著名的俄国土壤学家威廉斯提出过，生命所需的各种成分不可偏废。这个论点很适合微量元素的研究。微量元素对生物体和人的作用是非常丰富的，有许多显著特点。首先是量微而效大，但又不是简单的愈少愈好，而是依靠生物体内的动态平衡，将其有效浓度维持在一特定的狭窄正常范围内。例如，硒被认为是极重要和很有潜力的新提出的微量元素，俗称癌症克星。其合适浓度范围为百万分之一到百万分之十，即（1～10）×10-6，在此浓度区间内，有治癌及防治大骨节病之效；低于1×10-6，不会发挥它应有的生物效益，而超过10×10-6，则产生毒副作用，不但不能治癌，反而会致癌。“治”“致”之间，区别不可不察也。此外，微量元素在体内以特定的形态发挥作用，例如铬元素当以三价的铬络合物存在时，对人体和生物体有益；而以六价的铬酸盐出现时，则强烈致癌。再者，微量元素在体内是与其他元素、生物配体及各种营养素相互作用实现其生物功能的，它们协同，它们拮抗，相互影响，相互制约。例如，铁对叶绿素这种镁的卟啉络合物的形成关系甚大，此时，铁是不可缺少的催化剂；因此，缺铁时，叶绿素不能生成，而叶白症正是缺铁的结果。锰，也参与此反应，但和铁呈拮抗作用。生命为微量元素提供了舞台，展示了它们绚丽多彩的功能。
舞台规范
在元素选择的黄金法则（见第三部分）中已提到丰度效应，反映了竞争与选择的物质基础。微量元素是怎样作用的呢？为了充分发挥它的作用，我们要注意哪些条件呢？
（1）食物链：生物体本身不能制造和转化微量元素，必须通过饮食对环境进行摄取。地壳中的大多数元素（包括微量元素），除一部分气体元素外，都禁锢在岩石矿物的晶格中，在某些外力（如风化、淋洗）作用下，形成简单离子或络合物进入自然环境，通过土壤、空气和水，迁移入植物和动物，作为饲料或食品，为人或动物吸收，这就是生命元素地球化学食物链。研究这个食物链的各个环节中元素的转化具有重要意义。营造良好的食物链，是保证微量元素的合理摄取、改造异常的生态环境、防治地方病的重要途径。
（2）阈值规律：在关注食物链，改善微量元素营养的同时，必须认识到地球上生命的存在都有一定的化学临界条件。在此条件范围内，生命对环境就能安全地适应。这个条件的边界所对应的化学元素的浓度，叫做阈值。阈值是一个范围，低于或超过它，生命机体的调节过程就发生紊乱，最后导致病变以至死亡。阈值也是事物的度，在生活里这是一种普遍现象：物无美恶，过则为灾；服药须遵医嘱，剂量过大则中毒；做事量力而行，过疲则惫；欲速则不达等。微量元素的阈值，生物体乃至个体对这些阈值的敏感度，涉及因素很多，影响很复杂，需具体确定，在本书各处均会相机提到。阈值规律是客观存在的，不可忽视的。
（3）效率规律：生物体在条件允许时，总是选择效率更高的对象加以利用。这一点首先表现在元素对特定生物体或靶器官的富集上。硅藻中硅含量高，海带中富碘，昆虫的血液和甲壳内铜丰富，动物肠腔中锌高；脊椎动物的软骨和骨骼硬组织中聚积的元素主要有钙、镁、氟、磷、锶、镉等；高等动物特别是人的靶器官有关元素，如铜在肝脏、镍在表皮、碘在甲状腺、铅在神经组织、锌在性腺、铁在血液、钼及锰在肝肾等。这种高效富集现象，导致生物功能的促进和退化，不仅与元素对该组织器官的专一生物化学过程所引起的特定干扰和协同作用有关，而且与元素本身的构型（如电子排布）、理化特性、在生物体内的作用部位以及对相应器官某种组织的亲和力有关。利用这种现象可进行微量元素的放射性摄影，以观察相应病变。
（4）元素间相互作用：这种作用包括取代、协同和拮抗等。一般来说，生物体中具有相似离子势（电荷与半径之比）的离子易于互换；位于周期表的同族元素原子序大的能置换原子序小的。例如，在骨骼中F-易替换羟基磷灰石中的OH-而发挥固齿或防止骨质疏松作用；镉取代酶中的锌，可使此酶失活而导致病变（痛痛病的原因）。
目前已知在生物体中有明显协同和拮抗作用的元素对较多。例如，氟-锶协同作用有利于防止龋齿病变，并在这一原理的基础上生产出氟化锶牙膏。氟促进磷酸钙在牙釉质表面沉积，锶则在质地较松的羟基磷灰石上形成一薄层钙、氟、锶磷灰石以保护牙釉质。茶叶中含氟量较高〔（50～170）×10-6）〕，用某些富锶矿泉水沏泡，对龋齿疗效更佳。铁、铜协同作用对某些药物的活血和滋补功能有重要意义。例如治疗肝炎的主药茵陈含铁、铜量都很高，含铜血浆蛋白能促进肝脏释放铁，后者经输铁蛋白送至形成的血红细胞，供进一步合成血红素之用，成为补血的基础。锌对铁、铜的拮抗作用被用于治疗过量锌引起的贫血，办法是服用铁、铜含量高的药物（如当归、甘草）。锌-铁拮抗作用对于妊娠贫血的治疗有意义，由于日常摄入的动物性食品中提供的铁量不能满足孕妇对铁的需要，故需在妊娠中、晚期补充铁剂（食用铁强化的粮食及蔬菜）；然而铁是小肠锌吸收的抑制剂，大量服用铁可妨碍锌的吸收（侏儒症），故须同时补充锌。
（5）络合作用：指体内金属元素和有机配体的作用。在生物演化进程中，镁的卟啉络合物构成的叶绿素和铁的卟啉络合物形成的血红素具有极重要的意义。近20多年来又发现各种大环配位体，无论是天然的还是人工的，都对碱金属离子的结合具有专一性。例如，缬氨霉素不与Na+结合，而仅与K+作用，这是由于其大环配位体的孔腔大小刚好与K+相匹配。在络合作用的启发下，出现了许多药理作用的新理论。1964年美国化学家佛尔斯特出版了《癌中的络合物化学》，指出“络合作用在癌症研究中起重要作用，可作为整个癌问题的基础。”20世纪90年代，我国中医药学家曹治权教授提出了“对中药有效化学成分研究的新思考”，在总结大量事实的基础上指出“中药的有效成分主要是微量元素和有机配体形成的络合物。”按照这些思想，药物作用过程的实质是，药物的有机物分子进入体内后，与体内的微量元素，与细菌、病毒或者癌细胞中的金属蛋白、金属酶作用，促使机体正常代谢恢复或破坏病原体的生理功能。
（6）形态或价态作用：已在第二部分“庐山面目”中述及微量元素作用的实际形式是它在生物体中微环境里的形态。例如，无机铁对过氧化氢的分解能力，由于与卟啉环络合而提高103倍；如进一步和特定蛋白质结合为过氧化氢酶时，就变为103～1010倍，这真是一个很大数字。硒也是如此，谷胱甘肽过氧化物酶的硒较亚硒酸钠或硒半胱氨酸分解过氧化物活性高108倍。元素的毒性与其化学形态关系极密切。如无机汞吸收率很低，主要分布于肝脏；而甲基汞吸收率极高，主要富集于脑中，表现出特有的神经症状。但砷却与汞不同，无机砷的毒性大于有机砷，三价砷最强，比五价砷的毒性大5倍。早年日本的森永砷牛奶中毒事件就是由于无机砷化合物引起的，干牛奶粉中只要含10×10-6砷，即能使大多数乳儿中毒甚至死亡。然而，有些海洋生物如海藻、海胆中含有高达100×10-6的砷，至今尚未报告因食用而中毒者；这可能是海洋生物中的砷呈有机态而被降毒。这些事实说明，不能脱离形态及价态来谈微量元素的生物功能。
（7）衰减及自净：也是生物体中微量元素的特性之一。文献中常提到生物半衰期（用t12表示），就是微量元素从机体中清除快慢的尺度，指它在体内减少一半所需要的时间。影响元素生物半衰期的主要因素有部位、环境因素、生物体本身的性质，如人的年龄、性别、种族、病情和医疗状况等。半衰期决定元素循环体系的速率，对微量元素在体内的蓄积与缺乏、补充与排除的方案研究有极重要的参考价值。至于由于环境污染造成有害元素进入体内，研究它们特定的生物半衰期就更必要了。例如，镉的生物半衰期为20年以上，锶约40年，铅为1460天，这些指全身半衰期；落实到不同器官又各异了，如铅，肝脏为1947天，肾脏为531天，骨骼3650天。衰减的过程也就是自净的过程，其机理随各元素而异，生化反应很复杂。以镉为例，它摄入生物体后之所以能长时期蓄积在肝和肾中，是由于它能和金属硫蛋白呈结合态；这一结合态处在动态分解中，一部分在细胞内释放出金属，而另一部分金属则向细胞外释放。器官细胞又不断从血液中得到金属，然后通过金属硫蛋白的作用而排出。因此，弄清生物半衰期概念及实质（即作用机理），有利于推动金属的解毒及对毒害的预防。
（8）微量元素的体内平衡：这是我们应当着力研究的，是以上各种作用的综合体现。微量元素在体内发挥作用，除该元素本身的生物活性外，还被其他微量元素的协同和拮抗作用制约，也受常量元素、生物配体及其他营养物质的影响。对生命来说，微量元素的生物功能的必需性和毒性两者均受上述平衡的调控。作用既然如此复杂，那么从何着手以实现体内微量元素的最佳匹配，取得最佳的生物功能呢？由于体内微量元素不能自发地产生，所以它们主要来源于饮食，这就回到了最初的食物链。如何科学地加工食物和调节膳食，以改善体内微量元素的平衡，作为保健的基础和预防疾病的前提，已经成为备受关注的研究课题。让我们再次回到自然吧。古希腊哲学家亚里士多德说过：“如果有哪一种方式最有效的话，那一定是自然。”人们常说，“大胆地假设，小心地求证”。我们先假定，大自然给我们提供的食物是经过千百年考验的、最有效的，实现了微量元素的最佳全面综合平衡，只要把它们移植到人体就可以了。让我们小心求证即仔细观察一下，加工食品的诸多过程（如精制、烹调、保存等）会使营养成分特别是微量元素受到不同程度的损失。因此，要尽可能防止这种损失，并加以匹配上的优化。实验业已证明，由小麦精制的上等面粉中，仅保留原小麦的镁20％、铬13％、锰12％、钴50％、铜37％、锌30％；精米对粗米的相应数据为17％、25％、73％、62％、71％、25％；仅玉米碾成粉就失去60％的镁。精制白糖仅含原糖的镁1％、铬7％、钴12％；红糖比白糖的微量元素丰富。从牛油和猪油中提取的脂肪，经精制后，保留了原品的镁2％、铬3％、锌4％、铜20％、钴40％。为此，最好尽可能多吃粗粮和杂食，不可过分强调精食和单一。已知，大量食鱼制品的地区，金属元素及碘摄入多，肺癌死亡率低；多吃谷物产品和海味，可增加硒的摄入量，降低乳腺癌发病率；多种癌症的死亡率与锰摄量呈负相关。因此，规范生命这个舞台，应先规范食物。
副族干将
我们回到导航宝图元素周期表，在ⅡA与ⅢA族之间的元素称为过渡元素，除Ⅷ族外均为副族（即B族）。必需微量元素按原子序数列出的钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌和钼均属之。它们的生物功能主要有催化作用和传输作用，在体内的一些生化过程中扮演着重要角色。例如，呼吸对人来说，可谓是生命的表征。婴儿的第一声啼哭表明他呼吸到人世间的第一口新鲜空气；逝者最后一丝游气的中断，标志着科学意义上的生命终结。在人体内氧气输送过程中，微量元素铁是氧载体血红蛋白的络合物中心原子，生理浓度的血红蛋白可将每100毫升血液中氧气的溶解度由0.5毫升提高到20毫升，即提高40倍。
尽管铁在生物体内特别在人体内有多方面的生理功能，如转铁蛋白与遗传相关，细胞色素P450与解毒作用有关，含铁酶与固氮及花生四烯酸代谢有关等，但通常认为它对呼吸的作用最大，是一员名不虚传的干将。在这里扼要地讨论一下铁的载氧机理，有助于弄清一些似是而非的问题。所谓载氧，指血红蛋白（Hb）的载氧，其机理可以用去氧Hb〔Hb-Fe（Ⅱ），即未结合O2的Hb〕与氧合Hb〔Hb-Fe（Ⅱ）-O2，〕之间的转化来解释：
Hb-Fe（Ⅱ）+O2Hb-Fe（Ⅱ）-O2
反应式虽然写出来了，但如果不能回答下面3个实质性问题，则仍然什么也没有说。也就是说，说了一些连笔者也不明白是什么意思的话。第一，为什么在这里Fe（Ⅱ）可以与O2，配位结合（氧合）而不被O2所氧化？第二，为什么Hb可不断结合O2？第三，O2分子是怎样出入Hb分子的？
Hb的特定结构使其中的Fe（Ⅱ）与一般亚铁离子不同，它与O2的络合能力受到卟啉和近位的其他配体调控。Fe（Ⅱ）与卟啉络合，使它不易氧化；其他含氢的配体可与O2，成氢键，使氧加合物稳定化。当Hb这样的大分子结合几个小分子的O2时，各O2间存在合作效应，并且相互增强。这是由于在去氧的Hb与第一个O2分子结合后，亚铁发生位移，使近处的蛋白质链的基团运动，氢键重组，促进后来的O2的结合。上面的讨论是根据晶体结构的分析结果推出的，O2怎样从溶液中进入Hb到达Fe（Ⅱ）的轴上，以及怎样结合和分离，这是近十多年研究的热点。从1982年起用光闪法及时间分辨技术，准确地测定了O2和其他小分子配体（如NO）的解离-再结合速率，观察到在数纳秒（10-9秒）至数十纳秒间O2通过扩散运动离去或再结合。
