气体和生命

生命离不开呼吸，这是常识，但回顾历史，其实生物并不总是像今天一样依赖氧气。生命刚诞生时，地球大气和海洋里的氧气含量非常低，没法满足生物有氧呼吸的需要。这是因为，氧是宇宙中最活泼的元素之一，它几乎能和任何东西发生反应。地球刚形成时，地表的氧元素和铁、硅、铝等元素结合，组成了构成地壳的氧化铁、二氧化硅和氧化铝等物质，这样一来，大气里就没剩下多少氧气。那后来空气中的氧气是从哪儿来的呢？生命的起源至今仍是科学界最大的谜题之一，我们只知道在某个时候，原始生命确实在海洋中形成了，其中有一种细菌偶然发现了从太阳中获取能量的方法，也就是光合作用，这种细菌叫做蓝藻。随后蓝藻凭借这个独家本领，很快实现了种群数量大爆发，占领了世界各地的海洋，并通过光合作用释放了巨量的氧气。从那之后，地球大气的组成被永久性地改变了，氧气成为空气的主要成分之一。

其实大气中含有氧气这个现象，在宇宙的类地行星中是很罕见的，因为氧气很快就会和其他物质反应，随之消耗殆尽。所以如果一颗星球的表面富含氧气，那就意味着这颗星球能不断产生氧气，这就是生命存在的强烈信号。话说回来，氧气虽然是光合作用的代谢副产品，但它恰好对生命有着特别重要的意义。细胞可以进行有氧呼吸和无氧呼吸，但有氧气参与呼吸时，营养物质释放的能量要比没有氧气时多得多，更多的能量能支持更多的生命功能，从而帮助生命实现从简单到复杂的演化，最终进化出拥有高度发达身体组织的人类。

回顾历史，地球在3.5亿年前的石炭纪时期，大气中的氧气含量达到了35%的峰值。这么高的氧气水平催生了许多巨形生物，尤其是体型硕大的昆虫，比如当时巨形蜻蜓的翼展甚至可以超过半米。在接下来的几亿年时间里，大气中的氧气含量从35%下降到如今的21%，巨型昆虫退出了历史舞台，两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类动物你方唱罢我登场，虽然生存策略各不相同，但无一例外都延续了对氧气的依赖。毫不夸张地说，氧气是生命的灵丹妙药，正是它的在场催化，才让生命蓬勃发展至今。人类在辞世之前，甚至不能离开它超过几分钟，即便夜晚入睡，我们的胸部也会有节奏地隆起和收缩，在睡梦中为身体注入能量。我们依赖氧气，相比之下，空气中的另外一种主要成分，虽然不直接影响人的呼吸，但对人口繁荣同样至关重要，这种气体就是氮气。

所有生物的细胞都是由蛋白质分子构建的，蛋白质主要由碳、氢、氧、氮等元素组成，碳元素可以来自空气中的二氧化碳，氢元素和氧元素可以从水分子中获得，唯独氮元素的获取存在瓶颈，自然界中可供生物随意取用的含氮化合物很有限。没有氮，生物就没法构建蛋白质，生长也会停止，相比之下，其他元素比如磷和钾当然也很重要，但它们的用途相对较窄，需求量也小，所以真正制约生物数量的头号元素就是氮。其实，说我们沐浴在氮元素里一点也不夸张，因为空气的78%都是氮气。但问题是，我们不能直接从氮气中获得氮元素。组成氮气的两个氮原子之间以三个共价键相连接，这种化学键非常强大，很难被打破，在自然状态下，只有闪电等极端情况才能拆开氮气分子。所以尽管大气中不缺少氮元素，但真正能被生命利用的氮却少之又少，这些氮主要以硝酸盐和氨基酸的形式存在于土壤当中。

人类和动物摄入的氮元素，都直接或间接地来自土壤中生长的植物，为了让氮的输入可持续，我们在获得氮元素的同时，也必须找到一种方法把氮归还给土壤，否则土壤肥力就会下降，庄稼就会歉收，产生恶性循环。为了保证土壤肥力，人类从古至今想出了各种方法，比如种植豆类植物，和豆类植物共生的根瘤菌可以把氮气中的氮元素转化成可供植物使用的氮化合物，再比如堆肥，也能把有机物中的氮元素释放到土壤里。这些方法多多少少都有效果，但人口持续增长，人类对氮的需求没有尽头，仍然需要一个一劳永逸的方法来解决氮元素供需不平衡的问题。真正带来转机的，是德国化学家弗里茨·哈伯。哈伯在20世纪初发现，氮气和氢气可以在高温高压条件下合成为氨，而氨可以用来制作氮肥。在哈伯的努力下，世界上第一条大规模制造氮肥的化肥生产线开始运转，人类终于打破了自然设下的桎梏，开始利用氮气来滋养生命。

如今，世界各国都在沿用哈伯的工艺，利用氮气来制造肥料，这让世界各地的农业生产力大幅提升，粮食总产量迅速增长。20世纪以来的全球人口大爆炸，正是在氮肥技术突破的背景下才得以出现的。根据最新估计，如果没有哈伯开辟的固氮工艺，如果没有氮气的慷慨相助，全球粮食仅能养活如今一半的人口。氧气和氮气都在滋养生命的过程中发挥了关键作用，而另外一些气体，则在医学领域扮演重要角色，显著提升了生命的质量。

1799年，化学家汉弗莱·戴维发现，如果吸入一种新发现的气体——一氧化二氮，吸入者就会忍不住哈哈大笑，为此，戴维很应景地给一氧化二氮命名为“笑气”。思维敏锐的戴维发现，笑气虽然会让人发笑，但同时也能分散人的注意力、消除疼痛。在那个时代，生病一般意味着极大的痛苦。比如如果一个人牙疼，要想拔牙就只能让牙医拿着大钳子，硬生生地把牙从嘴里拔出来，这个过程想想就可怕，更别提截肢或者其他大型手术了，那种痛苦都不是人所能忍受的。正是在这种时代背景下，戴维认为，笑气可以作为一种速效麻醉剂。尽管笑气能催人发笑，和严肃的医学学科似乎有些格格不入，但其出色的效果和比较小的副作用还是征服了医学界，最终成为外科手术中的常用麻醉剂。如今在许多国家和地区，口腔医生还是会用笑气来减轻治疗过程中的痛苦。

当然，笑气只是具有医学价值的众多气体中的一种，但它的存在足以证明气体可以在医学领域发挥作用，提高生命的质量。