩定，且保存時間長，故鈷-60在工業和放射醫學中的應用，已逐漸被銫-137所取代)。

圖11維生素B12的構造

（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BB%B4%E7%94%9F%E7%B4%A0B12）

鎳可能致癌，科學家研究可能歸因於在人體中鎳可取代鋅與錳，造成DNA聚合酶錯亂而形成錯誤序列的DNA，雖然人體可自我修復，但若長期暴露於鎳含量高的環境，致癌機率就會大增。鎳的來源有豆類與茶，大多數鎳化物無毒，但四羰化鎳(Ni(CO)₄)(見圖12)具有劇毒且易燃，在60℃就會爆炸。於高濃度下，藉由皮膚吸收即可能引發心肺功能失常或腎衰竭而死亡。

圖12四羰化鎳的正四面體結構

（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9B%9B%E7%BE%B0%E5%9F%BA%E9%95%8D）

n  結語

綜上所述，雖然微量元素在人體內的含量極少，但卻像是細緻的小螺絲釘般，把每一個生命的環節緊緊的聯繫在一起。

然而，如何獲取這些含量少卻又不可或缺的微量元素呢？其實大多數的微量元素存在於各種天然的食材中，只要每日能均衡、適量地攝取國健署建議的六大類食物(全榖雜糧、豆魚蛋肉、蔬菜、水果、乳品及堅果類等)，少油、少鹽、少糖並多喝水，相信大家都可以吃得愉快又健康！

n  參考資料

1.任金霞、田曉伍(譯)(2005)。化學元素導覽（原作者：StwertkaAlbert）。臺北市：世潮出版社。

2.吳嘉麗(1999)。化學醫藥與社會。臺北市：中國化學會。

3.韓柏檉(1989)。冰山一角──綠牡蠣事件。科學月刋，237。108年1月23日，取自：科學月刋全文資料庫http://lib.cysh.cy.edu.tw/science/content/1989/00090237/0009.htm。

4.鈷。國家環境毒物研究中心。108年1月23日，取自：http://nehrc.nhri.org.tw/toxic/toxfaq_detail_mobile.php?id=50

5.歐惠郡、張祖辛(2009)。人體中的元素(Elements in the Body)。科學Online 高瞻自然科學教學資源平臺。108年1月23日，取自：http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=2901

6.維基百科(2019)。Composition of the human body。Retrieved January 23,2019, from https://en.wikipedia.org/wiki/Composition_of_the_human_body。

7. Jockers, D.(2011).Sulfur is an important nutrient for optimal health. Retrieved January 23,2019, from  https://www.naturalnews.com/034065_sulfur_nutrient.html.

8. Pedersen, T. (2018). Facts About Molybdenum. Retrieved January 23,2019, fromhttps://www.livescience.com/34687-molybdenum.html

9.Schirber, M. (2009).The Chemistry of Life: The Human Body. Retrieved January 23 , 2019. fromhttps://www.livescience.com/3505-chemistry-life-human-body.html