人类正在冲淡生活的基本要素之一

我在英国剑桥的外面，西蒙·凯利（Simon Kelly）站在一条通向生锈的土壤的狭窄沟渠上方，沟深约15英尺，长30英尺。 “欢迎光临矿井，”戴眼镜的草帽和卡其色衬衫的戴白胡子眼镜的地质学家凯利说。 “您看到的东西已经很久没有出现了。”

沟渠中裸露的岩石层可以追溯到1亿多年前，直到英国躺在温暖的浅海之下。非营利性地质咨询公司的研究员凯利（Kelly）专长于那个时代的海洋化石（“ Dicranodonta vagans！”，当我发现一块石头上with满了像蛤一样小的贝壳的印象时，他大叫，他要求保留）。这就是为什么他在2015年用挖掘机在这条战trench上挖洞的原因，也是为什么他从那以后花了无数小时来筛选宝藏的原因。 “走到西蒙的洞，是吗？”凯利的妻子在我探望早晨接他时面无表情。

我之所以来是因为“西蒙的洞”还包含了具有更近的历史意义的物体：曾经帮助英国养活的钝圆卵石。到1800年代，几个世纪的耕种使英国的养分土壤枯竭，其中包括磷-作物的必需元素。当时，肥料和骨头是磷的常见来源，当该国耗尽其国内储备时，它就向其他地方寻求更多磷。

德国化学家贾斯图斯·冯·里比希（Justus von Liebig）写道：“英国就像是一个食尸鬼，正在搜寻大洲。”他首先发现了磷在农业中的关键作用。 “由于她渴望骨头，所以她出现在莱比锡，滑铁卢和克里米亚的战场上；她已经从西西里岛的地下墓穴带走了许多后代的骨骼。”

然后，在1840年代，地质学家发现了富含磷的石头埋在剑桥周围的田野中-同样光滑的咖啡色岩石被焊接到凯利战K的墙壁上。 “这就是他们所追求的，”他说，指的是一层豆子到七叶树大小的团块。

这些结节最初被认为是化石粪便，后来被称为共腐殖质，意为“粪石”。事实证明，大多数是大块矿化沉积物，但这并没有削弱它们作为肥料的作用。

利比希写道：“在一个已灭绝的动物世界的遗迹中，英格兰将寻找增加其农产品财富的手段。” “愿她的优秀人口从贫困和苦难中得到救赎！”是的。

在随后的几十年中，工人们开采了200万吨的coprolites，将英格兰东南部的田野和沼泽变成了坑坑洼洼的沃伦，使西蒙的洞穴相形见war。通过越野车，火车和运河驳船将共腐殖质进行分类，洗涤和运输，然后将其运输到加工设施，在这里进行研磨和酸处理，以制成过磷酸钙（世界上第一种化学肥料）。

这些岩石帮助英国增加了粮食供应，并完成了所谓的第二次农业革命（第一次“革命”是农业文明的崛起）。磷的共prolites和其他地质沉积也提高了人类最终摆脱古老生物约束的诱人可能性。数十亿年来，地球上的生命一直在与顽固的磷缺乏作斗争。最后，那将要改变。

L是基于碳的。但是每个生物也需要其他元素，包括氮和磷。氮是所有蛋白质（从酶到肌肉）以及编码我们基因的核酸的基础。磷形成了DNA，细胞膜和我们骨骼的骨架。这是牙齿和骨骼矿物质中的关键元素。

任何一种营养素太少都会限制生物体的生产力，进而限制整个生态系统的生产力。在较短的时间范围内，氮气通常先耗尽。但是从地质学角度来讲，这种稀缺永远不会持续太久：大约80％的氮气是一种几乎无限的储层。在进化的早期，某些微生物开发了将大气中的氮转化为可生物利用的化合物的方法。

phosphorus，磷没有类似的窍门，磷主要来自地壳。有机体通常不得不等待地质力量压碎，溶解或以其他方式滥用地球，直到它吸收磷为止。这种风化过程可能要花费数千甚至数百万年的时间。一旦磷最终进入海洋或土壤，有机物便会利用它，很大一部分就会反应成难以接近的化学形式。

由于这些原因，作家兼化学家艾萨克·阿西莫夫（Isaac Asimov）在1959年的一篇文章中将磷称为“生命的瓶颈”。耶鲁大学的地球化学家Noah Planavsky说，科学家们得出了相同的结论：“这实际上限制了生物圈的能力。”

实际上，关于生命起源的一个未解之谜是最早的生物如何获取足够的磷来组装其原始细胞机制。一些科学家认为，它们一定是在磷浓度异常高的环境中进化的，例如封闭盆地的湖泊。其他人则建议生物可利用的磷以彗星或陨石的形式进入地球，这是一种天文学的礼物，有助于启动生命。

长期缺磷也可能解释了为什么氧气需要这么长时间才能在地球大气层中积累。随着光合作用的出现，浮游植物首先开始释放出大约25亿年前的气体。但是，根据Planavsky等人的研究，他们可能没有足够的磷来提高产量，因为该元素一直与海洋中的铁矿物质结合，使世界处于低氧状态的时间超过了十亿。多年。

今天我们呼吸氧气并存在的氧气，可能要归功于一系列的气候灾难，这些灾难使行星暂时摆脱了磷的限制。大约7亿年前，海洋反复冰冻，冰川吞没了各大洲，咀嚼着它们下面的岩石。当冰终于融化时，大量的冰川沉积物冲入了海洋，为简单的海洋生物形式提供了前所未有的磷，然后这些生物便遍布了地球。

普兰纳夫斯基和他的同事们提出，营养素的大量涌入为进化提供了一个机会。在接下来的1亿年左右的时间里，出现了第一批多细胞动物，氧气浓度最终开始攀升至现代水平。科学家们仍在争论到底发生了什么，但是磷可能起了作用。 （对Planavsky来说，这是“关于我们星球历史的最令人着迷的未解决问题之一。”）

由亚利桑那州立大学的吉姆·埃尔瑟（Jim Elser）领导的另一组科学家推测，这种磷脉冲可能还会产生其他进化后果：由于过多的磷可能有害，因此动物可能已经开始建立骨骼以吸收过多的养分。 。 “吹牛吧？”埃尔瑟说。 “如果真实。”

很明显，在生命爆炸之后，磷虎钳再次被夹紧了。地质风化使营养素微不足道，生态系统开发了保存和循环利用营养素的方法。 （例如，在湖泊中，磷原子在到达沉积物之前可能被消耗了数千次。）这些地质和生物的磷循环共同决定了生命的步伐和生产力。直到现代人类出现。

O在1669年，一位名叫Hennig Brand的德国炼金术士煮沸了1,500加仑尿液，希望能找到这位神秘的哲学家的石头。相反，他最终得到了一种发光的白色物质，他称之为磷，意思是“光载体”。它成为元素周期表中的第15种元素，是火柴和炸弹中的燃烧物质，并且由于利比希（Liebig）等人的工作而成为肥料中的关键元素。

澳大利亚悉尼科技大学食品系统研究小组的负责人达娜·科尔德尔说，然而，在发现磷之前很久，人类就发明了巧妙的方法来管理当地的食物。例如，在美洲和美洲，土著人民利用火来管理狩猎和觅食的场地，除其他好处外，还利用灰烬中的生物可利用的磷有效地给景观施肥。在农业社会中，农民学会了使用堆肥和肥料来维持其土地的肥力。甚至家鸽在圣经时代也起着重要作用。他们的粪便中含有大量觅食的营养，有助于维持沙漠城市的果园和花园。

但是，人类浪费也许是最有价值的肥料。尽管我们也需要磷（磷约占我们体重的1％），但我们食用的大部分磷仍未受污染地通过了我们。根据饮食的不同，大约三分之二的尿液会排泄，其余的会排泄在粪便中。几千年来，人们收集了这些珍贵的物质（通常在凌晨时分，产生了夜间土壤），并用它们来种植食物。

阿兹台克帝国的污水进入了著名的浮动花园。排泄物变得如此有价值，以至于日本17世纪的江户当局将排空到水道中的厕所取缔。在中国，收集夜土壤的行业被称为“金汁业务”。 1908年在上海，一位来访的美国土壤学家富兰克林·希拉姆·金（Franklin Hiram King）报告说，收集78,000吨人类副产品的“特权”花费了31,000美元。

金（King）是有机农业运动的前身，曾在美国农业部短暂工作过，他对废物的这种细心再利用表示钦佩，并感叹他在家中一无所获。金写道，这是现代卫生设施的不幸副作用，“我们认为这是我们文明的伟大成就之一。”

所谓的卫生革命紧随工业革命之后。在1700和1800年代，欧洲人和美国人以前所未有的数量搬到城市，抢夺了土地上的废物和磷。这种浪费很快就成为城市的祸害，释放出传染病的浪潮，迫使伦敦等地的领导人想出办法分流居民的大量排泄物。

里比希和其他维多利亚时代的思想家认为，这种污水应运回农村，并作为肥料出售给农民。但是涉及的数量构成了后勤方面的挑战，批评者对污水处理厂的安全性及其气味感到担忧。因此，废物最终被送到基本处理中心进行处置，或更经常地，被倾倒到河流，湖泊和海洋中。

这创造了卡尔·马克思所描述的“代谢裂谷”（人类与他们赖以生存的土壤之间存在危险的脱节），并有效地破坏了人类的磷循环，将其循环重塑为单向管道。

Cordell说：“您可以说，那一次破坏造成了全球混乱。”一方面，它迫使农民寻找新的磷源，以替代每年因城市下水道损失的养分。更糟的是，1800年代后期的农业研究表明，植物所需的磷比以前想象的还要多。于是就开始了一场疯狂的肥料竞赛。

西班牙和美国声称拥有太平洋中无人居住的岛屿，那里的工人收获了堆积如山的鸟粪。 （其中有中途环礁（后来是美国海军驻地）。）化肥公司回到美国后，在美国的土地上搜寻蝙蝠洞中的鸟粪，并处理了大平原上被猎人猎杀的无数野牛的骨头。

在这些开发过程中，人类为了保护磷而跨越很远的距离。在英国田间发现的共腐殖质也使人类能够及时追溯，抓住了另一个时代的养分，并完全缩短了地质磷循环。我们看到了一种将顽固的细流变成洪流的方法，而这正是我们所做的。

U（散布在南卡罗来纳州田野上的“臭石头”）被认为是令人讨厌的事情。但是随着进口鸟粪鸟的价格飞涨以及南北战争改变了南部农业，科学家发现这些磷矿石结核可以加工成体面的肥料。到1870年，美国第一批磷酸盐矿在查尔斯顿附近和沿海地区开业，撕裂田野，森林和沼泽，直至到达下面的基岩。

十年后，地质学家在佛罗里达发现了更大的矿床。 （到目前为止，美国田地和板块上的大部分磷都来自美国东南部。）在美国西部，中国，中东和北非，也发现了其他大量的磷矿。

这些沉积物在20世纪的绿色革命（绿色革命，如果您继续追踪的话，是农业的第三次革命）期间变得越来越重要。植物育种家们开发出了更具生产力的农作物来养活世界，农民们用氮肥为它们提供了营养，科学家们发现了一种利用空气中的氮来制造氮肥的方法之后，氮肥就可以轻易获得。现在，对作物生长的主要限制是磷-只要磷矿的嗡嗡声就根本没有限制。在1950年至2000年之间，全球磷酸盐岩的产量增长了六倍，帮助人口增加了一倍以上。

但是，只要科学家了解磷的重要性，人们就一直担心磷会耗尽。这些担忧引发了19世纪的化肥竞赛以及20世纪的一系列焦虑报道，其中包括早在1939年的一次，在总统富兰克林·罗斯福（Franklin D. Roosevelt）要求国会评估该国的磷酸盐资源以使“连续而充足的”用品要有保险。”

还有一些警示性的故事：在太平洋小岛瑙鲁（Nauru）上大量的磷矿石堆积，促进了20世纪澳大利亚和新西兰的农业发展。但是到了1990年代，瑙鲁的矿山已经枯竭，留下了10,000名居民，并且该岛陷入了生态废墟。 （近年来，瑙鲁在澳大利亚设有一个有争议的移民拘留中心。）

这些事件引起了可怕的可能性：如果磷闸要突然关上门，又将人类再次置于其狭phosphorus的磷环范围之内，该怎么办？如果我们从地质磷循环中的解放只是暂时的怎么办？

近年来，科尔德尔（Cordell）对我们正在快速消耗最丰富，最易接近的储量表示担忧。自1980年以来，美国的磷酸盐产量下降了约50％，该国（曾经是世界上最大的出口国）已成为净进口国。根据一些估计，现在是主要生产国的中国可能只剩下几十年的供应了。并且根据目前的预测，全球磷酸盐岩的产量可能会在本世纪末之前开始下降。 Cordell说，这代表着生存威胁：“我们现在有大量人口依赖于这些磷的供应。”

许多专家对这些可怕的预测表示怀疑。他们认为，磷峰值（就像石油峰值一样）是一种幽灵，似乎总是在其预言实现之前就消退了。他们说，人类永远不会从地壳中提取所有的磷，而且只要我们过去需要更多，磷矿开采公司就会发现它。行业组织国际肥料协会的首席科学家阿希姆·多伯曼（Achim Dobermann）说：“我认为没人真的知道其中有多少。”但是负责预测磷需求的杜伯曼（Dobermann）充满信心，“无论将持续几百年。”

Cordell说，仅仅提取更多的磷酸盐岩可能无法解决我们所有的问题。全球已有六分之一的农民负担不起肥料，磷酸盐价格已经开始上涨。由于地质上的悲剧性，许多热带土壤也有效地锁定了磷，迫使农民比世界其他地区的农民施用更多的肥料。

磷矿资源的严重分配不均，增加了地缘政治复杂性。摩洛哥及其有争议的领土西撒哈拉地区约占世界已知磷矿储量的四分之三，而印度，欧盟国家和许多其他国家则主要依靠磷的进口。 （2014年，欧盟将磷矿石添加到了具有高供应风险和经济重要性的重要原材料清单中。）随着美国和中国矿床的减少，世界将越来越依赖摩洛哥的矿山。

我们已经瞥见了磷供应链如何陷入困境。 2008年，在全球粮食危机最严重的时候，磷矿石的价格飙升了近800％，然后在接下来的几个月里又下降了。原因很多：全球经济崩溃，印度磷进口增加，中国出口减少。但是，教训很明确：实际上，磷是一种不可否认的有限资源。

几年后，我发生了一场磷灾，当时一位农民朋友不经意地提到我们每天消耗开采的磷，而这些矿井即将枯竭。我学得越多，我对这个故事就越着迷，不仅因为它令人惊讶和神秘的细节-吃石头！采矿便便！-但由于其普遍性。

磷是一种经典的自然资源寓言：数百年来，人类一直在应对某种稀缺性，然后终于找到了解决之道。我们提取越来越多的我们需要的东西-通常以改善人类状况为名，有时通过著名的革命改变社会。但是最终，通常为时已晚，我们发现了过度提取的代价。打破磷循环的成本不仅迫在眉睫，而且污染猖ramp。瑞典林雪平大学的环境科学家GenevièveMetson说：“我们的问题太小了，这使对话变得非常困难。”

从矿山到野外到厕所的几乎每个阶段，磷都会渗入环境中。这种泄漏使全球磷循环的速度增加了一倍以上，破坏了全世界的水质。 2017年的一项研究估计，高磷水平会损害流域，流域覆盖地球约40％的陆地表面，并容纳约90％的人口。具体而言，这种污染倾向于使水体充满粘糊糊的浮渣。

埃尔瑟说，过多的磷（或氮）会破坏长期习惯于适度供应的水生生态系统，引发藻华，使水变绿，变混浊和变味。藻类不仅阻止人们在湖泊和河流中重生（埃尔塞说，人们“喜欢看到自己的脚趾”，埃尔瑟说），而且还可以产生有害于野生动植物并破坏饮用水供应的毒素。当藻类死亡时，分解会将氧气从水中吸出，杀死鱼类并造成毁灭性的死区。

确实，污染可能是减少我们对矿磷的依赖的最有力论据。 Elser说：“如果我们将所有磷吸收到地下，然后将其移入系统中，我们就完成了。”一些研究人员已经计算出，未经控制的人类磷输入，再加上气候变化，最终可能将大部分海洋推向缺氧状态，并持续了数千年。 “我很确定我们不想这么做，” Elser笑着说。这样的事件在地球历史上已经发生过无数次，并被认为造成了许多物种的大灭绝，例如，当陆地植物进化并传播了

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