人与环境之间的氢交换

原子振动的本质会帮助你理解“你为什么是你”这一问题，也有助于你记住水分子的轮廓形似米老鼠脑袋这一特点。

两粒氢原子骑在一粒氧原子上，占据的是氧原子同一边半球相对的两个位置，因此水分子看上去就像是球形的米老鼠头部长着两片圆形的耳朵。氢原子这样的排列方式使水分子形成轻微的偶极，两端电荷相反，从而给水分子带来很多奇特并能维持生命的性质。在水分子这个“米奇脑袋”上，耳朵的位置具备轻微的正电性，而脸颊处则是轻微的负电性。这会有什么影响呢？你一定听说过“异性相吸”，所以这种不对称性就使得水分子间倾向于以耳朵靠脸颊的方式相互吸附，就和其他带电物体一样。尽管这种被称为“氢键”的作用力比起构成分子的共价键弱得多，但它们对你和整个世界的影响却是令人印象深刻的。

当你出汗的时候，你就能感受到氢键的影响了。你皮肤表面的温度促使汗水中的分子运动加剧，于是液态分子转化为气态粒子，汗水也就因此而挥发。热量破坏的氢键越多，获得自由的水分子也就越多。水分子的逃逸过程将身体的热量带到了空气中，从而让你能够保持凉爽。

水蒸气在你身边的空气中可能只占0.1％的比例（沙漠环境），也可能达到4％（湿润的雨林环境）。但是单一的分子太小，并不能像云一样反射可见光。寒冷的清晨，你呼出的气在嘴唇不远处的稀薄空气中形成一团“白雾”，只是因为严寒使得呼吸气体的热运动减缓，氢键更有效地将水分子拉拢到了一起。水分子在它们的作用下形成闪闪发光的小水滴，尺寸大到足以被你看到，却也小到足以扩散。

尽管你身体中大多数水分子是通过饮食的方式进入，但水蒸气还是会在每一阵微风袭来时碰撞着你的身体，并在每一次呼吸时洗刷着你的呼吸系统，其中一些便会通过肺部的海绵体扩散，并随着你吸入的氧气一同进入到血液中。泪水中的氢键也会将空气中的水分拉到你的眼睛里，而与此同时，还有一些水蒸气分子钻到了你头发中的细微缝隙中。

和一些理发师聊天，或许会让你加深对此的认知。在我上一次去剪发的时候，理发师帕蒂便让我对头发与水蒸气之间的结合力有了更深的理解。当我问她是否知道水蒸气可以渗入到头发中时，她转了转眼珠，表情似乎在说，我还不如问她知不知道剪刀长什么样呢。

“当然了！”她说道，“你的头发是鳞片状的，看上去有点像松果。使用吹风机时或者在炎热的天气里，鳞片会打开，并将内部暴露在空气中；这时，水分就会更容易地进入到头发中，并让头发看起来更厚实。”

卷发则更加明显，因为卷发的鳞片难以紧密地重叠，水蒸气会更容易地穿过缝隙。有时候，你甚至可以眼睁睁地看着这样的头发在潮湿的天气中出现变化。“我可以迅速判断外面的空气是不是很潮湿，”帕蒂说，“因为顾客的头发会比平时更蓬松。”

我住在纽约郊外偏远的地方，在这里，碰到一个破坏发型的天气并不是什么大不了的事，至少跟我在一起的多数人并不在乎。我们经常会用汗水、帽子和发胶折腾着我们的头发。然而头发与湿度的关系对于有些人来说却极为重要，一家名为“发型天气预报”的网站会监测全美数百座城市的大气环境并公布每日“发型指数”，从而满足这些人的需求。简单输入你准备前往的城市名字或区号，你便可以做好充分准备，抵达一座阳光明媚的“10”分城市，或是在前往潮湿而令人沮丧的“1”分城市前，准备好迎接即将到来的“一头卷毛”。

水分子在你和大气之间存在着交换，这也意味着你和环境之间或多或少是相连的。同时，尽管气态的水分子来去自由，构成它的这些原子还是在你体内搭建起了异常稳定的组织结构。当你的头发吸收或释放水分子时，毛发纤维中的蛋白质也会跟这些过客做一些氢原子“贸易”。你的头发不仅会和空气共享氢原子——通过这种方式，你与居于一室的其他所有人都共享了这些位于发梢的原子。

氢原子持续不断地在分子间进行重组，这是因为联结它们与氧原子的共价键尽管强度很高但却变化无常。这些原子在构成水时，可以像螺栓与螺母一样紧密相扣，但也可以自行解开重组——虽然是相同数目的相同分子，排列组合方式却已不同。生活在史前时代的祖先们饮下去的水分子，现在填满了你的玻璃杯——这个想法固然有趣，但水分子之间共享原子的先天属性却决定这不过是异想天开罢了。你体内的氢原子和氧原子或许都已是数十亿岁的高龄，但它们构成的水分子只不过是临时邂逅的产物。

不难猜想，在原子参与构成某种分子形式之后，它们也会因此带上某些特征，好比饭盒在装过一次食物之后，会散发残留的气味一样。然而，水分子并不会保留对前一位主人的“回忆”，不过人们却难以认可这一点，由此对水资源的处理方式产生了重要影响，尤其当干旱地区因缺水而促使利用排泄物制造再生水的时候。澳大利亚、新加坡还有其他一些地区的市政部门极力说服市民，这些再生水已经由“马桶废水循环系统”彻底净化，实际上比一般自来水和瓶装水都要更纯净，但这些水依旧销量惨淡。目前，纳米比亚温得和克市市政供水量的1/3都由这种回收方法获得，而宇航员的日常饮用水则是从他们自己的尿液中提取得到，并没有产生不良反应，也没有余味。然而，用原子或者分子这样的术语去理解食物和饮品实在颇为困难，因此推动废水循环的预案常常会被选民否决，即便是那些濒临水资源短缺危机的地区。哥伦比亚大学地球研究所发布的一条博客中，引用了环境工程师尚恩·斯奈德（Shane Snyder）所说的一句话：“幸运的是，只要他们信任这种循环利用方式是可靠的，大多数人还是会予以理解的。”事实上，这个星球表面所有的水分子都在不断回收利用，就像斯奈德解释的那样：“我们无论如何都会喝到再生水，无论它是来自山泉溪流还是来自地下。我深信，我们应该采用更为可控的系统工程来操作这一循环过程。”

当抵达一个新地方几小时之内，你头发中就会有约1/10的氢原子是从外界进入角蛋白的；三到四天内，你头发中的水分就会和周围环境的水蒸气达到完全的平衡状态。但大多数构成蛋白质与其他生物分子的结构性氢原子，则是通过饮食渠道进入了你的身体。我们之所以能够了解这一切，都是因为如今科学家们已经可以追踪原子的运动。这一成果还要感谢稀有的稳定同位素，它们与常规的同位素存在着微小差异，但差异并不足以在元素周期表上以“新元素”的名义将它们标记。这些同位素协助科学家们追踪原子在你身体里流进流出的过程，就如同烟雾或气味将本不可见的空气流动状态显现出来一样。

氘是一种天然存在的氢同位素，它在宇宙大爆炸发生后的不久便产生了，其含量相对于正常的氢来说并不算多。它与正常的氢原子之间的差异，只是在原子核的质子以外，还多了一个中子，而你会在完全注意不到任何不妥的情况下，喝下一杯由氘构成的水。这种同位素较大的质量，使得氘成为一种有用的原子识别物。比如当湖面的水蒸发时，相比于那些因为安了氘“耳朵”而增重的水分子，正常的分子从水面逃逸就会容易很多。如果体验过“扬场”，也就是在大风天里通过抛撒将麦子跟麦壳分离的过程，大概会对此深有体会，因而也就容易理解。干热环境会使得湖泊及地下水具有富集氘同位素的趋势，这种效应会使得不同水样之间出现差异，并足以让科学家们推断出水源所在地的气候、海拔及纬度。你和其他生物也会喝下这些含有氘的水，因此这些揭示原子踪迹的标记物也会存在于你的身体里。

数以千计的对世界各地水资源的同位素分析已展开，尤其是北美及欧洲地区，详细的分布图可以帮助我们去比对特定区域人群的头发、指甲与骨骼含氘量。你甚至可以登录Waterisotopes.org这一网站，向“在线沉积同位素计算器”中输入你所在地的经度与纬度，并由此查询到你所在地区沉积物的平均氘氢比。这一分布图被称之为“同位素地形图”。

犹他大学的生态学家詹姆斯·伊尔林格（James Ehleringer）和他的团队一起，分析了大量人类毛发中氘氢比之间的微弱差异，发现通过喝水、喝咖啡或是喝本地牛奶等途径，地下水中的原子会成为人体内稳定的部分，这一成果的论文发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上。相比于空气交换，地下水中的原子转化为身体水分或更稳定的固体结构是一个缓慢的过程，例如毛囊需要一周的时间才能将环境中的氢原子沉积到正在生长的发根，不过这个过程一旦发生便是永久的。

你身体中固体部分氘同位素的丰度反映了你所喝水的同位素构成，从而又进一步反映了水源地的气候状况。在上述论文中，全美氘“同位素地形图”采用不同颜色来展现丰度，代表高丰度值的明亮橙红色覆盖了温暖的得克萨斯，并渐变到代表低丰度值的深蓝色，覆盖的位置则是那些潮湿阴冷的西北各州。在研究了全美国各地理发店地板上的头发碎屑之后，伊尔林格的团队发现，不仅本地水中的原子会出现在本地居民的身体中——水中的同位素平衡同样会得到体现。例如，得克萨斯的居民，相对而言就比北部落基山脉的居民更有可能生长出较重的头发。

你所饮用的水资源越是本地化，你的身体就会与本地的同位素构成比越匹配，反之如果你饮用了大量瓶装水，就更可能与其他一些地区的同位素构成相关联。举个例子，一位佛罗里达的居民长期消费缅因州灌装的矿泉水，那么他或她的身体里所含的氘就会比饮用自来水的邻居们更少，尽管他们都在同一家超级市场购物。

犹他大学的加布里埃尔·鲍恩（Gabriel Bowen）启动了一项课题，研究者们分析了美军某个驻伊拉克巴格达军事基地的士兵们的瓶装水中的同位素特征值。不同样本的氘含量分布差异巨大，由此也反映了它们产地的特征。最轻的水来自欧洲，而最重的水则源于沙特阿拉伯，这也符合对湿冷与干热环境中氘同位素的差异的预测。更重要的是，样本中所含的氘原子无论如何都比当地沉积物中的氘含量更低，也证明分析对象中没有一个水样是在巴格达灌装的。尽管水中的氘对于喝水的人来说并无直接的健康影响，但在这个案例中将其作为示踪剂，却可以帮助识别那些水是不是装在回收瓶中的本地受污染的假冒水。

头发就如同某种记录仪一般，记录着生长环境中的原子分布，也揭示了其与本地水源之间的物理关联。伊尔林格研究了一名从中国搬到犹他州的男子，发现他的旅行轨迹就刻画在他头上的“同位素记录”中。通过对单一头发丝内固定间距的氘浓度进行分析，研究者可以确定这名男子何时抵达了他的新家。在盐湖城喝了一个月的“轻水”之后，该男子的发根相比在北京生长的发梢而言，氘的含量降低了很多。

人类与所处环境之间的原子联系非常持久，因此考古学家也利用这一原理研究古代历史。一项发表在《考古科学学报》上的研究，通过数百年前木乃伊的头发丝重现了一名印加小孩生命中最后几个月的一些行踪。头发中高浓度的氘，可以解释为这个小孩在生命中最后一年的大部分时间里，都在喝着较为温暖的水，而水源地则位于海拔1英里处，比起发现印加人木乃伊的安第斯山脉顶峰低了很多。发丝中部那些在冬季形成的特定蛋白，所含的氘同位素略有下降，这是因为冬季时水体蒸发速度较慢。接近头皮处的高浓度氘说明孩子的死亡时间是夏天，而他是在死前一周以内抵达了高海拔区域。

当某人成为一具脱水的木乃伊后，残存的皮囊中最为常见的仍然是氢原子与氧原子，只是此时它们不再是水分子，而是分散到了固体部分的各个角落。例如一个血糖分子，其中包含了12个氢原子与6个氧原子，它们围绕在一个碳环周围；而肌肉中那些强韧的纤维，也是由这些元素构成的。组织结构中大多数氢都可以追溯到血液，但其中的1/4到1/3，都来自一年内所喝的水。

在更大范围的生命原子图谱中，食物中的氢还是会追溯到水。肉类与牛奶中的氢原子，都是从动物消化的水和植物组织循环而来。进一步讲，这些被食用的植物组织，都是由二氧化碳和水转变而来的，并且血糖在代谢时可以产生同样数量的CO2和H2O，这也并非什么巧合。1磅肉或1磅蚕豆中所含的原子，在氧气的作用下，可以重组得到相同重量的二氧化碳及水汽。

如果你可以在原子层面上探访你的身体表面，你会因看到水分子如何维持你的生命而惊叹。现在，是时候更深入了解你的原子世界了。