氧的人体之旅

教科书上常常都会列出一个基本公式：“食物与氧气反应生成二氧化碳和水。”试图以此简化从你肺里进进出出的这两种气体之间的联系。“生命之火”这种隐喻很形象，仿佛从原子层面上，将生命的运作方式与真正的火相提并论非常恰当。很多科学家都抱有这样的看法，有时是为了向非专业人士简化概念，有时类似的解释反而会致使他们在事业早期误入歧途。比如，近期《科学》上发表了一篇有关分子生理学的文章，介绍了血糖是如何在氧气的作用下“燃烧”的；大学教授们也经常在课堂上讲到，我们吸入氧气，将其和糖类燃料一起送到细胞这座“熔炉”中焚烧，呼出二氧化碳这种废气。

这种形象的比喻引人入胜，然而却是错误的。近距离观察研究对象就可以了解，为什么火不能完美地解释你使用氧气的过程。

火在很多方面跟生物很相像，两者都会产生二氧化碳以及——说来也有些奇怪——水蒸气。虽然液态水可以浇灭火焰或淹死人，但燃烧时烟雾中的气态水或人体呼吸中存在的气态水却对其来源没有这样的影响。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。蜡烛产生的光和热来自于石蜡分子中化学键的断裂，而你皮肤的温度则与食物中各种分子间化学键的断裂紧密相关。不过，尽管燃烧与呼吸的基本公式如此接近，但是二者的作用过程却有着明显差异。

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”，例如温度高达6000华氏度（3300摄氏度）氧炔焊的焊接端，该术语也常常用来表示太阳这个炽热球体。等离子态是物质的第四种形态，对固液气这三种我们已经熟知的状态而言，也是一种动态补充，而且很可能是宇宙中物质最主要的可见形式，因为恒星就是由等离子体构成的。在地球上，火焰并没有那么凶猛，只是将碳基燃料分解成与它们的原始状态类似的简单颗粒而已。举个例子，用于制造石蜡的石油，是由捕光性藻类利用二氧化碳与水合成的；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，扩散到大气中。这些原料转化为生物组织时需要吸收太阳能，燃烧时又释放了出来，而且过程飞快，以致蜡烛火焰最热部分的温度可达2500华氏度（1400摄氏度）。

然而，当氧气处在细胞这个可控的范围内时，它便不再是一头怒气冲天的狮子，而更像一只训练有素、嗷嗷待哺的家猫。举例来说，当蜡烛火焰中的高温石蜡开始分解时，氧气猛扑到火焰上，转眼间碳原子和氢原子已经落入了它的魔爪。而当富含碳元素的食物在体内发生氧化时，虽然产生的是相同的废物（CO2和H2O），却是经过两个步骤。当你吸入空气时，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。想想你有多幸运，细胞呼吸产生能量的速度很慢，释放的速度足以保持你的体温而又不会把你灼伤。

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。

1品脱（0.47升）的血液大约可以携带0.2品脱（0.094升）的氧气，几乎足以维持人体一分钟的静息状态。不过在这个从肺到细胞然后又返回的旅程里，氧气的含量逐渐下降。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。

如果说氧气分子是有目标的话，那么当它们进入你的身体时，最首要的目标就是在你的体内分解。但是如果你想陪着氧气分子一起到你的细胞中走完它的人体之旅，你只能把自己变成一种形而上学的东西。你也不得不这么做，因为很显然，你不可能变成不可压缩的原子后还是你自己，就像一栋由砖盖成的大楼缩减为一块砖后不可能仍然是这栋楼。把原子范围的尺度放大到适应你的尺度同样不适用，因为在这样的奇幻世界里，你周围每样事物的运动速度都会快得离奇。原子只有人体的百亿分之一那么大，所以，氧原子从心脏到双手的旅程就相当于人类尺度下的数百万英里那么远。手臂肱动脉的血液在一秒钟内就可以走完这个旅程，如果放到宏观尺度，原子的运动速度需要超过光速才可能完成同样的事情，而爱因斯坦关于相对论的研究早已说明这不可能发生。

即使忽略这些因缩小和放大带来的逻辑问题，原子领域也比我们熟悉的常规世界要奇怪得多。原子变化很快，并且电子云的外边界不稳定，以至于被观察对象的原子表面并不清晰。这个难以想象的微型世界，不像我们熟悉的宏观尺度——既没有空气可供呼吸，也没有声音可以欣赏，可见光也无法照亮我们要观察的对象。

尽管如此，通过这个思维实验，你还是可以去想象你的所见所感：将一个皮肤细胞放大一百亿倍，将会成为一座三百英尺（90米）高并充满生机的小山，这样你就能更容易地看到氧气在里面是如何发生变化的。在这样的规模下，组成细胞的原子就如同沙粒一般大小，而此时你的身体躺下来的时候则占据巨大的空间，头在纽约，腰身横跨太平洋，而脚却位于澳大利亚。

你现在需要强行钻过一层柔韧的油膜才能进入到这座“细胞山”中。山体内很潮湿——我们暂且接受这个设定，假设你在充满多糖物质的细胞里还能呼吸。山体内的场景看起来极富工业特征，结构蛋白质构成的线缆有手臂那么粗，延伸到四面八方，支撑着细胞外形。

旁边不远处就是你要参观的目的地——一个圆柱形气泡状的物体，差不多有拖拉机车斗那么大。这是线粒体，一座活的能量车间，食物就是它的燃料。你的每一个细胞中可能含有的线粒体数量从几十个到上千个，并且它们形态各异，可能像豆荚也可能像面条。正是在这些线粒体中，你所呼吸的氧气来到了它们命运的终点。

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，电子便由它们吸收，有一些还会在电子通过时发生抽动、弯曲或者翻滚。正是由于这些分子机器的运转，化学能得以储存，并为肌肉和代谢提供动力。有的时候，这个过程也会帮助身体产生热量。

最后，每一个完成能量转移的电子都完成了最后一跃，从而为后续赶来的电子腾出空间。而这里，就是你对含氧空气有所需求的精确地点。

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，也就是人体中代谢生成的水分。在过去几天中，在吸入的氧气的协助下，你的静脉中有1/10的液体是通过这种方式生成的。因此，空气和水之间的关联比炼金术师们想象的还要紧密，因为它们可以互相展现对方原子的重组。

这，便是你呼吸的原因。你利用空气启动了细胞这台微型机器，又花上一点时间收拾了那些潮湿的废弃物，并通过呼气、流汗等各种方式将它们排到周围环境中。通过这种方式，你将火焰中的碳、氢氧化反应分割成了两个独立过程，从而也显示出“生命之火”这种比喻并不那么恰如其分，更贴切的说法应该是，你每一次吸气，空气都成为了你身体的一部分。