如果我们都是“铝”人……

大科技大科技 科学之谜 2022-06-29 1603 0

我们已经知道,地壳中含量最多的金属元素是铝,这是因为铝在金属元素中相对较轻,经过地质变化的大浪淘沙,较重的元素沉到地核中,较轻的元素则留在了地壳和地表中。而由于铝的化学性质很稳定,它与其他金属或非金属元素一结合,能保持很长时间不变化,所以地壳中就含有越来越多的铝了。但让人奇怪的是,地球上的生物却并不青睐铝,生物体内的铝非常少,这是为什么呢?如果我们体内有许多铝,会发生什么事呢?

气更喘了

想知道铝来到人们体内会发生什么,先要看看铝能去到哪儿。铝单质或铝化合物多是固体,想要进入人体内需要经过消化道,消化道会将含铝的物质吸收到血液中。在血液中,铝就可以试着大展身手了,不过,也许这会让一个年轻人像个耄耋老人一样气喘吁吁。

如果我们都是“铝”人……

血液的一大功能是运输氧气,这个功能的实现离不开铁元素。氧气在液体中的溶解度很低,因此,血液要承载氧气需要工具辅助,铁元素正是血液找到的好帮手。铁原子对它的外层电子控制能力较弱,遇到力量比它强的原子时,它会被抢走不同数量的电子,在血液中,氧气就能抢走铁的电子。在氧气多的地方,比如人的肺部或鱼腮处,氧气抢走铁的两个电子,将铁变成亚铁离子,两者短暂结合成化合物;到了氧气少的地方,比如心脏、肌肉等耗氧量大的地方,氧气又会被从铁原子那剥离出来,变成游离的氧气,来到机体组织中;亚铁离子也回归“单身”,等待再次与新的氧气邂逅。这样,血液就实现了运输氧气的功能。

那么,铝能不能像铁一样运输氧气呢?恐怕很难实现。铝离子和氧气相遇时,也会发生反应,但是反应产生的三氧化二铝性质非常稳定,无法溶解在血液中。因此,需要氧气的各个生理组织的细胞很难从铝的手中将氧气“夺”过来,即使肺部再怎么努力吸气,组织也得不到氧气,最终导致机体缺氧。

心更累了

如果血液运输的氧气很难被组织获取,那么增加单位时间的血流量,等于增加运输车的“班次”,会不会好一些呢?可是,增加血流量,对铝来说也很难。

心脏能跳动,离不开心肌细胞持续的收缩和舒张,而心肌细胞之所以能不知疲倦地工作,则得益于钙离子的帮助。心肌细胞就像一个“电动门”,当有能量驱动时,钙离子与心肌细胞的蛋白质结合,就像一把钥匙扭动了门锁,蛋白质发生旋转,大门打开,心脏收缩;没有能量时,钙离子与心肌细胞分离,大门就会关上,心脏舒张。两个过程循环进行,心脏就会持续跳动。在漫长的进化过程中,心脏一直受到能量的变化和钙离子的含量的调控,按着固定的节律在跳动,如果将钙离子换成铝,会发生什么事呢?

如果我们都是“铝”人……

在人体血液中,钙离子的浓度约为90~110毫克/升,成年人的血量约为4升,因此钙离子的总量约为400毫克。而按照铝离子在血液中的溶解度计算,4升血液中大约含有1皮克铝离子,血液中钙离子的总量是铝离子的4×1011倍!也就是说,如果心脏是在铝的驱动下跳动的,跳动速率将降低到原先的1/1011。心脏跳得更慢了,还想要增加泵出和流回心脏的血流量,那就要提高每次泵送的血液量,心脏就要变得更大,带动变大的心脏跳动再一次增加了难度……如果钙离子换成铝离子,也许,心脏会累到“罢工”吧。

骨更脆了

说到钙离子,我们知道,钙离子在人体中的最大作用是形成骨骼和牙齿,铝离子能不能取代钙离子形成骨骼呢?

先来看一看钙离子形成骨骼的过程:我们吃下富含钙的食物,钙离子进入血液中。在一些激素和维生素的帮助下,钙离子离开血液,与磷酸离子、镁离子等结合成骨骼。因此,钙离子想形成骨骼,需要满足两个条件:能溶解在血液中和能从血液中脱离出来。前文说过,铝离子在血液中溶解度很小,含量也很少,所以铝不足以成为骨骼的原材料。不过,假如在某些激素或载体的帮助下,有足够多的铝能组成骨骼,铝制骨骼能用吗?

如果我们都是“铝”人……

骨骼并不是静止不变的,而是每天都在不断形成新骨骼,溶解旧骨骼,新老交替。钙离子与磷酸离子等沉积成新骨骼,与此同时,一些“没用的”或“衰老的”骨骼不断被破坏,为新骨骼腾出空间,方便新骨骼的成长,这样骨骼就能保持常换常新,质量得到了保障。但是,铝离子形成的骨骼很难满足这样的变化需求。

铝与硅组成了在地壳中随处可见的石头,这些石头非常稳定,风力、水力和化学腐蚀等都难以破坏,这是因为其中的原子“手拉手”紧密结合在一起。与石头类似,铝制骨骼也难以溶解,也就不能保持常换常新。而长时间不更换的老骨骼会很脆弱,难以支撑身体和维持运动。

事实上,铝在人体中的含量过高对骨骼形成危害很大。人体摄入过量的铝,会抑制肠道对磷的吸收,从而使骨骼里的磷代谢受到影响。如果骨磷含量下降,就会导致骨质疏松和骨折等问题。

人更傻了

许多科学研究都表明,过量的铝蓄积在脑中,可引起大脑的神经退化,出现记忆力下降、智力退化和性格改变等。也就是说,吃下太多铝和铝化物,人可能会变傻。这又是为什么呢?

钙离子在人体中还有一个重要作用,那就是组成信号传导通路,调控细胞生长分化、神经传递和记忆功能等复杂生物过程。但是铝是含钙、镁等酶和蛋白质的阻断剂,它会取代钙和镁在蛋白质中的位点,影响其发挥作用。而且,铝具有较强的还原性,当它与蛋白质相遇时,很可能会使蛋白质变性,丧失功能。

另一方面,铝还会堵塞钙离子进入细胞的离子通道,阻止钙离子内流,这样,钙离子也就无法传递神经信号了。结构变化加通路被阻,人们的信号传递及与此相关的感觉和记忆等功能也就出现了故障,最终就造成了变傻现象。

如果我们都是“铝”人……

看来,虽然地球地表有许多的铝元素,但是生物们之所以没有将之利用起来,不是没有原因的。当然了,铝元素也有它的好处,比如与其他原子的结合力更强、形成的化合物更稳定且强度更大等。也许在一些重力更大的星球,生物会需要更强劲的骨骼来支撑身体,这时候铝也就能发挥作用了。在广阔的宇宙中,“铝”人的存在并非毫无可能,也许未来某一天,我们就能与之相遇。

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