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和身體中的磷來一次面對面的交流

當你看著鏡子中的臉時,你看到的主要是皮膚。肉質的臉頰上包裹著薄薄的一層皮膚細胞,就跟葡萄皮似的——當然也可能是葡萄乾,這取決於你的年齡和膚質。一般成年人所有皮膚的總重為8到10磅(3.6到4.5千克),其中大多是由水和油脂構成。不過你看到的最明顯的都是皮膚最外層的表皮細胞乾燥後的殘留物,如果你能透過這層薄薄的屏障窺探內層組織,檢查一下那些包裹在活著的細胞外圍的薄膜,你就可以看到,你向世界所展現的,最顯著的部分就是磷原子。

嚴格來講,這也不僅僅是磷原子,而是更為複雜的磷酸酯分子圍住了你的細胞。構成磷酸酯的磷酸基的形狀就像是手上抓著的一堆氣球——四個氧原子就是那些氣球,而磷原子就是拳頭,牽住氣球的線則是共價鍵,整個基團還可以和其他分子相連,比如油脂分子或更多磷酸酯。這種夥伴關係的靈活性對於保持你的生存與意識狀態是非常重要的,而當生存不是太急迫的問題時,它還有助於讓你的襯衣保持乾淨。

還記得我們將水體的富營養化歸因於含磷洗滌劑嗎?這些洗滌劑之所以能成為水藻肥料的原因之一就是,它們很像細胞膜中那些富含磷的分子。就拿你自己的細胞膜說吧——你身體中每一個細胞都是由雙層磷酸酯包裹的,油性物質被這兩層磷酸酯夾在中間形成三明治結構。這並不是一個固定不變的屏障,而是一層富有彈性的半透膜;當它暴露在水中時,由於其獨特的分子結構帶來的自組裝特性,這種結構會自發成型。

細胞膜中的磷脂分子就像是古代神話中的一些奇怪物種,例如美人魚和半人馬。要想搭建磷脂分子,你需要取一個磷酸基的「頭」,再接上一根或幾根由碳氫原子構成的脂肪酸「尾巴」。帶有少量電荷的頭部會吸引水分子,而油性的尾巴則更希望和它們的同類混在一起。當你將足夠的磷脂混合後放入細胞所處的含水介質中時,它們會自動有序地排列形成雙層薄膜,磷酸基的「頭」和「頭」會挨在一起形成薄膜的兩個面,並且都朝外指向水,而尾部則尾對尾地團在內部,像是被夾在兩片麵包中的黃油一樣。你臉頰的皮膚表面,就是無數密密麻麻的頭部為磷酸基、尾部為脂肪酸的脂質分子。

細胞膜分子與洗滌劑的相似性也可以解釋,為什麼後者可以將衣物上不易溶於水的油污洗去。當洗滌劑被倒入洗衣盆裡時,負電性的磷酸頭部便會與水分子的正電端結合,這樣的吸引力就會把洗滌劑拉入水中。此時洗滌劑的尾部還在後面拖著,直到它們遇上衣服污斑上的脂質,從而引發一場拉鋸戰,最終渦流將洗滌劑連帶油斑連根拔起。

細胞膜結構圖

在含磷洗滌劑被禁止之前,你用過的肥皂水會直接衝入河中,於是一些幸運的水藻就會抓住它們,獲取其中有價值的磷酸基頭部。如果規模夠大,再考慮其他諸如市政污水、化肥或腐殖質中的磷源,那麼你就會看到波羅的海、墨西哥灣與上克拉馬斯湖的多彩變幻。磷元素也可以讓你自己身體裡的細胞茁壯生長,就像它會刺激水體中浮游生物的生長一樣,原理也差不多。

那麼你體內多達10億億億顆磷原子這會兒都在做些什麼呢?它們中的大多數正參與支撐著你的磷酸鈣骨架,而剩下的那些,大多數在遍佈你從頭到腳的細胞膜上振動著。它們通常會遠離你皮膚的最外層,然而,這都是在它們所處的死細胞迷失到你周邊環境前不久發生的。那些倖存的磷原子會轉向內部移動,供身體組織使用,也許這是因為磷原子太過珍貴,可不能每天都跟著脫落的死皮一起被損耗。

在細胞的深處,磷原子也在辛勤勞作著——每一個細胞中都包含一顆包裹著DNA的細胞核,而每一個DNA又都含有磷原子。這些絲狀分子通常細到在一般顯微鏡下都看不到;不過如果你將身體內所有上萬億個細胞中的DNA首尾相接,它們可以延伸到冥王星軌道之外。每兩條相匹配的DNA鏈絞在一起,較弱的氫鍵在雙鏈的縫隙之間架起橋樑,最終形成著名的雙螺旋結構。儘管DNA的編碼中隱藏著海量基因信息,但它實際上只由四種含磷的「磚塊」構成,也就是所謂的核甘酸。

為了讀出你的基因編碼,酶首先會將DNA鏈解開,將核甘酸暴露在外,就像紙帶閱讀機一樣,而這裡就是磷對你來說尤其重要的另一個地方了。當DNA鏈間較弱的鍵像拉鏈一樣打開或閉合時,磷酸基之間的強鍵仍然可以保持DNA骨架的穩定性。如果沒有強力的磷酸鍵作為支撐,你的基因恐怕就會過於脆弱而不能被讀出了。

這其中有一種核甘酸叫作三磷酸腺甘(adenosine triphosphate),也就是ATP,在基因中也可以獨立工作。這個過程中它的主要任務是充當細胞的「化學電池」,此外它還能讓你的四肢運動,並讓你能夠用視覺、觸覺和味覺去感知這個世界。ATP分子的神奇之處源於它所攜帶的三個相連的磷酸基。當最外層的磷酸根脫落時,由此釋放出的小型能量波,可以讓你實現各種動作,ATP則變成了ADP(adenosine diphosphate),即二磷酸腺甘。當再次裝回磷酸根之後,ADP又變回了ATP,你又可以帶上這個重新充滿能量的化學鍵,將其用到需要的地方,比如開啟細胞膜的離子泵,製造激素分子,或是細胞的其他各類需求。

為了讓身體正常運行需要巨量的ATP參與工作,僅僅是呼吸、思考以及輸送血液這些日常活動,你每天需要的ATP就幾乎和身體等重。不過好消息是,ATP的循環速度很快,所以在特定時間裡,你只需要在身體裡隨時儲備幾盎司就夠了。但是另一方面,由於磷的匱乏,你卻可能早早地就死於李比希定律。你的線粒體為你完成了大多數循環過程,從食物中獲取能量,並將最重要的第三個磷酸基送回到ATP分子中;你吸入氧氣主要是為了給你的ATP工廠提供能量,而這些工廠中的ATP也為你的呼吸提供能量。

當然,更為充足的生命元素對你來說也很重要,畢竟,你的身體主要還是由氫和氧構成的大水袋,不過磷元素尤其珍貴,主要是因為它更難被獲取。幾乎每一片細胞膜和每一個提供能量的細胞都對這種重要元素有需求,這也使得它成為了一個你與世界上其他生物之間普遍聯繫的紐帶。