有些元素早已广为人知,它们的名字已经融入了我们的日常语言。铁是力量和呆板的代名词。我们会经常说“钢铁意志”“铁证般的不在场证明”和“铁腕”。这对于一个元素来说是一个很大的挑战,尤其是这种元素有一个严重的弱点,一种会破坏它自身特性的“瘾”——在氧的存在下,铁会“崩溃”。
铁表现出我们对金属的所有期待——沉重、结实、闪亮、耐用。而且,只要它远离可能对它产生破坏的氧气,它就不会辜负我们的期望。但是,在氧气的作用下,铁会变得脆弱,难以为继。氧化铁是一种锈,而且会逐渐腐蚀内部的金属,直到把金属完全侵蚀。一种如此脆弱易碎的金属竟然能得到如此广泛的应用,真是令人惊讶。
铁的一个主要优势是它巨大的储量。这个星球上不缺铁,尽管大部分铁都和它心爱的氧锁在一起。它们形成的化学键不是特别牢固,大自然已经找到了许多方法来分离两者,并让金属发挥作用,人类花了更长的时间才弄明白这一点。然而,一旦人类掌握了用火将锁在氧化铁中的氧元素分离出去的技术,就一发不可收。这种金属比之前使用的任何其他金属都坚固、锋利。更强大的工具和武器让那些通晓炼铁技术的人拥有了竞争优势。随着时间的推移,炼铁工艺被不断优化,达到工业化的规模。铁制品的规模也在增长——从私人物品到交通工具:船、火车。只要它远离氧气,铁就可以实现令人难以置信的工程壮举,但是……对,故事总会迎来一个“但是”。
铁就像一个无可救药的惯犯。它必须被看紧,才能确保它不会与氧气鬼鬼祟祟地密会。水也是铁遭锈蚀的共犯,必须不惜一切代价排除。物理屏障——油漆、防锈油和塑料——必须到位。铁还可以被其他金属保护,在心浮气躁的氧气面前,这些更活泼的金属可以施展美人计——镀锌板和不锈钢可以将氧的注意力从铁转移到氧更喜欢的锌和铬身上。
人类竭尽全力让氧气远离他们制造的铁制品,但在我们体内,情况就完全不同了。在我们含水的身体里,共有约4克铁。它们大部分存在于我们的红细胞里,其主要作用就是与氧气发生反应。日复一日,每时每刻,我们血液中的铁都在与氧气直接接触,但我们并没有生锈。
铁对氧无比迷恋,这有它的好处,大自然帮我们找到了一种妙用。铁毫无疑问会抓住氧气,可以高效地捕获被我们吸入的氧气。当它流经我们的动脉和毛细血管,进入身体的犄角旮旯时,铁还是会紧紧地抓住氧气。
问题在于如何说服它放手。
血红蛋白精心设计了红细胞内铁和氧之间的相互作用。每个血红蛋白分子包含四个血红素单位——血红素是一个由碳原子、氮原子等组成的复杂网络,撑起中心的铁原子。当第一个氧分子与这个铁原子结合的时候,周围的结构被弯曲,以容纳这个外来者。一个血红素的运动会通过一个分子弹簧和杠杆系统传递给其他的血红素,这个过程会逐渐降低氧气和下一个血红素的结合难度。血红素能让氧气和铁结合得非常牢固,足够它们抵达人体深处。此外,这种支撑性的框架也会减缓氧气从血红素分离的速度。当时机成熟时,这个协同系统会轻轻地把氧气推走,把铁包裹起来,准备进行下一次循环。
铁并不完美。其他金属有的更硬,有的更有弹性,有的更容易加工。但是,在成千上万种不同的选择中,铁是首选,尽管它有瑕疵,但我们会爱屋及乌,爱它就会接受它的全部。