你一生的化学反应

作者简介

孙亚飞，青年科普作家，高中参加化学竞赛保送进入北京大学化学学院，后于清华大学化学系获得博士学位，现供职于中国科学院自然科学史研究所，从事现当代化学史研究。创业项目曾登陆中央电视台财经频道《创业英雄汇》栏目。 2010年开始从事科普工作，2012年加入科学松鼠会。在“得到”开通的课程《化学通识30讲》广受好评。同时，在知乎、果壳、丁香医生、《博物》杂志等媒体平台发表《你好，门捷列夫》《读懂食品安全》等各类作品逾百万字。 已出版作品：《元素与人类文明》（获得“文津图书奖”）、《原子王国历险记》、《迷人的液体》、《锈蚀》、《13次时空穿梭之旅》、《给孩子的食物实验室》、《纳米与生命》等，译作《诗意的原子》。

内容简介

3.不一样的吸和呼 你的每一次呼吸，吸入的是空气，呼出的是否还是空气呢？ 并不是。从科学的角度评判，吸入和呼出的空气成分有着很大区别。 正如前面所说，氮气和惰性气体并没有发生任何改变，但是氧气的浓度却有了明显改变，从21%降到16%左右，取而代之的，是二氧化碳和水蒸气。 在空气中，二氧化碳和水蒸气的占比都很小：二氧化碳的浓度只有0.04%，而水蒸气的变化幅度较大，湿润的地区可以达到0.5%左右，干燥的沙漠中几乎为零。 不过你可以很容易感受到它们在空气中的变化。 当二氧化碳在空气中的占比升高到0.1%左右时，你就会感到昏昏欲睡；如果达到0.5%或更高，那么你就会感到窒息，甚至为此付出生命的代价。很多时候，所谓的“缺氧”并不是氧气不足，而是因为二氧化碳太多。 至于水蒸气，它在空气中的多寡，你感受起来就更容易了。通常来说，没有人喜欢过于干燥的气候，因为它会引起呼吸系统的不舒适感。更为重要的是，人体的皮肤虽然不会呼吸，但它却拥有良好的透气性，浑身上下都布满了汗腺。数百万年前，正是因为发达的排汗系统带来的高效散热，人类的祖先在依靠耐力比拼的严酷竞争中获得优势。因此，长期置身于干燥的空气中，你会面临失水的困境。 不过，如果是处于过于湿润的环境，同样会令人不适。你一定注意过，当雨季来临的时候，居住环境总是会被各种霉菌占领，衣物上也会产生难闻的气味，这就是高湿度带来的直接后果。高湿度是微生物滋生的有利条件，但它们的快速繁殖，会对人类的生活造成极大不便，呼吸道也更容易被病菌感染。如果你明以察微，大概还会注意到，空气过于湿润的时候，人的浑身都是懒散的。这并不是你的错觉，高湿度还会改变人体的激素分泌水平，身体也会变得不那么兴奋。 现在你一定已经注意到，我们的身体正在不停地向空气中释放二氧化碳和水蒸气。某种程度上说，我们呼出的气体更像是汽车尾气。如果在不通风的房间内生活，那么要不了多久，二氧化碳和水蒸气的浓度就会上升，尤其是二氧化碳难以被周边环境吸收，这对身体来说可不是什么好事。 不过，你从身体内排出的废气，也不是一无是处。通过检测气体的成分，还可以判断身体的状况。 这一点对你来说或许有所耳闻，警察检查酒驾便是借助了这一原理。刚喝过酒的人，血液中也会含有酒精，通过呼吸，酒精也会从血液中挥发，这时只要检查呼出的气体中含有多少酒精，也就能大致判断出此前喝过多少酒了。 当然，呼气测酒驾也只能算是小儿科，如果你还听说过“C-14呼气测试”的话。自然界的碳原子有三种同位素，C-14（C代表碳元素，而14则是这种同位素的原子量）是其中一种，并且还具有放射性，也就是能够释放出一些射线，所以跟踪起来十分方便。你所呼出的二氧化碳，其中的碳原子都来自于被你分解的食物——事实上，不仅是你，也包括寄生在你身体里的各种微生物。在这些微生物中，有一种叫“幽门螺杆菌”的，非常值得关注，因为它喜欢藏身于人类的胃里，并由此诱发胃炎、胃溃疡甚至胃癌等疾病。它喜好分解的尿素，恰好人类不能分解，所以如果你想知道自己有没有被这种微生物感染，只需要吃下一片含有C-14的尿素药丸，然后再检测呼出的气体中有多少C-14，也就可以据此判断幽门螺杆菌存在与否了。 总而言之，你呼出的气体已不再是你吸入的气体，这并非坏事，因为只有这样，才能证实你作为生命的存在。令人好奇的是，在你呼吸的那几秒钟，空气在你的身体里都做了些什么？ 4.血液里的搬运工 要想知道身体中空气所发生的变化，你大概需要放下身段，随着空气走一程，看看它们在身体里的行动轨迹。 顺着口鼻腔，空气进入身体后的第一站是你的肺部。肺就好比是一个过滤器，在这里，一些固态的小颗粒被过滤，氮气和惰性气体也被截留，只剩下氧气，顺利地通过重重关卡，从肺泡转移到血液中。 你也许会很好奇，人体的肺部为何能够如此精妙，居然可以识别出氧气和其他气体？如果这样的技术能够用于工业，那么从空气中分离氮气和氧气岂不是轻而易举？ 然而，事实并非是你想象的那样。 气体，无论是氧气还是氮气，它们都可以溶解到液体中，只是多数气体在水中的溶解度都很低，氮气、氧气便是如此。血液能够携带多少氧气和氮气，完全取决于它们能否溶解进来，氮气的溶解度极小，自然就不会进入血液了。 氧气的溶解度只比氮气略高，加上它在空气中的比例仅有氮气的1/4，因此理论上说，它也很难被血液吸收。不过，在血液中有一种特殊的物质，它可以很轻松地与氧气结合，这样便打破平衡，氧气也就顺势源源不断地溶解到了血液中。 这种特殊的物质被称为血红素。 血红素是红细胞的核心组件。血液中有大量的红细胞，它们也是人体中数量最多的一种细胞。据估计，一个人的身体的细胞总数是50万亿上下，其中血红细胞就占了近一半。在血红细胞内部，藏着一种被称之为血红蛋白的物质，血红素便居于这种蛋白质中。 从外形上看，血红素有些像汉字中的“田”字，外围是拥有四个环的卟啉（化学文献实际上会用“?”来描述这种结构，“?”读“lei”，它显然是个象形字），居于中心的则是一个铁原子。这颗亚铁离子的作用可不简单，就是它像搬运工一样，扛起了氧气，随着动脉血输送到了身体的每一个角落，又在回程的时候，接收了废弃的二氧化碳，顺着静脉血将它们送回肺泡。 显然，就是因为有了数以万亿计的“搬运工”，氧气才得以轻松地进入血液，再进入不同的身体组织，发挥其作用。 说到此，你大概已经明白，为什么缺铁会对身体造成那么大影响？尽管如此，补铁还是需要谨慎，正所谓“无事生非”，过量的铁也会给身体造成非常大的危害。事实上，那卟啉环就好比是看管铁原子的监工，因为有它们的钳制，铁原子才不会造次。 至于在肺泡中落寞等待的氮气，你也别觉得它们就是人畜无害的善茬儿——若是不小心，说不定也会惹出点什么麻烦。 气体溶解到液体中的过程，通常和两个因素有关，一是温度，二是压力。温度越低或是压力越大，气体的溶解度都会上升。日常生活中，温度或压力的变化并不是很明显，氮气并不会在血液中显著溶解。不过，如果你打算去潜水，那可要小心了，当潜水深度达到数十米，压力会达到平时呼吸的好几倍，氮气也会更多地透过肺泡溶解到血液中。等到你看过珊瑚和小丑鱼决定回到海面的时候，只能慢慢地上浮，让氮气逐渐从血液中逸散。若是一口气浮到水面，氮气瞬间逃逸气化，血液便会如同煮沸的水一般，气泡将血管堵塞，这可不是闹着玩的。 ★权威性。作者毕业于清华大学化学系，获得博士学位，他所写的化学相关内容可信度高，能够赢得读者的信赖。 ★影响力。作者作品《元素与人类文明》获得“文津图书奖”，还出版《原子王国历险记》《诗意的原子》（译作）《迷人的液体》《锈蚀》等，赢得广大读者的喜欢。 ★内容生动有趣。虽然是化学科普书，但是作者并没有很死板将化学，而是以父亲的角色与女儿交流的方式，轻松活泼，生动有趣的方式，将化学与人一生的作用和意义呈现出来。 ★配图活泼可爱。文中所配图不是生硬的化学分子结构，而是用拟人的形式，将化学分子结构在人体的作用呈现出来，生动、活泼、有趣，便于理解、消化、吸收。 ★与每个人息息相关。我们呼吸、睁眼、说话、走路、饮食、工作、旅行……甚至，包括连我们排泄、恋爱、思考、生育、衰老、逝去等都在无时无刻不在与化学反应。与我们关系密切，值得深入了解。 ★大咖鼎力推荐。姬十三（果壳CEO）、李筠（中国政法大学教授）、毕导（知名科普博主）联袂推荐。 ★四色印制，精美装帧。为了凸显内容的丰富多彩，提升读者阅读兴趣，全文采用四色印刷，使得层次更加分明，逻辑更加清晰。