在上节已介绍了必需元素和有毒元素的部分功能和作用，人们自然会问及为什么生物体和人选择了这些特定的微量元素作为自身不可分割的一部分。今天自然界中的一切生命是历史演化的结果，也是未来生命的开始。正是由于生命产生于自然又适应于自然，这才导致两者之间存在和谐、密切的联系。生物体不断完善自我的本领令人叹为神奇，它的滋生繁殖形态各异，构成了大千世界；它在不断创新中推出了最高的成果，作为万物之灵的人类。地球上的生命现象五彩缤纷和无处不有，过去，引起骚人墨客的赞美歌颂；现在，面对能源、资源、环境问题的挑战，人类需要向大自然的生命现象学习，深入研究生命的基本功能，从而掌握感知、思维和衰老机制等等的规律，把地球建设成为人与自然互相依赖共存共荣的家园。元素是组成物质世界包括生物体和人的基础，正是由于对元素进行了精美的、灵巧的选择，我们才有繁荣的今天和更加美好的明天。
导航宝图
元素选择是以门捷列夫周期律为基础的，据此制定的元素周期表是生物体包括人体进行微量元素选择的导航宝图。为了领会微量元素的选择规律，对周期律的发现作一扼要回顾和对周期表的发展作一简明介绍，也许是有益的。
任何科学的发展皆是自零星的演变成系统的。在化学的系统化过程中，周期律的发现是一块最重要的里程碑。它不仅总结了前人的工作，将许多似乎莫不相干的事实用一个共同的规律联系起来，而且更重要的是指出了发展方向，提出了许多宝贵的预言并得到光辉的证实。这样，就使化学乃至整个自然科学研究有正确路线可循，大大减少盲目性。马克思主义经典理论家们高度评价这一发现，认为这是“科学上的一个勋业”，“元素周期律清楚地表明，由量变而发生到质变在自然发展史中有多么大的意义。”虽然1906年门捷列夫以一票之差未能获得诺贝尔奖，但迄今100余年来，整个自然科学界无不推崇周期律的伟大贡献。
19世纪是元素发现热的年代，到60年代已发现了60多种元素，有的元素闪闪发光，有的元素乌黑透亮，有的在空气中点燃会发出耀眼的白光，化为灰烬，有的遇水会猛烈爆炸……虽然，表面上看，这些元素好像各不相关，但研究者们仍在顽强地探索它们的内在联系。1829年发现了“三元素组”即若比较3种性质相似的元素如锂（Li）、钠（Na）、钾（K），钙（Ca）、锶（Sr）、钡（Ba）等，当中那种元素的原子量及某些物理性质（如熔点、沸点）常常约是前后两种元素的中值。这个有趣的事实提示各元素间必有关系。稍后，“三元素组”被发展成“自然系”，即性质相近的元素如氟（F）、氯（CI）、溴（Br）、碘（I），氮（N）、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）等皆自成一系。1858年，意大利学者康尼查罗修正了他的同胞阿伏加德罗的理论，指出了测定原子量的正确方法，自此，这个数据比较可靠了。1862年法国学者德·凯科托意斯根据各元素的原子量将其排成一个螺旋形，使性质相似的元素落在一条直线上，在化学史上首次提出了元素周期性的思想。可惜，由于这种排列方式有些牵强，未能得到科学界的重视，这一宝贵的科学思想被遗忘了。科学家们犯了一个错误：把可爱的小孩连同洗澡的脏水一起泼掉了。
这个重大发现面世之前还有一次巨大的阵痛。1864年欧洲大陆海峡的那一边，英国化学家纽兰兹指出，若将元素按原子量排列，最初7个性质各不相同，但是第八个的性质和第一个相似，第九个和第二个相似……这种“七日来复”的现象，纽兰兹名之为“八音律”。由于当时还有许多元素未发现，还缺乏公认的原子量及许多的物理数据，他未能将此种排列方式推广到当时的所有元素；也由于忙于工业化的英国化学界对此类理论探讨，持鄙视态度。所以当纽兰兹宣读论文时，有人认为无论将元素如何排列，总免不了有些巧合，而按上帝安排的“七日一来复”，也许就是神的旨意；有人甚至问他曾否按照元素名字的第一个字母排列一番，看看有何结果。他的这篇论文为皇家学会拒绝，未能在英国化学会志发表。经过此次打击，纽兰兹放弃了化学研究而去制糖了。就这样，他与一项伟大的发现失之交臂了！也许只要再坚持一下成功也就属于他了。
科学的进步是不可阻挡的。也许是元素周期律实在是呼之欲出，也许是英雄所见略同，在纽兰兹受打击之后不久，德国的迈耶和俄国的门捷列夫自不同的角度出发得到极其相近的结论。迈耶主要着眼元素的物理性质，如密度，熔、沸点等；门氏则除了物理性质之外，更注意化学性质，如原子价、化合物的类型等。究竟以什么参数作为元素分类的基础，是门捷列夫苦心琢磨的问题。他查阅了当时所能读到的化学文献，搜集了大量实验数据，把它们一一记在厚纸板切成的方形卡片上，按元素分类排队。功夫不负有心人，门捷列夫终于找到了一种不受外界条件影响的，为元素自身特有的性质，即原子量作为基准。他在自己的经典论文中指出：元素的性质是原子量大小的周期函数；他还根据原子量及性质将元素列成表。前者为元素周期律；后者是前者的具体体现，为元素周期表。因为门氏研究得特别深入，以及后来为他预言的很多元素被发现，这些说服了当时的化学家，故后世将此结论称为门捷列夫周期律。而周期表则有很大发展。
周期表是科学史中第一等重要的文件。在门捷列夫那个时代，所知的元素才63种。当他按照原子量排列时，和纽兰兹及迈耶一样，也发现周期性不大好，这的确是一个难题。数据必须是可靠的，规律是不能硬凑的，怎样解决这个难题呢？门捷列夫表现了巨大的智慧，其见识超过了他的同时代人。他不拘泥于现有事实，断定有些元素还未发现，而且在已发现的元素中，有的原子量还是错的。他在他的周期表里留出很多空格，每个空格代表一种未发现的元素。并且推算出这种未知元素的原子量，预言它的性质和可能发现的途径；他没有机械地完全按照当时的原子量数据排列，当他发现元素的原子量与它在周期表里的位置不相符合的时候，就根据元素的其他性质综合考虑，按周期律的要求大胆地修正了原子量。这样，他就得到一个与现代所公认的很相近的门捷列夫元素周期表。把天下大乱的化学元素关系理顺，成为各有关研究领域特别是后来微量元素研究的指路明灯。
就我们的微量元素研究课题而言，讨论到这里也就够了。但往下的研究涉及元素起源这样的世界四大起源问题之一（另3个分别为宇宙起源、生命起源、人类起源），蛮有趣的，故再说几句。自从周期律为世所公认以来，周期表屡经改进，形式纷繁，至20世纪60年代，主要出现了“短表”（基本上和门氏的原表相同，只是补充了新发现的元素）、“长表”（就是现在教科书中用的）和“金字塔表”（按电子结构排列）3种。20世纪80年代初，为了回答科学界内已存在的“何处是尽头”的问题，探讨周期表的远景，根据原子核模型的新理论及现代周期表的逻辑体系，设计了“超长式”未来元素周期表，推断出有9个周期218种元素。以“幻数”理论为代表，指出具有2、8、14、28、50、82、114、126、184等这些“幻数”的质子或中子，能形成比较稳定的原子核；以美国化学家霍夫曼为代表认为，化学元素的原子核不会无限地复杂化，也不会无限地生成，而是存在“稳定性界限”。达到一定程度后，超重核生成的同时又崩溃了而生成简单元素。这就提示了元素是在核反应中生成的，而恒星演化的核爆炸是元素诞生的“摇篮”。
黄金法则
门捷列夫元素周期表提供了观察生物体和人类选择生物元素特别是微量元素的重要工具。为什么有些元素会有幸成为生物元素呢？生物和人类都是经过漫长的进化过程逐渐形成的，有充分的科学根据认为生物的初期进化是在海洋中进行的。在原始海洋形成之后，大陆表面的化学元素不断进入，带来了巨大的化学作用活性和潜力，宽阔无垠的海洋热闹地反应着，成了生命的摇篮。生命出现之前的地球大气层是还原性的，含有CO2、CO、CH4、NH3、H2S、H2等，它们溶解入海洋，使海水也带有还原性。在阳光作用下，氨基酸产生了；在镁、锌的催化中，蛋白质形成了。于是生命出世了。在生物演化过程中，它们怎样选择元素作为自己的构件呢？
首先，生物体选择自然界中存在较丰富的元素。海洋是人类的故乡，因而人体内的常量元素都是海水中最丰富的元素。大多数动物选择钙的碳酸盐或磷酸盐作为构成骨骼的材料，正是利用了这两种盐的难溶性以及较高的钙丰度。
在酶所依赖的金属中，常见的是铁、钼、铜、锌，它们在海水中都有一定的浓度并可被利用。这就是所谓丰度原则。对它的较深入探究，稍后还要讨论。
其次是基本适宜性。生物体以某种金属元素组成氧化还原酶时，即利用了金属离子对氧化还原反应的催化作用。这与其价电子数、最佳配位数、配体和氧化还原系统的电位都有关。这个规则从化学热力学上阐明某元素的简单化合物是否适宜某种功能，从而进入复杂的生物体。
第三是有效性和特异性。被选用的元素需与生物大分子结合成某种特定形式以完成自己的功能，离开这种特定的大分子络合物，元素就不能发挥作用。例如，血红蛋白的生物功能是在血液里结合氧分子并适时地释放它，这是依靠了大分子中的Fe2+离子之故。如果没有特殊蛋白质与之结合，Fe2+离子遇到氧分子时只会被氧化，不能可逆地结合和释放氧。选择铁作为人体的氧载体，血红蛋白的活性金属的这种特异功能与此蛋白的演化有关，这一特定结构保证了它的活性或有效性，另一些生物选择铜或钒而不是铁，则是由于各种生物大分子的演化不同之故。
现在我们回到周期表。将生物按照上述黄金法则选择的元素在导航宝图上标出，就得到如下的生物体内生物元素图谱。
为了科学考察生物体特别是人体中的元素组成，英国地球化学家哈密尔顿在1979年发表了重要论文“人体组织中的金属元素和环境因素的关系”，介绍了他的研究组从20世纪60年代以来，用当时最新的火花源质谱法测定了220例英国人体组织中从氢到铀的各种元素的含量，获得了上万个数据。一位优秀的科学者首先应该在积累事实上下功夫，但他不应当成为事实的保管人，而要成为事实的分析者，力求探索支配事实的规律和奥秘。哈密尔顿是一个训练有素的科学家，他工作起来非常认真。当他把人体各组织（如肝、肾、心脏、脑、脾、尿、肌肉及血液等）中的微量元素含量与人类从古到今的生活环境（如海洋、大气、土壤、岩石及各种食物）中的元素分布对比时，观察到人体血液中60多种化学元素的平均含量与地壳元素的分布明显有关。除人体原生质的主要成分元素碳、氢、氧、氮以及地壳中的主要成分元素硅以外，其他元素在人体与地壳中的分布趋势是一致的，即两者的丰度曲线相当吻合，也就是说，它们的相关性好。这个关系被称为丰度效应。这是首次对人体微量元素进行系统的宏观研究得到的重要结果。
对这个丰度效应还有些不好理解。人类是从海洋里出来的，怎么会和地壳也就是和土壤及岩石去相关呢？不错，海洋孕育了生命，但人类离开自己的诞生地（海洋）已经很久了。严格有序的遗传基因把生物的化学组成一代一代传地下来。人的体液组成仍和原始海水相似。我们的先民从海洋中出来后进入森林里，后来又从树上下来，长久地生活在陆地上。当人在地球上转移时，就会出现一些不适的生理反应，叫做“水土不服”。在克服这种病变的过程中，人类就要调整自己吸收微量元素的功能，来适应大地母亲的怀抱。而血液以其不息的流动，澎湃的活力，直接吸收了扎根于大地的粮食、果蔬和其他动、植物中的微量元素，由消化道转运，从而和土壤、岩石联系起来。
