20131221-李偉才：磷流轉
磷流轉
2013-12-21 8:30:00
你對磷這種物質的認識有多少呢？
事實上，除非你在大學裡主修化學，否則一下子可能什麼也答不上來。不打緊，讀畢這篇短文之後，你的認識肯定會令主修化學的大學生也刮目相看呢！
磷 (phosphorus) 是宇宙間繼氫、氦、鋰、鈹、硼、碳、氮、氧、氟、氖、鈉、鎂、鋁和硅之後的第十五種最簡單的元素。它的原子核擁有15顆質子 (protons) 和16顆中子 (neutrons) ，而環繞著原子核運行的15顆電子（特別是較外圍的）則決定了它的各種化學特性。
好像碳能夠以煤、石墨和鑽石等不同的形式存在一樣，磷這種元素也能以不同的物理和化學型態存在。它們是黑磷（金屬磷）、白磷（黃磷）、紅磷（赤磷）和紫磷等。其中的白磷在黑暗中能發光。但它亦帶有劇毒，因此是一種十分危險的物質。
對大部分人來說，磷好像不是一種十分重要的元素。這當然大錯特錯！的確，比起碳、氫、氧和氮等元素，生物體內的磷在份量上少得多。但它的存在卻起著關鍵作用，以至於大半個世紀前，著名科普作家阿西莫夫 (Isaac Asimov) 便曾稱它為「生命的瓶頸 (life’s bottleneck) 」。
為什麼稱為「瓶頸」呢？在未作出解說之前，讓我們先看看磷重要在哪裡。我們都知道生命的遺傳物質是 DNA （脫氧核醣核酸），而 DNA 的「雙螺旋結構 (double helix structure) 」便活像一把不斷被扭轉的長梯。但大家可能有所不知的是，構成「長梯」兩旁的「把手」的物質乃是「脫氧核醣 (deoxiribose) 」和「磷酸 (phosphate) 」，而不用說，磷酸中包含的正是磷這種元素。
也就是說，沒有了磷，所有生命將無法繁衍下去！
這還不止。除了繁殖外，生命的存在當然還需要能量。而在生物體內負責儲存和運送能量的化合物是「三磷酸腺苷（ adenosine triphosphate ，簡稱 ATP ）」。再一次地，磷這種元素起著關鍵的作用，因為沒有了它便沒有 ATP ，而沒有了 ATP ，所有生物都很快便會像電池耗盡的電動玩具一樣，先是愈走愈慢，最後停頓下來！
唔！重要是重要了，但為什麼說它是「生命的瓶頸」呢？難道碳、氧、氮等元素不同樣重要嗎？要回答這個問題，我們便必須了解到大自然中的「磷循環 (phosphorus cycle) 」這個現象，與其它的「碳循環 (carbon cycle) 」、「氧循環 (oxygen cycle) 」、和「氮循環 (nitrogen cycle) 」等有什麼不同。
不同之處在於，碳、氮、氧等元素在地球表面的含量皆十分豐富。相比起來，在地殼裡的平均含量不到千分之一的磷則稀少得多。留意這個含量還只是一個平均值，不同環境裡的含量還會有很大的差異。也就是說，磷這種元素（常見的存在形式是磷酸鹽）在自然界中的多寡，往往是該處的生物是否得以蓬勃茁長的決定性因素。
此外，由於磷的循環（亦即由生物透過「食物鏈」所多番攝取、利用、排放、轉換、歸還大自然、再被攝取⋯⋯）一般只是透過固體和液體的形式進行，而不似得碳、氮、氧等可以透過氣態在大氣層中進行，所以流轉的速度和範圍都比較有限。
在自然界，這種較慢的“磷流轉”並不構成很大的問題。但近百多二百年來，由於世界農業生產的急劇擴張，對磷的需求也大增。十九世紀期間，出產於南美國家如秘魯、玻利維亞、智利以及太平洋群島的海鳥糞（ guano ，又稱鳥糞石）因為含有豐富的氮和磷等元素，成為各國爭奪的重要戰略資源。然而，這個資源到上世紀中葉已基本耗盡，以至人們要大量開採磷礦並把它用到化學肥料之中，磷的長遠供應已經成為了全球糧食生產必須正視的問題。
在過去，「磷循環」中的重要一環是人類和動物的糞便會歸於泥土，而重新被其他生物所使用。但隨著都市化的有增無已和農業的企業化和機械化，大量包含著這些磷的人類和動物排泄物皆被棄置（大部分被排到大海之中）而沒有被循環再用。與此同時，全球的磷礦資源已日益耗盡。一些科學家警告：正如石油生產正出現「石油產峰」（Peak Oil）一樣，磷礦生產很快也會出現「磷礦產峰 (Peak Phosphorus) 」，從而嚴重影響全球的糧食生產。
人類必須尊重自然界的規律。要避免糧食生產出現短缺的危機，我們是時候反思現代的糧食生產模式了。
李偉才
李偉才，筆名李逆熵，香港著名科普作家。曾任職中學教師、太空館助理館長、天文台高級科學主任、港大國際學位課程中心總監。一九八五年因致力普及科學獲選為十大傑出青年。現為香港科幻會會長、香港科學館顧問委員會委員，及網台節目「浩浩熵熵」主持人。至今發表著作逾三十本。
2013-12-21 8:30:00
你對磷這種物質的認識有多少呢？
事實上，除非你在大學裡主修化學，否則一下子可能什麼也答不上來。不打緊，讀畢這篇短文之後，你的認識肯定會令主修化學的大學生也刮目相看呢！
磷 (phosphorus) 是宇宙間繼氫、氦、鋰、鈹、硼、碳、氮、氧、氟、氖、鈉、鎂、鋁和硅之後的第十五種最簡單的元素。它的原子核擁有15顆質子 (protons) 和16顆中子 (neutrons) ，而環繞著原子核運行的15顆電子（特別是較外圍的）則決定了它的各種化學特性。
好像碳能夠以煤、石墨和鑽石等不同的形式存在一樣，磷這種元素也能以不同的物理和化學型態存在。它們是黑磷（金屬磷）、白磷（黃磷）、紅磷（赤磷）和紫磷等。其中的白磷在黑暗中能發光。但它亦帶有劇毒，因此是一種十分危險的物質。
對大部分人來說，磷好像不是一種十分重要的元素。這當然大錯特錯！的確，比起碳、氫、氧和氮等元素，生物體內的磷在份量上少得多。但它的存在卻起著關鍵作用，以至於大半個世紀前，著名科普作家阿西莫夫 (Isaac Asimov) 便曾稱它為「生命的瓶頸 (life’s bottleneck) 」。
為什麼稱為「瓶頸」呢？在未作出解說之前，讓我們先看看磷重要在哪裡。我們都知道生命的遺傳物質是 DNA （脫氧核醣核酸），而 DNA 的「雙螺旋結構 (double helix structure) 」便活像一把不斷被扭轉的長梯。但大家可能有所不知的是，構成「長梯」兩旁的「把手」的物質乃是「脫氧核醣 (deoxiribose) 」和「磷酸 (phosphate) 」，而不用說，磷酸中包含的正是磷這種元素。
也就是說，沒有了磷，所有生命將無法繁衍下去！
這還不止。除了繁殖外，生命的存在當然還需要能量。而在生物體內負責儲存和運送能量的化合物是「三磷酸腺苷（ adenosine triphosphate ，簡稱 ATP ）」。再一次地，磷這種元素起著關鍵的作用，因為沒有了它便沒有 ATP ，而沒有了 ATP ，所有生物都很快便會像電池耗盡的電動玩具一樣，先是愈走愈慢，最後停頓下來！
唔！重要是重要了，但為什麼說它是「生命的瓶頸」呢？難道碳、氧、氮等元素不同樣重要嗎？要回答這個問題，我們便必須了解到大自然中的「磷循環 (phosphorus cycle) 」這個現象，與其它的「碳循環 (carbon cycle) 」、「氧循環 (oxygen cycle) 」、和「氮循環 (nitrogen cycle) 」等有什麼不同。
不同之處在於，碳、氮、氧等元素在地球表面的含量皆十分豐富。相比起來，在地殼裡的平均含量不到千分之一的磷則稀少得多。留意這個含量還只是一個平均值，不同環境裡的含量還會有很大的差異。也就是說，磷這種元素（常見的存在形式是磷酸鹽）在自然界中的多寡，往往是該處的生物是否得以蓬勃茁長的決定性因素。
此外，由於磷的循環（亦即由生物透過「食物鏈」所多番攝取、利用、排放、轉換、歸還大自然、再被攝取⋯⋯）一般只是透過固體和液體的形式進行，而不似得碳、氮、氧等可以透過氣態在大氣層中進行，所以流轉的速度和範圍都比較有限。
在自然界，這種較慢的“磷流轉”並不構成很大的問題。但近百多二百年來，由於世界農業生產的急劇擴張，對磷的需求也大增。十九世紀期間，出產於南美國家如秘魯、玻利維亞、智利以及太平洋群島的海鳥糞（ guano ，又稱鳥糞石）因為含有豐富的氮和磷等元素，成為各國爭奪的重要戰略資源。然而，這個資源到上世紀中葉已基本耗盡，以至人們要大量開採磷礦並把它用到化學肥料之中，磷的長遠供應已經成為了全球糧食生產必須正視的問題。
在過去，「磷循環」中的重要一環是人類和動物的糞便會歸於泥土，而重新被其他生物所使用。但隨著都市化的有增無已和農業的企業化和機械化，大量包含著這些磷的人類和動物排泄物皆被棄置（大部分被排到大海之中）而沒有被循環再用。與此同時，全球的磷礦資源已日益耗盡。一些科學家警告：正如石油生產正出現「石油產峰」（Peak Oil）一樣，磷礦生產很快也會出現「磷礦產峰 (Peak Phosphorus) 」，從而嚴重影響全球的糧食生產。
人類必須尊重自然界的規律。要避免糧食生產出現短缺的危機，我們是時候反思現代的糧食生產模式了。
李偉才
李偉才，筆名李逆熵，香港著名科普作家。曾任職中學教師、太空館助理館長、天文台高級科學主任、港大國際學位課程中心總監。一九八五年因致力普及科學獲選為十大傑出青年。現為香港科幻會會長、香港科學館顧問委員會委員，及網台節目「浩浩熵熵」主持人。至今發表著作逾三十本。
留言
張貼留言