談高考理綜的跨學科命題

胡彥堯

【關鍵詞】 化學;生物;人體體液;酸堿平衡調節

【中圖分類號】 G633.8 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 1004—0463（2015）23—0123—01

2015年全國高考Ⅱ卷理綜考試中，出現了跨化學與物理學科之間的綜合題型，表明跨學科知識考查已成為高考命題的一大趨勢。從現在的趨向來看，化學與生物之間的綜合題也有可能出現在今后的高考題中，這就有必要讓學生認識到化學與生理學等學科之間的密切關系。這里就從人體體液的酸堿平衡調節問題出發，討論生物與化學兩學科間的密切聯系。

一、人體中酸、堿的產生

人身體中的任何一個細胞，必須處在合適的氫離子濃度下，才能完成正常的生理活動。在生命代謝中，人體內不可避免地生成一些酸性物質，如碳酸、乳酸等，也生成一些堿性物質，如HCO3-、HPO42-等。同時通過飲食，有相當數量的酸性物或堿性物從外界進入人體，但在人體中酸性物質和堿性物質總是要保持一定的數量或濃度比例，體液的pH值總要維持在一定的范圍內。不同人的同一器官或同一人的不同器官的pH值可以略有不同，但不會相差太大。在細胞內部其pH值可以不同，但在血液中，正常人的pH值就要維持在7.35至7.45之間，pH值過低會造成酸中毒，pH值過高會造成堿中毒。

一般來說，能提供H+的物質或能接受OH-的物質都應該是酸。而在人體中的酸性物質首要的是碳酸，它是糖類、脂肪、蛋白質在人體中氧化的最終產物CO2與水結合而來，人在平靜狀態時，就能產生大量的CO2，若運動時人的代謝速度加快，產生的CO2更多。大部分CO2將通過呼吸作用由肺部排出體外，少量的CO2生成了碳酸，即使碳酸是弱酸，可形成的H+的數目也是相當可觀的。另外，在代謝過程中，還會產生一些有機酸，如乙酰乙酸、乳酸、尿酸等，一些有機酸繼續被氧化生成CO2，還有少量的有機酸被排出體外，另一些則是由飲食或藥物提供的，如有銨鹽攝入時在肝臟中合成尿素，并釋放H+。

2NH4+ + CO2 ?→ ?（NH2）2CO + H2O + 2H+

能提供OH-的物質或能接受H+的物質都應該是堿。如氨基酸在脫去氨基后將生成NH3，氨將通過器官轉移中和人體中的酸并保留一部分堿。蔬菜、水果中含有較多的有機酸及鹽，這些有機酸及鹽在人體中被氧化，不發生變化的Na+、K+進入體液，為了平衡電荷，只有增加HCO3-數量或濃度，這也是獲得堿物質的途徑之一。

二、人體酸堿平衡的調節

人體中無論是自身產生的酸堿還是外界提供的酸堿都不可能只堆積、不變化。它必須通過人體機能進行調節，排除多余的酸或堿，或接受所需要的酸或堿，來維持人體中的pH值的相對穩定。這種自動調節功能，主要由人體體液中處處存在的緩沖溶液來完成。

在人體血液中存在著酸式碳酸鹽、磷酸鹽以及蛋白質的緩沖系統。這些物質所對應的碳酸、磷酸、蛋白質都是弱電解質，若就NaHCO3/H2CO3的緩沖系統來說，只要c（NaHCO3）和c（H2CO3）的比值維持在20∶1，血液的pH值就可保持7.4不變。NaHCO3和H2CO3的濃度比例調節主要依靠下列平衡關系：

HCO3-+H2O?H2CO3+OH-

HCO3-+H2O?H2CO3?CO2+H2O

由于c（HCO3-）和c（H2CO3）的比值維持在20∶1左右，所以血液中有較多的接受H+或OH-的HCO3-。若有酸進入血漿，則H+與HCO3-結合生成H2CO3，H2CO3可經肺臟分解成CO2排出體外，第一個平衡關系正向移動，H+不會有太大的變化，可維持pH值為7.4的相對穩定。若有堿進入人體，雖然H2CO3的相對含量較少，可體內CO2的來源卻很廣泛，H2CO3與OH-結合生成HCO3-，兩步平衡均逆向移動，同時H2PO4-也參與結合OH-，使多余的堿被消耗，保持了OH-濃度的穩定，而生成較多的HCO3-和HPO42-并由腎臟調節排出。

肺臟在呼吸時也可調節血漿的pH值。若人體中的CO2含量明顯偏高或pH值降低，則人的呼吸會加深變快，加速CO2的排出，反之，人的呼吸會變淺變慢。

通過腎臟也可以排出過多的酸、堿以平衡人體中的pH值。當血液中的NaHCO3濃度較低時，腎臟會加速排出H+，換回Na+，Na+和HCO3-同時回收進入血液;當血液中的NaHCO3濃度較高時，腎臟會增加堿性物質（如NH3）的排出，結合H+生成NH4+，NH4+與CO2作用生成尿素，第二步平衡正向移動，NaHCO3濃度會降到正常含量，同時生成的尿素排出體外。

三、化學中的緩沖體系

血液的緩沖作用是維持酸堿平衡的第一道防線，碳酸與碳酸氫鈉緩沖體系是最主要的緩沖體系，其次才是Na2HPO4/NaH2PO4的緩沖系統;在調節血液緩沖系統的穩定性中肺、腎是相輔相成的，任何一方功能失調都會造成酸堿平衡紊亂;在pH值調節中對H+或OH-的吸收是有限度的，過多的酸或堿都會改變HCO3-與H2CO3的濃度比值，導致體液中pH值發生改變，成為酸中毒或堿中毒。

遇少量酸或堿后，溶液的pH值略有改變，但不會較大幅度變化的溶液為緩沖溶液。其組成一般為弱酸及對應的弱酸鹽混合液、弱堿及對應的弱堿鹽混合液，如，NH3·H2O/NH4+、CH3COOH/CH3COO-、H2CO3/HCO3-、H2PO4-/HPO42-等都可組成緩沖體系。根據弱電解質平衡理論可知，當組成緩沖溶液中的兩成分濃度相同時，對酸和堿的緩沖能力達到最好。

緩沖溶液在工業、農業、生物學、醫學等方面都有重要的用途。如通過緩沖系統來維持土壤酸堿性的基本穩定，從而保證了植物的正常生長。由以上分析可知，化學與生理學是息息相關的，有著緊密的聯系。編輯：張昀