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你的骨頭是活的

和你的指紋一樣,你骨骼的原子構造也是獨一無二的。儘管它們看上去有點像毫無生氣的棍子或石頭,但事實遠非如此。你的骨骼是活著的,它們會根據你的環境和生活習慣做出動態反應。

你是否曾經骨折過?折斷時的巨大痛苦正說明在骨骼上嵌有敏感的神經。

骨折最終痊癒了嗎?如果你的骨骼只是沒有生命的石頭,那麼任何損傷都是永久的。

那麼,是不是日常生活中的扭曲、衝擊以及其他壓力幾乎都不會造成骨骼的明顯損傷呢?如果你的骨骼只是像水泥似的簡單構成,就跟骨瓷(一種由含硅礦物質與骨灰粉混合而成的瓷質材料)一樣,那麼它們會非常容易碎裂。很顯然,這些躲在體內常年不見天日的硬骨頭,遠不是看上去那麼簡單。

在去除脂肪的骨骼干物質中,大約有2/3是石質的磷灰石,平均占成人體重的3%~5%,基本都隱藏在體內不能被看到。我們一般只會在受傷或是使用X射線時才會注意到骨骼,而且每每想起206根骨頭排列的完整骷髏時很難不讓人聯想死亡。與牙齒不同,你通常不會看到自己的骨骼暴露在外,除非遭遇很嚴重的不幸。儘管如此,我們還是可以變換一下想像力的焦距,近距離地看看這種支撐你肉體的不尋常物質。

食指的橫截面是個不錯的起點。當你使勁用另一根手指壓住這根指頭時,可以透過表層的皮膚感覺到這根骨頭。如果將它取出來——再說一遍,這只是想像一下——放在手心,那麼表面上看,它就像是一根奶白色的樹枝,而非圖爾卡納化石那樣的棕色。

在指骨化石中,礦物質原子已經用它們自己的方式進入了骨頭中,從而改變了原有的顏色和密度。直到近期,古人類學家都認為這種替換是嚴格的化學過程,但最新的研究表明,細菌也能完成其中很多工作。2010年《古代》(Palaios)雜誌上刊登了一項研究,其中有一個實驗是牛骨樣品在河沙中的置換過程,一部分樣品中添加了抗生素而其他則是空白樣。三個月後,在含有細菌的河沙中,牛骨已經被大量礦化,這有別於無菌環境中的樣品。結合對圖爾卡納化石的精確分析數據,這一有關化石礦化過程的最新解釋,可以揭開更多圖爾卡納湖岸在100多萬年前發生的故事。

儘管我們還不能肯定男孩死亡的原因,但他的骨骼和牙齒還是可以反映他的精確年齡,同時也可以判斷他的性別與身高。四肢前端尚未完全發育的關節以及沒有完全長齊的牙齒,說明他的年齡在7到15歲之間。較寬的顱骨說明他是男性,而根據他的臂骨與腿骨可以測算其身高大約是5英尺4英吋(1.62米)。儘管作為小男孩來講算是相當高了,不過他還不能算是人類。直立人骨盆的特徵說明,當時女性的產道還太小,不能容納現代人類嬰兒那麼大的頭顱。

骨骼沒有被咬過的痕跡,說明圖爾卡納的這個男孩並沒有被捕食者當作晚餐。一根破碎的肩胛骨說明他被一個或多個大型動物踩踏過——根據淺水中存在的魚骨及其他證據推測,肇事者可能是河馬。雜亂無章的現場暗示,他的身體是面朝下方栽入水中的,細膩的淤泥將其覆蓋,屍體隨後開始腐爛。細菌將骨骼中的膠原蛋白、細胞和血液消化殆盡,並將礦物質遺留其中,填補了有機物曾經佔據的空間。紅血球中的鐵原子與很多種蛋白質中的硫原子相結合,將一些代謝細菌埋入了黃鐵礦小顆粒的墳墓之中。骨骼毛細管以及潮濕沉積物中的其他鐵原子則給化石抹上了鐵銹色。

在近千年的時間裡,曾經多孔的骨骼變得像是緻密的棕色陶瓷,如果你跟我一樣,也敢到附近找一片河馬的脊椎化石,你真的可以「聽到」這男孩的骨骼到底發生了多大變化。當我用河馬化石敲擊一塊石頭時,它會發出一陣美妙的聲音。而新鮮的骨頭有很多微孔,其中充滿了有機黏液,敲擊聲會非常沉悶。

磷灰石從周圍環境中置換原子的自然傾向,也讓你自己的身體可以自我編輯。你鮮活的骨骼會含有一些天然的添加劑,輕微弱化礦物基質,而骨骼中的干物質中有7%都是會溶於酸的碳酸根離子,這樣必要時你的骨骼可以很容易修復或重新定型。同時,這也讓骨骼成了一座便攜式的採石場,當食物缺乏時,身體就可以從中調取鈣和磷。

磷灰石在牙齒外層堅硬的牙釉質中形成較大晶體,相比於骨骼,它能夠更好地抵禦磨損和化學腐蝕。形成這一結果有好幾個原因:牙釉質含有的碳酸鹽比骨骼中更少,故而不容易被口腔中的酸性物質溶解;氟原子填補到晶體結構的裂縫中,提高剛性的同時也使其更為穩定。飲用水和牙膏中添加的氟原子可以使之進一步增強,並取代那些被腐蝕性酸帶走的原子。唾液中一種叫作釉護膜的蛋白質會在牙齒表面附著薄薄的一層,保護其免遭化學物質的腐蝕,同時也能防止膳食中的鈣和磷與牙齒結合而像洞穴中的鐘乳石那樣生長。精緻的蛋白質保護層也包裹了每一顆磷灰石晶體,避免發生斷裂。

這些都是非常好的特點,畢竟你一生之中只能擁有這一套恆牙。一直堅守崗位的牙釉質是你身體中最年長的部分之一,早在你的乳牙「臨時工」退休之前很久,它們就開始在你的雙顎內部生長了,甚至有一些原子當你還在子宮裡時就開始沉積了。

另一方面,你的骨骼還需要執行其他很多任務,它們比你年輕得多,是因為骨骼各部分平均每年會替換掉其1/10的細胞。相對較軟的骨基質,可以幫助你的身體對你的生活狀態做出反應,重新排布原子。為了能滿足日常需求,每一根骨頭內部結構的複雜性都不亞於一棟摩天大樓。

這個類比非常合理,因為高層建築可能遭遇的風險,正是骨骼也同樣面臨的。一棟完全由混凝土構造的高樓非常脆,不可能矗立太久。解決這一問題的方法是將混凝土澆築在鋼筋骨架外面,這樣建築的強度就可以抵禦大風或地震了。而在骨骼中的磷灰石內部,也包裹著由膠原蛋白構成的「鋼筋」——一種強度巨大且富有彈性的蛋白質,給你的跟腱和韌帶安上彈簧的也是它們。磷灰石與膠原蛋白結合之後,將你的骨骼打造成兼具強度與韌性的構架,從而讓你可以拉拽、搬動或擊打各種東西而不會骨折。

更仔細觀察你的指骨表面,你會發現它其實是蜂窩狀的,分佈著微型的空腔、通道和管道,而且密質骨中看上去是固體的物質上其實卻很潮濕,事實上,骨骼總重的20%到30%都是水。作為一種不可壓縮的液體,廣泛分佈的水可能也是增強骨骼抗震性能的因素。

在你出生的時候,你的骨骼多數是由軟骨組成而非磷灰石。這其實非常合理,因為軟骨主要由蛋白質和水構成,比成熟的骨骼更有彈性,這樣在你通過產道的時候就會更容易。人體的骨骼完全硬化需要到20歲左右才能完成。

軟骨到硬骨的轉化過程,需要動用數百萬的細胞發揮它們的「採石術」,從食物中提取鈣原子和磷原子,並將它們填充到蛋白纖維的空間裡。哺乳期的嬰兒獲取這些原料的來源是母乳,其中有一些含磷的酪蛋白與磷酸鈣形成的細小懸浮顆粒。這些顆粒的直徑正好可以通過人們所熟知的丁達爾散射現象散射藍光,因此乳汁在撇去其中的脂肪後會發出微弱的藍光。不斷生長的骨骼中,蛋白纖維會繼續給新的磷灰石結晶提供沉積位置,而它們生長的方向也映射出骨骼一些特殊部位最常遇到的壓力。

晶格逐漸固化之時,勤勞工作的骨骼細胞發現它們被困住了。但這並非像監禁那樣,但確實是重要的轉變,它們從此有了「監護人」——每一個細胞繼續生活在獨立的小室中,跟家一樣溫馨。骨骼上的管道讓血管離得足夠近,從而向骨骼提供食物、水和其他「建築材料」,並帶走廢棄物;腔室之間的通道中分佈著神經元,可以幫助骨骼細胞與身體其他部位或相互之間傳遞信息。

一旦你的手指惹上結構性麻煩,你的骨骼細胞都會做好反應的準備。如果發生骨折,它們會用一種易於移動的磷灰石幫助傷口癒合,也就是所謂的「編織骨」,隨後會被強度更高的磷灰石與膠原蛋白組成的「膠合板」所替代。扭傷和脫臼會使嵌入骨骼的細胞發生扭曲,並告訴它們需要加強對環境的反應,以防再出現類似的壓力。而當哺乳期的母親需要滿足母乳對鈣磷的更多需求時,她的骨細胞還會從骨骼中提取這些元素,以補充食物中的不足。

骨骼的活性特徵使得每個人的骨頭都是獨一無二的,你的生活習慣也會在骨骼構造中得到反映。例如跑步者在運動時,腳底板與跑道之間會產生衝擊,而肌肉也會拉伸足骨、脛骨和腿骨,因此他們腿部的磷灰石與膠原蛋白排列也會變得更為特殊,以抵抗這些外力的作用。骨骼海綿狀的內部結構也可以重新構建,用於抵抗跑步帶來的外力衝擊,同時長骨骨壁也會增厚,從而提供更高的強度。由於蹲在衝浪板上產生的壓力,衝浪運動員常常會在膝蓋以下的脛骨位置形成「衝浪瘤」。網球運動員握拍的那隻手臂,臂骨也會比另一隻胳膊更強健,此外一項發表於《美國運動醫學雜誌》的研究稱,軍隊新兵在服役前經常打籃球的,不太容易在基礎訓練期間出現脛骨骨折。這個過程反過來也是成立的,例如宇航員在太空中處於失重狀態,骨骼強度就會下降。

其實這看上去還蠻奇怪的,因為構成活性骨骼的成分跟石頭並無太大差別。你當然不會將單純一副骨架就稱之為人,但你也絕不會認為那只是一堆人形的礦物質。可以說,它模糊了生命與非生命之間的界限。