从撒哈拉到亚马孙的原子迁徙

1832年1月16日，皇家海军小猎犬号（贝格尔号）停泊在了位于非洲西北炎热海岸之外的佛得角群岛。站在这艘不列颠双桅帆船甲板上的是年轻的查理·达尔文，此时他刚刚踏上征程几周的时间，而这段旅途后来促成了他的著作《物种起源》。在他的日记中，达尔文记录了一件事：炎热的赤道空气中，总是混有一些奇怪的颗粒。颗粒中是一种藻类的玻璃质外壳，如今的科学家们都知道这来自于“硅藻”，而当时的自然学家则称之为“纤毛虫”：

空气总是朦朦胧胧，而这是由一种不能被识别的细沙从天而降所致，并且会轻微地损坏天文仪器。在我们停泊到普拉亚港的前一天早晨，我收集了一小包这种棕色细沙，而它们是由桅杆顶上的风信旗布从风中过滤而来。莱伊尔先生也给了我四包这样的细沙，它们掉落在群岛北边数百英里外的一条船上。艾伦伯格教授发现这些细沙很大一部分是由纤毛虫构成……落下的沙量巨大，甲板上到处都是“尘土”，还会伤人的眼睛；由于空气昏暗不明，船舶不得不停到岸边。即便远离非洲大陆超过1000英里，它们还是会经常落到甲板上。

20多年后，达尔文发表了他的证据，证明所有地球生命都和同一个祖先相关联。但直到又一个半世纪之后，佛得角细沙所掩盖的原子关联才被揭示了出来。

达尔文不知道的是，一条自然形成的风带，正卷着大量粉碎的沉积物从撒哈拉沙漠向他刮来，其中包括1000英里（1600千米）以东的一个特殊风沙点，如今位于非洲国家乍得境内的博德累盆地（Bodélé Depression）。这里汇集了很多偶然性的因素，比如季风，将风力聚焦起来的两座山脉，以及干涸的海床——7000年前，这里曾经有一个淡水内海，面积接近今天加州的大小。如今乍得湖在这里留下的只是它残留的遗迹，曾是世界最大湖泊的湖床如今暴露在外，成了世界上大气沙尘的最大单一源头。赶上风况合适的时候，博德累盆地就像是一把面粉撒到了强力旋转的风扇前。

每年从撒哈拉沙漠飞越大西洋的矿物质颗粒和硅藻外壳超过两亿吨，而地质学家估测，在过去的1000年里，仅仅是博德累盆地就有差不多10英尺（3米）厚的沉积物被刮走了。有一些沙尘就在沿途沉积，覆盖了船只，阻塞了设备，也让科学家们为之着迷。不过这些干燥阴云中所含的原子，引起的可不仅仅是一点好奇心，它们也影响了佛罗里达和巴西的食物链，其中一些甚至已经通过牛肉、海鲜、咖啡或巧克力进到了你的身体中。

有的时候，博德累上空的风会在几天里将70万吨沙尘吹起一英里（1.6千米）或更高，而卫星显示它们穿越撒哈拉沙漠只需要不到一周的时间。大多数沙尘会和北非其他干旱地区的沙尘一同落入海洋中，但是每年仍然会有大约5500万吨沙尘飞跃大西洋，落入亚马孙盆地中。

亚马孙雨林富饶而高产，但这里的土壤却没有你想象中那么肥沃。强烈的风化作用，要么是将营养物质都洗刷到下游，要么就是将它们束缚在坚硬的沙砾中，而快速吸收的植物则会清除大部分动植物遗骸。对于这些树木而言，为了给它们的细胞色素和其他分子索取更多铁原子，就只有依赖从非洲刮来的东风了，因为风中携带着含铁的沙尘。

曾经是雨林的养牛场也沐浴在免费的矿物质肥料风沙之中，因此草食性的牛群所吃的饲料，也包含着一些曾在远古热带大湖中漂过的原子。同样的沙尘也降落到了其覆盖区域之下的咖啡与可可种植园，因此在你喝的摩卡—爪哇咖啡中，或许同时也有从非洲“进口”的铁原子。

大多数飘往亚马孙流域的气流发生在冬季，不过在夏天的时候，这些尘土会飘到更靠北的区域，将这些来自撒哈拉的原子撒向加勒比海地区和美国东南部。有些地质学家怀疑，加勒比海地区很多岛上的铁锈色土壤，很可能就是数千年来这些非洲来客堆积起来的结果。气流也会携带其他乘客，包括活着的蝗虫、杀虫剂、过敏性真菌孢子以及各种有害微生物。巴巴多斯与特立尼达的哮喘发病率在全球位居前茅，一些流行病专家便将其归因于这些随风而来的异域病原体。

在开阔的大西洋上，陆地、空气与海洋的原子联系更为紧密。在这里，铁元素的富集过程可以说明，当一种之前通常都是被渴求的短板营养物质被添加到生态系统中时，将会有什么现象发生。大部分海面上，既接触不到海底沉积物也没有河流出海口带来的淤泥，铁元素的匮乏便限制了浮游生物的生长。但撒哈拉沙尘覆盖之下的海面可不是这样。根据一些推测，每年有7000万吨以上来自博德累的铁原子会补充到海洋中，超过全世界河流向海洋输送总和的20倍。

2006年11月，加那利群岛上方出现的羽状沙尘暴，从西撒哈拉地区吹向海面。感谢杰夫·施马尔茨（Jeff Schmaltz）提供的NASA照片，戈达德航天中心中分辨率成像光谱仪（MODIS）快速响应小组

海藻消耗了大量这些从空中而来的恩赐，不过另有一种微生物则几乎完全依赖这些非洲之铁。俗称“海锯末”的束毛藻（Trichodesmium）是一种红褐色的海生蓝藻，一些学者认为红海便是由此得名。与上克拉马斯湖中的束丝藻一样，它们也可以利用溶解于海洋表面的空气自行固氮，而固氮作用使得束毛藻对于非洲沙尘尤为敏感。

固氮酶的主要作用就是捕获氮元素，它也是所有生物分子中含铁量最高的几种物质之一。你的每个血红蛋白分子携带4个铁原子，而一个固氮酶复合体则携带34个铁原子。富含非洲铁锈沙尘的降雨将赤道附近的大西洋变成了一座“良田”，缺铁的固氮生物在此茁壮成长，尤其是束毛藻，它们将尘土颗粒溶解后吸取其中的铁原子。跟我们人类用氮肥去给草坪施肥一样，束毛藻接着释放出来的氨又成了其他浮游生物的食物，由此支撑起来的食物链，最终给你的餐桌送去了鱼虾海鲜。当然，这些含氮化合物的受益者并非都对我们有益。有的时候，尤其是夏天，美国东海岸的海水会变成血红色。这种现象被称之为赤潮，是因为甲藻数量爆发而导致的危险事件。这些细胞含有神经毒素并且毒性极强，人吃下被它们污染的海洋食品后，就会有瘫痪或死亡的风险。在这其中有一种毒素叫作“蛤蚌毒素”，可以阻塞神经元中的钠通道，而这也是束丝藻爆发时偶尔会产生的毒素。鱼类和海牛有时也不能抵御赤潮，即便只是轻微爆发，贝类养殖场也都会关闭，游泳者也不能下水，而当地经济则会受损。这一系列严重后果的导火索不仅仅是铁，也和束毛藻的固氮行为有关。

对你来说，获取铁元素就简单多了。你不像亚马孙热带雨林的那些树，固定在一个位置不能移动，你也不用像热带的浮游生物那样等待铁原子从天而降。人们直接从地下开采出铁，然后将它运到任何有需要的人手中，而且我们还可以依赖粮食作物从土壤中为我们提取铁元素。当然，确实有些人是缺铁的，并且被诊断为贫血。但是对我们大多数人来说，缺铁并不是值得担忧的营养问题。大多数食物给我们提供的铁都超过人体所需，而且它还可以在体内高效循环，因此一名普通成年人每天只需要补充几毫克铁元素替代流失或排泄掉的那一部分就够了。

如果有什么元素会限制人口增长，那么它一定是比铁更稀有或是更难采集的元素。它应该是对我们来说不可缺少的，但应该也可以被其他生物得到，并为了获取它跟我们形成竞争。它应该不是很容易随着大气四处飘散的气体，而最重要的是，它应该很容易因为疏忽而被浪费或流失。

磷元素就恰好完美地符合上述推测，一些富有远见的专家已经在警告可能出现的磷短缺问题。你的体内大约携带了1磅（0.45千克）磷元素，大多数都在骨骼内，但还有很多是你细胞的重要组成部分。跟石油一样，磷是一种有限资源，迟早都会成为人口数量的限制因素。同时，就跟其他任何一种生命元素一样，滥用或过量时它又会成为死亡杀手。

磷为何如此重要？为了更好地理解这个问题，近距离地观察一下原子的你也许会有所帮助。我们就从观察镜中的自己开始，你可以通过研究你自己的反应，很轻松地和身体中的磷来一次面对面的交流。