根据理论推测,按目前全球氧气的生产速率,大约需要几百万年就可以将海洋里的每一个水分子分解一遍,而在汉斯·莫尔( Hans mohr)和彼得·朔普费尔( Peter schopfer)合著的《植物生理学》( Plant physiology)中他们曾测算,自4亿年前陆生植物进化出森林以来,它们的光合作用就相当于将所有地表水分解了60遍。
从地质学的角度来讲,你所使用的大多数水和氧气都是比较年轻的,它们的年龄普遍只有几个世纪或数千年,而非数百万年。因此,尽管我们和恐龙呼吸同样的空气、喝同样的水的想法很酷,但在很大程度上这并非事实。
产生于空气与岩石之间的植物绿火,十倍以上地加速了地貌风化。2008年,地质学家菲利普·阿伦( Philip a1len)在《自然》发表了一篇文章,描述了陆地风化的惊人变化。每年都有超过200亿吨的岩石碎片被冲入海洋,此外还有几乎等量的矿物质溶于其中。对地貌如此大规模的雕琢,也促使地壳自身产生更大规模的运动。近期《地球系统动力学》刊登的一篇文章中,有德国科学家认为,树根与真菌正在将大陆板块磨得更碎,地壳的封闭重量与隔绝性都在不断下降,作为反应,地球的熔融地幔也会更加强力地爆发。如果这一假说正确的话,那么陆地将会漂浮、碰撞、地震，这都是因为上面载着树木和蘑菇。
前言 原子的你
第1章 生命之火——氧
从地质学的角度来讲,你所使用的大多数水和氧气都是比较年轻的,它们的年龄普遍只有几个世纪或数千年,而非数百万年。因此,尽管我们和恐龙呼吸同样的空气、喝同样的水的想法很酷,但在很大程度上这并非事实。
当从很远的距离观察时,天空就好像是一层极薄的薄膜,其中的大多数分子都被挤在仅有10英里(16千米)厚的薄层中,而地球的直径却有将近8000英里(1.27万千米)。在海拔零点处1立方码(0.76立方米)的空间里,含有数以兆亿计的原子,但仅仅在一层雾状的“皮肤”以外,便是太阳系中的相对真空,在这里如果你要尝试呼吸的话—当然不会成功—你的肺每次只能吸入可怜的几粒原子。
基林和他的同事史蒂芬·谢茨( Stephen hertz)揭示,植物和各类浮游生物产生的氧气,会在两个月内遍布半个地球,而遍布整个地球也只需一年多一点的时间。
你每一次的呼吸中,有1到15个原子是提出问题的那个人(达·芬奇)曾经呼吸过的。为了继续这个研究,首先一个必要的数据就是大气的总质量,也就是由凯文·特伦伯斯( Kevin trenberth)和莱斯利·史密斯( Lesley smith)在2005年估算的5000万亿吨。这也就意味着一共有大约10的44次方个原子存在于空气中,其中1/5是氧原子。
如果再考虑与海洋之间的气体交换、肺部的平均体积以及人类的平均呼吸频率等,你每次的呼吸也就很可能接近1到15个“列奥纳多原子”这范围,从而得出同样的基本结论:同一个世界,同一个大气。不过要想让你的计算结果更加精确,你还需要挑选更合适的气体才行。
举例来说,1到15的估算结果并不适用于氧气,因为这种气体不够稳定,不会在空气中存在这么久。细胞、森林大火、闪电以及太空辐射迟早都会将其撕碎,并转化为水或其他化合物。
更有助于用来解释空气循环的气体应该是不会被生物体产生或消耗的。美国天文学家哈罗·沙普利( Harlow shapley)采用氩气作为计算对象,这也是被广为采用的选择。
氩气在大气中广泛存在,尽管它只在总量中占了不到1%。
关键的发现
氧的人体之旅
地球的“呼吸”
人与植物间的氧交换
你的氧诞生于远古的恒星爆炸
氧在空间和时间里的循环
第2章 原子之舞——氢
绚丽的舞姿——布朗运动的发现
因热而舞
人与环境之间的氢交换
数以千计的对世界各地水资源的同位素分析已展开,尤其是北美及欧洲地区,详细的分布图可以帮助我们去比对特定区域人群的头发、指甲与骨骼含氘量。
犹他大学的生态学家詹姆斯·伊尔林格( James ehleringer)和他的团队一起,分析了大量人类毛发中氘氢比之间的微弱差异,发现通过喝水、喝咖啡或是喝本地牛奶等途径,地下水中的原子会成为人体内稳定的部分,这一成果的论文发表在《美国国家科学院院刊》上。相比于空气交换,地下水中的原子转化为身体水分或更稳定的固体结构是一个缓慢的过程,例如毛囊需要一周的时间才能将环境中的氢原子沉积到正在生长的发根,不过这个过程一旦发生便是永久的。
你身体中固体部分氘同位素的丰度反映了你所喝水的同位素构成,从而又进一步反映了水源地的气候状况。在上述论文中,全美氘“同位素地图”署用不同颜色来展现丰度,代表高丰度值的明亮橙红色覆盖了温暖的得克萨斯,并渐变到代表低丰度值的深蓝色,覆盖的位置则是那些潮湿阴冷的西北各州。
水分子的人体之旅
原子传承的三个案例
氢——生命的始祖
第3章 创造与毁灭 ——铁
铁的非凡特性
如今,从计算机到风力涡轮机到混合动力汽车的发动机,磁性金属有着广泛的应用,并且现代的新型超磁体,利用金属钕这类非常重的稀土元素,将铁的电子排列进行统一与稳定。这就让磁铁可以变得更小,适合用于制造iPod及耳机等电子设备;也可制造大体积的设备,如丰田普锐斯的电动马达与电池,就大概含有2磅(0.9千克)的钕。
如今,作为全球最大的稀土元素供应商,中国再一次扮演了传播磁技术的重要角色。
同样的重量下,钕磁体的磁性比起普通的冰箱磁条要强上很多倍。它是市场上最强大的磁体,可以从泡开的加铁麦片中吸出铁,还可以从桌面上吸起美钞，只因为墨水中有一些铁颗粒。
来自恒星的遗产
蓝皮肤的人
铁与血之间的秘密
关于铁的反思
第4章 生命之链——碳
在你的身体里嵌着800亿亿亿颗碳原子。令人难以置信的是,最近出现在你体内的碳原子中,每8个里面就有1个来自于烟囱和排气管。到21世纪末时,燃烧煤炭、石油及天然气会向空气中排放更多的二氧化碳,因此我们后代身体中也会有更多的碳来源于化石能源。这是因为,植物会从空气中吸收二氧化碳,于是我们燃烧化石能源向大气中排放的碳,最终会通过全球的食物链进入我们体内。如果我们继续保持现有速度燃烧化石能源,直到剩余储量全部耗光,那么下一个世纪之后的人类都将成为“废气之子”,他们体内的有机质很大程度上来自我们排放的废气。
当我写下这些文字之时,我周围的空气中大约每百万个分子中有400个是二氧化碳。当我的祖先在18世纪第一次踏上美洲大陆时,他们呼吸的空气中含有的二氧化碳要少一些,每百万个分子里差不多有280个。我们呼吸的这些多出来的二氧化碳,可以归因于过去这两个世纪燃烧的化石燃料。相比丰度高上千倍的氧气而言,这点含量微不足道,但就是这一小部分碳的氧化物却可以让巨大的冰冠融化,扰乱海洋的化学平衡,同样它们在你体内的比例也会增加。
我采访了大气化学家拉尔夫·基林,向他询问关于我们体内来自化石能源的碳的事。他指出,目前我们空气中大约1/4的二氧化碳都与人类活动有着密切的关系,有些是直接相关,有些则是间接相关。“气体总是会在海洋的表面溶解或逸出,”他解释道,“因此海水中的二氧化碳很容易与我们释放到空气中的那部分进行交换。”他估算大气中的CO2含量从280pm上升到400pm的增量由等量的两部分组成:我们排放的废气,以及废气从海水里置换出的分子。这也就意味着现代食物链中新增加的碳有一半——或者说你体内碳元素的1/8——都来自化石能源燃烧排放的二氧化碳,而另一半则来自于海洋中那些被替换出来的流亡分子。
在遥远的过去,小型农场中食物与废物之间的联系对一般人来说都很明显。田地为牛提供干草,牛为人类提供食物,并给田地回馈了肥料。工业文明的兴起以及城市规模的增长,让人们很难再看到他们吃的食物是如何生产的,以及他们的垃圾去了哪里。不过如今一些新的科学发现可以帮助我们弥补认知上的缺口。
没有人是一座孤岛
自然界的流通货币
在生物与非生物之间,有一扇旋转门立于其间。在陆地上,植物从空气中吸取二氧化碳,将它们的原子重新编织成糖类分子,用于搭建细胞结构和储存能量。相关专家估测,每年大约有1200亿吨碳原子会通过植物茎叶完成循环—大约相当于大气中气态碳原子总量的1/6。很多碳原子并没有发生变化,又重新扩散到了空气中。不过就算是那些成为汁液或种子的碳,迟早也都会以CO2废气的形式回到空气中,要么是植物自己来排放,要么是其他以植物为食的生物来排放。
更简单来说就是,大气会变成我们,而我们也会变成大气。我们的细胞将不可见的原子编织到身体里,然后又将它们释放到一个极其富裕又环
环相扣的“生命经济体”,其中的流通货币就是碳。你所吃下去的大多数含碳化合物,都会变成保持身体机能和恒定体温所需的能量,其中只有大约1/10会成为构建身体的材料。在你细胞的“代谢工厂”中,碳原子在食物分子中发生松动,成为二氧化碳后自由飘荡,随呼吸释放。
CO2的穹顶之下
令人震撼的二氧化碳浓度地图
化石燃料是我们深埋在地下的亲戚
比方说,当你抓住一块煤炭时,你在手中握住的这些碳原子,也许是死去很久的树木、草本和苔藓,或是原始沼泽或湿地森林中有机质浓缩而成的精华。这也就是为什么煤炭可以燃烧的根本原因—在原子层面上,它很像是纯化的木柴。经过漫长地质年代的分解,深埋于高温高压的地下,重构之后的植物残存组织只留下环状紧扣的碳原子和一些生命元素,两者比例为9:1。碳原子采用蜂窝形式紧密堆积,曾经棕色或绿色的纤维组织也逐渐变成深黑色的石块。有的时候,原始植物会形成一块幽灵般的平板,保存完好,其中的细节还能让专家鉴定它们的品种。
相比之下,石油是液态的,其中流淌的是一些富含碳原子的分子链。对于石油而言,主要的碳源是海洋浮游生物。陆地上的植物可以用糖或淀粉储能,但这两者会在遇水时发生溶解或膨胀,因此藻类将它们的碳原子构建成不亲水的油滴,相当于人类体内的脂肪。当它们死亡之后,细胞会沉积到海床上,在那里它们被反复挤压熬煮,最终纯化成为可燃的液体。
三大化石燃料的最后一种是天然气,它的迁移能力最强。甲烷分子,是单个碳原子结合了四个氢原子,而丙烷是一条短短的碳链,上面也布满了氢原子。新近被掩埋的植物及浮游生物会滋生细菌并产生天然气,直到不断增加的温度和压力将它们也一并杀死,而留下的天然气则会藏匿在煤炭的缝隙里或油田内部。
介绍上述这些细节,所要表达的重点就是,从原子层面看,化石燃料其实和我们一样,都是生物圈的杰作,主要区别不过是它们的碳原子已经在层层厚重的岩石下被隔绝了数百万年之久。对我们而言,化石能源的碳原子就像是失联很久的亲戚,我们从未听到过有关它们的消息—直到现在。
据推测,深埋地下的化石性碳含量大约是目前碳循环过程中的两倍,也就是说,在漫长的岁月里,一座巨大的有机物仓库在地下矿床上被建立了起来。
薯条在碳基食用油中嘶嘶地冒着气泡。这些食用油一般由玉米、花生或大豆加工而成,货车燃烧着精炼的古海藻(汽油)将它们运输到此,随后的烹饪则是在阿帕拉契亚山脉远古森林(煤炭)提供的能量下完成的当它们被递送到你的手里时,外面包着一层由木浆纤维(纸)制成的袋子,似乎还有点起皱;而要想更好地享受美味,你还需要蘸一些富含碳元素的西红柿果酱(番茄酱)。你手中的可乐正在沙沙作响,它是由微生物排放的废气(天然气)与水蒸气反应而来,这种软饮中的甜味则是来自一种热
带草本植物的茎(甘蔗)。
然后你用什么付账呢?还能是什么!是由阿拉伯沙漠中发掘出的海藻碳(石油)制成的一种弹性薄卡片,然后你就该继续上路了。
用碳13追踪你与世界之间的联系
如果取一根头发送往同位素实验室进行分析,你会发现,相比工业革命前的估测数据,如今的碳13的含量更低,而这一差异也印证了我们给文明社会提供能源的方式。就像今天的植物与浮游生物一样,煤炭、石油和天然气的那部分由光合作用而来的碳,其中的碳13含量比水与空气中的含量低;同时,通过改变大气与海洋之间的平衡,燃烧化石能源排放的气体正在降低地球上所有生物的碳13含量。体内带有碳污染物的想法不仅仅只是一个理论抽象—通过将你失衡的同位素比例与中生代“乌贼”进行对比,你可以证明这一点。
化学家们用重轻同位素比来表示你头发中的碳13含量,并标记为δ13C”,其发音是“德耳塔碳13”,接着根据箭石标准对这个数值进行修正,负值表示碳13的含量比皮迪箭石要低。你可能会发现你的δ13C在-15‰到-25‰之间变化,更精确的数值还取决于你所在的位置以及所吃的食物。
全世界的δ13C数值自从化石燃料开始被使用后都在持续下降。这种迹象随处可见,比如树木的年轮、湖底的层层沉积物或珊瑚形成的精致带状石灰石,当然还有你自己的身体。如果你能测试自己幼年时期头发中的碳13含量,你一定会发现比现在的数值要高——前提当然是你现在还有头发,饮食结构也没有发生巨变。
二氧化碳如果携带较重的碳13同位素,在进入植物及浮游生物的细胞时会更为困难,因此远古森林及海洋的沉积物,其碳13的浓度都比当时的大气中低。当我们燃烧这些化石沉积物时,就如同我们向今天的大气中倾泻了一场轻碳的洪水,最终这种对大气碳池的稀释又会通过供养我们的食物网络发挥它的作用。
第5章 地球之泪——钠
钠为何对动物有神奇的吸引力
物引起,酸味则来自含氢离子的酸性物质,只有咸味源于单一的元素一钠一种来自岩石与土壤的元素。
正是由于植物中缺乏钠元素,很多动物都需要从植物以外的地方寻找钠源,通常是借助对钠敏感的味觉细胞。无论你的盐分来自调味瓶还是半熟的牛排,这在全世界的食物链网络中都是相对比较少见的。对于多数食草动物而言,其食谱中并没有这样多钠的食物;既然植物王国不能供应足够的钠,它们就只好转向地质性来源了。
钠元素让你的汗水和血液变得有味道,并协助你的所思所行,让你能够认知这个世界。如果你的体液中没有足够的钠,那么大多数细胞都会膨胀而死;反之,如果钠的含量太高,细胞则会干瘪,变成微型话梅干。它致使地球上98%的水都不能饮用,但这也因此让它有助于限定在这个被海水覆盖的星球上,哪些物种应该生活在哪些地方。
目前,全球海洋中的含盐量大约有5亿亿吨,如果将它们们全部提取出来,足以在所有陆地表面下一场500英尺(150米)厚的“盐雪”。类似的事情其实也曾小规模地真实发生过,地点就是4亿年前的纽约州中部。
钠与氯，几亿年的爱恋
如果你体内的钠消失了……
如果你将一个红血球细胞放到一滴纯水中,然后在显微镜下进行观察,很快你就会看到它在膨胀,然后像一只充气过头的气球一样炸开。这是因为水分子可以很容易借助“原子之舞”穿过薄薄的细胞膜进入细胞中,但盐的离子却被困在细胞内。水在不断进入,盐分又不能渗出,这样的不平衡就导致了细胞的膨胀。不过,在浓度非常高的盐水中,情况则会相反,红血球会发生萎缩:水分子向外的渗透作用与自外而内的扩散作用不相称,因为钠离子不能穿过这层细胞膜屏障。
细胞中水与盐这种不同步的运动方式可以产生显著的效应。例如,钠离子缺乏会引起红血球膨胀,使之不再能够轻易通过狭窄的毛细血管,由此引起的堵塞会迅速导致全身缺氧,麦克坎斯的那些病人出现嗜睡症状就是这个原因。麦吉所描述的那些令人不适的脱水效应,也可能是由渗透压不平衡所导致的细胞尺寸变化引起的,当然你大可不必去沙漠里亲自走上几天来体验。不过,你也可以通过喝入大量的水,体验细胞尺寸的反方向变化。
你的眼泪则会通过类似过程让你远离感染。泪水中有一种溶菌酶,可以破坏细菌坚硬的细胞壁。当空气中的细菌落到你湿润的眼窝中时,它们的细胞壁会在溶菌酶的作用下变得不堪一击,不能够抵抗渗透压膨胀,随着它们在这里胀开并瓦解,诱人的绿洲瞬间变成了死亡陷阱。盘尼西林和其他抗生素也会先削弱细菌的细胞壁,然后征用你的体液作为防御型渗透压武器。
神经靠钠离子波传递信号
有些杀虫剂则正好相反,通过过度刺激钠通道破坏昆虫的神经系统,例如苄氯菊酯。苄氯菊酯会和昆虫的钠通道结合,并使其保持打开的状态,神经元无法顺利复位,昆虫因此而翻滚、瘫痪或死亡。你自己的神经元与这些昆虫有着明显区别,因此苄氯菊酯并不会形成妨害,但如果你确实很不喜欢待在有神经毒素的环境中,那么在食用沙拉的时候也要避免食用菊花,尽管很少有人会因为食用它们感到明显不适—它们可被应用于另一种类似的神经杀虫剂中,也就是所谓的除虫菊酯。
其他一些植物也会产生防御性神经物质,比如烟草中的尼古丁,还有胡椒中的特殊气味物质,皆是如此。相对温和的墨西哥胡椒形成的明显灼热感是一种味错觉,那是因为辣椒素会在口腔中骗过你的钠通道,让它们发出灼热和疼痛的信号。如果咬的是火辣的哈瓦那辣椒,那么你口腔中那些受骗的神经元就会一起咆哮,迅速打开钠通道,就像你刚刚吞了一块火红的炭似的。这种热的错觉也会愚弄你的汗腺,让你汗流浃背。
第6章 生存，毁灭，和来自空气的面包——氮
天空为什么是蓝的
根据博伦的测量,在晴朗的中午,天空光中只有1/5的光线是真正的蓝色。“甚至爱因斯坦在研究光的散射时都忽略了这一细节,因为他从未真正看过天空光的光谱。
那么,究竟空气分子是如何散射光线的呢?
他停顿了一下,说道:“如果你确实想了解这一点,那就需要先弄清楚电子云在被快速振动的光波击中后,会有什么样的反应。电子相对于原子核的运动会产生电磁扰动,其波长或者说其颜色与入射光的波长有关。
空气分子同时会与很多光波产生这样的作用,但它们对蓝光与紫光的散射作用比其他颜色—比如说红色或黄色—更明显。换句话说,氮气分子可以对全波长的太阳光进行散射,就好比如果你有朋友在音乐厅偷偷地给你打电话时,手机里也会传来很多交响乐的声音一样。然而手机上的微型喇叭在传递小提琴的高音部分时,会比低音鼓的浑厚声响更为清晰;大气中的细小分子也是如此,它们会更热衷于散射短波长的光,比如,蓝光和紫光。我们对天空中“音更高”的紫色会有一些音盲,但我们还是可以从同样灿烂的蓝色中感受到很多乐趣。
在低层大气中,每一秒钟都会发生几十亿次散射过程,考虑到人类视力的局限性,最终你所能感知的,便好像是一群发着蓝光的分子“蜜蜂大气散射的影响巨大,它使你不能在白天看见星星,也是它使你可以在太阳落山很久之后还能看到书上的字。在我们头顶之上的这个看似不透明的穹顶,远不止是一层被动的天花板:它因自己的原子发出的光而光。不过到头来,天空之所以呈现蓝色还是由你的感官决定的。
空气中的氮如何转化为我们的肉体
但全球最主要的固氮微生物还是各种各样的蓝细菌,它们或是住在浮游生物体内,或是存在于地衣褶皱的组织中;还有就是寄生在苜蓿、三叶草与大豆等植物根部的土壤细菌。由于这些细菌和它们寄主的联姻,种上几亩苜蓿就如同是播撒了氮肥一般。
固氮细菌中的分子扳手是固氮酶,一种含铁的酶。固氮酶会将氮气分子一分为二,然后给每一个氮原子配上三个氢原子,从而形成在生物学上很有用途的氨。不同于一般化学物质,固氮酶这样的酶都非常稳定,不会在反应中被消耗或中和,只要能量与原料持续供应,它们就会一直完成自己的任务。长久以来,这些固氮细菌垄断了含氮化合物的生产,为了获取氮化合物,地球上的其他生物都要有求于它们,因此如果按照人类的商业逻辑,它们定会成为最富有的企业联盟。然而,根瘤菌的需求仅仅是免费而舒适的地下居住环境,至于水生蓝藻,也只是利用化学防御来惩罚那些打算以它们为食的生物。
除了细菌以外,只有闪电是值得关注的非人工氮源。闪电的厚度未必有你的拇指粗,却比太阳表面的温度还要高。超高温度将氮气分子从中撕开，从而给了氧气与自由氮原子结合的机会。每一次撕开空气的轰击都会留下些氮氧化物,它们扩散到大气中,最终随着雨雪降落到地面,经植物吸收后进入不同的食物链中。几乎可以肯定的是,你和其他大多数生物一样，此时此刻就携带着这样的闪电灰烬。
这幅场景中看不到的是,那些富含氮元素的气体正在从田野中不断升腾。土壤中的细菌会将前一年的农业废弃物分解,在给土地施肥的同时,也不断将蛋白质分解散发到空气中,而那里也正是孕育这些蛋白质的源头。
而在谷仓背后的厕所中,细菌也在做着同样的事。
农场上堆着的干枯秸秆中也藏着些氮原子,残留在那些曾是绿色的叶绿素中。鸡群在晒场上一边奔跑一边鸣叫,而它们羽毛的角蛋白中,氮元素还要更为丰富一些。
能做面包也能做炸弹
科学天才与战争魔鬼
鲑鱼洄游和氮的食物链轮回之旅
远古人类的食谱
第7章 骨与石——钙，磷
钙与磷的传奇
你的骨头是活的
你是否曾经骨折过?折断时的巨大痛苦正说明在骨骼上嵌有敏感的神经。
骨折最终痊愈了吗?如果你的骨骼只是没有生命的石头,那么任何伤都是永久的。
那么,是不是日常生活中的扭曲、冲击以及其他压力几乎都不会造成骨骼的明显损伤呢?如果你的骨骼只是像水泥似的简单构成,就跟骨瓷(一种由含硅矿物质与骨灰粉混合而成的瓷质材料)一样,那么它们会非常易碎裂。很显然,这些躲在体内常年不见天日的硬骨头,远不是看上去那么简单。
磷灰石从周围环境中置换原子的自然倾向,也让你自己的身体可以自我编辑。你鲜活的骨骼会含有一些天然的添加剂,轻微弱化矿物基质,而骨骼中的干物质中有7%都是会溶于酸的碳酸根离子,这样必要时你的骨骼可以很容易修复或重新定型。同时,这也让骨骼成了一座便携式的采石场,
当食物缺乏时,身体就可以从中调取钙和磷。
磷灰石在牙齿外层坚硬的牙釉质中形成较大晶体,相比于骨骼,它能够更好地抵御磨损和化学腐蚀。形成这一结果有好几个原因:牙釉质含有的碳酸盐比骨骼中更少,故而不容易被口腔中的酸性物质溶解;氟原子填补到晶体结构的裂缝中,提高刚性的同时也使其更为稳定。饮用水和牙膏中添加的氟原子可以使之进一步增强,并取代那些被腐蚀性酸带走的原子。唾液中一种叫作釉护膜的蛋白质会在牙齿表面附着薄薄的一层,保护其免遭化学物质的腐蚀,同时也能防止膳食中的钙和磷与牙齿结合而像洞穴中的钟乳石那样生长。精致的蛋白质保护层也包裹了每一颗磷灰石晶体,避免发生断裂。一直坚守岗位的牙釉质是你身体中最年长的部分之一,甚至一些原子当你还在子宫里时就开始沉积了。
另一方面,你的骨骼还需要执行其他很多任务,它们比你年轻得多,是因为骨髂各部分平均每年会替换掉其1/10的细胞。相对较软的骨基质,可以帮助你的身体对你的生活状态做出反应,重新排布原子。为了能满足日常需求,每一根骨头内部结构的复杂性都不亚于一栋摩天大楼。
这个类比非常合理,因为高层建筑可能遭遇的风险,正是骨骼也同样面临的。一栋完全由混凝土构造的高楼非常脆,不可能矗立太久。解决这问题的方法是将混凝土浇筑在钢筋骨架外面,这样建筑的强度就可以抵御大风或地震了。而在骨骼中的磷灰石内部,也包裹着由胶原蛋白构成的“钢筋——
一种强度巨大且富有弹性的蛋白质,给你的跟腱和韧带带安上弹簧的也是它们。磷灰石与胶原蛋白结合之后,将你的骨骼打造成兼具强度与韧性的构架,从而让你可以拉拽、搬动或击打各种东西而不会骨折。
更仔细观察你的指骨表面,你会发现它其实是蜂窝状的,分布着微型的空腔、通道和管道,而且密质骨中看上去是固体的物质上其实却很潮湿,事实上,骨骼总重的20%到30%都是水。作为一种不可压缩的液体,广泛分布的水可能也是增强骨骼抗震性能的因素。
在你出生的时候,你的骨骼多数是由软骨组成而非磷灰石。这其实非常合理,因为软骨主要由蛋白质和水构成,比成熟的骨骼更有弹性,这样在你通过产道的时候就会更容易。人体的骨骼完全硬化需要到20岁左右才能完成。
你的骨头来自岩石
隐藏在地下的原子交易市场
生命也能创造出矿物
产生于空气与岩石之间的植物绿火,十倍以上地加速了地貌风化。2008年,地质学家菲利普·阿伦( Philip a1len)在《自然》发表了一篇文章,描述了陆地风化的惊人变化。每年都有超过200亿吨的岩石碎片被冲入海洋,此外还有几乎等量的矿物质溶于其中。对地貌如此大规模的雕琢,也促使地壳自身产生更大规模的运动。近期《地球系统动力学》刊登的一篇文章中,有德国科学家认为,树根与真菌正在将大陆板块磨得更碎,地壳的封闭重量与隔绝性都在不断下降,作为反应,地球的熔融地幔也会更加强力地爆发。如果这一假说正确的话,那么陆地将会漂浮、碰撞、地震，这都是因为上面载着树木和蘑菇。
第8章 增长的极限——磷
蓝藻生长的木桶效应
从撒哈拉到亚马逊的原子迁徙
和身体中的磷来一次面对面的交流
头到脚的细胞膜上振动着。它们通常会远离你皮肤的最外层,然而,这都是在它们所处的死细胞迷失到你周边环境前不久发生的。那些幸存的磷原
子会转向内部移动,供身体组织使用,也许这是因为磷原子太过珍贵,可不能每天都跟着脱落的死皮一起被损耗。
在细胞的深处,磷原子也在辛勤劳作着—每一个细胞中都包含一颗包裹着DNA的细胞核,而每一个DNA又都含有磷原子。这些丝状分子通常细到在一般显微镜下都看不到;不过如果你将身体内所有上万亿个细胞中的DNA首尾相接,它们可以延伸到冥王星轨道之外。每两条相匹配的DNA链绞在一起,较弱的氢键在双链的缝隙之间架起桥梁,最终形成著名的双螺旋结构。尽管DNA的编码中隐藏着海量基因信息,但它实际上只由四种含磷的“砖块”构成,也就是所谓的核苷酸。
为了读出你的基因编码,酶首先会将DNA链解开,将核苷酸暴露在外,就像纸带阅读机一样,而这里就是磷对你来说尤其重要的另一个地方了。当DNA链间较弱的键像拉链一样打开或闭合时,磷酸基之间的强键仍然可以保持DNA骨架的稳定性。如果没有强力的磷酸键作为支撑,你的基因恐怕就会过于脆弱而不能被读出了。
这其中有一种核苷酸叫作三磷酸腺苷( adenosine triphosphate),也就是ATP,在基因中也可以独立工作。这个过程中它的主要任务是充当细胞的“化学电池”,此外它还能让你的四肢运动,并让你能够用视觉、触觉和味觉去感知这个世界。ATP分子的神奇之处源于它所携带的三个相连的磷酸基。当最外层的磷酸根脱落时,由此释放出的小型能量波,可以让你实现各种动作,ATP则变成了ADP( adenos ine diphosphate),即二磷酸腺苷。当再次装回磷酸根之后,ADP又变回了ATP,你又可以带上这个重新充满能量的化学键,将其用到需要的地方,比如开启细胞膜的离子泵,制造激素分子,或是细胞的其他各类需求。
为了让身体正常运行需要巨量的ATP参与工作,仅仅是呼吸、思考以及输送血液这些日常活动,你每天需要的ATP就几乎和身体等重。不过好消息是,ATP的循环速度很快,所以在特定时间里,你只需要在身体里随时储备几盎司就够了。但是另一方面,由于磷的匮乏,你却可能早早地就死于李比希定律。你的线粒体为你完成了大多数循环过程,从食物中获取能量,并将最重要的第三个磷酸基送回到ATP分子中;你吸入氧气主要是为了给你的ATP工厂提供能量,而这些工厂中的ATP也为你的呼吸提供能量。
当然,更为充足的生命元素对你来说也很重要,毕竟,你的身体主要还是由氢和氧构成的大水袋,不过磷元素尤其珍贵,主要是因为它更难被获取。几乎每一片细胞膜和每一个提供能量的细胞都对这种重要元素有需求。
最可能对全球人口形成限制的资源
磷元素会枯竭吗
第9章 消逝的肉体
原子的流逝和更新会伴随你的一生
你的骨骼与肌肉则会不断地被改造。每年,骨骼密实的最外层中有3%会被更新,而在你四肢关节的多孔骨骼中这个数字则会高达1/4,专家计算认为全部骨骼的平均替换时间为10年。根据尼古拉斯·韦德所说,肋骨间的肌肉细胞大约会维持15年;而当你快20岁停止发育时,跟腱中的胶原蛋白核心就彻底定型了。
最近,丹麦与瑞典的科学家通过同位素分析证明,身体中容易识别出的最年老的结构是眼睛中的晶状体蛋白和牙釉质。如果你的卵巢发育健康,那么当你还在母亲的子宫中时,你就已经携带了几千个到几百万个微型卵母细胞,这些原始细胞和你的年龄差不多大,将来也许还会发育成你的孩子。至于文身,由于墨水并非细胞质并且不会被代谢,因此虽说它们比你年轻,但也永远不会消失,如同玉米地里的鹅卵石一样,而皮肤就好比是一茬茬庄稼。
艾博索尔德宣布:“每一到两周,我们身体中一半的钠原子都会被新的钠原子所替代,氢原子与磷原子的情况也类似。甚至有一半碳原子都会在一到两个月内被替换。”接着他又补充道,“一年内,我们身体中大约98%的原子都会被我们从空气、食物及饮料中获取的其他原子所更替。
仅仅是水的周转过程就可以让你身体的近2/3在两到三周内完成更替。
一名150磅(68千克)的成年人体内大约含有24磅(11千克)蛋白质,不仅是在肌肉和肌腱里,还有其他数千种形式。每天,有11到14盎司(312~397克)的肌肉会被分解并替代,不同蛋白质的寿命可以从几
秒到数年不等。比如,肌肉蛋白中有近一半都是由肌凝蛋白纤维构成的,平均每天会有1%~2%被替换。血液中的血红蛋白更替速度与此接近,而
线粒体中提供能量的细胞色素,每4到6天会有其中一半被循环。根据生理学家伊夫·舒茨的论文,仅仅是对蛋白质不断的修饰和修复,就会占去你休息时20%的能量,你边看电视边吃的饼干,每五
片里面就会有一片的热量因此被消耗。
那么前面对你元素更新的估算到底怎么样呢?你的牙齿与眼睛中含有你出生时就携带的原子,骨骼与跟腱中也含有幼年时期获取的原子,因此一些作者所说的彻底更新就夸大其词了。每年骨骼的更新率大约为1/10,但是骨骼中不含脂肪的干重大约占到总体重的7%,因此几乎与此等重的矿物质通常会维持一年以上。另一方面,尽管你的一些细胞会维持很久,但其中的分子和原子却会快速地来来去去:仅仅水和蛋白质的循环作用,就可以在几周的时间里替换超过3/4的原子。考虑牙齿、眼睛、跟腱与骨骼中的稳定成分,身体总的原子更新率大约会比艾博索尔德估计的每年98%低几个百分点。
你的原子一部分来自宇宙射线
当你死去时，你的原子会如何
你的死亡并不是原子的终结
任何物质都不会永恒，但你却一直都在
后记 爱因斯坦和他的阿迪朗达克山脉
致谢