地球化学研究与人类疾病

杨建业 程焕全 秦身钧 卢海 张霖琳 邵渊

摘 要：元素地球化學行为统计上周期性变化的规律研究，衍生出“大凡一切元素的化学行为统计量必呈周期性变化趋势”的科学猜想。用地球化学研究方法，对已发表的各类肺癌、癌旁和正常组织的几十种元素含量的算术平均值数据进行了计算机处理，结果证实了关于元素任意生物-地球化学行为在统计上必定会出现周期性变化的普遍规律，周期性变化趋势尽管有偏差，但和门捷列夫元素周期律基本吻合。研究表明该方法可成功地区分出元素生物地球化学周期性行为-第一电离能型和元素生物地球化学周期性行为-离子型两类元素，后一种类型元素与肺癌关联度较大，在肺组织中的迁移、分布、赋存方式与肺癌的发生有密切的病理学关系。按照系统论的观点，用表征元素生物地球化学行为的重要参数-相似度，和Ni+Cu+Pb/Fe+Zn构建的协变图，成功地划分出肺癌、癌旁和正常组织元素分布的区域。

关键词：肺癌;元素生物化学行为周期性变化;元素生物地球化学周期性行为-第一电离能型元素;元素生物地球化学周期性行为-离子型元素

中图分类号：

P 595;P 632+.4

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2020）06-01031-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0613开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Geochemical methods and disease research

——A case study the relationship between lung cancer and periodic

changes in elemental biogeochemical behavior

YANG Jian-ye1，CHENG Huan-quan1，QIN Shen-jun2，LU Hai 1，ZHANG Lin-lin3，SHAO Yuan4

（1.

College of Materials Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China

2.School of Earth Science and Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China;

3.China National Environmental Monitoring Centre，Beijing 100012，China;

4.First Affiliated Hospital of Xian Jiaotong University，Xian 710061，China）

Abstract：The scientific guess that all of the statistical quantities of chemical behavior of the elements present the periodic change trend are derived from the study on the periodic change law of geochemical behavior of the elements in statistics.By geochemical research methods，previous studies identified the contents of dozens of elements found in various types of carcinomatous，pericarcinomatous，and benign lung tissues.In processing published data in the form of arithmetic means using computers，the  assumption that random biochemical behaviors of elements would present periodic changes statistically was verified to be true.Although some trend deviations were observed，these periodic changes are basically consistent with the changes in the Mendeleev periodic law of elements.On this basis，this study successfully differentiated two types of elements according to the periodic behaviors of their biochemical activities： elements with first ionization energy and those with ionic charges.It is proposed that the association of the latter type of elements with lung carcinoma be greater and its pathological relationship with migration，distribution，mode，and actual occurrence of carcinoma be closer in lung tissues.The system theory perspective was used to characterize important parameters of the elements biochemical behaviors in terms of similarities，and the covariation map was constructed using Ni+Cu+Pb/Fe+Zn，

resulting in a successful demarcation of areas distributed with elements of cancerous，paracancerous，and normal lung tissues.

Key words： lung cancer;periodic changes of biochemical behavior of elements;periodic biogeochemical behaviors of elements with first ionization energy;periodic biogeochemical behaviors of elements with ionic charges

0 引 言

自然界各类物质均由化学元素构成，作为有机生物体的人类当然也不例外。截止至1996年，人体中可检测的元素已达60余种[1]，囊括了自然界绝大部分可计量的化学元素。人体各个器官中的元素丰度大小和分布方式与相应部位的肿瘤发生、发展以及治疗有关联[2]。熊依杰等用原子光谱分析，测出肺癌和癌旁组织中55个元素丰度[3];张霖琳等研究了肺癌、癌旁和正常组织中33

种元素的分布特征[4];曾静等对北京等四座城市正常人肺组织的56个元素进行了定量分析和比较研究[5]。

纵览前人研究，一是着眼于肺癌組织、正常肺组织以及癌旁组织之间的元素丰度比较，指出癌与非癌的区别，如熊依杰比较17对癌组织和癌旁组织元素含量差异，认为P，Mg，K，Zn，Cu，Se，Rb和Ge等8种元素在癌组织中的含量显著高于癌旁组织[3];二是通过一些元素的比值探讨癌与非癌的区别，例如张颖、张霖琳等认为，由于肿瘤细胞表面铜蓝蛋白分解上升导致血清Cu升高，而Cu吸收水平的增加会抑制Zn吸收，导致血清Zn降低，因此肺癌组织中的Cu/Zn要比癌旁组织和正常组织高[4-6]。

前人关于肺癌组织与正常组织在元素方面的研究虽然取得了一定的成果，但思路和方法上具有较大的局限性。元素在生物系统中的分布存在着“时空”上的巨大差异。所谓“时空”差异，就“时间”而言，指的是年龄、世代等差异;就“空间”而言，则是地域、基因、人种、血统等差异。例如，人血清Cu含量在血型与性别上就有明显差异;全血Cu含量种族间差异更为显著。此外人体各个器官中有几十种微量元素，目前限于种种条件虽不清楚它们的生物功能，但并不等于这些元素就与生命活动无关[7-9]。因此，仅考虑单一的某种元素含量乃至于用一两种元素的比值以反映元素在人体某个器官的分布健康与否是远远不够的。应将现有条件下所有可测的几十种元素在生命活动或病理学过程中对相互间的协同、拮抗作用的影响一并考虑进去，才是研究生物地球化学的根本意义。尽管这种影响十分复杂，探索起来也很艰难，但也并非毫无规律可循。

以往研究煤中元素地球化学行为时，曾发现一切可量化的元素地球化学行为在统计上均呈周期性变化的趋势，而此种趋势又恰好和门捷列夫元素周期律契合[10-15]。由于地质过程中内外因素的交互作用十分复杂，在实际地质过程中，统计上也会出现一定的偏差。这种偏差可定量求出，并具有一定的地质科学意义[15]。此种规律也适用于其它任何涉及到多种元素交互作用的学科，譬如生物化学、医学化学。

尽管前人也曾就生物体内元素与元素周期律的关系进行探讨，如文献[1，16]是通过实验，总结了对某类生物真核细胞生长分裂有促进或抑制作用的元素在周期表的分布区域以及在周期表纵横向上的变化规律，从而归纳出生物必须元素、有毒元素等在周期表中的位置;文献[7-9]更多指出的是生物圈内地壳、海水、植物、人等几十种元素丰度变化趋势的“内外一致，天人合一”，从而体现出一种所谓生命的“周期性变化节律”。一切可量化的元素生物地球化学行为（不止是元素的生物地球化学行为，例如，如果是地学领域，则为元素的地球化学行为等等）其变化趋势，在统计上必定符合元素周期律。这种周期性变化可用数字图像的方式直观地表征。既然强调的是“统计上”，当然也会出现一定的偏差，而造成的这种偏差一旦可以定量求出，就能结合所研究的对象很快确定其科学意义。

1 数据来源和处理模型

本次研究所采用的肺癌组织、癌旁组织和正常组织的元素含量数据均来自于前人分析的结果。云南省肿瘤医院[4]的样本对14例确诊肺癌的人获取肺组织、癌旁组织和正常组织的33种元素进行测定;对17例肺癌患者手术切除后癌组织和癌旁组织进行了55个元素分析[3]，但缺乏正常组织元素分析。其实验和数据获取的方法则详见于文献[3-4]。对于文献[3-4]的元素算术平均值数据分别用CI型球粒陨石归一化。表1仅列出文献[4]肺癌组织、癌旁组织和正常组织33个元素的球粒陨石归一化结果以及元素的第一电离能和常见氧化态离子半径等重要参数。将文献[4]元素球粒陨石归一化后，按元素原子序数大小依次排列后与元素自身的第一电离能变化折线进行对比（图1）。

2 结果与讨论

2.1 肺癌等组织元素的周期性变化

如图1所示，肺癌组织、癌旁组织与正常组织的元素球粒陨石归一化后，采用计算机方法[15]，分别筛选出肺癌组织、癌旁组织和正常组织元素球粒陨石归一化的数值与元素第一电离能相关系数置信水平为0.01时都在0.945以上（含0.945）的元素，（实际操作中，为了最大限度地考虑进微量元素的作用，往往范围有所扩大，把置信水平0.01时，与元素第一电离能的相关系数为0.93时也考虑进去）就可绘制出与元素第一电离能变化趋势更为接近的肺癌、癌旁和正常组织元素球粒陨石归一化后图形（图2）。

2.2

各类肺组织元素周期性变化参量的求出及其科学意义

图2不仅可以看出三种肺组织元素生物地球化学行为周期性变化趋势的异同处，还可以仿照文献[14]的方法求出一些有用参量，如元素的生物化学性为周期性变化的相似度等。求出的参量详见表2.图1结合图2，可知肺癌组织、癌旁组织和正常组织的元素周期性变化的相似度分别为24.24%，33.33%和27.27%，这些元素无论是在肺癌组织中还是在癌旁组织、正常组织中种类差别不大。从电子构型上看，主要集中在第四周期第五周期的ⅢB-ⅥB族中，个别出现在ⅢA-ⅤA甚至f区的锕系元素中;从元素及其离子的软硬酸角度看，它们多为硬酸，个别呈硬碱或边界酸态。球粒陨石归一化后，均与其第一电离能呈良好的正相关。（图略）暗示这些元素在本研究中，其生物化学行为可能多以化合化分为主。本文称之为元素生物地球化学周期性行为-第一电离能型元素。

从肺癌组织→癌旁组织→正常组织，上述元素中原子序数为偶数的元素占比分别为50%，63.64%和66.66%，似有依次增加之势。

如果这些肺癌、癌旁和正常组织元素球粒陨归一化后，用于对比的元素内部结构参数不是第一电离能，而是常见氧化态离子半径，我们也能做出类似于图1、图2的图形。换一种方式表述可能更为直观，如用二次多项式回归方程的方式（线性回归或其它函数回归的方式亦可，研究发现二次多项式回归所得到的拟合优度最好）来表示筛选出来的元素球粒陨石归一化后与其常见氧化态离子半径的关系（图3），发现它们均与其常见的氧化态离子半径呈显著的二次多项式正相关。

仔细观察这些与离子半径相关性很好的元素球粒陨石归一化后，（见表2，称之为元素生物化学周期性行为-离子型元素）发现无论从电子构型上，还是从软硬酸碱分类的角度看，尽管呈现多样化态势——就电子构型而言，就有包括s区的ⅠA主族元素、d区的ⅢB-ⅧB元素、ds区的ⅠB，ⅡB元素和f区锕系元素——但还是以过渡族副族元素为主，只不过横向上扩展到ⅧB，ⅠB和ⅡB副族，纵向上已扩展到第六周期。从软硬酸碱的角度看，除了硬酸外，边界酸、碱类元素都有所增加。它们大多被认为是生命所必须的微量元素[1]。文献[4]认为它们中的许多元素既可致癌，也可抗癌，究竟是致癌还是抗癌，可能取决于这些金属元素离子的剂量和作用机理。

张霖琳等对上述各类肺组织元素含量研究认为：B，V，Fe，Zn，Ga，Cd和Bi七种元素在肺癌组织中含量低于癌旁组织和正常组织，而Ni，Cu，Se，Rb和Pb等5种元素则高于癌旁和正常组织[4]。上述“异常元素”的生物化学周期性行为-离子型元素中占比较高。如在肺癌组织中占44.44%，在癌旁组织中占42.11%，在正常组织中则占38.89%，似有依次降低的趋势。而依据熊依杰数据处理的结果，肺癌组织中占52.38%，癌旁组织中也是52.38%，没有变化。这个结果可能暗示着包括致癌元素在内的“异常元素”在肺组织活动中以溶液离子反应的形式出现居多，如络合物形式、复分解等等。因为这些“异常元素”在元素生物化学周期性行为-第一电离能型元素中几乎没有或是占比很小。（见表2，张霖琳数据处理的结果，其中没有“致癌元素”，只有癌组织偏低于癌旁和正常组织的元素，它们分别在癌、癌旁和正常组织中占37.5%，27.27%和33.33%;熊依杰数据处理结果有“致癌元素”，但占比很小，“致癌元素”和癌组织低于癌旁组织的元素合并起来的“异常元素”，才在癌和癌旁组织分别占17.39%和20.00%）或许还可间接地暗示一些肺癌发病的生物化学机理。当这类元素占比和剂量超过一定范围，就可能由此致癌。

从表2中还可看到，某些元素归属于元素生物地球化学周期性行为-第一电离能型元素，但在元素生物地球化学周期性行为-离子型元素中也可以出现，如Li，Ti，V等都是这类元素。也可能说明着某些元素在生物组织中赋存、分布、迁移等方面复杂多元，因此其生物化学功能往往并不单一，同一元素究竟是有益（抗癌）还是有毒（致癌），很可能就与其具有不同的赋存、分布和迁移形态以及剂量（含量）有关。

2.3 元素的系统性和生命系统性的交集

至2012年，自然界的化学元素已达118种，它们所构成的各种无机化合物和单质形成一个庞大复杂的无机自然体系。当然还有另一个可能更为庞大复杂的有机自然体系——生命体系;它们彼此既开放交互作用又相对独立自成一体。从系统论观点看，以118种元素为代表的无机自然体系尽管复杂多元，但也并非无规律可循，这个规律就是前人所发现的元素周期律，或者说作者近年所发现的元素各类化学行为（如地球化学行为、天体化学行为、生物化学行为或生物地球化学行为等等）统计上的周期性变化规律（趋势）。对生命系统而言，仅仅考虑少数元素的作用是不够的，把元素单纯地划分为有益和有害、营养和有毒元素，虽有一定的实用意义，但它限制了对生命元素的全面理解和深入探索[7-8]。正确的做法应是将元素的系统效应与单个元素（或某些元素组合、比值等）作用结合起来研究，才可能产生更具普适性的科学意义和应用价值，它应该是元素在所有人群中（无论年龄、性别、血统、种族……等等）的最大公约数。

基于上述考虑，将对文献[3-4]研究所获得的元素生物地球化学行为周期性变化的重要参数——相似度，和通过Logistic回归提示的Fe和Zn是肺癌发生的保护因素，Ni、Cu和Pb是肺癌发生的危险因素这一有益的研究成果结合起来[4]，绘制出元素生物地球化学行为周期性变化规律的相似度-Ni+Cu+Pb/Fe+Zn协变图图版，成功地在图版上划分出肺癌组织-癌旁组织-正常组织分布的区域。可以预期，如果能获得更多的样本，其各类肺癌、癌旁和正常组织的数据点均会落在其相应的区域中（图4）。

3 结 论

1）使用地球化学方法研究肺癌一类的疾病，并证实了以往的猜想，即元素的生物化学行为应和地球化学行为一样，必定呈周期性变化趋势，且这个周期性变化趋势恰好和元素周期律一致，可以看成是元素周期律在生物-地球化学中的一种特殊表现形式。

2）导致肺癌与非癌组织元素含量变异的“危险元素”或“异常元素”多集中在生物元素地球化学行为周期性变化-离子型元素中，提示着肺癌发生与这些元素的剂量以及其生物离子反应或离子运移形态（如絡合物形态）有密切的关系。

3）基于系统论的观点，在元素生物地球化学行为周期性变化所获得的重要参数——相似度和致癌元素与抑癌元素比值构成的协变图中，成功地用元素分析方法，划分出肺癌组织、癌旁组织和正常组织不同的落点区域。

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