我之前在對某位老師的“氚會在生物體內(nèi)富集”的觀點表示嗤之以鼻的時候，有好心人告訴我說“有研究表明重水對動植物健康有影響”。雖然句牛頭不對馬嘴的話——危害或者說負(fù)面影響與是否富集沒有相關(guān)性。但我還是對這位朋友表示感謝。因為雖然他沒有說明相關(guān)研究出自何處，但是他很誠實地表明自己沒有找到氚相關(guān)的資料。

今年的上半年，我看了一些生命科學(xué)和生物化學(xué)相關(guān)的書。尤其對線粒體的工作方式有了全新的理解，正好可以用來解釋重水對生物體的影響機(jī)制。當(dāng)然，首先還是要搞清楚重水以及氚是什么。

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原子的核心由一定數(shù)目質(zhì)子和中子組成。讓它們聚集在一起的作用力為強(qiáng)相互作用力※1。質(zhì)子帶1個正電荷，互相之間會有電磁斥力。所以當(dāng)1個原子核中存在2個以上的質(zhì)子時，就需要有中性的中子插入其中進(jìn)行平衡。同時，原子外圍有與質(zhì)子數(shù)目相當(dāng)※2的電子環(huán)繞，使得整個原子表現(xiàn)出電中性。

※1 物理學(xué)上將各種作用力按照作用機(jī)制和作用范圍，劃歸出4大基本作用力。即強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力、電磁力和萬有引力。其中，強(qiáng)力和弱力的作用范圍局限在像質(zhì)子和中子這樣的基本粒子之間。因此我們平時能在宏觀世界中感受和觀察到的，除了引力（如地球的重力）外，全部屬于電磁力。

※2 如果數(shù)目不等，則稱為離子。

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自門捷列夫※1以來，科學(xué)家們以原子中質(zhì)子的數(shù)目※2來分類原子并命名。所以，原子中質(zhì)子的數(shù)目和這個原子的名字就有了一個人為規(guī)定的強(qiáng)相關(guān)。比如1個質(zhì)子的叫氫，3個質(zhì)子的叫鋰，6個質(zhì)子的叫碳。氧原子必然有8個質(zhì)子，因為如果只有7個，那它叫氮；如果有9個，那它應(yīng)該叫氟。

※1 門捷列夫，俄國科學(xué)家。整理并發(fā)表了世界上第一份有價值的元素周期表。

※2 事實上，早期科學(xué)家們是以化學(xué)性質(zhì)來區(qū)分歸納。而原子的化學(xué)性質(zhì)由其外圍電子決定，與原子核和質(zhì)子無關(guān)。只是，外圍電子的排布與電子總數(shù)有關(guān)，而電子總數(shù)又與核內(nèi)質(zhì)子數(shù)有關(guān)。所以直到1918年質(zhì)子被發(fā)現(xiàn)后，原子名與質(zhì)子數(shù)的關(guān)聯(lián)性才被注意到。那時距門捷列夫發(fā)表元素周期表已經(jīng)過去了半個世紀(jì)。

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當(dāng)然，原子核內(nèi)除了質(zhì)子通常還有中子。一般以原子名后綴一個數(shù)字來表示中子的數(shù)目。只不過這個數(shù)字表達(dá)的不是中子數(shù)，而是質(zhì)子與中子數(shù)的總和。比如碳-14定年法中的碳-14，表達(dá)的就是質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)總和為14的碳原子。而根據(jù)碳這個名字可以知道，其質(zhì)子數(shù)為6，那么碳-14原子的中子數(shù)就是8。絕大多數(shù)的碳原子都是含6個中子的碳-12。還有1種碳原子是碳-13，含7個中子。

像碳-12、碳-13和碳-14這樣，有同樣的名字（質(zhì)子數(shù)）但中子數(shù)不同的原子，統(tǒng)稱為1種元素。這些原子之間互稱同位素。碳-12和碳-13是同位素。碳-12和碳-14也是同位素。碳-13和碳-14還是同位素。而氚（讀作“川”）是氫-1的同位素。它含2個中子，真名※1叫氫-3。氫-1的另一種同位素是含1個中子的氫-2，也叫氘（讀作“刀”）。2個氫原子皆為氫-2的水分子就叫重水。

※1 氚這個叫法由“treble”這個詞的讀音演化而來，意思是3倍的。同樣，氘來自“double”的讀音，意思是2倍的。

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氫-3有放射性，它會發(fā)生β衰變。核內(nèi)的1個中子釋放出1個電子，自身變?yōu)橘|(zhì)子，整個原子由氫-3變?yōu)楹?3。氦-3是核聚變的好材料，但是在常規(guī)環(huán)境下是穩(wěn)定的。

好了，重水和氚已經(jīng)搞清楚了，下面來講細(xì)胞呼吸的事。

以下內(nèi)容主要參考英國科普作家Nick Lane所著之《能量、性、死亡》一書。此書以線粒體的工作原理出發(fā)，從生物化學(xué)角度闡述了生物體獲取和轉(zhuǎn)化能量的方式。進(jìn)而拓展到生命的起源與演變。是了解生命科學(xué)的一本好書。只不過，譯者林彥綸先生將mitochondrion※1譯作“粒線體”，而不是更常用的“線粒體”，閱讀起來有那么一點怪。如果您不習(xí)慣閱讀繁體中文，那么另一本《生命之源》是比較好的選擇，兩書有諸多重復(fù)之處。它的簡體中文譯本叫《復(fù)雜生命的起源》價格上也便宜一些。

※1 乍一看沒線也沒粒。其實這個詞源自希臘語，mitos，意思是線；khondrion，意思是顆粒。所以按順序其實線粒體更合適。

細(xì)胞呼吸與我們平時說的呼吸有著天壤之別。細(xì)胞呼吸指的是一系列化學(xué)反應(yīng)，而不是動作。早期的科學(xué)家們在研究生化反應(yīng)時，發(fā)現(xiàn)這些反應(yīng)消耗氧氣，釋放二氧化碳，如同呼吸一樣，便有了這個詞。如今我們知道，這個特征并不能代表細(xì)胞呼吸。在深海底部，消耗硫化氫釋放鐵的形式十分流行。還有一種古菌，它消耗二氧化碳和氫氣而放出甲烷。這都是細(xì)胞呼吸的表現(xiàn)形式。

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細(xì)胞呼吸的根源是氧化還原反應(yīng)。這種反應(yīng)的特征是電子的轉(zhuǎn)移。反應(yīng)物A將自己的一部分電子轉(zhuǎn)移給B，這個過程中整個系統(tǒng)的化學(xué)勢降低，能量被釋放。細(xì)胞呼吸就是利用一個氧化還原反應(yīng)釋放的能量，來合成另一種更加通用的儲能物質(zhì)——腺苷三磷酸（ATP）。地球上的一切細(xì)胞，尤其是各種細(xì)菌和古菌，他們利用的氧化還原反應(yīng)千奇百怪，但是最終都合成ATP。

ATP的合成方式更是精妙。合成ATP的蛋白由質(zhì)子流（即流動的氫-1原子核）驅(qū)動。一定數(shù)目的質(zhì)子從蛋白質(zhì)上經(jīng)過后，這個蛋白質(zhì)的一部分就會旋轉(zhuǎn)，好像水車一樣！每當(dāng)它完成3次轉(zhuǎn)動，即一周，1個ATP分子就被制造出來。多么令人嘆服的機(jī)械※1。

而質(zhì)子流又是誰推動的呢？答案是電力。合成ATP的蛋白鑲嵌在細(xì)胞膜上。一段在膜內(nèi)，一端在膜外。膜外的質(zhì)子濃度高于膜內(nèi)。因為質(zhì)子帶正電，于是膜外的電位高于膜內(nèi)，產(chǎn)生一個由膜外指向膜內(nèi)的電場。于是質(zhì)子就在電場力的驅(qū)使下，穿過蛋白通道進(jìn)入膜內(nèi)。這個過程就推動蛋白質(zhì)工作。那么這個質(zhì)子濃度差是如何維持的呢？細(xì)胞呼吸！

※1 有關(guān)這部分內(nèi)容，圍脖上的劉大可先生著有一書，寫得十分詳細(xì)。他本人還特意制作了3D圖和視頻，有興趣可以去看看。

如同書中的插圖。氧化還原反應(yīng)中的電子傳遞過程被安排在一系列節(jié)點上。電子在這個路徑上流動，每到一個節(jié)點（蛋白質(zhì)）上，這個分子的形態(tài)就因為電子的到來而發(fā)生變化※1。最終它將一個質(zhì)子丟出膜外，又從膜內(nèi)拿回一個質(zhì)子，同時把一個電子傳遞出去。一切如初，然后周而復(fù)始。當(dāng)然，事實上最初的電子來源不一定是葡萄糖；最終的電子接收者也不一定是氧氣。

※1 這種變化有機(jī)化學(xué)上稱之為重排。在分子尺度上，原子的位置并不那么固定。尤其是電子、質(zhì)子（氫-1原子核）這樣的基本例子，它們一定程度上是在分子上游走的。所以在受到外部擾動時，它們?nèi)菀赘淖冏陨淼奈恢茫沟没瘜W(xué)反應(yīng)發(fā)生。

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那為什么要先把質(zhì)子送去膜外，再利用電力來合成ATP呢？這是一個曹沖稱象原理。誰也搬不來一塊和大象等重的石頭。但誰都可以把小石子鏟上船，直到船上的小石子和大象等重。找到一個剛好夠用來合成ATP的化學(xué)反應(yīng)何其困難。但是利用這種質(zhì)子水車的模式就無需費心。我只管把質(zhì)子運到膜外，ATP蛋白知道該怎么做。

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到這里想必您也看出一些端倪。這一整套精密系統(tǒng)是圍繞著質(zhì)子（氫-1）組建的。而氫-2相對于質(zhì)子來說，差異太大了。多出來的一個中子使得氫離子的體積和質(zhì)量倍增，而且讓它不再是一個基本例子※1。或許這將讓它無法在各種蛋白上來去自如。當(dāng)氫-2和氫-3在整個氫離子池中占有較大比例時，細(xì)胞呼吸勢必受到影響。

其實，光合作用也同樣受此影響。光合作用和細(xì)胞呼吸在把質(zhì)子送出膜外和利用質(zhì)子水車這一點上是一致的。只不過光和作用最初的電子來自水分子，是被光子打下來的。

※1 微觀粒子有一些量子特性，使得它們本身的性質(zhì)不那么固定。因此化學(xué)上通常只說物質(zhì)的性質(zhì)，而不說分子的性質(zhì)，因為單個分子沒有什么性質(zhì)可言。而當(dāng)粒子越聚越多，量子特性就會逐漸消失，物理上稱退相干。像蛋白質(zhì)這樣的大分子可能就是粒子與物質(zhì)之間的臨界尺寸。

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最后說富集。說一種物質(zhì)、元素會富集，那么它肯定在一定程度上是只進(jìn)不出的。很多重金屬元素，因為尺寸與一些人體所需的元素接近，會被吸收。但是細(xì)胞內(nèi)又沒有什么反應(yīng)能消耗它們，所以越聚越多。但是氫-3通常以水分子的形式存在。假如人體不能利用氫-3，那么它將一直以水的形式存在。而人體每天都會排出大量的水※1，以至于我們每天必須攝入好幾升水來彌補損失。這也就沒有富集一說.如果氫-3可以被利用，那它就正常參與新陳代謝，也沒有富集一說。

※1 細(xì)胞膜對水分子來說是通透的。這也是注射必須使用0.9%氯化鈉或5%葡萄糖等滲溶液的原因。如果低滲透壓的水被大量注射進(jìn)血液，水分子就會大量涌入滲透壓更高的細(xì)胞膜內(nèi)。如果細(xì)胞膜沒能撐住那細(xì)胞就炸了。