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《诗意的原子:8种连结你和宇宙万物的无形元素》和身体中的磷来一次面对面的交流

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当你看着镜子中的脸时,你看到的主要是皮肤。肉质的脸颊上包裹着薄薄的一层皮肤细胞,就跟葡萄皮似的——当然也可能是葡萄干,这取决于你的年龄和肤质。一般成年人所有皮肤的总重为8到10磅(3.6到4.5千克),其中大多是由水和油脂构成。不过你看到的最明显的都是皮肤最外层的表皮细胞干燥后的残留物,如果你能透过这层薄薄的屏障窥探内层组织,检查一下那些包裹在活着的细胞外围的薄膜,你就可以看到,你向世界所展现的,最显著的部分就是磷原子。

严格来讲,这也不仅仅是磷原子,而是更为复杂的磷酸酯分子围住了你的细胞。构成磷酸酯的磷酸基的形状就像是手上抓着的一堆气球——四个氧原子就是那些气球,而磷原子就是拳头,牵住气球的线则是共价键,整个基团还可以和其他分子相连,比如油脂分子或更多磷酸酯。这种伙伴关系的灵活性对于保持你的生存与意识状态是非常重要的,而当生存不是太急迫的问题时,它还有助于让你的衬衣保持干净。

还记得我们将水体的富营养化归因于含磷洗涤剂吗?这些洗涤剂之所以能成为水藻肥料的原因之一就是,它们很像细胞膜中那些富含磷的分子。就拿你自己的细胞膜说吧——你身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。这并不是一个固定不变的屏障,而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。

细胞膜中的磷脂分子就像是古代神话中的一些奇怪物种,例如美人鱼和半人马。要想搭建磷脂分子,你需要取一个磷酸基的“头”,再接上一根或几根由碳氢原子构成的脂肪酸“尾巴”。带有少量电荷的头部会吸引水分子,而油性的尾巴则更希望和它们的同类混在一起。当你将足够的磷脂混合后放入细胞所处的含水介质中时,它们会自动有序地排列形成双层薄膜,磷酸基的“头”和“头”会挨在一起形成薄膜的两个面,并且都朝外指向水,而尾部则尾对尾地团在内部,像是被夹在两片面包中的黄油一样。你脸颊的皮肤表面,就是无数密密麻麻的头部为磷酸基、尾部为脂肪酸的脂质分子。

细胞膜分子与洗涤剂的相似性也可以解释,为什么后者可以将衣物上不易溶于水的油污洗去。当洗涤剂被倒入洗衣盆里时,负电性的磷酸头部便会与水分子的正电端结合,这样的吸引力就会把洗涤剂拉入水中。此时洗涤剂的尾部还在后面拖着,直到它们遇上衣服污斑上的脂质,从而引发一场拉锯战,最终涡流将洗涤剂连带油斑连根拔起。

细胞膜结构图

在含磷洗涤剂被禁止之前,你用过的肥皂水会直接冲入河中,于是一些幸运的水藻就会抓住它们,获取其中有价值的磷酸基头部。如果规模够大,再考虑其他诸如市政污水、化肥或腐殖质中的磷源,那么你就会看到波罗的海、墨西哥湾与上克拉马斯湖的多彩变幻。磷元素也可以让你自己身体里的细胞茁壮生长,就像它会刺激水体中浮游生物的生长一样,原理也差不多。

那么你体内多达10亿亿亿颗磷原子这会儿都在做些什么呢?它们中的大多数正参与支撑着你的磷酸钙骨架,而剩下的那些,大多数在遍布你从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(adenosine 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,这也使得它成为了一个你与世界上其他生物之间普遍联系的纽带。