從“窒素”到生命元素

李啟翔

人工固氮是十分偉大的發(fā)明，人類從此能從空氣中獲取氮化合物，給植物施加氮肥，大大提高了糧食產(chǎn)量。歷史上諾貝爾獎曾經(jīng)三度頒給為此做出貢獻(xiàn)的科學(xué)家。他們是1918 年獲獎的德國化學(xué)家哈伯，1931 年獲獎的德國化學(xué)家博施，2007 年獲獎的德國化學(xué)家埃特爾。

冰的表面為什么那么滑？這個看似簡單的問題卻被探究了一個多世紀(jì)。最近的研究認(rèn)為，冰的表面天然存在一層介乎于水與冰之間的準(zhǔn)液體薄膜，它只有一根頭發(fā)的百分之一厚，既具有粘性，也具有彈性，因此非常潤滑。

有這樣一種元素，從被發(fā)現(xiàn)的那天起，就被科學(xué)家認(rèn)為對生命沒有益處，而到今天，它早已搖身一變，成為生命必需的元素。走上這條逆襲之路的，就是元素周期表中的第七號元素，也是空氣中含量最多的元素——氮（Nitrogen）。

不燃燒的空氣

雖然如今我們已經(jīng)完全摸透了空氣的組成，不過在18 世紀(jì)以前，這對人類來說還完全是個謎團(tuán)。

當(dāng)時，科學(xué)家們十分執(zhí)著于分離空氣的成分。蘇格蘭科學(xué)家克拉克就是以研究二氧化碳聞名。他通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，并非所有氣體都能使蠟燭燃燒，如果將蠟燭放在密閉空氣罐中點燃，蠟燭熄滅時，罐中會留有氣體，這種氣體既無法燃燒，也無法支持其他物質(zhì)燃燒。1772 年，克拉克的學(xué)生盧瑟福確定這種氣體會導(dǎo)致老鼠窒息死亡。

由于布拉克和盧瑟福都相信“燃素說”，即“燃燒是一個可燃物質(zhì)釋放燃素，周圍氣體吸收燃素的過程”。他們相信，罐中留下的氣體是因為燃素已經(jīng)飽和，才不支持燃燒，故稱其為“燃素化的空氣”。

氮的利用

氮氣在空氣中十分豐富，獲取的成本比稀有氣體低廉得多，加上它不易燃燒，安全無毒，因此應(yīng)用十分廣泛。

名稱的演變

“燃素說”不久后就被著名化學(xué)家拉瓦錫通過實驗否定了。拉瓦錫提出空氣中這種無法支持燃燒的氣體是由一種新元素構(gòu)成的，并將它命名為azote（取自希臘語，意思是“沒有生命的氣體”），在日語和韓語中被譯為“窒素”。

1790 年，法國化學(xué)家查普塔爾提出，由于氮存在于硝酸和硝酸鹽中，因此可命名為Nitrogen，即硝素，就是形成硝石的物質(zhì)，這便是現(xiàn)在氮元素名字的由來。中國清末化學(xué)家徐壽在翻譯時曾稱它為“淡氣”，意思是沖淡了空氣的氣體。

于生命，不可或缺

氮普遍存在于動植物等有機(jī)體中，在人體中氮元素的含量位列第四。所有動植物體的蛋白質(zhì)均是由多種氨基酸組合而成的，而氮元素是構(gòu)成氨基酸最基本的元素之一。人類可以通過飲食攝取動植物蛋白，經(jīng)過消化后重新合成人體蛋白，補(bǔ)充到血液、肌肉和臟器中。如果沒有氮元素，則碳、氫、氧等元素只能構(gòu)成水和糖，無法組成肌肉、皮膚等完整的結(jié)構(gòu)。

利用，沒那么簡單

生物可以通過呼吸或光合作用吸收空氣中的氧，那也能直接利用空氣中的氮嗎？答案是不能。由于結(jié)構(gòu)性質(zhì)穩(wěn)定，氮氣要轉(zhuǎn)化為含氮的化合物十分困難，這個過程被稱為固氮。它又分為自然固氮和人工固氮。

另一面，化學(xué)殺手

不過，哈伯也是一位爭議性極大的科學(xué)家。他對人工固氮的貢獻(xiàn)使全球農(nóng)作物的畝產(chǎn)量平均增長了4 倍，被譽(yù)為“用空氣制造面包的圣人”。但諾貝爾獎揭曉時，大量科學(xué)家公開反對，認(rèn)為哈伯卷入了第一次世界大戰(zhàn)，沒有資格獲得這項榮譽(yù)。

原來，哈伯發(fā)明的固氮方法，除了為人類提供了大量高效的化肥外，也提供了最強(qiáng)悍的炸藥——硝酸銨。除此之外，哈伯還研制出多種毒氣用于戰(zhàn)場，就此，化學(xué)的“潘多拉魔盒”被哈伯打開，化學(xué)除了造福人類，也開始扮演戰(zhàn)爭武器的角色。愛因斯坦就曾氣憤地指責(zé)哈伯是“科學(xué)界的無賴，喪心病狂的走狗”。

炸藥與神藥

與之相對應(yīng)的，諾貝爾化學(xué)獎的創(chuàng)立者，瑞典科學(xué)家諾貝爾也曾致力于炸藥的研究。1860 年，諾貝爾開始從事硝化甘油炸藥的研究。硝化甘油是由硝酸和甘油反應(yīng)得到的產(chǎn)物，具有強(qiáng)烈的不穩(wěn)定性。而正是由于不穩(wěn)定性，諾貝爾的工廠經(jīng)常發(fā)生爆炸，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。直至1866 年，他終于發(fā)現(xiàn)一種叫矽藻土的物質(zhì)，可以吸收硝化甘油，使之變得更穩(wěn)定和易于攜帶。但是，與哈伯不同的是，諾貝爾也意識到他的發(fā)明給人類帶來的危害和災(zāi)難，于是在他逝世后所設(shè)立的獎項中，特別設(shè)立了和平獎，以表達(dá)對世界和平的深切渴望。

有趣的是，硝化甘油既是炸藥，也是救心藥。1998 年，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎被頒發(fā)給美國科學(xué)家團(tuán)隊，以表彰他們對硝化甘油擴(kuò)張冠狀動脈的探索。他們發(fā)現(xiàn)，信號分子一氧化氮可以造成血管內(nèi)皮細(xì)胞擴(kuò)張，這個發(fā)現(xiàn)最終帶來了冠心病人的救命神藥——硝酸甘油。