高能磷酸化合物的概念和种类

最近连续发表了关于人类生存密切相关的重要元素氢、氮和铁的文章，反响热烈。今天我们将深入探讨另一个平时可能未引起足够重视，却可能对人类命运产生重大影响的元素——磷。提到磷，它确实拥有决定人类命运的实力，并非危言耸听。当我们讨论化石能源的枯竭问题时，太阳能和核能等替代能源成为了人们的焦点，而磷元素的短缺却没有任何替代方案。

一、宇宙及地球中的磷

磷，原子序数为15，是地球生物赖以生存的六种化学元素之一。它在DNA与细胞膜中扮演着不可或缺的角色，对于储存和转移能量的化合物——三磷酸腺苷至关重要。这种元素在宇宙中的含量极为稀少，其丰度是宇宙中第一多的元素氢的二十万分之一。

磷来自宇宙中的超新星爆发，科学家们通过天文望远镜观测，对比了不同星云中的磷和铁的辐射，初步研究结果表明，超新星产生并抛太空的磷元素可能存在很大差异。磷进入新生恒星系统中的行星，如地球的过程相当不确定。例如，地球上的磷可能是由陨石带来的，才使得地球有机会产生原始生物分子。

磷在人类和动物中普遍存在于牙齿、骨骼和中。当人和动物的尸体腐烂分解后，会形成一种气态的磷的氢化物（P2H4），遇到空气时会自动燃烧，因此古人称这种现象为“鬼火”，并赋予磷以正式的名称——“发光体”。

磷与我们复杂的生态关系引发了一场科学界的激烈辩论：地球到底能承受多少人口？如何提高粮食产量？如何洗衣服？“鬼火”的故事背后，隐藏的是磷与人类社会发展的紧密关联。

二、磷与健康

磷是遗传物质核酸的重要组分，也是人类能量转换的关键物质——三磷酸腺苷的关键成分。它还参与构成骨骼和牙齿，是多种酶的重要组分，同时存在于细胞膜中。例如，一个体重60公斤的人，体内含磷总量约为0.6公斤，其中85%分布在牙齿和骨骼上，其余15%分布在软和中。

不同的磷含量也不尽相同。脑中的磷含量较高，约为4.4克每千克；肌肉中的磷含量为1.0克每千克。软和骨骼中的磷主要以不同的化学形式存在。

细胞内含有磷酸基的化合物广泛存在，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。磷酸基团在细胞代谢中起到关键作用，如ATP分子中的磷酸基团能在细胞代谢反应中提供能量。

三、农业生产的瓶颈

作为农业大国，对肥料的需求极高。传统农业中，氮元素的获取是限制农作物生长的重要因素之一。在工业化固氮技术成为主流之前，获取氮元素的来源主要依赖于季节性的河流泛滥和人和动物的速度。而现在，合成氨工业已经打破了这一瓶颈。

磷成为了另一个限制农作物生长的短板。它是植物生长发育必须的大量元素，对植物的光合作用、呼吸作用及生物合成过程都有影响。即使土壤中有再多的营养物质，没有磷，植物也无法吸收利用。

传统农业的磷肥主要来源于海鸟粪、兽骨粉和鱼骨粉等。随着全球人口的增加，对于农产品的需求急剧提升，传统方法获取的磷已经无法满足需求。科学家们开始转向开采磷矿，目前世界上84%-90%的磷矿用于生产各种磷肥，其余用于化工、轻工、国防等工业。

磷矿并非可永续开采的资源。虽然全球探明的磷矿资源量超过3000亿吨，但大量的磷矿石埋藏在大西洋和太平洋的架和浅海地带，这些资源目前的开采成本较高。按照目前的开采速度，陆地上的磷矿可能在100年内（也有专家估计是50-400年）就会枯竭。而且，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，改造目前的农业操作方法，避免磷流失，已经成为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现有的产量水平上，未来的世界人口将受制于磷的供应。

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架浅海地带，超过了地球上已探明磷矿的75%。这些浅海地带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和海洋生物大爆发。藻类爆发式繁殖，供养了大量的小动物，这些藻类和动物的尸体在海沉积下来形成了我们找到的浅海磷矿。我们今天陆地上最有价值的磷矿就是通过这种方式再生而来。类似的故经常在我们的近海发生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。临界点出现在2011年从那时起几乎每年都出现海藻大爆发而且没有任何迹象表明这种趋势