人类历史上大多数时候,我们的祖先与环境之间的原子交换其实都非常接近于“鲑鱼森林”,而且这可以在人体中通过同位素标记进行追踪,就像莱莫什的研究所观察到的一样。
考古学家会通过对骨骼中最丰富的胶原蛋白进行氮15同位素分析,从而构建出远古人类的食谱。在一项类似的研究中,厄尔·纳尔逊(Erle Nelson)和他的团队在格陵兰岛南部发掘出了早期挪威定居者的骨骼,并分析了他们15世纪在此处定居失败的原因。不少专家提出,原因是由于环境变冷,也就是所谓的“小冰期”,气候变得过于恶劣。其他专家则认为,他们可能固执地拒绝接受当地因纽特人的生活习惯,不愿以打猎捕鱼为生,最终土地退化与粮食歉收导致了他们的死亡。2012年,纳尔逊团队研究了格陵兰岛埋骨之地的原子组分,以检验这些富有争议的猜测。
他们的同位素分析证明,格陵兰岛上的挪威人,食谱中有很多鱼和海豹肉,这使得“气候致死说”与“粮食歉收说”都显得有些站不住脚。与太平洋西北地区的熊一样,以海洋生物为食的人群相比那些以粮食或家畜为食的人群,体内的氮15含量会更丰富一些。在格陵兰岛开展的研究表明,如果这些定居者是以面包为食,骨骼中的氮15含量肯定不会像测量值那么高。
所有的骨骼都是如此,只有一个例外。根据当地记载,此人出生在斯堪的纳维亚,加入移民大军后不久就死去了。结果,他的骨骼中仍然携带着大量农业性的氮原子,这是由他早些年在挪威吃的食物留下的。他体内较低的氮15含量也证实,在他死的时候,身体中的氮原子还没有完全被当地食物的原子所置换。
作者认为,这些早期定居者体内的氮同位素表明,格陵兰岛移民的消亡不太像是突发事件,而是一段缓慢的疏散过程。在哥本哈根大学的一篇新闻报道中,人类学家尼尔斯·林纳洛普(Niels Lynnerup)对此解释道:“没有证据表明挪威人的消失是自然灾害的结果。如果要说是什么原因,那可能就是他们对于在世界尽头啃食海豹的生活已经厌倦了。”出于对斯堪的纳维亚更发达的文化及社会环境的渴望,很多年轻人会先被吸引并前往,剩下的村民们最终也放弃坚守,离开此地。
捕食者消化另一个生物体中蛋白质的过程,体内会倾向于留下更多较重的氮15原子,这也使得捕食者体中的氮15含量通常会比猎物更高,而这一原理也适用于我们人类。1997年发表在《有机地球化学》的一篇论文提到,通过哺乳期的母亲与她们婴儿间的营养物质关系,可以揭开这种神奇的原子纽带。
当你还只是胎儿时,你所有的原子都来自你母亲的身体。你还不会自己吃喝或呼吸,只能通过脐带从胎盘获取或排出流体。说到底,当时你还只是你母亲身体的一部分。即便你在出生之后已经能够自行呼吸了,你还需要从母亲的乳汁那里获取其他的原子,除非你是喝配方奶粉长大的。
不过尽管你最初的原子都来自你的母亲,但你自己的身体中,氮15还是得到了轻微富集,这与熊的蛋白质相对于它们食用的鲑鱼氮15含量更高的原理相同。换句话说,你不仅仅是你母亲身体的一部分,你也在由她滋养。如果你乐意,你可以用捕食、寄生甚至同类相食这样的字眼来描述这个关系,因为不管怎么表述,对于你的氮原子同位素都是一样的,同时它们也在记录着你的所作所为,并将其写入蛋白质的分子档案中。
当研究者轻轻剪下哺乳期新生儿的指甲,并与其母亲的指甲进行对比时,他们搜寻到了母亲做出莫大牺牲的同位素证据。被捕获的鲑鱼并不情愿用它的氮15去喂食饥饿的黑熊,但哺乳期的母亲却是在无私地向她们的孩子提供自己的原子。遵循着古老的食物链原则,研究发现婴儿体内的蛋白质,其中氮15的含量会略微高于他们的母亲,直到他们断奶之后,同位素分布逐渐与今后将养育他们的更广阔外界环境趋于一致。最早显示独立的同位素证据出现在两到三个月后的指甲中,这也是新生儿的指甲从角质层生长到指尖所需要的时间。类似的同位素研究还发现,母亲的妊娠期可以在头发丝中体现,因为这时她的身体正在不断地向她的孩子输送氮原子。
母亲与孩子之间的紧密联系,从很多方面也反映了我们与地球之间的原子关联。即便已经不再依靠胎儿期的脐带连接,我们也仍旧生活在这个由回收原子构成的“地球胎盘”中。不过如今,加入到这些原子连接网中的,不仅有生物,还有各种机器。
就在写作本书期间,地球上具备生物价值的含氮化合物,有一半都是由我们的机动车、农场和工业所生产。《科学》杂志2010年发表的一项研究显示,如今仅仅是哈伯—博施工艺这一项,就足以匹敌海洋与陆地上所有微生物的固氮总量。我们生活的这个世界已远非我们的祖先所能理解,甚至,我们大多数人都不再依赖农场了。
在电影《绿野仙踪》中的黑白世界里,农场产出什么,人们就只能吃什么,他们体内的氮原子都来自他们养殖的家畜或种植的粮食,以及偶尔发生的闪电。从土壤细菌到植物再到农民,然后再回到土壤中,氮原子一次又一次地回到同一片土壤中,马匹在此处犁过,将猪粪和其他废弃物翻腾到四处。即便没有龙卷风袭来,那段困苦时期也实在算不上什么完美的田园生活,不过我们能够从中学到一些更深刻的道理。他们都曾经是元素循环中的一部分,不过在如今的堪萨斯州,这种循环已经很大程度地被破坏了,就跟世界上其他地方一样。
如果你也和大多数美国人一样,那么你的全部食物也是几乎都来自超级市场,由工业化的农场供应。由此可以推断,你身体中的大多数氮原子,都是在某个离你居住地很遥远的地方由人工方法所固定。用于固定氮的主要能源是大量不可再生的化石燃料,将这些食物运输到你家周边商铺直至餐桌的能源也是它们。这些代价高昂的含氮化合物在排放后,并不会被农作物所吸收;其他的氮元素,通过牲畜的排泄物,进入污水池或是废水处理厂,反硝化细菌在那里将它们分解成惰性的氮气重新回归到空气中。这些过程让以人类为中心的全球氮元素循环出现了巨大缺口,而这个缺口只能通过能耗更经济的固氮技术和运输技术填平。
或许有人会辩解说,事情本来就该如此,因为这是保证庞大人口生存并远离饥饿威胁的唯一办法。不过长期来看,寻找更有效的一些方式闭合我们的氮元素循环不仅可行,而且也是有利的。将动物粪便还田,用固氮植物给土地增肥,更仔细地调整化肥施用的时机和用量,这些都是如今在此循环中相对简单的推荐方案。
几十万年以来,我们的祖先吸收并利用这些同样的原子,然后又将它们排放到同样的一座“原子蓄水池”中,相信这个世界会满足他们所需,并稀释或分解他们产生的垃圾。作为目前地球上最主要的活性氮源,哈伯—博施合成氨工艺推动着我们跨入了21世纪,同时随着我们从大气中获取营养物质的能力不断提升,我们给全球氮循环带来的影响也在与日俱增。
生态学家大卫·辛德勒(David Schindler)在代表华盛顿大学接受采访时,对我们的处境做了简单描述:“对于氮而言,这个世界远比我们想象中要小。”当我们丢弃氮原子的时候,它们会依旧留在这个星球上,和我们在一起。如今,它们的规模与我们的其他垃圾一起不断增长。除了给粮食作物提供养分以外,我们排放的含氮垃圾也给我们带来了意外的后果,比如水藻暴发、酸雨酸雪和城区的有毒雾霾。它们甚至对气候变化也有贡献,因为过量施肥的田地、草坪、高尔夫球场以及化石燃料燃烧所产生的氧化二氮(N2O)是一种温室气体。生态学家亚历克斯·沃尔夫(Alex Wolfe)在接受一次线上采访时指出:“全球气候变化的争论主要都集中在对碳排放的讨论……(但)全球氮循环中由人为造成的困扰已经远远超出了碳的影响。”
作为一种迅速成熟而富有感知力的物种,如何权衡我们对固定氮的需求以及这种需求对水与空气质量的影响,还有我们的进化——是会互相促进还是互相残杀,这些都将是人类前进之路上上演的伟大故事。而且不管故事在未来如何发展,弗里茨·哈伯这项颇具两面性的遗产都将继续在其中扮演重要角色,毫无疑问。