作者: [美]科特·施塔格 出版社: 北京联合出版公司
一、氧
氧原子几乎潜伏在你日常生活的每一个地方。它们不仅是你呼吸的物质，很大程度上也是构成你身体的物质。科学家们常常会将人类描述为“碳基生命”，但严格按数字来看却不是这样的。
你的体重有大约60％是由水构成，具体数字取决于你的身材、年龄和健康状况；而水分子中8/9的重量属于其中那硕大的氧原子。所以说，氧构成了你湿重的大部分，一个150磅（68千克）的成年人含有大概95磅（43千克）的氧。作为对比，同样的成年人所含的碳大约仅为35磅（15.9千克），如果采用原子比例，那么碳原子的总数相对于氧原子的比例约为1：2。
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。如果你体内的氧原子全部消失，你仍然还是可见的，尽管存在不了太久——剩下的元素构成的团雾会随着一股清风飘散得无影无踪。
但这不是你呼吸的原因。你通过喝水吸收了多数水基的氧原子，又通过进食补充了大量碳基的氧原子。呼吸则是件完全不同的事情。这个过程的目标不仅仅是获取氧原子，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。而且不同于喝水或进食，你需要一直持续吸入氧气，因为除了肺部的肺泡，你无法在体内安全地储存氧气。
尽管你可以提纯氧气并将其压缩到体内某个空间存储，但你一定不想这么做。让它们随意留在体内，细胞会受到损伤，而且氧气在浓度过高时是有毒的。你需要在可控的范围内吸入它们，然后立即高效地使用它们，再从身边原子的海洋中吸入新的氧气。
要想象这个过程如何开展，可以借用阿尔伯特·爱因斯坦的“思维实验”技术，当你再一次呼吸时，让想象力随着氧气分子滑落到你的喉咙，并进入你的肺。你刚刚吸入的空气中大约有3/4的氮气，除了让你的肺保持膨胀以外，它们对你没有任何作用。你的目标是空气中那由氧气分子构成的21％，但你只能通过在混合物中仔细搜寻来获取，就像从一堆糖豆里用勺子挑出那些颜色你喜欢的那样。
随着你的胸腔扩大且空气被压缩进去，这些气体通过头发丝一般细的支气管挤压到数以亿计的肺泡中，这些泡沫一样的肺泡形成了肺内部粉红色的海绵状结构。它们的表面具有吸附性，全部表面积加起来接近750平方英尺（70平方米），几乎相当于单打网球场面积的1/3。在那里，大多数空气分子被挤进肺泡之间的狭窄空间，那里的毛细血管将它们聚集起来。微观尺度上来看，你的血液就像满是挤满半透明深红色斑点的液体，当肺部搏动时，它们只花不到一秒钟便挤进肺泡中。这些红血球细胞像一辆辆快速移动的车辆，它们可以载着氧气穿过数百英里的血管抵达你身体的任何地方。
与此同时，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。在整个过程中，大部分新吸入的氧气只是简单地又从肺里面被吹了出来。尽管看起来有些浪费，但这种低效却也有好处。残余的氧气可以在口对口人工呼吸中对无意识的人发挥作用，而不会让他们因为二氧化碳窒息而死。
你每一次吸气，空气都成为了你身体的一部分。
你的氧诞生于远古的恒星爆炸
如果你可以检测舌尖上分泌的一个单个水分子，或许你能发现宇宙两个不同历史阶段留存下的遗迹。138亿年前，在宇宙大爆炸发生后不久，属于你的那些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“出生”。你体内的那些氧原子比氢原子要年轻几百万岁，甚至几十亿岁。
然而，你体内的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，新形成的氧原子就像花粉一样，从这朵明亮的火焰之花上飘落，飘散到了太空中。从某种意义上讲，地球确实是我们的代孕母亲，因为我们的身体起源于它，但我们如今能够存在，根本上还是因为那些已经死去很久的恒星生母，愿你呼吸的下一口新鲜空气是献给它们的追忆。
2原子之舞——氢
最基本的元素莫过于是氢了。
氢原子的结构最为简单，只有一个质子和一个电子，剩下的绝大部分空间都是空空荡荡——跟所有原子一样。但你要知道，对于你和这个世界而言，这个最朴素的原子却极为重要。没有氢，水也就不再存在，因此全世界的海洋、云层和极地冰盖，以及你身体里60％的物质都将消失。你的肌肉会解离成没有用的碳纤维缠绕在一起，骨骼会崩溃，细胞则会因为没有细胞膜的保护而融化。而这些都会在一个异常黑暗的世界里发生，因为太阳和恒星也都会消失不见。然而你对氢的需求其实还有更多，并且氢也是其他生命元素的祖先。
我的一个朋友常说：“给氢元素足够的时间，就会变成人。”从长远的角度来看，这句断言是正确的。
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，所以氢是你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。它们“骑在”氧原子上形成水分子，在辈分上它们却是氧的叔叔或婶婶。
在原子尺度，所有颗粒都一直在运动。即便在最平静的水池或是最坚硬的冰山中，原子也一直在颤抖，不是因为冷而是因为热。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。
当温度与热的概念到了原子层面时，就不会像你预料的那样了。在这个范畴中，“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。很多布朗同时代的人都相信，热量是某种很像生命力的力量，但可以适用于所有物质。这种背景能量存在于所有存在原子的地方，并且所有原子因之而舞蹈。即便原子被严格限制在石英晶体或一块骨头中，它们也像坐在座位上感受摇滚乐节奏的观众一样躁动。
另一方面，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，汞原子之间相互撞击太强烈，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。拥挤的舞池也是差不多的状况。人们在静止站立时可以紧紧地靠在一起，但音乐响起的时候，他们就会开始推倚对方，每个人都自动扩张了地盘。被观察对象的温度，其实就是反映了其内部粒子舞蹈的活跃度，因热而膨胀的气体也解释了，为什么热空气会上升以及驱动风和其他天气现象形成的动力学原因。
对于你来说，原子这种因热而驱动的舞蹈在原子层面上维系着你的呼吸与生存。依赖这种热运动，氧气从你的肺里扩散到血液中，信号分子钻过神经细胞与肌肉细胞之间的狭窄缝隙，告诉你该收回那只快要被烫伤的手了。如果你在冬日里摘下手套并抓住某人被冻得冰凉的手，你身体上那些碰撞更激烈的原子会“鼓舞”对方那些缓慢的原子，与此同时，一波波扩散的离子将这种感受，通过你的神经系统传导到你的脑中——或者更形象地说——传导到了你的心里。
原子振动的本质会帮助你理解“你为什么是你”这一问题，也有助于你记住水分子的轮廓形似米老鼠脑袋这一特点。
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，因此水分子看上去就像是球形的米老鼠头部长着两片圆形的耳朵。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“米奇脑袋”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。这会有什么影响呢？你一定听说过“异性相吸”，所以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，就和其他带电物体一样。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，但它们对你和整个世界的影响却是令人印象深刻的。
当你出汗的时候，你就能感受到氢键的影响了。你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，从而让你能够保持凉爽。
水蒸气在你身边的空气中可能只占0.1％的比例（沙漠环境），也可能达到4％（湿润的雨林环境）。但是单一的分子太小，并不能像云一样反射可见光。寒冷的清晨，你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。水分子在它们的作用下形成闪闪发光的小水滴，尺寸大到足以被你看到，却也小到足以扩散。
尽管你身体中大多数水分子是通过饮食的方式进入，但水蒸气还是会在每一阵微风袭来时碰撞着你的身体，并在每一次呼吸时洗刷着你的呼吸系统，其中一些便会通过肺部的海绵体扩散，并随着你吸入的氧气一同进入到血液中。泪水中的氢键也会将空气中的水分拉到你的眼睛里，而与此同时，还有一些水蒸气分子钻到了你头发中的细微缝隙中。
想象一下，你在缩小了成千上万倍以后，跟着一口自来水穿过人类的消化道，然后又跟着一口潮湿的气息跑了出来。在这个思维实验中，你还是太过庞大，还远远不能跟随水分子进入血液，但已经可以感觉到身边的液体跟平时的饮料很不一样了。水分子总是通过氢键互相依附，所以很难将它们分离开，此时水感觉就如糖浆一般，既黏又稠。
如果你的尺寸再缩小数千倍，仍然会比水分子大上一万倍。此刻你已成为一颗布朗运动颗粒，受到水分子更为猛烈并且永不停息的袭击。每个分子都比一架喷气式飞机运动得更快，而你会很庆幸它们没有更重一些。不过尽管如此，你仍然过于庞大，不能跟上水分子旅行的脚步。
继续发动你强大的想象力，再缩小这最后的一万倍，你就成了跟水分子差不多大小的颗粒。很不幸，此时分子的碰撞已经变得难以容忍，因为撞击者具有跟你同样的尺寸。你可以天马行空地去思考这个问题，同时脚步跟上水分子。
这一口液体本来似乎是黏在一起的，在你的内脏中朝着一个方向移动。不过在这个由振动颗粒构成的混乱王国中，大多数明显的运动都是由热力驱动，因此几乎是随机的。已经缩到水分子大小的你，如同你的那些分子邻居一样，冲刺一小段距离，碰翻点什么，然后又因为撞到其他什么东西而弹开，一遍一遍又一遍。
这种运动并不稳定，却异常迅速，只要行进路线不是太长，水分子的运动方向即便发生一百万次错误，也仍然会立即到达指定地点。想象一下你正在闭着眼睛试图走出一间拥挤的房屋——只要给你足够的时间，迟早你都会发现门口。但在原子尺度而言，这个“迟早”可能也就是一瞬间，远远不足一秒钟。
我们赖以生存的地球，之所以能养育这些我们熟知的生命形式，都是因为它表面有大量的液态水。进一步说，是因为我们的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，或是将碧波荡漾的湖泊冻成坚硬的冰原。
原子之舞最初是由希腊-罗马人通过纯粹的演绎推理出来的，如今，这种舞蹈如此美妙的细节也已经可以被我们观察和欣赏，就像我们生命中最基础的元素一样。你身体里的每一个原子之所以存在，都是源自百亿年前宇宙大爆炸时开始扩散的氢原子，我们离不开的水分子也是由原始的氢原子所产生，并被赋予了特殊的属性。一切与水有关的生命活动，不管是叶片中的绿色组织，还是你身体里的细胞液泡，都是因为这种两颗氢原子骑在一颗氧原子之上构成的分子而存在，它遍布于整个地球，并且在氢核聚变的太阳驱动下，振动不息。
氢原子，只要给它们足够的时间，确实可以变成人。这句话如此正确，而且如此令人咋舌——我们如今已开始认识并欣赏它是如何实现这一切的！
3 创造与毁灭——铁
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。在你的身体内，它比其他的大多数元素都更重；它携带着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。这些特性可以帮助解释铁在恒星毁灭时所扮演的角色，以及它在地球上的非凡属性。
原子对周围电子的排布方式非常挑剔，就像人们沉迷于自己的衣着一样。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。氧元素是它最喜欢的“交易伙伴”之一，将铁暴露在空气中足够久的时间，它就会腐蚀成为锈迹斑斑的氧化物。但如果你在一个携带氧气的血红蛋白分子中间嵌上一个铁原子，氧与铁的吸引力则会变得对你有益。
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。如果紧紧地钳住铁棒的一端，用机器强力拉拽，将其穿过坚钢模具上一个孔径逐渐递减的洞，铁棒就会像太妃糖一样，最终被拉成一根纤细的铁丝。如果这根铁丝的碳含量正好合适，再经过加热，你便可以将它紧紧地绷在小提琴琴桥的两端，在拉出美妙音乐的同时却又不至于将其折断。这样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正是由电子云的相互作用产生。
用一把重锤锤打放在砧上的铁棒，铁棒会被砸平为一片薄薄的刀片，金属中的原子横向扩散，它们与周围原子间的关系却没有被破坏。在火上加热铁棒，振动更为激烈的原子之间会更容易滑动，也更容易形成新的形状。在熔炉中将铁加热到2800华氏度（1537摄氏度），颤抖的、炽热的原子便可以流动起来，并被倒入任何合适的模具中，这是铁匠们几百年前就发现的特性。
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。这是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，这也是避雷针可以将闪电导入大地的原理。而如果将铁棒放置到强磁场中，它便可以吸引罗盘的指针。铁原子外层的电子移动性很强，不仅会顺着轨道围着原子核转动，也时常会跳开访问邻近的原子：一边移动还一边旋转。来自磁场的呼唤就仿佛是音乐传到了它们的耳朵里，它们会各自排列出自旋方式进行匹配。很多元素都会这么做，但铁却可以在音乐停止之后，仍然记得旋律和节奏。
罗盘中紧密结合的原子聚集成和人体细胞差不多大小的团簇，磁化的指针就通过其间的电子自旋方向产生自己的磁场。每一个团簇都有各自的自旋方向，形成微型的马赛克图案。当大多数团簇排列成一致方向并产生净磁场时，指针就会倾向于转向合适方向，使自己的磁场顺应富铁地核产生的地磁场，后者就是这么穿过数千英里的岩石与岩浆控制了指针。如果用锤子对指针进行重击，电子又会恢复成随机排列，也就不能再与地下的那些弟兄互相吸引了。
大约在两千年前，古代中国的发明家就将天然磁石用绳子悬挂起来，用于指示方向。后来在汉朝时期出现的“司南”就像是一把精致的铁质长柄勺放置在一个抛光的金属盘上，它的勺柄可以平滑地旋转指向南方。
随后的几个世纪，这种磁铁广泛被应用于风水学，这是一门利用神秘力量定位宝石和其他隐藏宝物的学问，也是一门确保建筑符合天地之气的学问。宋朝期间，中国的航海家也在穿越印度洋的军事行动与贸易活动中使用了磁铁。有些罗盘其实就是用磁石擦过的铁针，放在一盘水的表面，或是用丝线悬挂。通过当时水手与商人的传播，指南针技术在整个欧亚大陆得到普及，随后开启了远洋贸易，并对欧洲探险家最终发现美洲大陆做出了贡献。
宇宙学家对我们太阳系形成前的细节尚有争议，我们也不可能知道所有答案。但是地球上富含铁元素的事实，可以在那些合理的争议中肯定其中一部分细节。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。
这颗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。质子与中子聚集成更大的核，于是在恒星的中心位置，逐渐形成了较重的核，而较轻的元素像洋葱一样，一层层地包裹在外。
这一进程的早期，当星体核心的温度飙升至数百万摄氏度时，碳核开始形成，并持续数个世纪。在这颗恒星最终死亡之后，这些原子大多数聚集成微型的钻石与小颗粒的石墨，再后来就成了钻石与铅笔的原料，以及你头发、肌肉和细胞膜中的碳框架。
在星核的外围，氦与碳发生聚变，并产生大量氧核，现在它们以水的形式存在于你的体内，或是以氧气的形式被你吸到肺里。在涉及碳和氧的核聚变循环中也形成了氮，它们中的一部分现在是谷物的肥料，还有一些则以其特有的方式进入到你的基因和蛋白质里。当星核的温度达到10亿摄氏度时，过热的氧核就会结合到一起产生硅，如今在你脚下的岩石地壳，便主要由它们构成。
太阳的诞生多亏了铁。冲击波将大量爆炸的碎片清除，并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，其中最大的一些星团应该在冲击波刚刚经过时就已经被点燃了。所以最终的结果就是，死亡的冲击波，却点亮了一些新生的恒星，其中也包括我们的太阳。
地球的诞生也要归功于铁。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，它们来自一个或多个因“铁中毒”而爆炸的星体，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。
当你身处地球之上，你还需要再次感谢铁，你的煎锅、钥匙和汽车，你信用卡上的磁条以及控制罗盘的地球磁场都归功于它。
你总会在生命的某一刻有意无意地看见自己的血是什么样子。或许你注意过它的颜色与铁锈很相似，并且猜测这两种物质都是因为铁在氧气的作用下变成了红色。在一定程度上这是正确的，但你还需要将血的颜色归功于血红素分子——一种存在于血红蛋白中像篮子一般携带着铁原子的分子。
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，被称之为胆红素，尿液的金黄色则大多源于胆红素的进一步分解。棕色皮肤的颜色来自黑色素，同样也是一种碳基的网状分子，同样不需要铁来帮助生成颜色。有时候，色素颜色代表着有机体的重要特征，例如黑色素，不仅是不同肤色文化的象征，也可以减少阳光中紫外线带来的伤害。不过在你的血液中，颜色主要意味着后者——血红蛋白的首要功能是让你活下去。
孤立地来看，血红素很像是一张小小的铁丝网——平坦、对称、复杂，并且从确定的中心向外辐射，携带着你身体中大部分的铁。围绕中心的是四个碳-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，便可以从你的肺部接收氧气，并将它们送达你身体内的任意部位。
铁原子被血红素网住以后，就可以从血液中抓取氧分子了，然后再在需要的位置将其释放。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。
没有血红素包裹的铁，你即使大口喘气，也仍然得不到足够的氧气，因为此时你的血浆只能携带极少量的氧气。你的每一个血红蛋白分子都带有4个血红素，而你的每一个红细胞中则含有大约250万个血红蛋白。在你手臂动脉中流淌的每一滴血，都含有数百万个红细胞，也就是说，数以兆亿的氧气正被铁束缚着，通过“红色运输线”来到你的手上。
如此高效工作的铁原子在你刚出生时，就已经开始向你的细胞运送氧气了，而且还将继续为你服务直到你离开人世。然而，如果你此刻还在子宫里，那它们现在的形式未必会如此高效——你的肺还没有开始工作，而且子宫里也没有任何新鲜的氧气。作为替代方式，你只能通过肚脐从你母亲的血液里获取氧气。这就需要一种特殊的胎儿血红蛋白（血红蛋白F），它们可以比成年人的血红蛋白更紧地抓住氧气。这种临时的措施可以允许你通过脐带从你的母亲那里获取氧气，直到你可以自行呼吸为止。
但是对你的健康而言，含铁血红素为你做的其他事与运输氧气同等重要。有一种令人不安的潜在危险可以证明此事，那就是氰化物的中毒机理。
用最简单的术语来描述，氰化物是通过窒息使人死亡的。在溶液中，氢氰酸（氰化氢）的氢离子发生电离成为自由离子，剩下的氰离子就成为氧气的致命模仿者，与血红素结合得非常契合。
当氰离子像氧气那样与铁结合时，血红蛋白从你肺部运送氧气的过程就会减缓。然而更严重的损害将发生在细胞中最为偏远的角落里，也就是线粒体内。氰化物“别动队”可以将含铁的组件破坏，而那些正是生产能量的组件。
纵观整个人类历史，我们一直都受益于铁的特性，不仅在血液与肌肉中，还有地球磁场，是地磁帮我们抵挡了宇宙射线与太阳风——太阳强烈爆发的亚原子粒子与能量，我的一个学生将其比作“愤怒的吹风机”——使我们的大气层不至于被吹到太空中去。
我们制造的机器已经将人类送上了地球轨道，并且我们也已能够了解太阳系外的空间，一些曾经不可能抵达的地方看起来也越来越像是我们家园的一部分。我们现在可以正确地认识“流星”的闪光到底是什么，这些宇宙邻居的碎片并非真的消失了，而是与我们的大气发生摩擦，然后它们的原子融入了我们的空气、水以及土壤，甚至还有我们的血液。当夜幕降临，迈出家门，抬头望着星月，此刻我们可以更好地理解，那些遥远世界存在的种种物质，也在你我的身边和体内存在着。我们还将在科学前辈们打下的基础上继续前进，而我们如何解释这一切，又会做出怎样的反应，都将会在历史上写下独一无二的篇章。
4生命之链——碳
简单来说，你身体的大部分是由空气和水构建，但要想实现这一点，你还需要植物和光合微生物的帮助。你的每一条肌肉纤维、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，这些碳原子来自你身边的空气，但空气中的碳原子却和沙石河床里的金子一般稀少。不过这一小部分却非常了不起，当它们被植物筛选并以糖的形式储存起来时，就可以继续进入包括你在内的其他生物体中。
伴随着你的每一次呼吸，碳都会进入你的肺，然而只有当你吃下或喝下它们时，它们才会变成你不可或缺的一部分。从这个意义上讲，你是个绑架者，从其他生物那里绑走了碳原子。如果你能顺着原子供应链条，从盘中物回溯到农场与渔网，最终你将会碰到植物、海藻“与蓝细菌。它们是连接你和空气中碳元素的入口，也就是地球上的初级生产者。
两千万个碳原子挨个串起来也就能围住一颗罂粟籽，如果你试图看清其中一个，那无异于从地球上用肉眼寻见宇航员在月面尘埃上留下的脚印。然而，如果足够多的碳原子聚集到一起，它们构成的事物及现象就变得易于观察了。
一块纯净的碳可能看起来就像是黑色的脏东西，不过很奇怪的是，当你清理烟囱或锅底时从手掌上擦掉的黑灰，同样也存在于你手掌的内部。当然，在你还活着的时候，构成手的碳原子看起来完全不是什么脏东西，但如果从组织里将其抽取出来的话，它们也会是黑色颗粒。
尽管含碳化合物具有惊人的多样性，但它们也有一个共同的特征，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，不过最简单的方式还是加热。任何一种含碳化合物被投入熔炉中，只要温度足够高，它都会被氧化成一团气体。只要你舍得为科学做贡献，就连钻石也可以被点燃——19世纪初期英国化学家与物理学家迈克尔·法拉第就记录过这一实验：“在黑暗中，钻石发出明亮的红色光芒，偏向紫色，持续燃烧了约4分钟。”
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。
5地球之泪——钠
人类有五种基本味觉——酸、甜、苦、辛、咸，而咸是唯一专门针对一种单一矿物质元素的味觉。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，在食盐中，它占到了原子数目的一半。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。
如果你体内的钠消失了……
你在吞下钠和氯的时候将会发生什么？当然，可别去吃单质状态的它们——纯钠在接触水时会发生爆炸，而氯气则会破坏你的肺——正如“一战”期间它在战场上对士兵们的所作所为那样。你需要离子状态的它们，当你将它们中和成温顺的食盐后，吃下它们就变得很简单了，因为你唾液中的水分会迅速将晶体拆散成带电荷的离子。
钠离子在你嘴中溶解后，所做的第一件事就是向你汇报它已经抵达。在你舌头上分布着数以千计的味蕾，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”。尽管到目前为止，味觉的学问还是有一些神秘，但已经很清楚的是，这些钠通道不仅是通向美味的大门，稍后你还会看到详细介绍。
和你在学校所学不同的是，味觉并不是严格分布在舌头上一些不连续的位置。实际上，我们多数人的整个舌头都能感受到咸味，包括口腔壁也能感知；尽管特定的细胞会对某种味道尤其敏感，但其中很多都可以对不止一种刺激有响应。最新研究表明，基于多种原因，这一结论对于钠离子而言尤其正确。”
你不能像在骨骼中储存钙那样把钠也储存起来，所以你的身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，而当你吃或喝的时候，口腔中的味觉细胞则会帮助大脑控制该让多少钠进入你的身体。如果食物偏淡，那么你味蕾中的“食盐专家”就会鼓励你多吃一些，享受这个过程；但是如果食物很咸，多吃一点就足以构成风险，那么它们也会触发那些通常会对苦味物质有强烈反应的味觉细胞。
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。唯一一种能够触发食盐感受器且引起的愉悦感可以和钠媲美的原子是锂，但不巧的是，你不能通过给薯片撒上氯化锂的方式来促进健康，如果处理不当，这种原子可是会让你中毒的。
口腔中存在这些味觉传感器暗示了这些钠对你身体的重要性。不过，究竟你要它们做什么用呢？要回答这个问题，不妨这么想：如果人体中的钠消失了，会发生什么呢？
钠元素缺乏的受试对象感到犯困，是由细胞中盐与水的相对运动引起的。水和水中的溶质会从自身的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，而你的健康也依赖于这两者之间非常不确定的关系。结构精致的细胞膜让水分子比盐的离子更容易通过——水分子通过氢键聚集在这些离子周围，使其变得臃肿。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。在运动不息的原子王国，在细胞与外界环境之间，简单地挡上一层选择性渗透膜就足以产生显著的效果。
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。
因为喝水过多引发抽搐并致死的悲剧时有发生，通常都是在同样类型的比赛中。2007年，一位已有三个孩子的年轻母亲在喝下太多水之后突然丧命，她当时正在参加广播电台里一项名为“憋住尿，Wii拿到”的比赛“（Wii，任天堂推出的游戏机）；而喜欢追求刺激的大学生也常常是这个节目的受害者。脑细胞的膨胀会将血液压到颅腔中，同时如果你的神经细胞过度膨胀就会开始失去功能，这也是为什么运动员在长时间剧烈出汗之后，通常都不是大口去喝纯净水，而是去喝佳得乐或是其他富含电解质的饮料，以便更好地维持他们的渗透压平衡。
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。
不过，钠离子穿过细胞膜的扩散过程可不仅仅是改变细胞的形状，还有很多更复杂的影响。它还让你可以思考、可以感知，还可以完成数不清的动作。
神经靠钠离子波传递信号
在你的神经系统中，数以千亿计的丝状细胞产生电场，但它们不能像电线那样传输信号。给铜线降降温，铜线的导电性依旧很好；可要是给神经细胞或者神经元降温，降得太多，它们就不能正常工作了，低体温症受害者可以证明这一点。在你的神经细胞网络中，并不是靠电子快速传递形成电流，而是一种扰流，很像是海洋表面的波浪，而驱动这些波浪的，主要就是钠离子的热运动。
现在请你不妨动动脚指头。此刻，钠离子正在帮助你完成这个动作，而且它还告诉你做这个动作的感受是怎样的。你的感觉、你的思想，还有诸如此类的自发动作，都是神经脉冲的表现。而所有这些脉冲，都和离子穿过神经元薄膜的扩散过程有关。
要想象这个过程是如何进行的，可以回想一下体育馆里成千上万个观众是怎么玩“人浪”的。当一个人举起或放下手臂时，接下来的一个人会很快重复同样的动作，并如此这般传递下去，形成一股股波浪在人群中起伏。没有人离开座位，传播的只是波动，如果协调得好，可以比任何一个人跑得都快。”
神经脉冲和“人浪”非常相像，不过传递波浪的不是手臂的上下摆动，而是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，可以迅速打开透过细胞膜的通道，只允许钠离子通过。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，而此前神经元内部的钠离子浓度不过是外部的1/10。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。在那里，信号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。
比如你刚刚动过脚指头——首先你是先答应了我的请求，这个决定经过你的大脑以接近每秒100英尺（30米）的速度传递出去，这引发了一连串钠离子的扩散运动，顺着你的脊髓高速向下冲去——这样的脉冲可超过每小时200英里（322千米）的速度。接着又是一瞬间的工夫，信号就穿过腿部来到脚趾。当相应的肌肉拉动了你的脚趾后，感觉神经元就会向大脑发射“钠离子波”，汇报“任务已完成”。
这一切看上去如此机械，在自然界中如此基础，以致让我们很难相信，正是这看不见的“原子波”，通过那些将你的眼睛与大脑连接的神经元，让我写下的这些文字得以被你读到。但它们做到了。数字信号的闪烁可以让计算机产生可视图像，让你可以遐想身临其境的感觉；盐瓶中的原子也一样，通过一系列扩散作用，让你能够看、听、尝、嗅、触摸以及思考你身边这个鲜活的现实世界。
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。在钠离子波从神经元中经由像水闸一样的选择性通道扩散出来之前，钾离子就已经守在那里了；神经系统接着会被复位，在新的信号发生以前，微型的离子泵将钠离子推出去，并将钾离子抽进细胞。钾离子也是内耳神经的主波离子，所以当你下次吃富含钾的香蕉时，你就可以想象，那是来自热带的原子从听觉细胞流入你脑海时发出的窃窃私语。
这些过程不会持续很久——有些神经元可以在1秒钟内重复装填并传输超过500次信号。但这也不是没有代价，因为虽说渗透与扩散都是自发进行的，细胞膜上的分子泵还是需要消耗能量的。根据估算，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。”
很幸运的是，实现这些功能，你并不需要去多想什么，你的原子就帮你打理了这一切——无论白天黑夜。对于地球上其他动物来说，这也是幸运的，因为无论是在舔盐的鹿还是饮泪的蛾，都跟我们一样利用钠离子波传递神经信号。
6 生存，毁灭，和来自空气的面包——氮
原子可以制造出炸弹和毒药，很多人也因此而惧怕原子。但事实上，最伟大的生命也是由原子构成的，包括你和我。
尽管氮元素只构成你身体总重的3％，但是在那些让你的外形和动作都独一无二的分子中，它们却是关键成分。你身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，你还需要将氮加入其中。你肌肉干重的10％～15％都是氮原子，而在你血液里的血红素中，是四个氮原子搭建成一个摇篮环抱着一个铁原子。你身体中所有的酶、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。如果食物中没有氮原子，只利用碳、氢、氧三种元素，你顶多只能构建出脂肪和体液。
让氮气对阳光做出散射的电子云，还需要有一种细胞，其中含有一些像扳手一样的特殊分子，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。对我们来说很幸运的是，有些生物就拥有这样的细胞。一些寄生在桤树灌根中的微生物就可以从事类似的工作；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，它们一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一些氮氧化物，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。
日常生活中能够遇到的氮元素多数是看不到的，这也使得我们很难建立起跟它有联系的直观感受。
如今，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，然而这一工艺最初的工业化生产，却是出于给“一战”期间的德国提供炸药的目的。这种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，甚至化肥（硝酸铵）也在人类的“努力”下，被用于从抵御饥饿问题到恐怖爆炸案的方方面面。所有这些都是一个人的遗产，这也使得他成为人类历史上最有影响力的人物之一。
当时，德国用于化肥与炸药的最主要氮源是硝酸钠，一种产自智利北部沙漠浅层的岩盐。这种沉积物极度罕见，而它们的来源至今也还保持着些许神秘。硝酸钠易溶于水，所以它们只会在智利沙漠这种极度干旱的环境中富集。这些智利硝石自19世纪初就已让前来开采的人们大发其财，到20世纪初时，美国与英国也已经非常依赖这些大型的硝石矿。随着“一战”的阴云愈加逼近，正是单一来源的不稳定性以及从智利启程的漫长船期，促使哈伯的发明为德国带来了转折。
在1909年到1913年间，哈伯和他的助手、化学家卡尔·博施（Carl Bosch）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。关注合成氨农业应用的人们不吝溢美之词，说这是在“从空气中生产面包”。但氨气也很容易转化成硝酸用于炸药的生产，因此战时，哈伯的祖国对这一新工艺的渴求胜过了一切。从另一个角度讲，由于氮源不再受地理局限或是依赖根瘤，血腥的战争也变得更为持久了。
一种可以用作肥料促进生命发展的物质为何又能如此暴力地摧毁生命呢？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，你可以得到各种形式的黑火药，它们曾经在兵器和烟火中被应用了很长时间。
当你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。美国南北战争期间，资源匮乏的南方同盟军有时会采用草木灰（可获取钾）和尿素（可获取氮）来生产火药。根据音乐家兼作家里奇·皮特曼（Rickey Pittman）的个人网站，当时从谷仓到夜壶的各种尿素氮源都被开发利用了。
如果不是哈伯教授的发明，很难想象德国在硝石储备耗尽之后还能继续进行战争。他的这一项发明，让他们……不仅可以为各种目的几乎无限地供应炸药，也可以为农业增长提供充足的化学肥料。这是一个值得我们瞩目的事实，因为这显示了，如今的科学发现可能会有意无意地改变整个世界的命运。
如果严格从数字上来评价，恐怕哈伯对近代历史的贡献还是正面的。在20世纪里，战争和灾难造成了超过1亿人死亡，或许从理论上讲，由空气生产的化肥对消除全球饥饿的作用可以与其相抵消。如果没有人工固氮技术，恐怕当今全球70亿人口中的一半都不会存在，原因很简单，因为没有足够的氮原子去构建和维持他们的身体。上述比较的结果如何，取决于如何考量诸多因素，而且也存在争议，因为更多的人口也就意味着世界上的污染与冲突的增加。
不管你如何评判，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。如今，全球每年的合成氨产量已经超过1亿吨，而且和其他固氮生物一样，我们也在向环境中排放着很多形式的含氮废气。感谢哈伯所做的贡献，借助于现代文明的这些科技，我们如今可以通过一些史无前例的细节探索这些原子间关联。
7 骨与石——钙、磷
数十亿年前，我们太阳系这些多石的内行星由星际尘埃凝聚而成时，大约有250种矿石。它们中有很多也存在于陨石中，例如橄榄石和锆石。随后，地壳的风化与部分熔融作用产生了一些新的元素结合体，原始岩浆中产生了一些火成岩，矿石种类也迅速增长。但更为戏剧般的变化大约发生在20亿年前，具有光合作用的生物遍布到了整个海洋。
作为海洋版的“绿火”，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。哈森和同事们估测，这次大氧化事件共产生了超过2500种新矿石，要不然它们都不会大量存在。这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。当构造板块相撞并陷入地幔以下时，它们会携带大量海洋生物的残体，在高温高压下融化、溶解或蒸发。比方说碳原子，它们可以从空气进到树中，随后又在菌根体系的蘑菇中再次出现，而以钻石形式重新冲出地壳的海洋碳原子也一样——曾经它们也是活着的，就和现在把它们戴到手指上的人类一样。
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。微生物产生的磷灰石颗粒在海底淤泥上凝结，而早期海洋巨兽富含磷灰石的口器和骨骼，其进化过程也可以帮助解释，为什么如今你的牙齿和骨骼会含有如此多的磷酸钙。不过最壮观的还是珊瑚与贝壳生物出现之后所产成的巨量生物沉积质——在过去的5亿年中，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。喜马拉雅山脉、阿尔卑斯山脉和阿巴拉契亚山脉上都布满了古代的海底石灰石，英国的多佛白崖则是由贝类生物的遗骸形成的，而澳大利亚沿岸的大堡礁更是超过了1600英里（2575千米）。
海洋中这些由生物所产生的矿石也固定住了大量温室气体——二氧化碳，通过弱化温室效应，使得古生代的气候变冷。在古生代晚期，森林从空气中吸取了更多的碳，并以煤炭的形式将数千亿吨的碳雪藏到了地下，而这种可以燃烧的石头如今又被我们送回了空气之中。
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 Allen）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。
想一想森林制造的大量氧气，植物与真菌对地貌的快速风化，以及巨型珊瑚礁的生长，这些都深刻地改变了地球。植物从太阳中获取能量，将水分子撕开，从地下吸取流体和矿物质，并支撑起一个令人难以置信的多样化生物圈。如今，我们正在利用大脑、机器还有矿物质构成的各种建筑物，保持传统，跟随我们的远祖物种实现着类似的丰功伟绩。不过这也带来一个老生常谈的问题，那就是我们人类是不是真的跟自然界的其他物种不一样？我们为了生产化肥而商业化开采磷矿，与哈伯德·布鲁克所描述的真菌开采磷灰石，究竟有多大区别？既然植物可以改变这颗行星的地表，开展自然资源贸易，改变大气中的化学构成，那为什么我们就不行？
单纯从原子角度看，也许可以认为这没什么不同。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，尽管很多行为我们认为都是基于人类特有的伦理观，但对于人类以外的生物也还是具有实际意义。
当我们正在以日渐增长的规模开采资源，同时也在让这日益拥挤的世界淹没于我们的废弃物时，理解生命的元素循环，就变得和我们原始人祖先直立姿势的进化过程同样重要。因此，这是一件重要而又快乐的使命——尽可能从原子的角度看懂自己。
8 增长的极限——磷
研究发现，对于水生生物的增殖而言，磷元素扮演着更为重要的角色。1973年，生态学家大卫·辛德勒（David Schindler）和同事们来到奥兰多南部的一座偏远研究站，在实验湖区（ELA）的226号湖泊中央，拉起了一张塑料阻隔帘。阻隔帘的一边，他们加入了碳氮元素均很丰富的肥料，而在另一边，他们在这种肥料之外又添加了磷元素。几天后，他们的实验结果就算在飞机上都能看得清清楚楚：一边湖水还是蓝色，而另一边已经变成满是浮渣的绿色，这非常有力地证明了李比希定律。
在这个案例中，磷元素就是抑制浮游生物生长的那块“营养短板”。在湖泊之中，磷元素通常都很难获取，因为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，这种稀缺性也和它在宇宙中总体相对较小的丰度有关。在我们的太阳系中，磷原子的数量大概只有氢原子的三千万分之一，相对于其他主要的生命元素，丰度也只有几百分之一。如今，支撑起水下生物链的浮游藻类从它们漂浮的水体中获取磷元素，如果水中溶解的磷含量降低时，浮游生物也会减少。
如果有什么元素会限制人口增长，那么它一定是比铁更稀有或是更难采集的元素。它应该是对我们来说不可缺少的，但应该也可以被其他生物得到，并为了获取它跟我们形成竞争。它应该不是很容易随着大气四处飘散的气体，而最重要的是，它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上述推测，一些富有远见的专家已经在警告可能出现的磷短缺问题。你的体内大约携带了1磅（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。跟石油一样，磷是一种有限资源，迟早都会成为人口数量的限制因素。同时，就跟其他任何一种生命元素一样，滥用或过量时它又会成为死亡杀手。
磷为何如此重要？为了更好地理解这个问题，近距离地观察一下原子的你也许会有所帮助。我们就从观察镜中的自己开始，你可以通过研究你自己的反应，很轻松地和身体中的磷来一次面对面的交流。
和身体中的磷来一次面对面的交流
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。
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。
诗人奥利弗·温德尔·霍姆斯（Oliver Wendell Holmes）说过一句话：“用我的灵魂，再筑三座市政厅。”与市政厅一样，你的身体是由几种相对简单的原材料构成的，尽管从巨型超新星爆发而产生的少数稀有重金属——如锌和银——会像给地板抛光一样修饰你的分子，但你身体内主要的原子种类屈指可数。
在你身体的这座“市政厅”中，氢原子和氧原子就好比是砖块和灰浆。一个150磅（68千克）的成年人体内大约有90磅（41千克）都是水，这也是你身体中最主要的氢和氧。这两种原子在遍布着海洋的地球上非常丰富，在我们对原子极限的探索中根本用不着考虑。
当然对于一座大厦而言，光有主材是远远不够的，而且其他相对稀少的材料才会让市政厅变得独一无二。这些“次要”元素中最主要的一种就是碳，你可以将它想象成市政厅中的木材。根据弗雷塔斯的数据，碳大约贡献了体重的1/4，也就是说，150磅的成年人大约含有35磅（16千克）的碳元素。
地球上的碳储备可以“造”出多少人？其实光算上大气就足够多了，因为风中以二氧化碳形式飘散的碳元素总量有大约5000亿吨。如果将这些碳都转化成构建人体所需的形式，足以供大约30万亿人使用。
要实现如此奇异的结果，当然还需要在其他元素可以充足获取的前提下，而且你还需要在造出每个人后让他们都待在干爽的陆地上。然而如何实现后一个需求就很值得怀疑。如果你让30万亿人全部紧挨站着，每个人只占一平方米的空间，那么这么多人将覆盖整个北美洲、中美洲和差不多三分之一个南美洲。在这样的场景下，你在担心碳被用完之前，早就应该需要考虑基本的生存空间是否够用，毕竟这还只是考虑了大气中的碳而已：海洋与沉积物中的碳还要多上好多倍。
除去上面考虑到的氧、氢和碳，其他可能对实际人口上限有影响的元素总量加起来只在你的体内占4％，于是你身体这座“市政厅”的价值也变得更为清晰。为了破坏建设计划，你其实不需要限制主要的原材料供应：比例虽小但同样必要的某种材料出现短缺，一样可以有效地形成限制。在这个比喻中，磷原子可以被想象成螺丝、钉子以及你身体中的电池，而很多专家都在担心这些原料的供应已经极度短缺。
那么能够为你的牙齿、细胞膜及身体其他部分提供磷元素的源头都分布在这个星球的哪些角落呢？它们中的大多数都被你踩在脚下。尽管坚硬厚实的玄武岩以及其他火成岩有时也可以被用来开采磷，但它们很低的矿石含量（很少能高于5％）和开采难度，迫使我们用更集中的资源用以喂养这个饥饿的世界。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。
在远比恐龙诞生更久远的年代，真菌与植物都从早期的土壤中开采磷元素。雨水将一部分磷原子冲刷到海洋中，浮游生物将其截获，而剩余的那些还在供养着陆地生物。驻扎在你体内的那些磷原子曾经属于数亿年前很多种不同的生物，其中一部分甚至会让你感到不可思议。想象一下，你身体中的部分磷原子曾经以你想成为的各种生命形式，在地球上翱翔、游弋、爬行或蠕动，而且这些关于生命的幻想很有可能曾经就是现实。
如果你是一名典型的美国人，那么给你吃的素食与家畜的饲料增肥的磷，主要来自北卡罗来纳州或佛罗里达的古海洋沉积物，还有一小部分来自摩洛哥。而海洋食品中的磷，主要是从海洋食物链中直接得到；培根、鸡蛋这些畜禽食品中的磷，则由鱼类饲料提供。不过追本溯源，最终这些都会带着你回到海中，而这也是限制我们增长的终极问题。
科学家们对地球上有多少磷可供人类使用没有统一的意见，不过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——超过目前全球人口的50倍。如果再加上其他一些主要的磷矿高储量地区，如摩洛哥的总储量据说达到500亿吨，那么就会得出和用碳计算人口上限时同样荒谬的结果。
显然，地球上还有足够的磷，可以供应的人口总量远比我们乐意与其共同分享世界的要多，而不断减少的供应量，会使得如今的低品质沉积物在未来变成值得开采的矿源。不过磷的循环可不仅仅是将原子直接从矿石送到你的肋骨中那么直接，简单地计算一下可能供养的人口，并没有考虑维持人类生存与健康的额外需求。幸运的是，这些问题的最大因素，应该就是我们自己可以控制的那一条——挥霍无度。
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，而撒在田间的磷，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。在作为牛饲料的玉米中，磷的宿命常常是远离田边的牛粪，久久不能被循环利用。食物浪费和从田头到餐桌过程中的损耗，都使得最终抵达我们体内的磷原子只不过是从地下冒出来的一小部分而已。
虽然这些原子在脱离了我们掌控之后并没有在地球上消失，但其中的大多数流落到了我们客观上不可能开发的角落，最主要的地方就是湖底与海底。如今，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。在它们从陆地前往水下的旅途中，还会破坏支撑人类生存的生态系统。由磷引发的死亡区域遍布世界各地，由此引起的鱼类死亡还有其他水质问题，也造成数十亿美元的经济损失。
考虑到严重耗损与对环境的破坏，生产运输的政策及成本，以及现有科技的局限性，“磷元素峰值”的概念也激起了更多反响。国际肥料发展中心估算，全世界范围内，大约还有600亿吨较为集中的磷矿可以比较容易地被开采，很多消息灵通的人士则指出，如果维持现有开采速度不变，这些剩余的存货还能维持50～400年，任何地方都是如此。也有专家持有不同观点，认为可能会有新的资源被发现，开采技术也可能会得到大幅提升，因此最终耗光的时间点也许会更早或更晚。但是所有人都同意一点，那就是在纯粹的元素枯竭之前，我们已经面临一些实际的资源竭尽问题了。
我们如何获取并利用磷，还有我们如何过我们的生活，将会决定这一元素以什么方式满足我们的需求多长时间。我们如今已成为全球磷资源从土壤损失到海洋中的四个因素之一，而在整个磷循环的链条中，人类这个环节就如同是一个漏水的水管，将这些来之不易的原子洒向河道，沿途造成不必要的伤害。依据最新的原子观点，我们目前实际的任务应该是无论如何都要将这条循环链重新闭合。
对于我们的未来，与可获取磷原子数目同等重要的是我们自己的品性和生活方式。在这个历史的新纪元，人类心理学已成为地理、生态学与化学过程中不可分割的一部分。举个例子，假如全球主流的素食文化都发展成美国式的肉食文化，那么对磷的需求也将飞速上涨。同时尽管宇航员已经可以从他们自己的尿液中回收出水分子再饮用，但很多人觉得“恶心”并对此持排斥的心理，也会让我们中的大部分人不能接受在地面上用类似的方式大规模回收磷资源。
通过详细的计划，我们已经可以很好地将人体的磷重新送回循环之中。而当我们尝试这么做的时候，对自身原子的认知，也将帮助指引我们更有效地迈入理性而可持续的未来。
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