《诗意的原子》读书笔记

　　摘要：在《诗意的原子》中，施塔格介绍了八种连接人和宇宙万物的元素——支持呼吸和燃烧的氧元素、作为生命始祖的的氢元素、带来创造与毁灭的铁元素、作为无数化合物的组成部分的碳元素、对动物（包括人）有着神奇的吸引力的钠元素、可以用来制造炸药和化肥的氮元素、构成骨头的钙元素和最有可能限制人口增长的磷元素。

　　一、生命之火——氧

　　· 如此巨量的空气分子中，人类所依赖的氧气只占其中的一小部分；平均下来，一位成年人每天需要消耗大约0.9千克氧气，而单独的一次呼吸完全可以确保延续你接下来几分钟的生命。

　　· 肺并不只是氧气进入血液的唯一通道，还有很小一部分“呼吸”是通过眼睛完成的，这些氧气粒子极为重要，位于眼球透明的表面的细胞能够直接从大气中吸收它们，用于补偿眼球血管载氧量的不足，皮肤表面的很多细胞也在做着同样的事情。

　　· 心脏病专家科尔寻求一种绕过肺部而将氧气直接注射到血液中的治疗方法，为了避免在这个过程中产生气泡而形成致命的栓塞，科尔利用声波将纯氧和油脂搅成细腻的白色浮沫，这一方法将气体包裹在柔软而富有弹性的微胶囊中，从而可以在与红血球细胞接触时使其载氧。

　　1.关键的发现

　　· 人的体重有大约60％由水构成，而水分子中8/9的重量属于氧原子，所以氧构成了人体湿重的大部分，一个68千克的成年人含有大概43千克的氧。

　　· 身体里脱除水分剩下的那部分“干”物质中，氧原子也和其他的一些元素交织在一起，在肌腱的蛋白纤维、肥皂泡状的细胞膜以及螺旋的DNA中都存在；在人体动脉的血糖以及乳汁的乳糖中，氧原子贡献了略高于一半的重量，同时它们还与多数矿物元素共同构成了人体骨骼。

　　· 呼吸的目标不是获取氧原子，而是获取由两个氧原子结合在一起具有反应活性的氧气分子；不同于喝水或进食，人需要一直持续吸入氧气，因为除了肺部的肺泡，人无法在体内安全地储存氧气。

　　· 德国炼金术师贝歇尔提出，燃烧仅仅是因为释放了一种被称为“燃素”的神秘物质；英国科学家波义耳提出，空气并非一种纯净元素而是各种气体的混合物。

　　· 瑞典化学家舍勒对氧化汞粉末进行加热，并认为由此得到的“火气”在大气中也是存在的；英国化学家普利斯特里做了同样的实验，并给逸出的气体起名为“脱燃素气”；因为将这种气体与溶液中的氮和硫结合可以产生硝酸和硫酸，拉瓦锡将这种气体称之为“oxygène”（“制酸剂”）。

　　· 拉瓦锡还推翻了燃素说，通过对封闭容器中的锡进行加热，他证明金属在此过程中增重而非减重，并且氧化之后的金属所增加的质量与容器打开时进入其中的空气质量相等。

　　2.氧的人体之旅

　　· 火在很多方面跟生物很相像，两者都会产生二氧化碳以及水蒸气；火焰和生命还有一点相像的是，一旦没有了氧气，两者都会因此而终结。

　　· 在蜡烛的火焰中，周边环境里的氧气直接攻击熔融状态的蜡，把电子从一堆灼热的富碳粒子和电离气体组成的燃料分子中撕扯出来；当气态火焰温度、密度、电离达到一定程度的时候，就被称作等离子态。

　　· 火和生命的作用过程有明显差异：当蜡烛燃烧时，其中的碳原子与氢原子分别和氧原子结合成二氧化碳与水；当富含碳元素的食物在体内发生氧化时，虽然产生相同的废物（CO2和H2O），却是经过两个步骤；当人吸入空气时，氧气不会像从蜡烛里那样捕获碳原子，因为在细胞内部这个相对温和的环境下，氧气转而去专一地捕获氢原子。

　　· 在呼吸过程中，氧气先是通过气管达到肺泡；当肺部搏动时，血液挤进肺泡中，红血球细胞可以载着氧气穿过数百英里的血管抵达人身体的任何地方；刚刚在细胞中产生的二氧化碳从血液中逸出并进入到肺泡中。

　　· 1品脱的血液大约可以携带0.2品脱的氧气，足以维持人体一分钟的静息状态；在这个从肺到细胞然后又返回的旅程里，氧气含量逐渐下降；当静脉血将气体重新送回肺泡时，跟肺部中的空气相比，其氧气含量几乎可以忽略，而这种不平衡可以驱动更多氧气扩散到血液中。

　　· 氧分子进入人的身体时，最首要的目标就是在人体内分解；细胞中的酶以及线粒体的核将食物的分子粉碎，形成一堆由大量电子、氢离子以及二氧化碳构成的大杂烩。

　　· 线粒体核周围是一层软膜，其中嵌有一系列蛋白质，电子由它们吸收，有一些还会在电子通过时发生抽动、弯曲或者翻滚；这些分子机器的运转使得化学能得以储存，并为肌肉和代谢提供动力。

　　· 利用这些跳跃的电子，氧气从粉碎后的食物分子中拴住了氢离子；在这个食物与空气参与的转变过程中，进食与呼吸这两个过程得到的不同成分完成重组，并产生H2O分子。

　　3.地球的“呼吸”

　　· 基林的研究表明，人所呼吸的氧气中只有一半来源于陆生植物，剩下那部分是由海洋中的藻类以及蓝藻贡献的，此外还有很少的一部分来源于上层大气中水蒸气的分解，太阳以及遥远恒星辐射的放射线为此过程提供了能量。

　　· 数据表明，氧气浓度的年度上升波动伴随着CO2的循环式下降；白天二氧化碳的浓度会缓慢下降，到了晚上又会恢复，而更大规模的季节性波动则是由夏季的波谷与冬季的波峰构成。

　　· 太阳升起后，植物和浮游生物开始向空气中释放氧气，并从空气中吸取二氧化碳；夜幕降临之时，氧气的生产过程被迫终止，但细胞里那些生产CO2的小工厂却还在持续运转，因为它们不需要太阳能，从而促使二氧化碳水平重新恢复，而氧气水平相应下降。

　　· 春天，万物复苏，芽生叶长，O2浓度迅速提升，而CO2有所减少；冬天，光合作用变缓，同时枯叶腐烂释放出二氧化碳，跟春天相反的变化趋势便发生了。

　　· 2013年，温室气体二氧化碳的平均浓度达到了400ppm，相比20世纪50年代时约312ppm的平均值有所增长，引起这一变化的主要原因是化石能源的燃烧以及砍伐森林引起的腐烂与烧山。

　　· 当二氧化碳的长期观察记录稳步增长之时，全球平均气温也在同步上升，而氧气的含量却在下降；氧气的变化趋势帮助我们理解，是什么控制了CO2的增长。

　　· 植物也和人一样有线粒体，它们生产的氧气大多被自己消耗了；无论森林还是海洋所生产的氧气，其实都只是泄漏物，而且大部分在逸出后很快就被锈蚀、腐烂和燃烧等过程消耗了。

　　· 有些人群的祖先在高海拔地区生活了数百年，由此可能形成基因突变，从而使他们更能适应缺氧状态；多数西藏人都比其他人群的呼吸速度更快，并且每一次呼吸可以吸入更多的空气，这便是因为基因遗传让他们能更好地适应氧气短缺的情况；安第斯人的血液中存在大量的变异红血球，具备从空气中提取更多的氧气的能力。

　　4.人与植物间的氧交换

　　· 如果人吸入一个由这棵植物释放出的氧气分子，人的细胞会将其转变为代谢水，这时氧原子就从氧气分子中分离了出来，并“变相”成了H2O，或许通过人的呼吸逃逸出来，并以水蒸气的形式飘到了植物旁边；如果这个水分子进入到叶片中，它会被光合作用分解，氧原子获得自由，再次参与构成一个新的氧气分子，其中那颗随着水汽被人呼出去的氧原子，又重新回到了你体内。

　　· 帮助植物将水转变成氧气的细胞器是叶绿体，从大小和形状上看，它都很像线粒体，但内部挤满了多层的膜；被阳光照射的叶绿素，反过来又会对其他分子机器发射电子，并帮助推动糖的合成，之后这些糖将形成树液、茎、花和种子。

　　· 叶绿体在“发射”后还必须重新“装弹”，在叶片中，水分子是最方便的电子来源，而叶绿素则非常擅长从水分子中获取电子并释放氧原子；游离的氧原子于是重新组合成气体分子，可以被邻近的线粒体直接消耗，也可以逸散到空气中。

　　5.氧诞生于远古的恒星爆炸

　　· 138亿年前，在宇宙大爆炸发生后不久，氢原子就在亚原子颗粒的云团中凝聚出来了，但氧原子还完全没有出现，因为氧原子需要在恒星中形成，而此时第一颗恒星都还没出现。

　　· 当原始的氢原子聚集成团簇，并变得足够庞大、密度足够高、温度足够热，足以引发核聚变反应，第一代恒星就被点燃了；在那团等离子体中，电子脱离原子核的束缚，失去电子的原子核直接轰击了其他没有电子云保护的原子核，使得带正电荷的质子克服了相互之间的斥力，用更强大的核力（强作用力）把它们结合在了一起，新形成的结合体是氦原子的原子核。

　　· 氧原子诞生于更大的恒星中，这样的恒星可以使氢原子聚变成更重的元素；在水分子中，氢原子依附于占绝大部分质量的氧原子，但形成氧元素的核子曾经与更轻盈也更古老的氢原子是完全相同的。当超巨星逐渐衰老并死亡时，新形成的氧原子飘散到了太空中。

　　· 从原子层面上说，地球和太阳都是我们的兄弟姐妹，因为形成它们的恒星残骸，其成分和我们体内的元素一模一样。

　　6.氧在空间和时间里的循环

　　· 基林和他谢茨揭示，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；大气中氧气与二氧化碳的平衡与生物活动之间的敏感性表明，这种循环并非只是短暂趋势，而是这个星球上所有生物在原子层面上一直都在践行的传统。

　　· 大气的总质量约5000万亿吨，这就意味着一共有大约10^44个原子存在于空气中；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，可知人每一次的呼吸中，有1到15个原子是达·芬奇曾经呼吸过的。

　　· 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，美国天文学家沙普利采用氩气作为计算对象；高度精确的估算结果是，在人的一次呼吸中，大约有15个氩原子是曾经被某人呼吸过的。

　　二、原子之舞——氢

　　· 氢原子的结构最为简单，只有一个质子和一个电子，但对于人和这个世界，这个最朴素的原子却极为重要；没有氢，水就不再存在，因此全世界的海洋、云层和极地冰盖，以及人体里60％的物质都将消失。

　　· 氢是在宇宙大爆炸后不久最先产生的元素，并引燃了最初的恒星，所以氢是人身体中最古老的原子形式，在宇宙中其他地方也是如此；氧原子实际上可以追溯到氢原子核在次生代恒星上发生的氢核聚变。

　　1.绚丽的舞姿——布朗运动的发现

　　· 苏格兰植物学家布朗从一些克拉花的花心中采下花粉，并与水滴进行混合；通过黄铜显微镜观察，布朗注意到，细碎的花粉涂片漂浮在湿润的介质上，看起来似乎正在颤抖。

　　· 在悬浮液中，没有生命的物质和生物样品一样也会出现颤抖，石棉纤维、金属粉末，甚至来自斯芬克斯像的石头碎屑样品，都是如此，布朗将这些振动的微粒称之为“分子”。

　　· 尺度小并非是分子和原子难以被观察的唯一原因，还有一个重要问题是它们并非静止不动；自由运动的分子和原子具有超凡的速度，以至于它们会多次极速地冲撞那些同样精力充沛的邻居，在海平面高度下，室温条件的一个氧气分子在一秒内会被它的同伴撞击超过十亿次。

　　· 直到1803年，才由英国化学家道尔顿提出了正式的原子论，而直到1905年，才由爱因斯坦通过对布朗运动进行数学分析，论证了分子与原子的存在。

　　2.因热而舞

　　· 在原子尺度，所有颗粒都一直在运动，物质普遍存在的这种热运动是最没有规律可言的运动之一，这与真实世界中的随机性非常接近。

　　· 到了原子层面，“热”是一种粒子之间相互碰撞传递的能量，热量越多，粒子碰撞的活跃度就越高；温度也是一种热效应，当不断增加的热量加速了汞原子的振动时，它们就被迫需要扩张，因此水银温度计中的温度和汞平面都上升了。

　　· 对于人来说，原子这种因热而驱动的舞蹈在原子层面上维系着人的呼吸与生存；人身体的2/3都是由含氢水分子构成的，一个68千克的成年人的身体的大部分，都是由紧贴在一起的4.5千克的氢和80磅36.3千克的氧组成的。

　　3.人与环境之间的氢交换

　　· 两粒氢原子骑在一粒氧原子上，占据的是氧原子同一边半球相对的两个位置，氢原子这样的排列方式使水分子形成轻微的偶极，两端电荷相反，从而给水分子带来很多奇特并能维持生命的性质。

　　· 在水分子这个“米老鼠脑袋”上，耳朵的位置具备轻微的正电性，而脸颊处则是轻微的负电性，这种不对称性就使得水分子间倾向于以耳朵靠脸颊的方式相互吸附；尽管这种被称为“氢键”的作用力比起构成分子的共价键弱得多，但它们对人和整个世界的影响却是深刻的。

　　· 人的皮肤表面的温度促使汗水中的分子运动加剧，于是液态分子转化为气态粒子，汗水也就因此而挥发；热量破坏的氢键越多，获得自由的水分子也就越多，水分子的逃逸过程将身体的热量带到了空气中，从而让人能够保持凉爽。

　　· 寒冷的清晨，人呼出的气在嘴唇不远处的稀薄空气中形成一团“白雾”，只是因为严寒使得呼吸气体的热运动减缓，氢键更有效地将水分子拉拢到了一起。

　　· 当人的头发吸收或释放水分子时，毛发纤维中的蛋白质也会跟这些过客做一些氢原子交换，人的头发会和空气共享氢原子。

　　· 氢原子持续不断地在分子间进行重组，因为联结它们与氧原子的共价键，尽管强度很高但却变化无常；这些原子在构成水时，可以紧密相扣，但也可以自行解开重组。

　　· 同位素协助科学家们追踪原子在人身体里流进流出的过程；它们与常规的同位素存在着微小差异，但差异并不足以在元素周期表上以新元素的名义将它们标记。

　　· 氘是一种天然存在的氢同位素，它在宇宙大爆炸发生后的不久便产生了，其含量相对于正常的氢来说并不算多；它与正常的氢原子之间的差异，只是在原子核的质子以外多了一个中子。

　　· 相比于空气交换，地下水中的原子转化为身体水分或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。

　　· 人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；头发就记录着生长环境中的原子分布，也揭示了其与本地水源之间的物理关联；对单一头发丝内固定间距的氘浓度进行分析，可以确定这一个人何时搬去了另一个地方。

　　· 一个血糖分子包含了12个氢原子与6个氧原子，它们围绕在一个碳环周围，而肌肉中那些强韧的纤维，也是由这些元素构成的；组织结构中大多数氢都可以追溯到血液，但其中的1/4到1/3，都来自一年内所喝的水。

　　4.水分子的人体之旅

　　· 人的细胞内部到处充斥着布朗运动，而这是将物资与废弃物搬运到指定地点的动力，不断舞蹈的水分子产生的冲击压，协助基因与蛋白质折叠，并保持适当的形状；甚至那些无法游泳的致病病毒，也是在水分子的热运动推动下，与你的细胞进行接触，随后可能会进入细胞并将你感染。

　　· 原子与分子本身这种无休无止的舞蹈，对于由细胞而非同质化的材料组成的人体而言更为有利；在细胞中，可以同时调动两种运输方式，不过是在不同的情形下，脏腑和血管把富含能量的大块物资送抵有需求的地方，然后没有成本的热运动在那里推动物资采取随机漂流的方式进入你的细胞内部；热运动的旅程必须很短，因为这种没有目的性的运动所需要的时间与距离的平方成正比。

　　· 布朗运动这种短途搬运做出了非常出色的贡献，我们将其称之为“渗透”（对于水）或“扩散”（对于其他分子），食物、空气和各种流体都是在这一运动的驱使下进入或离开细胞，并且几乎不会消耗什么能量。

　　· 一串紧紧相连的蛋白质将细胞的一角与邻近的细胞连接起来，这是驱动蛋白；水分子不停冲击着驱动蛋白，而其中的荆棘状结构则确保物质顺着驱动蛋白形成向前的净移动；通过这种方式，由热力驱动的驱动蛋白协助向细胞提供内部工作所需的物资。

　　· 消化酶的形状独特，可以抓住糖分子，随后通过使其弯曲的方式将其切碎，消化酶的形状并非只是它本身的特征，而是通过与周围的水的协同作用形成；酶的不规则表面上存在着微弱电荷，可以吸住贴在它表面的水分子，这样就会使得酶的一部分向外扭曲，并迫使另一部分向内弯曲，从而将酶塑造成最合适的形状，使其能够完成切割食物的工作。

　　· 进入到细胞中心的大量氢原子核都被困在线粒体周围，看上去渴望逃脱，却被一层特殊的薄膜挡住了；薄膜的表面是一些细小的孔道，迫使它们只能从孔内流过，并上交储存的内能，供其他地方使用；对于恒温动物，线粒体还能够生产热量确保布朗运动在恒温状态下进行，以协调细胞内物质搬运及相互作用的速率。

　　5.原子传承的三个案例

　　· 含氢的角蛋白不仅可以构成头发，同时还可以构成喙、爪、蹄和羽毛等部位，所以野生动物学家可以通过对氘的测定，确定动物的迁徙轨迹，因为它们的角蛋白中印刻着饮用水留下的原子指纹。

　　· 相比于地下水来说，仙人掌花蜜中含有更多的氘，因为植物在空气干燥的沙漠中容易失去大量水分；当仙人掌花在雨季到来之后盛开，鸽子们饮用的花蜜超过了饮水量，连续吸食几天花蜜后，鸽子体内的氘便会富集；在这之后，仙人掌果实成熟，鸟儿们又开始吃果肉和种子，饮食结构的这种变化进一步提升了体液中的氘含量。

　　· 在潮湿的季节，埃瓦索恩吉罗河的氘含量会迅速降低，因为多云多雨的气候会减缓河水的蒸发，并对其进行稀释；作为响应，象群的尾毛及新生角蛋白的氘含量也会下降，速度几乎与河水同样迅速。这是大象从当地水源中持续获取氢原子并形成毛发蛋白质的结果。

　　· 费舍尔通过测量古象长牙中氧18与氧16之间的比例，革新了对乳齿象的研究方法，而乳齿象是一种在最后一次冰川期后不久遍布于北美大陆的动物；象牙的切片上有同心环，通过将样品研成粉末并分析含氧量，费舍尔测定了每一层同心环的相对同位素丰度；温暖的条件会使较重的氧18倾向于更加富集，分析结果表明，这些动物所饮用的水温也在周期性地升降。

　　6.氢——生命的始祖

　　· 从太空中看，我们的地球主要呈现蓝色、白色与绿色，几乎所有颜色都归功于水分子；蓝色区域代表的是快速振动的水分子，振动速度快到足以让其维持液态，氢键能将它们束缚在大气层之下。

　　· 白色的云层是冷却的水滴，氢键的特有黏性将蒸气分子从热运动更快的空气中拽了出来；白色的雪与冰中的分子振动缓慢，氢键将水分子冻结成了多孔晶体晶格，并且它们能漂浮在水面上。

　　· 绿色区域同样代表了水的存在，植物每年可以将61440立方千米的地下水蒸腾到大气中，几乎每4个月就能将五大湖的水消耗干净，超过世界上所有河流的年度径流总量；森林、田地及草原的蒸腾作用形成了这个星球上最大规模的淡水循环。

　　· 紧密联系空气、海洋与植物的是持续进行氢核聚变的太阳；如果太阳消失，光合作用会停止，但在氧气远未耗尽之时，我们就会因为干渴或寒冷而死。

　　· 充满蒸气的金星比我们更接近太阳，上面的水分子振动异常快速，氢键已经不能将它们锁定在液态；火星上的景象刚好相反，太阳的热量不足以激发分子快速振动，故火星上的水几乎都是固态。

　　· 地球之所以能养育这些我们熟知的生命形式，是因为地球轨道与太阳的距离恰到好处，水分子随着海拔、纬度与季节的不同，可以在气态、液态及固态之间变换；地球表面的热运动被调整到这样一个狭窄而又偶然的温度范围中，甚至1摄氏度的温差就可以将雨变成雪，或将湖泊冻成冰原。

　　三、创造与毁灭——铁

　　· 爱因斯坦证明了太空中的爆炸与我们身体之间的联系，他那著名的公式：E=mc^2，把质量和能量用等号连接起来，从而能够帮助我们理解那些垂死的恒星是如何产生生命元素的。

　　· 铁是恒星杀手，可能是宇宙中最具破坏力的元素，同时人的身体将它用作从空气中收获氧气的工具，也将它用作阻击微生物入侵的武器。

　　1.铁的非凡特性

　　· 铁在元素周期表中排第26位，宇宙丰度（宇宙中各种元素的相对含量）排第6位；在人体内，它比其他的大多数元素都更重；它携带26颗质子和30颗中子，巨大的原子核拴住了一层密密的电子云，从而可以与其他原子之间形成多重键。

　　· 在与其他原子接近时，铁通常会贡献或共享最外层的一些电子，有时也会从邻近的原子那里抢夺电子；将铁暴露在空气中足够久的时间，它就会与氧“交易”而腐蚀成为锈迹斑斑的氧化物。

　　· 铁原子的另一个潜在合作伙伴是碳，一般在铁中含有2％或更少的碳时，铁会硬化形成钢；铁强而韧的特性源于铁原子类似滚珠轴承的能力，键合力将它们束缚在一起，但又让它们在被挤压或拉拽时能够在彼此周围相互滑动，这种既强且韧的键合力是由电子云的相互作用产生。

　　· 如果将铁棒两端通上电，电流便会像水通过水管一样通过铁棒，因为金属内的自由电子形成的松散“海洋”可以不受约束地在原子之间流动；而如果将铁棒放置到强磁场中，它便可以吸引罗盘的指针，因为铁原子外层的电子移动性很强，会根据磁场各自排列出自旋方式进行匹配。

　　· 现代的新型超磁体利用的是金属钕这类非常重的稀土元素，它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。

　　· 制造业、运输业及建筑业所使用的钢铁，主要都是由矿石炼制而成，而人体里的铁，却可以追溯到分散于土壤中的磁铁矿与赤铁矿颗粒，还有一少部分来自花岗岩与玄武岩中的辉石、云母等矿石，还有一些铁是天外来客。

　　· 当流星发出光芒而消逝的时候，它所携带的原子并没有真的消失，而是以更分散的形式留在空中；大多数陨石金属在大气中解体，形成数英里厚的烟雾，围绕在地球表面；每年大约有10万吨的太空尘埃会沉积到地面、海洋表面或是屋顶上，其中有铁，还有硅酸盐矿物质以及来自彗星的冰。

　　2.来自恒星的遗产

　　· 对于人体内的元素，除了氢是在宇宙大爆炸之后不久凝聚而成的，其他所有的元素都跟恒星衰亡有关；在Ia型超新星中，一颗恒星从相邻的伴星吸取物质，在超过极限后发生爆炸；在II型核心坍缩超新星中，质量数倍于太阳的恒星因燃料耗尽而自行坍缩，随后爆炸；质量非常巨大的恒星会发射物质与反物质颗粒，两者接触时会发生湮灭，最终的归宿则是不稳定对超新星。

　　· 蟹状星云便与太阳系形成前的状态颇为相似，它是一场横跨万亿英里的灰烬风暴，曾经属于一颗质量相当于8-16个太阳的恒星；对发光的点、线条与尘雾进行光谱分析后发现，星云中含有的物质主要是氢、铁和其他一些元素。

　　· 南极冰川中的氮氧化物的浓度有过几次突跃，最可能引起这种全球性同步脉冲的原因就是，超新星辐射出的宇宙射线将空气中的氮气分子氧化，随后又沉积到了地球上。

　　· 证据表明，太阳与地球的发祥地位于蟹状星云的左侧，那里很多颗恒星，围绕这些恒星的烟雾主要是氢和氦，其中夹杂了一些粉末状的冰以及含铁矿石碎片。

　　· 当恒星刚刚产生之时，它将氢核聚合成氦核，释放出巨大能量；太阳也在持续不断发生着核聚变，每一秒钟都会将数百万吨的物质转化为热量、可见光以及其他形式的能量。

　　· 宇宙学家对太阳系形成前的细节尚有争议，但是地球上富含铁元素的事实表明，至少曾经有一颗核心坍缩超新星，用它自己毁灭时留下的残骸，为我们太阳系的诞生播下了火种。

　　· 远古超新星的起源是一颗恒星，在它制造新元素以前的数百万年里，一直进行着氢氦聚变；当星体核心的温度飙升至数百万摄氏度时，碳核（头发和肌肉）开始形成；在星核的外围，氦与碳发生聚变，并产生大量氧核（基因和蛋白质）；硅核在接近星体中心的位置聚集（骨骼）。

　　· 核力比重力要强上万亿倍，但只能在极短的距离内起作用，而且在原子核变大了的时候，质子相互之间的斥力会对核力产生明显抵消作用。

　　· 当孕育太阳系的那颗恒星开始熔铸镍核时，其内部便会出现类似的不稳定态，铁核会迅速产生，越过了这一临界点后，过大的铁核发生聚变时就难以产生足够的热量以支撑起星体。

　　· 过多的质子很难在较大的原子核中继续守住它们的位置，因此含有大量铁原子核的等离子体不断增加，消耗的能量逐渐与新产生的能量持平；星体开始因自己产生的灰烬而“窒息”，直到失去与重力对抗的力量时，内核便突然发生坍缩。

　　· 坍缩后的爆炸的在冲击波横扫的星云时，其自身也会诱发短暂的核聚变，一部分磷核会通过这种方式产生，金元素、稀土元素以及其他比铁重的原子都会在这短暂存在的爆炸里首次出现。

　　· 太阳的诞生多亏了铁；冲击波在邻近星体高能冲击波的协助下形成旋转的星团，一些更为致密的星团所产生的引力吸取了足够物质，从而引发新的核聚变；死亡的冲击波，却点亮了一些新生的恒星，包括太阳。

　　· 地球的诞生要归功于铁；当新生的太阳从它诞生的星云离开时，一些碎石形成缓慢旋转的盘状体环绕在周围，逐渐通过水分、磁力、引力或静电吸引聚集起来；当早期的地球成长到足够大时，其自身的重力便将其塑造成了球形，内部是密实的金属核，外层的地壳则是薄薄的一层岩石。

　　3.蓝皮肤的人

　　· 一种罕见的隐性基因导致有些人的皮肤是蓝色的，蓝色皮肤跟血液中一种含铁的血红蛋白有关。

　　· 血红蛋白一般呈鲜红色，当其中携带的铁元素失去电子时，它就会变成土褐色，这种形式被称作高铁血红蛋白或met-H，而失去颜色的分子也同时失去了有效携带氧气的能力，除非电子重新恢复平衡；蓝色皮肤的人缺少一种功能基因，以致不能产生用于恢复电子平衡的酶，故而血液中比平常人含有更多的met-H。

　　· 透过灰白色的皮肤观察，我们常常看到血管壁呈现蓝色，因此会让人误以为脱氧的血液也是蓝色的，深埋于皮肤下的红色或棕色会转变成蓝色。

　　· 卡维因对蓝色皮肤的病人的治疗方法很简单，需要做的不过是给血液中的铁提供一种电子给体，一种无害的染料“亚甲基蓝”就可以起到这种作用。

　　4.铁与血之间的秘密

　　· 往铁里面加入少量的碳可以使铁变成钢，强度得到提升，而在身体中，向碳化合物中加入一点铁，可以让人的细胞更好地发挥清理、运输、产生能量及免疫等作用。

　　· 血红素中由碳和氮原子构成的五元环及六元环可以与可见光发生共振并吸收掉其中一部分，从而显现出各种不同的颜色；擦伤中的黄色或橙色，就是源于这些分子环被破坏后的血红蛋白，被称为胆红素，尿液的金黄色则大多源于胆红素的进一步分解。

　　· 血红素携带着人体中大部分的铁，围绕在其中心的是四个碳-氮环，每一个环都有一个氮原子指向内侧；当血红素在中心的位置挂上一个铁原子后，便可以从肺部接收氧气，并将氧气送达人体内的任意部位。

　　· 当血红素位于血红蛋白隆起处顶端时，血红蛋白通过分子的卷须将氧气分子从上方压住，会有助于在艰难通过血管之时，保持氧气稳定。

　　· 血红素携带着活性铁原子结合在细胞色素上，这是一种有别于血红蛋白的蛋白质，其中一部分驻留在你的线粒体中；血红素上的铁可以通过细胞色素传递电子，从食物中获取化学能。

　　· 在人体内，大约有1/3的铁存在于血红蛋白与肌红蛋白以外的分子中；含铁的蛋白质可以构建并修复你的基因，代谢药物及毒剂，帮助产生激素，并且很多酶会将铁作为分割利器。

　　· 铁最具生物活性的状态被称为二价铁，它很容易将电子转移给其他原子或分子，因此二价铁可以在某些细胞中的化合物跟前形成腐蚀性的自由基分子，损坏组织，并在伤口的位置妨碍血液凝结。

　　· 大多数铁都被血红素或其他分子束缚住了，缠绕蛋白可以包裹或直接吞噬铁原子，其中最主要的是铁蛋白，专门在细胞内部将铁隔离，转铁蛋白可以在细胞之间传递铁。

　　· 免疫系统的第一道防线让入侵者断粮断补给，简单地用血红蛋白和其他物质将血液中的铁锁住，不让细菌的酶得到它们，这不仅让人远离铁的副作用，也可防止病原体利用它们来伤害你。

　　· 细菌基因中的蛋白质攻击人体细胞是为了让它们释放含铁的分子，一种被称为“铁载体”的细菌产物，是与铁结合力最强的几种已知物质之一，它们像将铁化合物吸收并控制，直到饥饿的微生物将它们整个吞噬。

　　· 乳铁蛋白将游离铁的碎片全部清扫，并在细菌身上钻孔，杀灭它们；噬铁蛋白跃到铁载体的“铁海绵”之上并将其覆盖，因此细菌就不能识别和吸收铁载体了。

　　5.关于铁的反思

　　· 铁依然是世界上使用最广泛的一种金属，只不过多数是以钢的形式；根据世界钢铁协会的统计，2012年，仅中国就生产了超过7亿吨钢材，占全球总量的一半。

　　· 就像铁会从正反两方面影响恒星与细胞一样，通过用其制造的越来越高级的，或用来创造或用于破坏的工具，铁也将继续服务或伤害我们。

　　四、生命之链——碳

　　· 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,因为植物会从空气中吸收二氧化碳，于是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。

　　· 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（燃烧化石能源），有些则是间接相关（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）。

　　1.没有人是一座孤岛

　　· 人的每一条肌肉纤维、每一克脂肪与血糖、每一根骨头以及每一段基因，都是由碳原子搭建的框架，这些碳原子来自空气，但空气中的碳原子却十分稀少。

　　· 海洋中含有的二氧化碳大约是空气中的50倍，而生物体内携带的碳元素则相当于大气中的2-4倍；一个成年人体内平均含有13.6-18.1千克的碳原子。

　　· 一个典型的碳原子核中有6个质子与6个中子，有4个成键电子，可以与其他原子之间形成强力的共价键；任何一个碳原子都可以抓住两个同伴或是连着两个不同的原子嵌入一条长长的分子链中，通过这种方式，同样的碳原子可以是无数分子的构成部分。

　　· 有害物质可能会伴随着那些碳原子，成为人身体的一部分，例如自然界的煤通常含有少量水银，这会导致人的汞中毒。

　　2.自然界的流通货币

　　· 含碳化合物有一个共同的特征，那就是都可以被分解，这个过程可以是微生物降解，也可以是被消化，最简单的方式是加热。

　　· 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。

　　· 人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，随着每一次呼吸而被释放。

　　· 人的呼吸循环是一曲非常复杂的二重唱，一个声部是氧气消耗的一系列过程，而另一个则是含氧食物的分解过程，所以护送碳原子从人的血液中出来的氧原子，大都不是人刚刚吸入的那些。

　　· 人体内的细胞在不断进行修复与置换，很多有机物会在你体内消化酶的“咀嚼”下被终结，然后随着其他从食物里产生的废气一起从肺部排出。

　　3.CO2的穹顶之下

　　· 城市居民与机器制造出的富碳气体罩被称为 “城市CO2穹顶”，它其实更像是一个没有橡胶层的气球，内部充满了人们呼出的富碳废气；其密度一般比空气更大，因此更倾向于贴在整个城市的地面上，形成无定型的隆起；模糊的边界会化掉并随风飘散，底层则会不断补入废气。

　　· 帕塔基发现盐湖城的穹顶内每天都会出现两次CO2浓度井喷的现象，第一次是在黎明前的几个小时，是由寒夜里的天然气取暖所致，而第二次是在傍晚，因为上班族们被堵在了路上。

　　· 大气中大部分二氧化碳，依次来自生物圈、火山喷发与海洋逸散，但是在城市CO2穹顶中，大约有1/4来自化石燃料。

　　· 火山排放出的CO2不足人类排放的百分之一，我们排放3天，就相当于全世界的火山排放1年。

　　4.令人震撼的CO2浓度地图

　　· 经济学家与政治家可以根据CO2浓度图评判国家运行是否健康，经济衰退期间碳排放的减少，而随着经济的恢复，CO2曲线又爬升到了之前的水平。

　　· 世界上规模最大的城市工业CO2穹顶集中在北半球中纬度地区，但是在化石能源时代以前，相对多地少海的北半球而言，海洋的上升洋流会造成南半球的CO2浓度有所富集，如今这种不平衡已经发生了逆转。

　　· CO2分子与红外线的频率之间存在共振，从而使得这种气体具有超强的热量获取能力，这是CO2会使大气变暖的原因之一。

　　5.化石燃料是我们深埋在地下的亲戚

　　· 煤炭也许是死去很久的树木、草和苔藓，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。

　　· 石油是液态的，其中流淌的是一些富含碳原子的分子链；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，当它们死亡之后，细胞会沉积到海床上，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；甲烷分子是单个碳原子结合了4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。

　　· 深埋地下的化石性碳含量大约是目前碳循环过程中碳的2倍。

　　6.用碳13追踪人与世界之间的联系

　　· 科学家们从南卡罗来纳皮迪河的海相沉积物中挖掘箭石（一种软体动物）化石，研磨并清洗之后，发现这些石灰石中，较重的碳-13同位素与普通的碳12原子含量比为1.11％，这个值被用来作为国际碳同位素标准。

　　· 如今箭石已经耗尽，因此在1994年一个新的标准被启用，即VPDB标准（维也纳-皮迪箭石），以此作为同位素基准，用于测量所有含碳对象，其中也包括人类。

　　· 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；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降低了地球上所有生物的碳-13含量。

　　· 喜欢快餐的美国人头发中碳-13的含量比欧洲人多，一部分原因就是美国饲养的牛多数以玉米为食；相比芬兰人与瑞士人，葡萄牙人碳-13的数值也更高些，可能是因为他们的食谱中有更多的海鲜，他们消费的蔬菜与谷物也生长于干燥温暖的地中海气候中。

　　· 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。

　　五、地球之泪——钠

　　· 很多昆虫落到其他大型生物或东西上时，都是为了舔食盐水，比如以汗为食的蜜蜂和以泪为食的蛾子。

　　1.钠为何对动物有神奇的吸引力

　　· 在人类有五种基本味觉——酸、甜、苦、辛、咸中，甜、苦、辛三种味觉都是由相对复杂的有机物引起，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——钠，一种来自岩石与土壤的元素。

　　· 钠原子核中有11个质子和12个中子；如果人的体液中没有足够的钠，那么大多数细胞都会膨胀而死；如果钠的含量太高，细胞则会干瘪。

　　· 蔬菜中含有大量的钾，因为植物通过它维持细胞中的水分平衡，并操控叶片中气孔的开闭，而钠在大多数植物中都不常见，因为植物不能像我们一般使用这种元素。

　　· 黏土不能被消化，它们是由玻璃质矿物形成的鳞片，在人的消化系统中扮演的角色就是短暂停留的海绵质；不受欢迎的分子倾向于吸附在黏土的鳞片表面，这会降低它们的危害，也更容易被排出。

　　· 一对对雌蛾与雄蛾（会在泥塘吸取矿物质水）被放入条件受控的箱子中，在完成约会之后，雄性伴侣刚刚光顾过泥塘的那些雌蛾，体内的钠含量远远高于那些配偶不曾去过泥塘的雌蛾；那些雄鹅在约会之后，体内的钠含量则降到原先的2/3；钠是这些鳞翅目生物交配过程的一部分。

　　· 收到钠盐大礼的雌蛾，产下的卵中也会含有更多的钠，这说明每一只被求过爱的雌蛾都会拿出婚礼所得的1/3到1/2，随着基因一起交给下一代。

　　2.钠与氯，几亿年的恋爱

　　· 人体内的大多数氯原子都来自火山灰以及超高温的熔岩，而人体内的钠最初则是从凝固的岩浆或熔岩风化而来。

　　· 水分子中位于同侧的一对氢原子带有微弱正电荷，处于中间的氧原子则带有微弱负电荷；由于溶液中的钠离子携带正电荷，根据异性电荷相吸的原理，水分子中显负性的一端就会将它们从矿物晶格中“诱骗”出来。

　　· 每个钠离子都被六个水分子用负电荷端紧紧抵住。在这“第一层水合膜”之外，还有第二层水分子团，这使得阳离子的有效尺寸可以膨胀到原始体积的好几倍。

　　· 盐水的浓度不断上升，随着陪护分子的蒸发，其他溶解于水中的物质也同样遭遇了遗弃。其中数量最多的莫过于氯离子了，对于日益孤立的钠离子来说，它们的吸引力也与日俱增。

　　· 大多数矿物中，氯离子都很难被锁定在晶格中，这与钠离子不同；氯原子通常会以氯化氢的形式从熔岩中逃逸，它们多数会随着一缕缕火山灰飘浮在空中，溶解到雨滴中，并最终汇入大海。

　　· 海面逐渐萎缩，在越来越浓的矿物质卤水中，钠离子和氯离子也在慢慢靠近。当最后一滴水也被蒸发之后，氯化钠晶体便堆砌成一层层岩盐。

　　3.如果你体内的钠消失了

　　· 在人的舌头上分布着数以千计的味蕾，当钠离子在人的嘴中溶解后，上面的微孔将一些阳离子迎了进来，触发了你的神经脉冲，而你的大脑便将此信号翻译成盐的味道。

　　· 人不能像在骨骼中储存钙那样把钠也储存起来，人体只能对溶解状态的钠离子进行仔细监控和调节；肾脏、结肠与汗腺负责管理大部分盐分的排出，而当人吃或喝的时候，口腔中的味觉细胞则会帮助大脑控制该让多少钠进入人体。

　　· 咸味与苦味的感应细胞之间相互影响，这也可以用于解释低钠盐中诸如氯化钾的一些成分为什么会有偏苦的后味，而这可以起到降低其用量的作用。

　　· 实验表明，人体缺乏钠元素会导致体重下降、脸颊凹陷、味觉退化、呼吸困难、精力下降等症状。

　　· 一名成年人在没有剧烈运动时每天会损失2.5到3升水，因此每天都需要进行补充，使身体中的水量维持在41升；如果在这个平衡关系中再考虑剧烈运动和高温天气，那么一天消耗7.5到11升水也很容易，这些水中会含有大约28克盐。

　　· 在我人体失去1％到2％的水分时，细胞中的钠感受器就会发出信号，让人开始感到极度口渴；脱水达到10％至15％后，通常就会出现痉挛、精神错乱，再严重的脱水就会致命了。

　　· 水和水中的溶质会从高浓度区域向低浓度区域发生净迁移，这样的迁移过程分别被称为渗透和扩散，这两种过程的动力都是原子的热运动，而人的健康也依赖于这两者之间非常不确定的关系。

　　· 细胞膜让水分子比盐的离子更容易通过，因此钠离子主要依靠蛋白通道与离子泵（一类特殊的载体蛋白）才能穿过细胞膜。

　　· 钠离子缺乏会引起红细胞膨胀（渗透压不平衡），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，这会导致病人出现嗜睡症状。

　　· 人的眼泪则会通过类似过程让人远离感染；泪水中有一种溶菌酶，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。

　　4.神经靠钠离子波传递信号

　　· 在人的神经细胞网络中，并不是靠电子快速传递形成电流，而是一种扰流，而驱动这些扰流的，主要就是钠离子的热运动。

　　· 神经脉冲的传递要靠大量微型通道的开启闭合；一个神经元可以携带数百万个这样的通道，每一条通道都是被蛋白质包围的小孔，钠离子周围的水分子层则会被这些蛋白质撕开，并开启一条定制通道，宽度恰好可供钠离子挤过。

　　· 通道打开后不到一秒钟就会被再次关闭，数千个钠离子趁机扩散进入神经元；这一过程引起周围的通道纷纷效仿，直到扩散的钠离子流抵达神经细胞的末梢，信号在那里传递给其他神经元或肌肉细胞，它们可以继续传递信息或是对信息做出反应。

　　· 氯离子通道有助于调节神经元中的电荷平衡，而位于神经下游末端的钙离子通道则有助于向邻近的细胞传递信号。

　　· 钾离子会和钠离子在神经元中交换，钾离子也是内耳神经的主波离子。

　　· 在休息时，身体中有1/5的能量都是为神经系统提供的，其消耗的氧气也占到呼吸总量的1/5。

　　· 相对温和的墨西哥辣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。

　　· 人的汗水和泪水之所以是咸的，是因为它们来自咸味的淋巴液，它们从血管中渗透而来；泪水中的渗透平衡，与血液和淋巴间的平衡作用类似。

　　六、生存、毁灭和来自空气的面包——氮

　　· 哈伯开发了以氮为原料制造化肥与炸药的工艺，作为发明人，他需要为数百万人的死亡负责，但他也为20世纪几十亿人能吃饱肚子做出了很大贡献。

　　1.天空为什么是蓝的

　　· 氮气在空气中的比例达到了78％；与组成剩余绝大部分空气的氧气相同，氮气分子也是由两个同样的原子，即氮原子构成。

　　· 虽然人需要氮原子来构建人体并维持机体的运行，但人却不能像吸入氧气那样，简单地靠吸入氮气来满足供应，人只能通过吃来补充氮元素。

　　· 大气中的其他分子也会通过共享一个或多个电子形成共价键的方式两两结合，但不会像氮气这么牢固；氢气分子是依靠单键组合，氧气分子则是双键，但氮气中的两个原子却是采用超强的三键结合在一起，因此一旦它们形成以后，就很难再被分开。

　　· 当人类视网膜暴露在蓝光之下时，褪黑素的产生会受到抑制，而褪黑素是一种诱导睡眠的激素；人对这种透过“天空滤镜”照过来的阳光有反应，才会在白天下意识地保持警惕；电脑屏幕、电视和其他类似钟表底光的人工照明发出的蓝光却可能造成很多疾病，例如抑郁和失眠。

　　· 大气主要由氮气与氧气分子构成，它们的直径比可见光波长要小得多，因此当阳光照射过来后，它们便会将阳光散射到四面八方；它们会散射所有颜色的光，只不过波长较短的光，即蓝光和紫光会更为明显。

　　· 人的眼睛对紫色的敏感程度不及蓝色，在晴朗的中午，天空光中实际上只有1/5的光线是真正的蓝色。

　　· 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更明显。

　　2.空气中的氮如何转化为我们的肉体

　　· 人体中的碳水化合物和脂质主要由三种元素构成，也就是构成二氧化碳和水的碳、氢、氧，但要想形成几千种蛋白质维持生命，还需要将氮加入其中。

　　· 人肌肉干重的10％～15％都是氮原子，而在人血液里的血红素中，是四个氮原子搭建成一个摇篮环抱着一个铁原子；人体中所有的酶、抗体和基因都含有氮原子，神经元中的离子泵还有鼻子中的软骨也不例外。

　　· 但全球最主要的固氮微生物是各种各样的蓝细菌和土壤细菌，它们能把氮气分子致密的电子云拆解开，并利用这些被拆分出来的原子碎片做点别的事。

　　· 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。

　　· 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，这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一些氮氧化物，它们扩散到大气中并随着雨雪降落到地面，经植物吸收后进入不同的食物链。

　　· 强烈的气流主要是由高空中氮气分子不平衡的热运动所引起的，太阳照射带来的升温作用，让原子在不断上升而膨胀的空气中加快了舞蹈节奏；当分子运动更快的热气流遭遇分子运动较慢的寒冷气流时，由此产生的激烈冲突就孕育出了灾难性的暴风。

　　· 这个星球上大约一半的生物质氮元素，包括你身体中的大部分，都是通过燃烧化石能源从空气中提炼而来；人工固氮工艺的最终产物，可以是从TNT（三硝基甲苯）到笑气（一氧化二氮）的各种物质，也可以是化肥（硝酸铵）。

　　3.能做面包也能做炸弹

　　· 哈伯发现了一种可以生产液态氨的方法：将氮气与氢气在高温高压下混合，利用铁催化剂促进反应，这和细菌中固氮酶的反应方式非常相像。

　　· 哈伯和他的助手博施将前述反应进行放大，实现了工业生产，也就是广为人知的哈伯-博施合成氨法，从而将大气本身变成了一座巨大的氮元素矿。

　　· 硝酸盐可以利用自身的氧原子作为氧化剂快速起火，于是很平常的缓慢燃烧也会演变成野蛮的爆炸；将硝酸钾、木炭和硫黄按照不同比例混合，可以得到各种形式的黑火药。

　　· 18世纪时，法国化学家夏普塔尔命名了氮元素，而他起名的依据便是这种元素存在于硝石中。

　　· 当人消化食物中的蛋白质时，氮元素最终会以尿素的形式被排出体外；细菌随后会将尿素转化为氨气，进一步再将其氧化成适用于爆炸物的硝酸盐。

　　4.科学天才与战争魔鬼

　　· 哈伯及其团队在威廉皇家学院开发出的含氮杀虫剂齐克隆B，最初用于保护农作物，最终却在毒气室中被纳粹用来处决了数百万犹太人，其中也包括哈伯的一些前同事和远房亲戚。

　　· 哈伯-博施合成氨法无疑是将我们从古代细菌垄断集团的限制中解放了出来；现在全球每年的合成氨产量已经超过1亿吨。

　　5.鲑鱼洄游和氮的食物链轮回之旅

　　· 红鲑鱼一年一度的洄游，其实是从海洋溯流而上前往遥远湖泊的长途迁徙，在那里完成产卵后便会死去。

　　· 氮有两种同位素，其中一种略微重一些，所以向空气中逸散的难度也会略微大一些，这点差异使得重同位素更易于在海洋中积累。

　　· 氮-15比氮-14多一颗中子，质量也就略大一些，较重的氮-15比氮-14的振动略微弱一些，因此当它和其他原子之间构成化学键时，也就更为稳定而不易被破坏。

　　· 在海洋食物链系统中，从被捕食者到捕食者的每一级，氮-15在器官组织中的含量都会有所提升；在红鲑鱼的身体组织中，氮-15的丰度超过大气及地壳中的10倍。

　　· 植物用氮原子构造能够捕获光子的叶绿素，并因此成了绿色，此外也用它们构建酶、细胞壁以及香味物质；叶片中的氮-15含量可以反映植物与溪流的距离，以及鱼群密度和熊群规模等。

　　· 洄游的鲑鱼体内，可以检测出多达70％的有机氯杀虫剂类别，而在以鱼为食的灰熊体内，则可以检出多达90％的有毒多氯联苯物质类别。

　　· 氮元素可以让植物生长得更快更茂盛，因此有些研究者就将年轮作为鲑鱼洄游规模的记录；在过去的350年里，鲑鱼洄游的规模起伏很大，即便在现代人类对其造成影响之前也是如此。

　　6.远古人类的食谱

　　· 考古学家会通过对骨骼中最丰富的胶原蛋白进行氮-15同位素分析，从而构建出远古人类的食谱；以海洋生物为食的人群相比那些以粮食或家畜为食的人群，体内的氮-15含量会更丰富一些。

　　· 捕食者消化另一个生物体中蛋白质的过程，体内会倾向于留下更多较重的氮-15原子，这也使得捕食者体中的氮-15含量通常会比猎物更高，而这一原理也适用于我们人类。

　　· 遵循着古老的食物链原则，婴儿体内的蛋白质中氮-15的含量会略微高于他们的母亲，直到他们断奶之后，同位素分布逐渐与今后将养育他们的更广阔外界环境趋于一致。

　　· 用于固定氮的主要能源是大量不可再生的化石燃料，将这些食物运输到你家周边商铺直至餐桌的能源也是它们；这些代价高昂的含氮化合物在排放后，并不会被农作物所吸收。

　　· 这些过程让以人类为中心的全球氮元素循环出现了巨大缺口，而这个缺口只能通过能耗更经济的固氮技术和运输技术填平。

　　· 除了给粮食作物提供养分以外，我们排放的含氮垃圾也给我们带来了意外的后果，比如水藻暴发、酸雨酸雪和城区的有毒雾霾；它们甚至对气候变化也有贡献，因为氧化二氮是一种温室气体。

　　七、骨与石——钙与磷

　　1.钙与磷的传奇

　　· 骨骼是维持生命的关键，它们保护着你的组织免遭冲击，给你的肌肉提供支点与杠杆，让你可以站立、行走、说话以及操控各种事物；它们还是钙和磷的储存库，一种被称作磷灰石的矿物形态构成了骨骼与牙齿中的大多数质量。

　　· 磷灰石中的每一片微晶就像是原子堆积起来的珠子，主要由钙原子和磷原子再掺入氧原子构成；晶格结构中的不规则性也给其他原子提供了空间，故磷灰石是已知矿物质中最多变的几种之一。

　　· 蛋壳、贝壳以及珊瑚礁中碳酸盐胶结物，由钙、碳、氧三种元素构成，而单独的钙离子可以帮助协调你的心跳，并有助于凝血功能；磷元素使你的基因骨架变强，并可以帮助你储存或释放食物中的能量。

　　2.你的骨头是活的

　　· 在去除脂肪的骨骼干物质中，大约有2/3是石质的磷灰石，平均占成人体重的3％-5％，基本都隐藏在体内不能被看到。

　　· 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，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，这是因为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，还是因为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。

　　· 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，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；蛋白质保护层也包裹了每一颗磷灰石晶体，避免发生断裂。

　　· 骨骼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人的身体对人的生活状态做出反应，重新排布原子。

　　· 在骨骼中的磷灰石内部，也包裹着由胶原蛋白构成的“钢筋”，这是一种强度巨大且富有弹性的蛋白质，给你的跟腱和韧带安上弹簧的也是它们。

　　· 骨头表面其实是蜂窝状的，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，骨骼总重的20％-30％都是水。

　　· 婴儿的骨骼多数是由软骨组成的而非磷灰石，软骨主要由蛋白质和水构成，比成熟的骨骼更有弹性，这样婴儿就会更容易地通过产道；人体的骨骼需要到20岁左右才能完全硬化。

　　· 软骨到硬骨的转化过程，需要动用数百万的细胞，这些细胞从食物中提取钙原子和磷原子，并将它们填充到蛋白纤维的空间里。

　　· 骨骼上的管道让血管离得足够近，从而向骨骼提供食物、水和其他“建筑材料”，并带走废弃物；腔室之间的通道中分布着神经元，可以帮助骨骼细胞与身体其他部位或相互之间传递信息。

　　· 如果发生骨折，它们会用一种易于移动的磷灰石帮助伤口愈合，也就是所谓的“编织骨”，随后会被强度更高的磷灰石与胶原蛋白组成的“胶合板”所替代。

　　· 扭伤和脱臼会使嵌入骨骼的细胞发生扭曲，并告诉它们需要加强对环境的反应，以防再出现类似的压力。

　　3.你的骨头来自岩石

　　· 将人体内的水分除去，人会变成一具木乃伊；如果再除去碳和氮，人就成了一捧骨灰；人血液中的铁和盐是植物根部从土壤中吸取的，人骨骼中的钙和磷也是如此。

　　· 尽管花岗石看上去异常坚固，但构成它们的那些颗粒却并没有很强力地融合在一起，只不过是挤压在一起罢了，在水分的作用下，它们的接触就会松动。

　　· 花岗岩的分解也会在原子尺度上进行：雨雪中通常含有较弱的碳酸，可以瓦解矿石颗粒的原子结构，将它们部分溶解并带走钙、磷以及其他元素；含铁量高的颗粒会生锈，并给岩石染上色彩。

　　· 岩石的风化最终为人的骨骼提供了钙和磷，人体内的大多数矿物质原子都从地壳而来，而且很可能是靠植物的根来实现这一过程的。

　　4.隐藏在地下的原子交易市场

　　· 连接着植物与地球的树根，也将植物跟一个发散性的真菌纤维网络连接了起来，这个网络被称为“菌根”；所有的植物种类中，有3/4都依赖这个“植物—真菌交易市场”生存，并形成合作联盟帮助它们更好地利用和分享资源。

　　· 真菌的主体部分被称作“菌丝体”，是一团埋于地下的丝状活体，依赖于土壤生存，一旦到了需要撒出孢子的时候，它就可以生长出数目不定的肉质菌伞；菌丝比棉花纤维更为纤细，但它们的延展性惊人。

　　· 一个树根上可以有很多不同的真菌，同时每根菌丝都可以跟几码以外的树木和野花分享它们的生命分子，有时真菌与树根会运用化学信号征召对方加入网络的建设；这样的真菌联盟可以使树木吸收的磷元素增加两倍，而且有些真菌甚至可以杀死并消化土壤中的昆虫，再将它们的原子通过树根输送给邻近的树木。

　　· 真菌“矿工”会渗透到土壤深层寻找磷灰石颗粒，并利用消化性的化学物质及酶作为工具“开采”其中的钙和磷；真菌不会简单地储存它们的战利品，而是利用任何自己不能消费的元素跟上方的植物进行交易。

　　· 植物从真菌那里得到矿物质，并将糖回馈给真菌；实验表明，树木提供的回报越少，从真菌那里获得的磷也就越少。

　　· 西红柿可以通过监听它们之间的真菌来掌握其他同类的健康状况，当有西红柿被病原体感染后，它们会向真菌网络中释放信号分子，附近的其他西红柿因此做出反应，这样就会有足够时间启动免疫系统，避免自己被感染。

　　5.生命也能创造出矿物

　　· “哈森石”是微生物的杰作：细菌从盐卤中获取磷、盐和水，并将它们堆积成微型晶体。

　　· 蓝藻向海水中释放了大量氧气，海床上曾经是黑色的含铁化合物因此而生锈；海洋中的氧气又逸散到了空气中，于是陆地上的岩石与沉积物也生了锈；这次大氧化事件共产生了超过2500种新矿石，其中有赭石和铁矿石、生石膏和熟石膏，以及200多种不同的铀氧化物。

　　· 随着水生生物进化出了防御性的硬质部位，生物性矿石也开始在海洋中沉积；一代又一代的珊瑚虫、贝类以及浮游生物在海床上堆积着石灰质碳酸盐与霰石，其数量之巨可以从太空中看到它们。

　　· 有科学家认为，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。

　　· 跟所有生物一样，我们利用地球上的原子构建并维持着我们的身体，并且我们也像其他所有生物一样，在对结构与外形进行或多或少的修饰之后，又最终将它们还给了地球；最大的区别或许是，我们具有理解自己行为的能力，因此这就给我们的行为增加了一道伦理的评判尺度。

　　· 李奥帕德认为，如果一件事是为了保持生物圈的完整性、稳定性以及美观性，那么它就是正确的，反之它就是错误的。

　　八、增长的极限——磷

　　1.蓝藻生长的木桶效应

　　· 化学家李比希提出了最小定律”：植物生长的限定因素，取决于供应量最短缺的营养物质。

　　· 过去的农业受制于季度性泛滥以及家畜的排泄速度，氮元素往往是局限因素，而工业化固氮技术则加长了这一块短板。

　　· 大多数磷都被锁定在岩石或土壤之中，或是被深埋在难以企及的湖床之下；相对于其他主要的生命元素，磷元素的丰度也只有几百分之一。

　　· 磷元素让那些可以自行固氮的物种有了优势，而蓝藻作为一类特别令人讨厌的固氮生物，通常会霸占整个湖水，并获取更多磷元素。

　　· “富营养化”的本意只是单纯指代营养充足的生态系统，当科学家说到某个湖泊或某片海域是富营养化时，从技术上讲也只不过是个中性词，但由于将磷排放到水体中造成人为的富营养化，在大多数人看来都不是什么好事，更像是吃得太撑得了病。

　　2.从撒哈拉沙漠到亚马逊的原子迁徙

　　· 每年从撒哈拉沙漠飞越大西洋的矿物质颗粒和硅藻外壳超过2亿吨。

　　· 亚马孙雨林富饶而高产，但这里的土壤却没有想象中那么肥沃；强烈的风化作用，要么是将营养物质都洗刷到下游，要么就是将它们束缚在坚硬的沙砾中，而快速吸收的植物则会清除大部分动植物遗骸。

　　· 对于这些树木而言，为了给它们的细胞色素和其他分子索取更多铁原子，就只有依赖从非洲刮来的东风了，因为风中携带着含铁的沙尘。

　　· 大部分海面上，既接触不到海底沉积物也没有河流出海口带来的淤泥，铁元素的匮乏便限制了浮游生物的生长，但撒哈拉沙尘覆盖之下的海面可不是这样。

　　· 固氮酶的主要作用就是捕获氮元素，它也是所有生物分子中含铁量最高的几种物质之一；人的每个血红蛋白分子携带4个铁原子，而一个固氮酶复合体则携带34个铁原子。

　　· 如果有什么元素会限制人口增长，那么它应该不是很容易随着大气四处飘散的气体，也应该很容易因为疏忽而被浪费或流失，磷元素就恰好完美地符合这种推测。

　　· 人体内大约携带了0.45千克磷元素，大多数都在骨骼内，但还有很多是你细胞的重要组成部分。

　　3.和身体中的磷来一次面对面的交流

　　· 人体中每一个细胞都是由双层磷酸酯包裹的，油性物质被这两层磷酸酯夹在中间形成三明治结构，这是一层富有弹性的半透膜；当它暴露在水中时，由于其独特的分子结构带来的自组装特性，这种结构会自发成型。

　　· 人体中的磷原子中的大多数正参与支撑着你的磷酸钙骨架，而剩下的那些大多数在细胞膜上振动。

　　· 在细胞的深处也有磷原子，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：DNA由四种含磷的“砖块”构成，也就是所谓的核苷酸；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。

　　· 有一种核苷酸叫作三磷酸腺苷，也就是ATP，在基因中也可以独立工作；它的主要任务是充当细胞的“化学电池”，此外它还能让人的四肢运动，并让人能用视觉、触觉和味觉去感知这个世界。

　　· ATP分子携带三个相连的磷酸基，当最外层的磷酸根脱落时，由此释放出的小型能量波，可以让人实现各种动作，ATP则变成了ADP，即二磷酸腺苷；当再次装回磷酸根之后，ADP又变回了ATP，人又可以将这个化学键用到需要的地方，比如开启细胞膜的离子泵或制造激素分子。

　　4.最有可能对全球人口形成限制的资源

　　· 在所有这些生命原子中，磷或许是在任意给定时间里，最可能对地球人口形成限制的资源；我们并没有制造用于维持身体的原子，而仅仅是从环境中借来了它们。

　　· 如果一个人的体重是68千克，那么他的原子总数大约是7×10^27，这大大超过宇宙中可以看到的恒星总数。

　　· 有人提出，“磷元素峰值危机”可能是“你从未听说过的最严峻的自然资源短缺”，而最近也有人称其为“潜在的全球性主要环境危机”之一。

　　· 尽管玄武岩以及其他火成岩有时也可以被用来开采磷，但它们的矿石含量很低，而且开采难度很大；我们如今开发的最有价值的磷矿，都是由发生过富营养化的古老海洋“再生”而来。

　　5.磷元素会枯竭吗

　　· 墨西哥湾暖流靠近海岸并与大陆边缘的海底隆起以及海角发生撞击时，掀起了下层的海水，大量的磷和其他营养物随之被翻腾起来；当重度营养化的海水抵达阳光普照的海面时，它们引发的海洋生物大爆发。

　　· 美国地质调查局报告称，全美拥有的磷矿储量大约有14亿吨，如果按平均纯度30％计，这些磷矿可以产出4.2亿吨的P2O5分子，或是1.85亿吨磷原子；理论上讲，仅仅是美国的磷储备就可以供给3700亿人口。

　　· 我们从土地中获取的磷元素，有80％-90％都根本没有到达我们身体之中；它们中的一部分长成了棉花，最终成为服饰。

　　· 撒在田间的磷，至少还有一半并没有被目标作物所吸收；在植物的根吸收它们之前，雨水就已经将磷冲到了地下水或河水中，所以很多时候，化肥的施加量高于植物真实的需求。

　　· 大河河口的三角洲正在将大量被浪费的磷原子掩埋，而它们刚刚才被人类花了很大代价和努力从类似的源头开采出来，却又被存储到了更难抵达的位置；在从陆地前往水下的旅途中，它们还会破坏生态系统。

　　参考文献

　　施塔格，《诗意的原子》