构成物质的元素从哪里来/少年图文大历史
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作者金义成
出版社中信出版社
ISBN9787521729368
出版时间2021-08
装帧平装
开本16开
定价58元
货号31209589
上书时间2024-06-28
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作者简介
金义成，韩国竹田高等学校教师 (化学教育专业)，撰写韩国“大历史”系列的第三册《构成物质的元素从何而来？》，致力于将大历史观念应用与中学教学实践之中。
目录
引言 我们从哪里来？我们是谁？我们到哪里去？
1 所有物质的起源
最初的元素
生命元素的诞生
元素的故乡——星体
超新星爆炸生成的元素
星体的核合成，为什么止步于铁元素？
生成比铁质量大的元素
拓展阅读
钱德拉塞卡与埃丁顿
2 物质的基本结构
原子与元素
原子的结构
原子量与原子序数
基本粒子与基本相互作用
元素的指纹——线光谱
原子模型的变迁史
希格斯玻色子
3 周期表里隐藏的秘密
感知元素的韵律
门捷列夫的卡片游戏
现代周期表
元素周期表的规律
拓展阅读
阿伏伽德罗定律
盐水的电解
发展中的元素周期表
日常生活中的元素
4 物质的生成
分子的出现
化学键
分子之间的作用力
物质的分类
路易斯的功勋
5 化学进化视角下的生命诞生
关于生命起源的假说
米勒合成有机物的实验
外界流入说和深海热泉说
原始细胞的诞生
生物学进化
从大历史的观点看构成物质的元素从哪里来
拓展阅读
最早的遗传物质是什么？
向宇宙中的邻居挥手
内容摘要
“大历史”概念由美国著名历史学家大卫•克里斯蒂安提出，后经比尔•盖茨大力资助，得以在全球得到传播和发展。因其理论新颖，观点独特，跨学科跨领域，正在有越来越大的影响力。“大历史”的概念和视角除了在学术界有价值，更是一个能走出学术扩大到普通人群的非常好的看历史的思维和视角。《大历史》系列正是韩国创造的一套面向青少年教养读物，有着非常巨大的市场潜力。这套书在韩国上市以来，不仅市场反响较好，而且获得赞誉无数，被评为2014世宗图书教养部推荐图书、学校图书馆期刊推荐图书、晨读推荐图书、2015韩国科学创意财团优秀科学图书，以及韩国出版文化产业振兴院青少年劝学图书等。
《大历史》系列共20册，通过137亿年的时间线上展开的10个大转换点和20个问题，融合了宇宙、生命、人类文明的历史。
本书是第3本，《构成物质的元素从何而来？——元素和物质的形成》。第三次巨大转折点诞生了生命的材料，且产生了物质！构成物质的元素从何而来？在宇宙中元素是如何形成的，寻找这些元素的规律性，也说明了从事研究的化学家们阐明出的各种各样的化学理论。生活在地球上不计其数的生命为什么以碳为基础构成？比起形成有机物质主要元素的氢，氮，氧，碳和更多原子以更多样的方式结合，可以形成复杂多样的化合物。也可以说生命是根据化学性的规律形成的碳素化学的产物。通过宇宙的历史长河中诞生的元素能使宇宙得以循环，且能成为我们身体构成成分等事实，证实了人类的家园就是行星（宇宙）的观点。
主编推荐
1.《少年图文大历史》用10个转折点、20个提问，清晰串连宇宙、生命、人类文明的整个历史
如果6500万年前,陨石没有掉落在地球,那么地球上的生命体现在会进化成了什么样子?
如果大爆炸以其他的方式进行,那么宇宙又会变成什么样子呢？
宇宙究竟从何而来？
我们又为什么而活？
这套《少年图文大历史》就是在探讨这样的重大问题时诞生的，以在137亿年的时间线上展开的10个转折点、20个提问为基础，整合了宇宙、生命、人类文明历史。“宇宙篇”的五个单册从“世界是怎样开始的”谈起，分别诠释了“宇宙是怎样产生的”、“构成物质的元素从哪里来”、“太阳系是由什么构成的”、“地球如何成为生命的基地”。关于生命、人类还有文明的诞生等问题，在后续的书中也会一一解答。
2.这套书运用大历史思维，让庞杂的全科知识变得一目了然
科学与人文的有机结合，只有通过打破学科壁垒的思考方式才能成功，这也是这套大历史的研究方法和意义——教给孩子们建立起“过去都是所有事件发生的原动力”的大历史思维，和跨学科知识体系，对存在于宇宙、自然和文明中我们进行定位,并找到我们应该怎样更好地生活的答案。
3.知识硬核但好看好玩，弥补课堂空白，锻炼青少年解决生活实际问题的能力
青少年在课堂之外为了满足好奇心，常会翻阅成.人书籍,但对许多问题依旧渴望得到体系化的答案。这套《少年图文大历史》不仅具有学术价值，更是一部走出学术，面向普通人群的好看、好玩的教养读物。本系列精选适合青少年的内容，弥补了课堂教育中的缺憾，是将“大历史”学派理念应用到青少年教育上的丛书。
对于在21世纪优选化时代接受教育的青少年来说，大历史是很好需要掌握的思维方式，因为在历史的大转折点上,可以洞察到宇宙物质的开放性、生命的多样性、相互关联性，也就是锻炼将从宇宙开始到现代社会的巨大历史串成一条线的洞察力，以及对于宇宙、生命、文明和自身的洞察力。在给予青少年阅读快乐的同时，也可以培养分析、解决生活实际问题的能力，也告诉他们所学的知识在生活中有怎样的意义。
4．为青少年提供对自己、对世界的新认识，有助于价值观的建立
大历史系列所向往的教育目标在于“态度的变化”，因为通过学习大历史，我们想要回答人人都关心的“我们怎样生活得更好”的实际问题。
理解大历史的核心就是打破学科间的界限,也就是拥有开放性思想。这套书的目的也是给我们展示在宏观的构架中宇宙、地球、人类等不同研究对象所持的普遍性及多样性，及其展现出的相互关联性。所以在学习大历史时,比起知道细微的信息、陈旧观念，重要的是对整体的把握、对全局的思考，并在全新的完整知识体系之上，对自身生活及人类本身拥有新的认知。
精彩内容
原始细胞的诞生
即使氨基酸合成了蛋白质，糖、磷酸和碱基合成了核酸，但在这些物质聚合在一起经过一种自我组织化形成细胞之前，都无法被视为生命体。
若要形成细胞，区分细胞内外部的细胞膜必不可少。提出细胞模型的人也是奥巴林，他表明在离子和酸度调配恰当的水中注入蛋白质或其它聚合物的话，就会相互聚拢，形成一种被称为凝聚层的水体的液滴。高分子团被水分子层形成的膜包裹，具备和生命体相似的特征，吸收周围的物质、多个聚拢在一起又转而分离，等等。
另一方面，美国的福克斯发现，将加热氨基酸合成的多肽（类蛋白）浸入水中后，会生成类似凝聚体层的球体，他把这命名为微球体。相比于凝聚体层，微球体具有更加稳定的结构，且它的膜具有和细胞膜类似的选择通过性，同时能从周围吸收物质。此外，在达到一定的大小时，微球体就会像酵母一样，出现出芽分裂等类似生命体的特征。
此后，科学家们在多种有机物和磷脂的混合物中加入水，形成了被称为磷脂双层膜脂质体的小型结构物质。磷脂形成了像细胞膜一样具有选择通过性的双层膜，脂质体被此双层膜包围着，且脂质体具有类似繁殖的特征，即膜内生成的更小的脂质体可到达外部。
凝聚体层、微球体和磷脂双层膜脂质体可被称作具有部分生命特性的有机物复合体，这种有机物复合体因被细胞膜包裹而得以将内部环境维持在稳定的状态，当它具备物质代谢（获得生命活动所需的物质能量）与遗传物质，且成为具有自我复制功能的结构物质时，即可称为原始细胞。这种原始细胞的诞生意味着生命体出现。
截至目前，我们所了解到的依靠化学进化实现的生命诞生可整理如下。原始地球的大气成分——简单的无机物通过自发的化学合成形成了氨基酸等小的有机物分子，这些小的分子进而合成蛋白质和核酸等高分子物质，生命体的核心物质蛋白质和核酸历经被细胞膜包裹的有机物复合体阶段，发展为具有物质代谢（获得能量代谢的能力）和遗传信息且具备自我复制功能的原始细胞。
生物学进化现在地球上的生命体由单细胞生物如细菌和多种细胞组成的多细胞生物构成，作为多细胞生物，一个成人的身体约由60万亿个细胞构成，我们为何成为了人而非细菌呢？
据推测，地球的生命体是出现在38亿年前的原始单细胞，当时宇宙的年龄大约是100亿年，而地球的诞生则要追溯至约46亿年前。从地球生命体的立场来看，长达137亿年的宇宙历史中的100亿年都是准备生命的时间。
宇宙大爆炸之后，原子这一构成生命的材料产生于宇宙之中，这些元素它们飘荡在宇宙空间中，进而形成了太阳系。数亿年后，太阳周围旋转的行星之一——地球上，物质通过化学进化成为了生命体。大约38亿年前，单细胞原核生物作为生命体出现在地球上。单细胞原核生物进化为单细胞真核生物，单细胞真核生物又进化为多细胞真核生物，紧接着又发展为植物和动物。
在这漫长的进化过程中，生命体经历了地球环境的多种变化，但仍然凭借自然选择将自己的遗传基因传承了30亿年以上。与此同时，生命体也朝着更为复杂的结构和功能进化而来。多亏如此，今天的地球上才出现多种生命体繁荣发展的场面。生命通过化学进化而诞生，又通过生物进化而变得多样。人类是这一漫长进化的产物，也是蕴含了宇宙全部历史的容器。
遗传物质是什么？
现有生物的遗传物质一般储存在DNA中，DNA通过RNA转录遗传信息，通过对获得了遗传命令的RNA进行翻译来产生蛋白质，进而体现出生物体的形态特征。
原始细胞为了向子细胞（后代）传递自己的遗传信息（DNA），要进行遗传基因的复制，而复制遗传信息则需要酶。酶是一种蛋白质，但蛋白质是DNA生产的，因此出现了关于蛋白质和DNA谁是遗传物质的争论，这是一个“鸡生蛋，蛋生鸡”式的逻辑（问题）。
遗传基因复制DNA双螺旋的两条长链分离后，以不同的长链为模板形成新的互补链条。
核酶（Ribozyme）像酶一样作用的RNA分子，英文名由RNA（RiboneucleicAcid）的“Ribo”和酶（Enzyme）的“zyme”组合而成。
1980年代，阿尔特曼和切赫发现了核酶，随之出现了可回答这一问题的假说。据发现，核酶是具有酶功能的RNA，即使没有蛋白质的帮助，（p.213）也能复制遗传信息。因此现在广泛接受的假说就是，生命体从RNA出发，功能分化至DNA和蛋白质，即当时的世界是RNA的世界。
为了成为遗传物质，遗传信息的储存和复制是必要的，若具有酶的功能则更加有利，具备这种特征的高分子可被称为RNA。和DNA相比，RNA的信息储存能力比较纯粹，因而比起DNA，这可被看作更原始的状态。因此可以认为，在原始的地球条件下，RNA的核苷酸比DNA的核苷酸更容易生成。RNA在立体结构上像蛋白质一样多样，且一部分RNA（核酶）能行使酶的功能，因此将RNA当作遗传物质的假说正占据着优势地位。
向宇宙中的邻居挥手地球不过是宇宙中的一点，如果说这里出现了“生命的奇迹”，那庞大的宇宙中的某个地方就没有这种奇迹吗？对外星生命体的好奇心自古希腊时期便出现了。朝鲜中期的实学家洪大容曾推测称：“宇宙无边，地球或许并非中心，因此可想到的生物也不只在地球上。”随着科学的日益发达，人们也试图用科学的方法去证明这一主题。
SETI是“SearchforExtra-TerrestrialIntelligence”的简称，意为“地外文明探索”。1960年代，科学家进行了利用射电望远镜寻找地外文明的尝试，利用射电望远镜接收生命存在可能性高的行星的频段信号，进而分析辨别出呈现特定的反复形式的人工电波信号。因为预计若存在地外文明，他会使用人工电波，所以通过辨别此电波，就能预测地外文明存在的可能性。
1974年，波多黎各的阿雷西博天文台向距离地球25000光年的M13球状星团（武仙座星团）发送了数字信号，这被称作“阿雷西博信息”。阿雷西博信息究竟包含了什么内容呢？该信息由1679个二进制数字构成，大小约为210字节。信息由七个部分组成，自上而下分别用二进制编码了数字、DNA元素、核苷酸、DNA双螺旋、人类、太阳系、望远镜等信息。该信息是德雷克博士在以卡尔?萨根为首的若干科学家的帮助下制作的。
除此之外，人类还试图通过向太阳系内部的行星发射探测船或在宇宙飞船中搭载记录人类和地球信息的标牌或唱片的方式寻找地外文明，同时也是向宇宙宣告我们的存在。
随着1976年火星探测船的成功着陆，对火星是否存在生命痕迹进行了调查。近来，探测船在土星的卫星土卫六上着陆，努力寻找生命的痕迹。1972年发射的先锋10号宇宙飞船上，搭载了一个画着人类（男女）身体构造、宇宙飞船的形状、太阳的相对位置、太阳系的面貌和地球的位置等内容的金属板。1998年发射的旅行者号搭载着收录了地球相关信息的2英寸大的镀金唱片飞向宇宙，该唱片包含了地球的样子、地球的声音、地球的音乐、地球的语言，试图去告知地球的生命和文化。
1974年，用二进制编写的数字信号阿雷西博信息被发送至宇宙，即便M13球状星团上的外星人收到了此信息，我们也要等待5万年才能收到他们的回信。
虽然人类付出了诸多努力，但至今仍未发现地外文明的存在。你认为外星人究竟是否存在呢？还是相信这偌大的宇宙中人类是唯一的文明生命体呢？卡尔?萨根在电影《接触》中讲述了自己的想法。
从大历史角度看“元素与物质的诞生”为了理解元素和生命的诞生，我们需要了解从宇宙诞生到现在的各大转折点。第一大转折点是宇宙大爆炸和宇宙的诞生。第二大转折点是星体的诞生。第三大转折点是元素和物质的诞生。其中，第二与第三大转折点几乎同时出现。通过星体的核融合合成和超新星爆炸，生成了元素。受到静电力的作用，元素原子相互结合生成分子，分子生成物质。元素分子们形成非常精巧而又复杂的结构，再由它们生成各种各样的物质。第四大转折点是太阳系和地球的诞生。第五大转折点是地球上出现有机化合物，它能够极为巧合地生成生命。第六大转折点是这类有机物逐渐进化为复杂的细胞，分化为雌雄，并通过有性生殖使各种生命体出现。第七大转折点是人类的诞生。其他三个大转折点则是人类文明的重要转折点。本书重点阐述上述十大转折点之中的第三大转折点——元素和物质的诞生。
“苹果派由氢、氧、碳组成。倘若你想在没有任何材料的情况下做苹果派，那必须先创造出宇宙。”——出自卡尔?萨根《宇宙》如果想要与家人分享苹果派，那么首先需要有苹果和面粉做材料。构成苹果和面的分子由元素构成，这些元素生成于星体。而构成星体的元素们来源于宇宙大爆炸生成的宇宙。即使将上文中提及的苹果派换做周边的任何其他物质，也会得到相同的答案。因此，包括各位在内的物质世界都与宇宙大爆炸这一转折点有关，也都与宇宙相关。无论是各位，还是苹果派，都诞生于宇宙这个共同的故乡。
137亿年前，大爆炸生成了宇宙，同时也生成了构成元素的基本粒子。这些基本粒子生成了氢和氦。另外，在星体经历诞生和消亡的过程中，通过核聚变融合的方式从质量小的元素中生成了质量大的铁元素。而比铁更重的元素则通过超新星爆炸产生。当这些在宇宙中生成的元素们具备合适的密度和重力(即黄金条件)时，就会生成与各位相同的物质。在元素形成物质的过程中，适用元素具有的某种特性和某种原理。我们生活的世界不是毫无秩序的世界，而是按照一定规律形成的各种元素的集合体。
为了探明元素们的规律而付诸努力的代表性人物是门捷列夫。他认为原子量决定物质的特有属性，他以原子量为标准将元素进行了排列，并把其中化学属性相似的元素归为一个集团，制成了“元素周期表”。但是，在这个元素周期表里，存在用门捷列夫的标准无法说明的几种元素。解决这个问题的人是莫塞莱莫斯利。莫斯利按照原子序数将元素重新进行了排列，并提出了新的排列标准。这样一来，门捷列夫周期表存在的问题迎刃而解。莫塞莱莫斯利的周期表正是我们如今使用的现代周期表。
元素周期表如同对物质世界进行说明的地图。一旦掌握了周期表中隐藏的规律性，就可以很好地理解离子生成的原理、分子之间的结合即分子结合相互作用力(偶极-偶极力、色散力、氢键)。以此为基础，可以理解物质形成的基本原理。
在各种物质中，形成生命体时的至关重要的物质是蛋白质和核酸(DNA和RNA)。在早期的地球环境下，这些分子从单细胞进化为多细胞。它们经过漫长的时间之后，进化为动物和植物。动物和植物经历诞生与死亡，此时构成它们的元素也随之经历了结合与分解，并不断地进行循环。换而言之，原始宇宙里形成的元素们在形成达芬奇的心脏或牛顿和爱因斯坦的大脑之后，经历了再分解，那么它们也可能已经成为了我们身体的一部分。
进化生物学家史蒂芬?古尔德在《奇妙的生命》一书里提出了“倘若我们把生命的录像带倒回，人类是否还能出现？”的问题。许多科学家认为以人类生命为首的生命再次诞生的概率几乎为零。不过，即使只有极低的概率，但凡存在可能性，那么在宇宙的某处就有可能存在满足生命诞生的黄金条件(即适合的温度、大气、水)的另一个天体，在那里也有可能突破概率的限制、偶然地生成生命体。因为构成生命体所需的元素不仅存在于地球，也遍布整个宇宙。因为构成生命体的成分不是仅存在于地球的元素，而是遍布整个宇宙的普遍性元素。此外，如果构成物质的原理和规律不变，那么只要有有充分的元素（即构成生命的材料），生命体就有存在的可能。如果生成物质的原理和规律不变，那么只要有元素(即构成生命的材料)，生命体也可以存在。因此，人类不断地追寻宇宙中的其他生命体，。这些努力都是为了找寻我们自身的根源所做出的科学性尝试。
大历史通过寻找“我们如何存在于这个世界”的答案，探明了我们的根源都是宇宙的产物。不过，至今依然存在尚未明了的拼图块谜题。虽然简单的有机物是通过化学进化生成生命的重要物质，但是却未阐明这种这些物质是如何通过自我组织化和物质代谢而获得生命的力。此外，包含遗传物质的DNA又是如何形成了二重双螺旋线结构也有待说明。这些未解之谜正是各位读者的课题。
那么现在各位能够对高更的问题做出科学性的回答了吗？
“我们从哪里来？我们是谁？我们到哪里去？”
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