重水和氚水对细胞呼吸的影响
我之前在对某位老师的“氚会在生物体内富集”的观点表示嗤之以鼻的时候，有好心人告诉我说“有研究表明重水对动植物健康有影响”。虽然句牛头不对马嘴的话——危害或者说负面影响与是否富集没有相关性。但我还是对这位朋友表示感谢。因为虽然他没有说明相关研究出自何处，但是他很诚实地表明自己没有找到氚相关的资料。
今年的上半年，我看了一些生命科学和生物化学相关的书。尤其对线粒体的工作方式有了全新的理解，正好可以用来解释重水对生物体的影响机制。当然，首先还是要搞清楚重水以及氚是什么。
原子的核心由一定数目质子和中子组成。让它们聚集在一起的作用力为强相互作用力※1。质子带1个正电荷，互相之间会有电磁斥力。所以当1个原子核中存在2个以上的质子时，就需要有中性的中子插入其中进行平衡。同时，原子外围有与质子数目相当※2的电子环绕，使得整个原子表现出电中性。
※1 物理学上将各种作用力按照作用机制和作用范围，划归出4大基本作用力。即强相互作用力、弱相互作用力、电磁力和万有引力。其中，强力和弱力的作用范围局限在像质子和中子这样的基本粒子之间。因此我们平时能在宏观世界中感受和观察到的，除了引力（如地球的重力）外，全部属于电磁力。
※2 如果数目不等，则称为离子。
自门捷列夫※1以来，科学家们以原子中质子的数目※2来分类原子并命名。所以，原子中质子的数目和这个原子的名字就有了一个人为规定的强相关。比如1个质子的叫氢，3个质子的叫锂，6个质子的叫碳。氧原子必然有8个质子，因为如果只有7个，那它叫氮；如果有9个，那它应该叫氟。
※1 门捷列夫，俄国科学家。整理并发表了世界上第一份有价值的元素周期表。
※2 事实上，早期科学家们是以化学性质来区分归纳。而原子的化学性质由其外围电子决定，与原子核和质子无关。只是，外围电子的排布与电子总数有关，而电子总数又与核内质子数有关。所以直到1918年质子被发现后，原子名与质子数的关联性才被注意到。那时距门捷列夫发表元素周期表已经过去了半个世纪。
当然，原子核内除了质子通常还有中子。一般以原子名后缀一个数字来表示中子的数目。只不过这个数字表达的不是中子数，而是质子与中子数的总和。比如碳-14定年法中的碳-14，表达的就是质子数与中子数总和为14的碳原子。而根据碳这个名字可以知道，其质子数为6，那么碳-14原子的中子数就是8。绝大多数的碳原子都是含6个中子的碳-12。还有1种碳原子是碳-13，含7个中子。
像碳-12、碳-13和碳-14这样，有同样的名字（质子数）但中子数不同的原子，统称为1种元素。这些原子之间互称同位素。碳-12和碳-13是同位素。碳-12和碳-14也是同位素。碳-13和碳-14还是同位素。而氚（读作“川”）是氢-1的同位素。它含2个中子，真名※1叫氢-3。氢-1的另一种同位素是含1个中子的氢-2，也叫氘（读作“刀”）。2个氢原子皆为氢-2的水分子就叫重水。
※1 氚这个叫法由“treble”这个词的读音演化而来，意思是3倍的。同样，氘来自“double”的读音，意思是2倍的。
氢-3有放射性，它会发生β衰变。核内的1个中子释放出1个电子，自身变为质子，整个原子由氢-3变为氦-3。氦-3是核聚变的好材料，但是在常规环境下是稳定的。
好了，重水和氚已经搞清楚了，下面来讲细胞呼吸的事。
以下内容主要参考英国科普作家Nick Lane所著之《能量、性、死亡》一书。此书以线粒体的工作原理出发，从生物化学角度阐述了生物体获取和转化能量的方式。进而拓展到生命的起源与演变。是了解生命科学的一本好书。只不过，译者林彦纶先生将mitochondrion※1译作“粒线体”，而不是更常用的“线粒体”，阅读起来有那么一点怪。如果您不习惯阅读繁体中文，那么另一本《生命之源》是比较好的选择，两书有诸多重复之处。它的简体中文译本叫《复杂生命的起源》价格上也便宜一些。
※1 乍一看没线也没粒。其实这个词源自希腊语，mitos，意思是线；khondrion，意思是颗粒。所以按顺序其实线粒体更合适。
细胞呼吸与我们平时说的呼吸有着天壤之别。细胞呼吸指的是一系列化学反应，而不是动作。早期的科学家们在研究生化反应时，发现这些反应消耗氧气，释放二氧化碳，如同呼吸一样，便有了这个词。如今我们知道，这个特征并不能代表细胞呼吸。在深海底部，消耗硫化氢释放铁的形式十分流行。还有一种古菌，它消耗二氧化碳和氢气而放出甲烷。这都是细胞呼吸的表现形式。
细胞呼吸的根源是氧化还原反应。这种反应的特征是电子的转移。反应物A将自己的一部分电子转移给B，这个过程中整个系统的化学势降低，能量被释放。细胞呼吸就是利用一个氧化还原反应释放的能量，来合成另一种更加通用的储能物质——腺苷三磷酸（ATP）。地球上的一切细胞，尤其是各种细菌和古菌，他们利用的氧化还原反应千奇百怪，但是最终都合成ATP。
ATP的合成方式更是精妙。合成ATP的蛋白由质子流（即流动的氢-1原子核）驱动。一定数目的质子从蛋白质上经过后，这个蛋白质的一部分就会旋转，好像水车一样！每当它完成3次转动，即一周，1个ATP分子就被制造出来。多么令人叹服的机械※1。
而质子流又是谁推动的呢？答案是电力。合成ATP的蛋白镶嵌在细胞膜上。一段在膜内，一端在膜外。膜外的质子浓度高于膜内。因为质子带正电，于是膜外的电位高于膜内，产生一个由膜外指向膜内的电场。于是质子就在电场力的驱使下，穿过蛋白通道进入膜内。这个过程就推动蛋白质工作。那么这个质子浓度差是如何维持的呢？细胞呼吸！
※1 有关这部分内容，围脖上的刘大可先生著有一书，写得十分详细。他本人还特意制作了3D图和视频，有兴趣可以去看看。
如同书中的插图。氧化还原反应中的电子传递过程被安排在一系列节点上。电子在这个路径上流动，每到一个节点（蛋白质）上，这个分子的形态就因为电子的到来而发生变化※1。最终它将一个质子丢出膜外，又从膜内拿回一个质子，同时把一个电子传递出去。一切如初，然后周而复始。当然，事实上最初的电子来源不一定是葡萄糖；最终的电子接收者也不一定是氧气。
※1 这种变化有机化学上称之为重排。在分子尺度上，原子的位置并不那么固定。尤其是电子、质子（氢-1原子核）这样的基本例子，它们一定程度上是在分子上游走的。所以在受到外部扰动时，它们容易改变自身的位置，使得化学反应发生。
那为什么要先把质子送去膜外，再利用电力来合成ATP呢？这是一个曹冲称象原理。谁也搬不来一块和大象等重的石头。但谁都可以把小石子铲上船，直到船上的小石子和大象等重。找到一个刚好够用来合成ATP的化学反应何其困难。但是利用这种质子水车的模式就无需费心。我只管把质子运到膜外，ATP蛋白知道该怎么做。
到这里想必您也看出一些端倪。这一整套精密系统是围绕着质子（氢-1）组建的。而氢-2相对于质子来说，差异太大了。多出来的一个中子使得氢离子的体积和质量倍增，而且让它不再是一个基本例子※1。或许这将让它无法在各种蛋白上来去自如。当氢-2和氢-3在整个氢离子池中占有较大比例时，细胞呼吸势必受到影响。
其实，光合作用也同样受此影响。光合作用和细胞呼吸在把质子送出膜外和利用质子水车这一点上是一致的。只不过光和作用最初的电子来自水分子，是被光子打下来的。
※1 微观粒子有一些量子特性，使得它们本身的性质不那么固定。因此化学上通常只说物质的性质，而不说分子的性质，因为单个分子没有什么性质可言。而当粒子越聚越多，量子特性就会逐渐消失，物理上称退相干。像蛋白质这样的大分子可能就是粒子与物质之间的临界尺寸。
最后说富集。说一种物质、元素会富集，那么它肯定在一定程度上是只进不出的。很多重金属元素，因为尺寸与一些人体所需的元素接近，会被吸收。但是细胞内又没有什么反应能消耗它们，所以越聚越多。但是氢-3通常以水分子的形式存在。假如人体不能利用氢-3，那么它将一直以水的形式存在。而人体每天都会排出大量的水※1，以至于我们每天必须摄入好几升水来弥补损失。这也就没有富集一说.如果氢-3可以被利用，那它就正常参与新陈代谢，也没有富集一说。
※1 细胞膜对水分子来说是通透的。这也是注射必须使用0.9%氯化钠或5%葡萄糖等渗溶液的原因。如果低渗透压的水被大量注射进血液，水分子就会大量涌入渗透压更高的细胞膜内。如果细胞膜没能撑住那细胞就炸了。
