氣體和生命

生命離不開呼吸，這是常識，但回顧歷史，其實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。這是因為，氧是宇宙中最活潑的元素之一，它幾乎能和任何東西發生反應。地球剛形成時，地表的氧元素和鐵、硅、鋁等元素結合，組成了構成地殼的氧化鐵、二氧化硅和氧化鋁等物質，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界最大的謎題之一，我們只知道在某個時候，原始生命確實在海洋中形成了，其中有一種細菌偶然發現了從太陽中獲取能量的方法，也就是光合作用，這種細菌叫做藍藻。隨后藍藻憑借這個獨家本領，很快實現了種群數量大爆發，占領了世界各地的海洋，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。

其實大氣中含有氧氣這個現象，在宇宙的類地行星中是很罕見的，因為氧氣很快就會和其他物質反應，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生氧氣，這就是生命存在的強烈信號。話說回來，氧氣雖然是光合作用的代謝副產品，但它恰好對生命有著特別重要的意義。細胞可以進行有氧呼吸和無氧呼吸，但有氧氣參與呼吸時，營養物質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，從而幫助生命實現從簡單到復雜的演化，最終進化出擁有高度發達身體組織的人類。

回顧歷史，地球在3.5億年前的石炭紀時期，大氣中的氧氣含量達到了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重要，這種氣體就是氮氣。

所有生物的細胞都是由蛋白質分子構建的，蛋白質主要由碳、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，生物就沒法構建蛋白質，生長也會停止，相比之下，其他元素比如磷和鉀當然也很重要，但它們的用途相對較窄，需求量也小，所以真正制約生物數量的頭號元素就是氮。其實，說我們沐浴在氮元素里一點也不夸張，因為空氣的78%都是氮氣。但問題是，我們不能直接從氮氣中獲得氮元素。組成氮氣的兩個氮原子之間以三個共價鍵相連接，這種化學鍵非常強大，很難被打破，在自然狀態下，只有閃電等極端情況才能拆開氮氣分子。所以盡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，我們在獲得氮元素的同時，也必須找到一種方法把氮歸還給土壤，否則土壤肥力就會下降，莊稼就會歉收，產生惡性循環。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氣中的氮元素轉化成可供植物使用的氮化合物，再比如堆肥，也能把有機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。真正帶來轉機的，是德國化學家弗里茨·哈伯。哈伯在20世紀初發現，氮氣和氫氣可以在高溫高壓條件下合成為氨，而氨可以用來制作氮肥。在哈伯的努力下，世界上第一條大規模制造氮肥的化肥生產線開始運轉，人類終于打破了自然設下的桎梏，開始利用氮氣來滋養生命。

如今，世界各國都在沿用哈伯的工藝，利用氮氣來制造肥料，這讓世界各地的農業生產力大幅提升，糧食總產量迅速增長。20世紀以來的全球人口大爆炸，正是在氮肥技術突破的背景下才得以出現的。根據最新估計，如果沒有哈伯開辟的固氮工藝，如果沒有氮氣的慷慨相助，全球糧食僅能養活如今一半的人口。氧氣和氮氣都在滋養生命的過程中發揮了關鍵作用，而另外一些氣體，則在醫學領域扮演重要角色，顯著提升了生命的質量。

1799年，化學家漢弗萊·戴維發現，如果吸入一種新發現的氣體——一氧化二氮，吸入者就會忍不住哈哈大笑，為此，戴維很應景地給一氧化二氮命名為“笑氣”。思維敏銳的戴維發現，笑氣雖然會讓人發笑，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，戴維認為，笑氣可以作為一種速效麻醉劑。盡管笑氣能催人發笑，和嚴肅的醫學學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學界，最終成為外科手術中的常用麻醉劑。如今在許多國家和地區，口腔醫生還是會用笑氣來減輕治療過程中的痛苦。

當然，笑氣只是具有醫學價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學領域發揮作用，提高生命的質量。