科普：磷元素说了算，从石头到粮食，它掌控着人类命运
最近连续写了三篇与人类生存密切相关的重要元素氢、氮和铁，在读者的反响很好，今天我们再来介绍一个我们平时不太注意，但却有可能决定人类命运的元素——磷。说它有能力决定我们人类的命运，并不是危言耸听，而是它真正拥有这个能力。在我们讨论化石能源什么时候用尽的时候，其实还有太阳能、核能可以替代，而正在告急的磷元素，却没有可以替代的东西。
一、宇宙中以及地球上的磷
磷，原子序数15，是地球生物赖以生存的六种化学元素之一，它是DNA与细胞膜中不可或缺的元素，对细胞用于储存和转移能量的化合物三磷酸腺苷至关重要。然而这种元素在宇宙中极为罕见，其在宇宙中的丰度是宇宙中第一多的元素氢的二十万分之一。
这自然是因为重的元素都是轻元素聚变产生来的。宇宙中各种元素的丰度值，也支持了目前的宇宙大爆炸学说。磷来自宇宙中的超新星爆发，科学家们通过红外天文望远镜观测，对比了不同星云中的磷和铁的红外辐射。
初步研究结果表明，超新星产生并抛射到太空的磷元素可能会有很大差异。磷进入新生恒星系统中行星的过程看起来相当不确定，比如地球上的磷，可能是由陨石带进来的，才使得地球有机会产生原始生物分子。
磷普遍存在于人类和动物的牙齿、骨骼和尿液当中，人及动物的尸体腐烂分解后，会形成一种气态的磷的氢化物（P2H4），当遇到空气，就会自动地燃烧起来。由于其接触到氧气的时候会自燃，所以我们的古人把它发出的光叫做“鬼火”。磷从此有了正_式的名称，叫作“发光体”。
“鬼火”与我们之间复杂的生态关系，使这种元素成为了一场科学界激烈辩论的导火索——地球到底可以承受多少人口，未来我们如何提高粮食产量，甚至我们如何洗衣服。
二、磷与人体的关系
磷是人体遗传物质核酸的重要组分，也是人类能量转换的关键物质——三磷酸腺苷的重要成分，磷还是多种酶的重要组分，也是细胞膜的组分，同时该是构成骨骼、牙齿的重要成分。比如我的体重是60公斤，体内含磷总量约为0.6公斤，其中85%（约0.52公斤）分布在牙齿和骨骼上，其余15%分布在软组织和体液中。
人体中不同组织磷的含量也不相同。脑组织含量较高，大约为4.4克每千克；肌肉组织中含磷量为1.0克每千克。软组织中的磷主要以有机磷、磷脂和核酸的形式存在。骨骼中的磷主要以无机磷的形式与钙构成骨盐成分存在。
人体内含磷酸基的化合物非常广泛，如葡萄糖-6-磷酸，磷酸烯醇式丙酮酸，核苷酸和核酸，磷酸蛋白质等等。如ATP分子含有三个磷酸基，其中3个磷酸基之间含有2个磷酸酯（酐）键，此键断开时可释放大量能量，因此称为高能键。
在细胞的很多代谢反应中，往往第一阶段的反应是使底物分子活化（使不活泼分子变得活泼以进行反应），活化的常见反应是由ATP提供一个高能磷酸基团给被活化的分子，如葡萄糖由ATP供能活化为葡萄糖-6-磷酸。
之所以磷酸基能起到这么大的作用，源自其特殊的化学结构。磷酸基中的磷原子就像四个指头的爪子，每个指头都通过共价键抓住一个氧原子，多个磷酸基形成磷酸基团，也可以有磷酸基与其它分子组合成磷酸酯或者是油脂分子。磷酸基的这种灵活性质对于细胞保持生物活性至关重要。
三、农作物生长的瓶颈
中国是传统的农业大国，如果您去过乡下那么一定对积肥有一定的了解。过去，农村比较重视冬春时节积造农家肥。沟旁路旁的杂草，山上山下的枯枝落叶，乃至路边野地的草皮，也都是好肥源。农村不分男女老幼，从早到晚，总有人村前村后拾粪。
这就是我在前面文章中提到过的氮元素的制约因素，在工业化固氮技术成为主流之前，传统农业受制于氮元素。这些氮元素的来源就是季节性的河流泛滥（塘泥）以及人和动物的排泄速度。现在合成氨工业打破了这一短板。
磷是农作物生长的另外一块短板，是植物生长发育必须的大量元素，一旦缺少，对植物光合作用、呼吸作用及生物合成过程都有影响，就会造成作物生长发育不良，影响作物生长发育，影响产量和品质。即使土壤中有再多的营养物质，没有磷，植物也不能吸收利用。
传统农业的磷肥主要来自海鸟粪、兽骨粉和鱼骨粉等。施用海鸟粪在国外已有悠久的历史，19世纪时，产于秘鲁、玻利维亚、智利以及太平洋群岛和西非的海鸟粪，曾因易得和富含氮、磷元素，成为主要西方国家互相争夺的重要战略资源。
然而随着全球人口的增加，对于农产品需求急剧提升，传统农业获取磷的方法已经不能满足日益增长的人口需要。科学家们把目光放到了那些磷矿上，目前，世界上84%～90%的磷矿用于生产各种磷肥，3.3%生产饲料添加剂，4%生产洗涤剂，其余用于化工、轻工、国防等工业。中国的磷矿消费结构中磷肥占71%，黄磷占7%，磷酸盐占6%，磷化物占16%。
据农业部“全国肥料数据汇总研究平台”统计，2012年三大主粮的产量12058万吨、20429万吨及20812万吨，因施用磷肥使小麦增产2294万吨，稻谷增产3073万吨，玉米增产1472万吨，磷肥对小麦产量的贡献率19%、对稻谷产量的贡献率15%、对玉米产量的贡献率7%。磷肥对我国农业的产量与品质均做出了很大贡献。
然而磷矿并不是能够一直开采下去的资源，虽然全球探明的磷矿资源量超过 3000 亿吨，短期内不会出现资源短缺。然而，大量的磷矿石埋藏在大西洋和太平洋的大陆架和浅海地带，目前难以经济地开采。
据估计，全球磷矿的陆上储量为 700 亿吨，其中约88%位于北非、中国和中东地区，仅摩洛哥及西撒哈拉地区就有 500 亿吨的储量。中国拥有全球第二大的磷矿石储量，也是全球最大的磷矿石生产国。 2017 年，全球生产磷矿石 2.63 亿吨，其中超过一半由中国供给。
按照目前的开采速度，100年内（也有专家说是50~400年），陆地上可开采的磷矿即将枯竭。而磷元素离开生物圈即不易返回，磷与氮、硫不同，在生物体内和环境中都以磷酸根的形式存在，其不同价态的转化都无需微生物参与，除非有地质变动或生物搬运，因此磷的全球循环是不完善的。
如何合理开采和节约使用磷资源，改造目前农业的操作方法，避免磷流失，已经是一个摆在人类发展面前的重大课题，缺少了磷，我们今天的农作物将无法维持在如今的产量上，未来的世界人口将受制于磷。
四、地球上磷的迁移
大量的磷矿石埋藏在大西洋和太平洋的大陆架的浅海地带，超过了地球上以探明磷矿的75%。这些浅海地带蕴藏着丰富的磷矿石意味着这里曾经发生过超大规模的富营养化事件，这里曾经发生过海洋生物大爆发。
大量的藻类爆发式繁殖，供养了大量的小动物，小动物又成为鱼类及其他捕食者的食物。这些藻类和动物的尸体一层层地铺在海床上。这样的事情在过去的2000万年中发生过几十次，因为海平面的上升和下降周期大约是10万年。
这些海床上沉积下来的藻类和动物尸体，最后就形成了我们找到的浅海磷矿。我们今天陆地上那些最有价值的磷矿都是通过这种发生过富营养化的古老海洋“再生”而来。
如今类似的故事还经常在我们的近海发生，但并不是因为海平面上涨，而是因为人类的排放，工业、农业、城市排放的污水中含有大量的磷。
2019年6月，科学家观测到了有记录以来最大的海藻潮——由大约2000万公顷的马尾藻组成，在大西洋上延展了8850公里，重量超过200艘满载航空母舰。
我们将之命名为大西洋马尾藻带。由于亚马逊河一侧和西非海岸供给的养分——其中部分可能来自森林砍伐和肥料的使用，海藻带还在扩张。
借助美国宇航局的卫星数据以及现场采集的样本，研究人员确定，临界点出现在2011年。从那时起，几乎每年都出现海藻大爆发，且没有迹象表明这种趋势会发生变化——最新数据显示，它们从西非一直延伸到墨西哥湾。
那些废了好大力气，从曾经的富营养化过程沉积下来的矿石中提取的磷，大部分随着雨水进入河流，最后又回到了地球上的低洼地带——湖底和海洋，变成难以采集的形态。而且还有一部分变成我们没有回收的动物的粪便，遗留在远离农作物的地方。只有以少部分，以农产品的形式走上了我们的餐桌，最后成为了我们身体的一部分。
五、磷与环境污染
海珠区是广州市唯一的岛区，其四面被珠江环绕，区内河涌密布，当中只有一条以“海珠”命名的航道，就是贯穿珠江前后航道的——海珠涌（马涌）。1975年建成开放的晓港湖与马涌相连，水域面积达2.67万平方米，平均水深1.8米，最深水位达2.5米，为海珠区最大的综合性公园。
2016年之前的晓港湖却深受着水体污染的困扰。非降雨期间，晓港湖水体常呈黄绿色，常有蓝绿藻爆发，水体透明度仅为0.3米至0.5米；降雨期间水质较恶劣，底泥悬浮，水体混浊发黑。
为什么晓港湖的水会有蓝绿藻爆发呢？官方给出的解释是，随着城市周边的持续发展，晓港湖水体富营养程度不断加重，导致了微生物自由而茁壮地生长。不过晓港湖中蓝绿藻的爆发式生长，其背后的原子特征的深层意义却可以得出其他不那么动人的解释。
晓港湖蓝绿藻爆发的过程很值得从原子层面上进行研究，这不仅是因为其生态过程与湖边20多年的烧烤、餐饮服务之间有多少故事，更是因为其深层次的原因已经触及到了人口全球增长的极限。这个故事背后的主角就是磷。
2016年之前晓港湖的故事正在全球的水体中上演着。随着人们在水边定居、开荒种地、放牧牛羊、工业生产，也包括商业开发，水体中的养分来源从此不受限制。
当水中缺乏磷元素的时候，水中过剩的氮和碳元素不会发生什么变化，然而一旦加入了磷元素，就如火上浇油。当这种生命所必须的元素有了足够的量时，水体中的微生物就会呈现出爆发式增长，就跟现代农业出现之后，全球人口剧增是一样的。
人为的水体富养化过程可能对蓝绿藻来说是好事，但是对水中的其它生物来说就是一场灭顶之灾。不论是工业生产排放的污水中磷，还是我们生活污水中洗涤剂中残留的磷，最后排入到水体当中，都会引起藻类的爆发。
大量死去的藻类腐烂会带来水体的透光度变差，而透光度变差之后的藻类在得不到阳光补给的情况下，就不会再生产氧气，而是与水生的其它生物争夺溶解在水中的氧气。这样的结果就是导致其它依靠水中溶解氧生存的生物窒息而亡。
人类的这些生活和生产行为比蓝绿藻爆发更应该被称为严重的污染，我们的目光应该从这些开发所带来的经济效益中移开。
结束语
人类已经成为地球上磷迁移中最大的问题，那些被我们从石头中，费尽千辛万苦提取出来的磷，正在以一个极快的速度回到大海中。作为构建生命的宝贵元素，究竟是能够造福人类？还是恶化环境?究竟是能支持人类持续发展？还是即将告罄？最终将取决于人类对待它的态度，取决于人类采取的生活方式。
关于磷，本文就写到这里了，小伙伴们，关于磷，大家还有什么想说的吗？欢迎在下方的评论区留言参与。