铁与血之间的秘密

对于每一个通过服用铁补剂来克服贫血症的人来说，铁与血之间的关联都是非常清楚的。在古代，赭石以及其他一些富含铁锈的矿石也常被视作血与生命的象征。铁对于我们的健康极为重要，这一点已广为人知；然而，铁既能服务于细胞也能破坏细胞的真实细节却很少有人了解。

举个例子——还记得大力水手吗？“我力大无穷，因为我爱吃菠菜。”这句广告语伴随着我们很多人长大。当父母教育挑食的孩子们也要吃菠菜时，最常用的理由就是铁这种金属与肌肉强壮的水手之间的直观联系。然而，最初促进菠菜在美国文化中推广的基础并非是补铁，而是补充维生素A——用以改善20世纪初儿童饮食中营养不良的问题。不知何故，这一信息在传播中被人们误解了。

事实上，菠菜的含铁量在蔬菜中并不算非常高，而且相比于红肉而言，植物性食物中的铁也更不容易被吸收。血液学家特伦斯·汉布林（Terrence Hamblin）曾给《英国医学学报》传统的圣诞幽默特刊供稿时写道：“大力水手可以将咀嚼罐头盒作为更好的补铁方式。”

那么铁究竟能不能对增强体质有所帮助呢？当然有了。我们知道，往铁里面加入少量的碳可以使铁变成钢，强度得到提升，而在身体中，却正相反：向碳化合物中加入一点铁，可以让你的细胞更好地发挥清理、运输、产生能量及免疫等作用。

这一切都源自于一颗依偎在一个舒适的分子篮中的铁原子。

你总会在生命的某一刻有意无意地看见自己的血是什么样子。或许你注意过它的颜色与铁锈很相似，并且猜测这两种物质都是因为铁在氧气的作用下变成了红色。在一定程度上这是正确的，但你还需要将血的颜色归功于血红素分子——一种存在于血红蛋白中像篮子一般携带着铁原子的分子。

血红素中由碳和氮原子构成的五元环及六元环可以与可见光发生共振并吸收掉其中一部分，从而显现出各种不同的颜色。擦伤中的黄色或橙色，就是源于这些分子环被破坏后的血红蛋白，被称之为胆红素，尿液的金黄色则大多源于胆红素的进一步分解。棕色皮肤的颜色来自黑色素，同样也是一种碳基的网状分子，同样不需要铁来帮助生成颜色。有时候，色素颜色代表着有机体的重要特征，例如黑色素，不仅是不同肤色文化的象征，也可以减少阳光中紫外线带来的伤害。不过在你的血液中，颜色主要意味着后者——血红蛋白的首要功能是让你活下去。

孤立地来看，血红素很像是一张小小的铁丝网——平坦、对称、复杂，并且从确定的中心向外辐射，携带着你身体中大部分的铁。围绕中心的是四个碳-氮环，每一个环都有一个氮原子指向内侧。当血红素在中心的位置挂上一个铁原子后，便可以从你的肺部接收氧气，并将它们送达你身体内的任意部位。

铁原子被血红素网住以后，就可以从血液中抓取氧分子了，然后再在需要的位置将其释放。当血红素位于血红蛋白隆起处顶端时，血红蛋白通过分子的卷须将氧气分子从上方压住，会有助于在艰难通过血管之时，保持氧气稳定。

没有血红素包裹的铁，你即使大口喘气，也仍然得不到足够的氧气，因为此时你的血浆只能携带极少量的氧气。你的每一个血红蛋白分子都带有4个血红素，而你的每一个红细胞中则含有大约250万个血红蛋白。在你手臂动脉中流淌的每一滴血，都含有数百万个红细胞，也就是说，数以兆亿的氧气正被铁束缚着，通过“红色运输线”来到你的手上。

如此高效工作的铁原子在你刚出生时，就已经开始向你的细胞运送氧气了，而且还将继续为你服务直到你离开人世。然而，如果你此刻还在子宫里，那它们现在的形式未必会如此高效——你的肺还没有开始工作，而且子宫里也没有任何新鲜的氧气。作为替代方式，你只能通过肚脐从你母亲的血液里获取氧气。这就需要一种特殊的胎儿血红蛋白（血红蛋白F），它们可以比成年人的血红蛋白更紧地抓住氧气。这种临时的措施可以允许你通过脐带从你的母亲那里获取氧气，直到你可以自行呼吸为止。

但是对你的健康而言，含铁血红素为你做的其他事与运输氧气同等重要。有一种令人不安的潜在危险可以证明此事，那就是氰化物的中毒机理。

用最简单的术语来描述，氰化物是通过窒息使人死亡的。中毒者失去血色的现象用医学术语来说就是“发绀”，这个词也是氰化物的词根来源（氰化物的英文是Cyanide，发绀是cyanotic），它描述了中毒后因缺氧造成的蓝色嘴唇。在溶液中，氢氰酸（氰化氢）的氢离子发生电离成为自由离子，剩下的氰离子就成为氧气的致命模仿者，与血红素结合得非常契合。

当氰离子像氧气那样与铁结合时，血红蛋白从你肺部运送氧气的过程就会减缓。然而更严重的损害将发生在细胞中最为偏远的角落里，也就是线粒体内。氰化物“别动队”可以将含铁的组件破坏，而那些正是生产能量的组件。

血红素携带着活性铁原子结合在细胞色素上，这是一种有别于血红蛋白的蛋白质，其中一部分驻留在你的线粒体中。就像大块的铁可以导电一样，血红素上的铁也可以通过细胞色素传递电子，从食物中获取化学能。这是一条严密的电子传递链，而氰离子通过与铁原子结合攻击了这一链条，使得电子的传递变得特别困难。没有了能量供给，你的肌肉与神经都将停止工作，你的心肺也会衰竭。

与人类一样，血红蛋白对于其他哺乳动物而言，同样是占据主导地位的血液蛋白；如果你发现烤架上的生牛排逐渐变成了棕色，那你观察到的便是血红蛋白变为met-H的过程。但肉的颜色也来自另一种含铁的蛋白质，即肌红蛋白。它们就像是肌肉细胞的氧气仓库一般，并且在煮熟时也会变为棕色。对你的细胞而言，氧气意味着能量，而更多的血红素铁也就意味着更多氧气，肌肉的力量也会因为肌红蛋白中少量的铁得到增强。

鲸、海豚和海豹在水下长时间屏息潜水时，会更多依赖肌肉中的氧气，很多海鸟也是如此。它们的肌肉中可以存储更多的肌红蛋白，从而呈现暗紫色。当你第一次碰到时，一定会对此大吃一惊。我可以讲一讲我自己的经历。

多年以前，我曾是奥杜邦协会生态营地的一名教员，驻扎在缅因州的海岸。在那里，我参与发起了对一座岛屿的寻访——一个世纪以前，该岛屿因过度捕猎，海雀已然绝迹，如今又重新被引进。自此我就习惯于认为海雀是濒临灭绝、需要营救的物种，但后来访问冰岛时我面对的却是一个道德困境——那里的人捕猎海雀作为食物。在雷克雅未克的一家餐馆用晚餐，我打开菜单时着实吓了一跳，我需要在牛排、三文鱼和烤海雀胸脯肉之间进行选择。细节就不说了，那个晚上我知道了两件事情：一是当我面对诱惑的时候，我可以是一名伪君子；二是海雀肉的颜色与葡萄酒很接近，味道也非常配。

在你的体内，大约有1/3的铁存在于血红蛋白与肌红蛋白以外的分子中。含铁的蛋白质可以构建并修复你的基因，代谢药物及毒剂，帮助产生激素，并且很多酶会将铁作为分割利器。例如，当已经无用的血液细胞需要被回收时，肝脏中的色素细胞就会将它们切成碎片。如果你曾经用过双氧水处理伤口，你或许会注意到它产生的乳状泡沫——这是过氧化氢酶的杰作，通过四个铁原子，保护性的酶每一秒钟都会将无数双氧水分子分解成水和氧气，避免双氧水伤害更多细胞。在身体组织的各个部位，过氧化氢酶分子都在做着持续的保卫工作，让你免遭危险化学废物的侵害，而这些废物通常是由你的代谢系统在体内产生的。

一名普通成年人体内大约含有4克铁，相当于三个曲别针那么重。在你的体内，铁可以被用于实现一些有益的目的，你的细胞也会将它作为一种武器。但有的时候，一个不恰当的操作却也能让枪口掉转，对准它的主人。

铁最具生物活性的状态被称为二价铁，二价铁很容易将电子转移给其他原子或分子。也是因为如此，二价铁又可以在某些细胞中的化合物跟前表现出很恶劣的行为，形成腐蚀性的自由基分子，损坏组织，并在伤口的位置妨碍血液凝结。当它受控时，铁对你是有帮助的，但只要1克不受控的二价铁，就足以将一个孩子送进医院。多数致死案例是给儿童喂食成人剂量的含铁补剂导致的，儿童典型致死剂量大约是3到6克（成年人的平均致死剂量约为10～50克）。根据《儿科》杂志的报道，在1983年至1990年间，美国有16名低于6岁的儿童因此丧命。

那为什么你血液中的铁并未置你于死地呢？这是因为大多数铁都被血红素或其他分子束缚住了，而你的细胞还雇用了一支“维和部队”，确保铁元素在完成任务时只带来最小的附带伤害。这类分子中最常见的一种是缠绕蛋白，可以包裹或直接吞噬铁原子。其中最主要的是铁蛋白，专门在细胞内部将铁隔离；还有转铁蛋白，可以在细胞之间传递铁。

你体内铁原子的破坏力当然也可以用于抵御致病性微生物。免疫系统的第一道防线用的是一种“焦土政策”，让入侵者断粮断补给。此时此刻，你只需要简单地用血红蛋白和其他物质将血液中的铁锁住，不让细菌的酶得到它们就行了。这不仅可以保护你，让自己远离危险的副作用，也可防止病原体利用它们来伤害你。红血球通常会限定你的血红蛋白，不过当它们最终瓦解或损耗时，任何泄漏出的铁都会很快被铁蛋白或转铁蛋白吸收。因此你的身体中几乎不会含有活性的游离铁，通常这是一件好事，因为无论如何你都不会希望看到它们在你身体里自由漂荡的。

然而，身体里异常缺乏游离铁也有不利的一面，这会让你暴露在微生物面前。当感觉到铁的浓度比体外环境低得可疑时，处于休眠状态的细菌基因便会突然启动。这会释放大量的蛋白质，窃取你体内的铁，并将其送到入侵敌军那里。

这些蛋白质攻击你的细胞是为了让它们释放含铁的分子。细菌表面其他一些特殊的蛋白质会将暴露的铁原子从它们的守护者身上撕扯下来，有时也会将整个分子吞噬。然而，另一种被称为“铁载体”的细菌产物，是与铁结合力最强的几种已知物质之一，它们像可食用海绵一样，将铁化合物吸收并控制，直到饥饿的微生物将它们整个吞噬。

波斯学者伊本·巴特兰对超新星与瘟疫间关系的猜测，其实应该从这样的原子级别来解释。鼠疫耶尔森氏菌是黑死病的元凶，它会释放一种叫作耶尔森杆菌素的铁载体，从受害者体内夺取铁。铁载体如此高效，以至于一些不致病的细菌甚至很多植物都会利用它们从含有铁锈颗粒的土壤中将远处的铁吸引过来。

不过作为受到攻击的回应，你自己的细胞还会发动第二波防御战。乳铁蛋白将游离铁的碎片全部清扫，并在细菌身上钻孔，杀灭它们。噬铁蛋白跃到铁载体的“铁海绵”之上并将其覆盖，因此细菌就不能识别和吸收铁载体了。冲突进一步升级，于是入侵者会释放出更为狡猾的铁载体，不会很容易地被附着，而当炎症与感冒将你的身体作为战场时，情况会变得更为复杂。有些细菌如导致莱姆病的伯氏疏螺旋体，完全绕开了混乱的铁战争，将目标转向不太被关注或保护的锰原子，替代铁用于自身的新陈代谢。

很显然，虽然铁具有一些潜在危险，但对你来说还是非常重要，对于其他生物而言也是如此，这也是为什么你的食物里会有生物性铁的存在。同样，哺乳动物与鸟类都拥有血红蛋白和其他一些含铁的分子。至于菠菜，虽然它所提供的铁远不及《大力水手》动画片中描述的那样多，但它与其他蔬菜也含有该元素，因为它们自身的细胞色素还有自由漂浮的酶都离不开铁。浮游藻类会从海洋中的细菌性铁载体那里获取铁；苜蓿与其他豆类植物的根部生活着根瘤菌，利用富含铁的酶将空气中的氮转化为肥料，并与宿主一起产生了一种类型的血红蛋白，可以帮助细胞在地下完成呼吸。

这些联系，让你可以通过你吃的食物追溯到那些为植物提供铁的土壤，还可以继续追溯到地壳中的古老岩石，甚至可以追溯到太阳系诞生时的那次爆炸产生的星体尘埃。