氣體和生命

生命離不開呼吸，這是常識，但回顧歷史，其實(shí)生物并不總是像今天一樣依賴氧氣。生命剛誕生時，地球大氣和海洋里的氧氣含量非常低，沒法滿足生物有氧呼吸的需要。這是因?yàn)椋跏怯钪嬷凶罨顫姷脑刂唬鼛缀跄芎腿魏螙|西發(fā)生反應(yīng)。地球剛形成時，地表的氧元素和鐵、硅、鋁等元素結(jié)合，組成了構(gòu)成地殼的氧化鐵、二氧化硅和氧化鋁等物質(zhì)，這樣一來，大氣里就沒剩下多少氧氣。那后來空氣中的氧氣是從哪兒來的呢？生命的起源至今仍是科學(xué)界最大的謎題之一，我們只知道在某個時候，原始生命確實(shí)在海洋中形成了，其中有一種細(xì)菌偶然發(fā)現(xiàn)了從太陽中獲取能量的方法，也就是光合作用，這種細(xì)菌叫做藍(lán)藻。隨后藍(lán)藻憑借這個獨(dú)家本領(lǐng)，很快實(shí)現(xiàn)了種群數(shù)量大爆發(fā)，占領(lǐng)了世界各地的海洋，并通過光合作用釋放了巨量的氧氣。從那之后，地球大氣的組成被永久性地改變了，氧氣成為空氣的主要成分之一。

其實(shí)大氣中含有氧氣這個現(xiàn)象，在宇宙的類地行星中是很罕見的，因?yàn)檠鯕夂芸炀蜁推渌镔|(zhì)反應(yīng)，隨之消耗殆盡。所以如果一顆星球的表面富含氧氣，那就意味著這顆星球能不斷產(chǎn)生氧氣，這就是生命存在的強(qiáng)烈信號。話說回來，氧氣雖然是光合作用的代謝副產(chǎn)品，但它恰好對生命有著特別重要的意義。細(xì)胞可以進(jìn)行有氧呼吸和無氧呼吸，但有氧氣參與呼吸時，營養(yǎng)物質(zhì)釋放的能量要比沒有氧氣時多得多，更多的能量能支持更多的生命功能，從而幫助生命實(shí)現(xiàn)從簡單到復(fù)雜的演化，最終進(jìn)化出擁有高度發(fā)達(dá)身體組織的人類。

回顧歷史，地球在3.5億年前的石炭紀(jì)時期，大氣中的氧氣含量達(dá)到了35%的峰值。這么高的氧氣水平催生了許多巨形生物，尤其是體型碩大的昆蟲，比如當(dāng)時巨形蜻蜓的翼展甚至可以超過半米。在接下來的幾億年時間里，大氣中的氧氣含量從35%下降到如今的21%，巨型昆蟲退出了歷史舞臺，兩棲類、爬行類、鳥類和哺乳類動物你方唱罷我登場，雖然生存策略各不相同，但無一例外都延續(xù)了對氧氣的依賴。毫不夸張地說，氧氣是生命的靈丹妙藥，正是它的在場催化，才讓生命蓬勃發(fā)展至今。人類在辭世之前，甚至不能離開它超過幾分鐘，即便夜晚入睡，我們的胸部也會有節(jié)奏地隆起和收縮，在睡夢中為身體注入能量。我們依賴氧氣，相比之下，空氣中的另外一種主要成分，雖然不直接影響人的呼吸，但對人口繁榮同樣至關(guān)重要，這種氣體就是氮?dú)狻?/p>

所有生物的細(xì)胞都是由蛋白質(zhì)分子構(gòu)建的，蛋白質(zhì)主要由碳、氫、氧、氮等元素組成，碳元素可以來自空氣中的二氧化碳，氫元素和氧元素可以從水分子中獲得，唯獨(dú)氮元素的獲取存在瓶頸，自然界中可供生物隨意取用的含氮化合物很有限。沒有氮，生物就沒法構(gòu)建蛋白質(zhì)，生長也會停止，相比之下，其他元素比如磷和鉀當(dāng)然也很重要，但它們的用途相對較窄，需求量也小，所以真正制約生物數(shù)量的頭號元素就是氮。其實(shí)，說我們沐浴在氮元素里一點(diǎn)也不夸張，因?yàn)榭諝獾?8%都是氮?dú)狻５珕栴}是，我們不能直接從氮?dú)庵蝎@得氮元素。組成氮?dú)獾膬蓚€氮原子之間以三個共價(jià)鍵相連接，這種化學(xué)鍵非常強(qiáng)大，很難被打破，在自然狀態(tài)下，只有閃電等極端情況才能拆開氮?dú)夥肿印Ｋ员M管大氣中不缺少氮元素，但真正能被生命利用的氮卻少之又少，這些氮主要以硝酸鹽和氨基酸的形式存在于土壤當(dāng)中。

人類和動物攝入的氮元素，都直接或間接地來自土壤中生長的植物，為了讓氮的輸入可持續(xù)，我們在獲得氮元素的同時，也必須找到一種方法把氮?dú)w還給土壤，否則土壤肥力就會下降，莊稼就會歉收，產(chǎn)生惡性循環(huán)。為了保證土壤肥力，人類從古至今想出了各種方法，比如種植豆類植物，和豆類植物共生的根瘤菌可以把氮?dú)庵械牡剞D(zhuǎn)化成可供植物使用的氮化合物，再比如堆肥，也能把有機(jī)物中的氮元素釋放到土壤里。這些方法多多少少都有效果，但人口持續(xù)增長，人類對氮的需求沒有盡頭，仍然需要一個一勞永逸的方法來解決氮元素供需不平衡的問題。真正帶來轉(zhuǎn)機(jī)的，是德國化學(xué)家弗里茨·哈伯。哈伯在20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)，氮?dú)夂蜌錃饪梢栽诟邷馗邏簵l件下合成為氨，而氨可以用來制作氮肥。在哈伯的努力下，世界上第一條大規(guī)模制造氮肥的化肥生產(chǎn)線開始運(yùn)轉(zhuǎn)，人類終于打破了自然設(shè)下的桎梏，開始利用氮?dú)鈦碜甜B(yǎng)生命。

如今，世界各國都在沿用哈伯的工藝，利用氮?dú)鈦碇圃旆柿希@讓世界各地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力大幅提升，糧食總產(chǎn)量迅速增長。20世紀(jì)以來的全球人口大爆炸，正是在氮肥技術(shù)突破的背景下才得以出現(xiàn)的。根據(jù)最新估計(jì)，如果沒有哈伯開辟的固氮工藝，如果沒有氮?dú)獾目犊嘀蚣Z食僅能養(yǎng)活如今一半的人口。氧氣和氮?dú)舛荚谧甜B(yǎng)生命的過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，而另外一些氣體，則在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域扮演重要角色，顯著提升了生命的質(zhì)量。

1799年，化學(xué)家漢弗萊·戴維發(fā)現(xiàn)，如果吸入一種新發(fā)現(xiàn)的氣體——一氧化二氮，吸入者就會忍不住哈哈大笑，為此，戴維很應(yīng)景地給一氧化二氮命名為“笑氣”。思維敏銳的戴維發(fā)現(xiàn)，笑氣雖然會讓人發(fā)笑，但同時也能分散人的注意力、消除疼痛。在那個時代，生病一般意味著極大的痛苦。比如如果一個人牙疼，要想拔牙就只能讓牙醫(yī)拿著大鉗子，硬生生地把牙從嘴里拔出來，這個過程想想就可怕，更別提截肢或者其他大型手術(shù)了，那種痛苦都不是人所能忍受的。正是在這種時代背景下，戴維認(rèn)為，笑氣可以作為一種速效麻醉劑。盡管笑氣能催人發(fā)笑，和嚴(yán)肅的醫(yī)學(xué)學(xué)科似乎有些格格不入，但其出色的效果和比較小的副作用還是征服了醫(yī)學(xué)界，最終成為外科手術(shù)中的常用麻醉劑。如今在許多國家和地區(qū)，口腔醫(yī)生還是會用笑氣來減輕治療過程中的痛苦。

當(dāng)然，笑氣只是具有醫(yī)學(xué)價(jià)值的眾多氣體中的一種，但它的存在足以證明氣體可以在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮作用，提高生命的質(zhì)量。