生物矿物元素饥饿与蓄积

本书在青海省自然科学基金面上项目(2020-ZJ-919、2016-ZJ-906、2013-Z-917)的资助与支持下，针对草地生态研究领域内前沿科学问题——高寒草地生态系统退化机理，仔细分析了高寒草地生态系统中矿物元素的分布特征，通过草地植物中矿物元素对草地演替进程响应的探索，结合矿物类中藏药研究中动物实验的结果，提出生物矿物元素饥饿效应假说理论。解释退化草地植物中矿物元素饥饿与蓄积之间相互调节、相互适应的微妙关系，并通过盆栽高寒牧草实验，揭示了草地植物中矿物元素蓄积发生的原因，以及退化草地植物中因为矿物元素营养供给不足或不及时，而处于一种饥饿状态，草地植物蓄积矿物元素营养是草地生态系统演替和环境变化的重要响应与应激策略之一。而退化草地植物中矿物元素饥饿效应发生的实质，可能是因为矿物元素蓄积抑制了对土壤氮素营养的摄取与吸收，致使草地植物生长发育受限而逆向演替。
饥饿与蓄积看似是一对不可调和的矛盾事物，然而矿物元素营养在生物体内蓄积与饥饿现象的存在确凿无疑，并和谐并存着，生物体内的矿物元素因为饥饿而蓄积，为生物体的生命活动及时补给提供了充足的矿物元素营养，确保生物体在矿物元素饥饿的逆境下生存并维系生命的延续。生物体是高智慧的生命体，生物体智慧地为生命的生存和延续，顽强无畏地竞争与蓄积必需的营养和能量，生物矿物元素蓄积就是生物体适应不断变化的生存环境的智慧表现之一。生命体是当今超复杂高智慧的有机体，探索生命体的存在与演化，发现生命体中矿物元素存在和蓄积变化的奥秘，其乐无穷! 本书是生物矿物元素研究的阶段性成果，随着研究的深入，新的科学问题会不断出现，生命活动的本质必将有更多的揭示与发现，生物矿物元素科学将更多地造福社会进步、经济发展和人类生活的幸福与安康!
学海无涯，科学探索之路历来崎岖而坎坷，一个新观点、新理论的形成极为艰难，而一个新观点、新理论、新思想能被他人理解和接受，其艰难程度尤甚。生物矿物元素饥饿效应假说理论提出已七年有余，在青海省自然科学基金面上项目的持续资助下，虽说已经是生根发芽含苞待放，然而生物矿物元素饥饿效应理论思想的成熟壮大而花香四溢并为普通大众广为接受且受益，还需要孤独的探索者们历经寂静漫长之路，待到柳暗花明时，生物矿物元素饥饿与蓄积犹如物竞天择适者生存，对生物矿物元素营养的理解将会更加深入而迫切!
感谢中国科学院西北高原生物研究所魏立新研究员、周华坤研究员的热情鼓励与帮助! 感谢青海省藏药药理学和安全性评价研究重点实验室、青海省寒区恢复生态学重点实验室、中国科学院藏药研究重点实验室、中国科学院高原生物适应与进化重点实验室、中国科学院西北高原生物研究所及各位同仁的大力帮助与支持!

李天才
2021年7月

李天才，中国科学院西北高原生物研究所，副研究员，  从事草地生态学、特色生物资源利用、蛋白类新药研发、藏药现代化等专业研究工作。
  青海省自然科学与工程技术学科带头人。
  《微量元素与健康研究》国内统一刊号CN44—1396/T,国际标准刊号ISSN1006—446X,编委
  《广东微量元素科学》国内统一刊号： CN 52-1081/R，国际标准刊号：ISSN 1005-5320，编委
  主持和参与完成研究课题30多项，发表论文120余篇，授权国家发明专利7项、实用新型专利2项。
  荣获国家科技进步二等奖1项，青海省科技进步一等奖1项、二等奖1项、三等奖1项。
 发现生物矿物元素“饥饿效应”现象，提出生物矿物元素“饥饿效应”理论。

矿物元素饥饿与蓄积在生物体内和谐并存着，生物体内矿物元素因饥饿而蓄积，为生物体的生命活动及时补给矿物元素营养。本书分为三部分：第一部分主要介绍生物矿物元素的概念及国内外应用研究的现状，说明生物矿物元素是生命活动必需的营养成分；第二部分通过一些典型的生物矿物元素蓄积分异性特征的介绍，引入生物矿物元素蓄积的概念；第三部分在对生物矿物元素饥饿效应现象进行定义的基础上，提出生物矿物元素饥饿效应假说，探讨矿物元素蓄积与饥饿之间的关系，以及矿物元素饥饿效应假说在新药研发中的初步应用，发现广义生物矿物元素饥饿效应现象，并就矿物元素蓄积与饥饿效应对生物适应与进化的影响进行初步分析。
本书可供微量元素与健康、草地资源与生态，以及矿物类新药研发、农业土壤与微量元素、生物矿物元素营养等专业师生、研究人员参考使用。

1 生物矿物元素概述1
1.1　生物矿物元素 2
1.2　植物体中的矿物元素 8
1.2.1　植物对矿物元素的吸收 9
1.2.2　植物对矿物元素的运输和分配 10
1.2.3　植物必需矿物元素的部分功能 10
1.3　人体中的矿物元素 12
1.3.1　人体中矿物元素的吸收 15
1.3.2　人体中矿物元素转运、转化与分布 17
1.3.3　人体中矿物元素的排泄 18
1.3.4　人体中矿物元素的代谢调节 18
1.3.5　人体中矿物元素的主要功能 19
1.4　传统中医药学中的矿物元素 20
1.4.1　矿物元素与中医理论 21
1.4.2　矿物元素与中医临床的关系 22
1.4.3　矿物元素与道地中药材及中药材鉴定 22
1.5　矿物类中药与矿物元素 24
1.5.1　矿物类中药的分类 24
1.5.2　矿物类中药的炮制加工 25
1.5.3　矿物类中药的药理学作用与其临床医学中的运用 25
1.5.4　藏民族医药中的矿物类中药 27
1.6　临床医学中的矿物元素 28
1.7　农业中的矿物元素 32
1.8　矿物元素地理学分布与地方病 34
1.8.1　矿物元素硒与克山病和大骨节病 35
1.8.2　矿物元素碘与地方性甲状腺肿 36
1.8.3　矿物元素氟与龋病 38
1.9　矿物元素的生物地球化学循环 39
1.9.1　草-地界面间矿物元素的传递与生物地球化学循环 40
1.9.2　草-畜之间矿物元素的传递与生物地球化学循环 42
1.10　元素平衡医学 44
1.11　生物矿物元素间的协同和拮抗作用 48

2 生物矿物元素的蓄积50
2.1　指示性植物中矿物元素的蓄积 52
2.2　超积累植物中矿物元素的蓄积 57
2.3　金属矿区人体中矿物元素的蓄积 67
2.3.1　镉在人体中的蓄积 67
2.3.2　汞在人体中的蓄积 68
2.3.3　铅在人体中的蓄积 69
2.3.4　砷在人体中的蓄积 69
2.3.5　铜在人体中的蓄积 70
2.3.6　锌在人体中的蓄积 70
2.4　退化草地中矿物元素的蓄积 71
2.4.1　退化草地植物中矿物元素的蓄积 71
2.4.2　退化草地植被中矿物元素的蓄积 73
2.4.3　退化草地土壤中矿物元素的蓄积 74
2.5　矿物元素对草地演替的响应 76
2.5.1　天然草地植物中矿物元素与株高间的负相关性 76
2.5.2　退化与封育草地中矿物元素与植物株高间的负相关性 78
2.5.3　草地矿物元素空间分布格局 79
2.5.4　草地矿物元素的时间分布格局 84
2.5.5　草地矿物元素对草地演替的响应 86
2.5.6　植物细胞中矿物元素的蓄积 88

3 生物矿物元素的饥饿效应90
3.1　生物矿物元素的饥饿效应现象 91
3.1.1　天然草地植物中矿物元素饥饿效应 94
3.1.2　草地矿物元素空间分布格局中的饥饿效应 95
3.1.3　草地演替进程中矿物元素的饥饿效应 96
3.2　生物矿物元素饥饿效应假说 96
3.2.1　矿物元素饥饿效应假说 96
3.2.2　生物矿物元素饥饿与蓄积的定义 97
3.2.3　生物矿物元素饥饿与蓄积间的关系 98
3.2.4　草地矿物元素蓄积与含量之间的数学关系 98
3.2.5　生物矿物元素饥饿效应假说的几个应用 99
3.3　生物矿物元素饥饿效应的试验检验 101
3.3.1　作物种植试验中的矿物元素饥饿效应 101
3.3.2　盆栽作物试验中的矿物元素 104
3.3.3　盆栽牧草试验中的矿物元素饥饿效应 107
3.3.4　人工草地中的矿物元素饥饿效应 125
3.3.5　草地演替进程中矿物元素蓄积的动力学机制初探 128
3.4　实验动物体内的矿物元素蓄积性与饥饿效应 136
3.4.1　实验动物心脏组织中矿物元素蓄积性与饥饿效应 137
3.4.2　实验动物肝脏和肾脏组织中矿物元素的蓄积与饥饿效应 138
3.4.3　实验动物血液中矿物元素的蓄积与饥饿效应 140
3.5　生物矿物元素饥饿效应与新药研发 142
3.5.1　高原人群中矿物元素铁的蓄积 142
3.5.2　硫酸亚铁抗缺氧实验 144
3.5.3　传统藏民族医药与生物矿物元素饥饿效应 152
3.6　广义生物矿物元素饥饿效应 156
3.6.1　盆栽牧草对土壤中矿物元素的影响 157
3.6.2　水分对草地土壤中矿物元素的影响 159
3.7　矿物元素与生物进化 162
3.7.1　矿物元素与草地演替 163
3.7.2　矿物元素与生物进化关系 164
3.7.3　矿物元素与地球地质活动 167

参考文献 173

跋 178