最近連續寫了三篇與人類生存密切相關的重要元素氫、氮和鐵，在讀者的反響很好，今天我們再來介紹一個我們平時不太注意，但卻有可能決定人類命運的元素——磷。說它有能力決定我們人類的命運，並不是危言聳聽，而是它真正擁有這個能力。在我們討論化石能源什麼時候用盡的時候，其實還有太陽能、核能可以替代，而正在告急的磷元素，卻沒有可以替代的東西。
一、宇宙中以及地球上的磷
磷，原子序數15，是地球生物賴以生存的六種化學元素之一，它是DNA與細胞膜中不可或缺的元素，對細胞用於儲存和轉移能量的化合物三磷酸腺苷至關重要。然而這種元素在宇宙中極為罕見，其在宇宙中的豐度是宇宙中第一多的元素氫的二十萬分之一。
這自然是因為重的元素都是輕元素聚變產生來的。宇宙中各種元素的豐度值，也支持了目前的宇宙大爆炸學說。磷來自宇宙中的超新星爆發，科學家們通過紅外天文望遠鏡觀測，對比了不同星雲中的磷和鐵的紅外輻射。
初步研究結果表明，超新星產生並拋射到太空的磷元素可能會有很大差異。磷進入新生恆星系統中行星的過程看起來相當不確定，比如地球上的磷，可能是由隕石帶進來的，才使得地球有機會產生原始生物分子。
磷普遍存在於人類和動物的牙齒、骨骼和尿液當中，人及動物的屍體腐爛分解後，會形成一種氣態的磷的氫化物（P2H4），當遇到空氣，就會自動地燃燒起來。由於其接觸到氧氣的時候會自燃，所以我們的古人把它發出的光叫做「鬼火」。磷從此有了正_式的名稱，叫作「發光體」。
「鬼火」與我們之間複雜的生態關係，使這種元素成為了一場科學界激烈辯論的導火索——地球到底可以承受多少人口，未來我們如何提高糧食產量，甚至我們如何洗衣服。
二、磷與人體的關係
磷是人體遺傳物質核酸的重要組分，也是人類能量轉換的關鍵物質——三磷酸腺苷的重要成分，磷還是多種酶的重要組分，也是細胞膜的組分，同時該是構成骨骼、牙齒的重要成分。比如我的體重是60公斤，體內含磷總量約為0.6公斤，其中85%（約0.52公斤）分布在牙齒和骨骼上，其餘15%分布在軟組織和體液中。
人體中不同組織磷的含量也不相同。腦組織含量較高，大約為4.4克每千克；肌肉組織中含磷量為1.0克每千克。軟組織中的磷主要以有機磷、磷脂和核酸的形式存在。骨骼中的磷主要以無機磷的形式與鈣構成骨鹽成分存在。
人體內含磷酸基的化合物非常廣泛，如葡萄糖-6-磷酸，磷酸烯醇式丙酮酸，核苷酸和核酸，磷酸蛋白質等等。如ATP分子含有三個磷酸基，其中3個磷酸基之間含有2個磷酸酯（酐）鍵，此鍵斷開時可釋放大量能量，因此稱為高能鍵。
在細胞的很多代謝反應中，往往第一階段的反應是使底物分子活化（使不活潑分子變得活潑以進行反應），活化的常見反應是由ATP提供一個高能磷酸基團給被活化的分子，如葡萄糖由ATP供能活化為葡萄糖-6-磷酸。
之所以磷酸基能起到這麼大的作用，源自其特殊的化學結構。磷酸基中的磷原子就像四個指頭的爪子，每個指頭都通過共價鍵抓住一個氧原子，多個磷酸基形成磷酸基團，也可以有磷酸基與其它分子組合成磷酸酯或者是油脂分子。磷酸基的這種靈活性質對於細胞保持生物活性至關重要。
三、農作物生長的瓶頸
中國是傳統的農業大國，如果您去過鄉下那麼一定對積肥有一定的了解。過去，農村比較重視冬春時節積造農家肥。溝旁路旁的雜草，山上山下的枯枝落葉，乃至路邊野地的草皮，也都是好肥源。農村不分男女老幼，從早到晚，總有人村前村後拾糞。
這就是我在前面文章中提到過的氮元素的制約因素，在工業化固氮技術成為主流之前，傳統農業受制於氮元素。這些氮元素的來源就是季節性的河流泛濫（塘泥）以及人和動物的排洩速度。現在合成氨工業打破了這一短板。
磷是農作物生長的另外一塊短板，是植物生長發育必須的大量元素，一旦缺少，對植物光合作用、呼吸作用及生物合成過程都有影響，就會造成作物生長發育不良，影響作物生長發育，影響產量和品質。即使土壤中有再多的營養物質，沒有磷，植物也不能吸收利用。
傳統農業的磷肥主要來自海鳥糞、獸骨粉和魚骨粉等。施用海鳥糞在國外已有悠久的歷史，19世紀時，產於秘魯、玻利維亞、智利以及太平洋群島和西非的海鳥糞，曾因易得和富含氮、磷元素，成為主要西方國家互相爭奪的重要戰略資源。
然而隨著全球人口的增加，對於農產品需求急劇提升，傳統農業獲取磷的方法已經不能滿足日益增長的人口需要。科學家們把目光放到了那些磷礦上，目前，世界上84%～90%的磷礦用於生產各種磷肥，3.3%生產飼料添加劑，4%生產洗滌劑，其餘用於化工、輕工、國防等工業。中國的磷礦消費結構中磷肥佔71%，黃磷佔7%，磷酸鹽佔6%，磷化物佔16%。
據農業部「全國肥料數據匯總研究平臺」統計，2012年三大主糧的產量12058萬噸、20429萬噸及20812萬噸，因施用磷肥使小麥增產2294萬噸，稻穀增產3073萬噸，玉米增產1472萬噸，磷肥對小麥產量的貢獻率19%、對稻穀產量的貢獻率15%、對玉米產量的貢獻率7%。磷肥對我國農業的產量與品質均做出了很大貢獻。
然而磷礦並不是能夠一直開採下去的資源，雖然全球探明的磷礦資源量超過 3000 億噸，短期內不會出現資源短缺。然而，大量的磷礦石埋藏在大西洋和太平洋的大陸架和淺海地帶，目前難以經濟地開採。
據估計，全球磷礦的陸上儲量為 700 億噸，其中約88%位於北非、中國和中東地區，僅摩洛哥及西撒哈拉地區就有 500 億噸的儲量。中國擁有全球第二大的磷礦石儲量，也是全球最大的磷礦石生產國。 2017 年，全球生產磷礦石 2.63 億噸，其中超過一半由中國供給。
按照目前的開採速度，100年內（也有專家說是50~400年），陸地上可開採的磷礦即將枯竭。而磷元素離開生物圈即不易返回，磷與氮、硫不同，在生物體內和環境中都以磷酸根的形式存在，其不同價態的轉化都無需微生物參與，除非有地質變動或生物搬運，因此磷的全球循環是不完善的。
如何合理開採和節約使用磷資源，改造目前農業的操作方法，避免磷流失，已經是一個擺在人類發展面前的重大課題，缺少了磷，我們今天的農作物將無法維持在如今的產量上，未來的世界人口將受制於磷。
四、地球上磷的遷移
大量的磷礦石埋藏在大西洋和太平洋的大陸架的淺海地帶，超過了地球上以探明磷礦的75%。這些淺海地帶蘊藏著豐富的磷礦石意味著這裡曾經發生過超大規模的富營養化事件，這裡曾經發生過海洋生物大爆發。
大量的藻類爆發式繁殖，供養了大量的小動物，小動物又成為魚類及其他捕食者的食物。這些藻類和動物的屍體一層層地鋪在海床上。這樣的事情在過去的2000萬年中發生過幾十次，因為海平面的上升和下降周期大約是10萬年。
這些海床上沉積下來的藻類和動物屍體，最後就形成了我們找到的淺海磷礦。我們今天陸地上那些最有價值的磷礦都是通過這種發生過富營養化的古老海洋「再生」而來。
如今類似的故事還經常在我們的近海發生，但並不是因為海平面上漲，而是因為人類的排放，工業、農業、城市排放的汙水中含有大量的磷。
2019年6月，科學家觀測到了有記錄以來最大的海藻潮——由大約2000萬公頃的馬尾藻組成，在大西洋上延展了8850公裡，重量超過200艘滿載航空母艦。
我們將之命名為大西洋馬尾藻帶。由於亞馬遜河一側和西非海岸供給的養分——其中部分可能來自森林砍伐和肥料的使用，海藻帶還在擴張。
藉助美國宇航局的衛星數據以及現場採集的樣本，研究人員確定，臨界點出現在2011年。從那時起，幾乎每年都出現海藻大爆發，且沒有跡象表明這種趨勢會發生變化——最新數據顯示，它們從西非一直延伸到墨西哥灣。
那些廢了好大力氣，從曾經的富營養化過程沉積下來的礦石中提取的磷，大部分隨著雨水進入河流，最後又回到了地球上的低洼地帶——湖底和海洋，變成難以採集的形態。而且還有一部分變成我們沒有回收的動物的糞便，遺留在遠離農作物的地方。只有以少部分，以農產品的形式走上了我們的餐桌，最後成為了我們身體的一部分。
五、磷與環境汙染
海珠區是廣州市位唯一的島區，其四面被珠江環繞，區內河湧密布，當中只有一條以「海珠」命名的航道，就是貫穿珠江前後航道的——海珠湧（馬湧）。1975年建成開放的曉港湖與馬湧相連，水域面積達2.67萬平方米，平均水深1.8米，最深水位達2.5米，為海珠區最大的綜合性公園。
2016年之前的曉港湖卻深受著水體汙染的困擾。非降雨期間，曉港湖水體常呈黃綠色，常有藍綠藻爆發，水體透明度僅為0.3米至0.5米；降雨期間水質較惡劣，底泥懸浮，水體混濁發黑。
為什麼曉港湖的水會有藍綠藻爆發呢？官方給出的解釋是，隨著城市周邊的持續發展，曉港湖水體富營養程度不斷加重，導致了微生物自由而茁壯地生長。不過曉港湖中藍綠藻的爆發式生長，其背後的原子特徵的深層意義卻可以得出其他不那麼動人的解釋。
曉港湖藍綠藻爆發的過程很值得從原子層面上進行研究，這不僅是因為其生態過程與湖邊20多年的燒烤、餐飲服務之間有多少故事，更是因為其深層次的原因已經觸及到了人口全球增長的極限。這個故事背後的主角就是磷。
2016年之前曉港湖的故事正在全球的水體中上演著。隨著人們在水邊定居、開荒種地、放牧牛羊、工業生產，也包括商業開發，水體中的養分來源從此不受限制。
當水中缺乏磷元素的時候，水中過剩的氮和碳元素不會發生什麼變化，然而一旦加入了磷元素，就如火上澆油。當這種生命所必須的元素有了足夠的量時，水體中的微生物就會呈現出爆發式增長，就跟現代農業出現之後，全球人口劇增是一樣的。
人為的水體富養化過程可能對藍綠藻來說是好事，但是對水中的其它生物來說就是一場滅頂之災。不論是工業生產排放的汙水中磷，還是我們生活汙水中洗滌劑中殘留的磷，最後排入到水體當中，都會引起藻類的爆發。
大量死去的藻類腐爛會帶來水體的透光度變差，而透光度變差之後的藻類在得不到陽光補給的情況下，就不會再生產氧氣，而是與水生的其它生物爭奪溶解在水中的氧氣。這樣的結果就是導致其它依靠水中溶解氧生存的生物窒息而亡。
人類的這些生活和生產行為比藍綠藻爆發更應該被稱為嚴重的汙染，我們的目光應該從這些開發所帶來的經濟效益中移開。
結束語
人類已經成為地球上磷遷移中最大的問題，那些被我們從石頭中，費盡千辛萬苦提取出來的磷，正在以一個極快的速度回到大海中。作為構建生命的寶貴元素，究竟是能夠造福人類？還是惡化環境?究竟是能支持人類持續發展？還是即將告罄？最終將取決於人類對待它的態度，取決於人類採取的生活方式。
關於磷，本文就寫到這裡了，小夥伴們，關於磷，大家還有什麼想說的嗎？歡迎在下方的評論區留言參與。
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