第三章氧气的诅咒和祝福 74

在这场竞争中，拉瓦锡有一个巨大的优势——钱。他出身富贵，与安妮－玛丽的婚姻使他拥有了更多的财富，而在购买了总包税所的一半股份之后，他变得更加富有。总包税所是一家为国王征税的私人公司，每一年国王的顾问都会告诉总包税所，政府希望从大麦和烟草等商品中获得多少收入。然后，总包税所向法国各地的农民和烟草商勒索钱财，并将超收的部分作为盈利。总包税所管辖着成千上万种商品，它的成员甚至不需要滥用职权：这个制度的设计就是为了让他们令人讨厌地变得富有。这是拉瓦锡做过的最好的投资，他赚了相当于500万美元；但这也是他做过的最糟糕的投资，因为他为此付出了生命。
拉瓦锡怀疑普里斯特利在不知不觉中释放出了一种新的气体，于是他回到实验室进行研究。（奇怪的是，这间位于巴黎兵工厂的实验室有一个观众席；有时候确实有观众在看拉瓦锡做实验。）拉瓦锡分离出了这种气体，最终将其命名为“氧气”。经过几次实验，他断定氧气比燃素能更准确地解释燃烧的化学过程。也就是说，燃烧总是涉及氧气与某种物质结合，释放出热量并发光。例如，木材和煤炭中的碳元素与氧气结合形成二氧化碳，然后二氧化碳飘走了。氧气以类似的方式联合燃烧的金属中的原子。但与二氧化碳不同的是，金属和氧气的化合物太重了，无法飘走。这解释了为什么金属在燃烧时重量会增加——它们吸收氧气。有了这一见解，燃素就变得多余了，因为拉瓦锡不需要燃素就可以解释燃烧。
拉瓦锡的下一轮实验是关于氧气和呼吸的，他的观众一定觉得更有趣。但他的同事阿尔芒·塞甘大概不会这么觉得。一连几天，拉瓦锡用塔夫绸把塞甘绑成木乃伊，在他身上涂满乳胶，从而把他密封起来。他把一根管子粘在塞甘的嘴上，管子的另一头连接着一瓶氧气。在实际的实验中，塞甘做着不同的任务——静坐、消化一顿大餐、踩脚踏板锻炼——同时拉瓦锡监测他消耗了多少氧气，呼出了多少二氧化碳。这项研究揭示了气体消耗和呼吸之间的明确联系：塞甘越努力，他吸人的氧气就越多，呼出的二氧化碳也越多。同样，不需要用燃素来解释呼吸。
（顺便一提，这些实验为一个古老的难题提供了第一个真正的答案：当你锻炼和减肥时，“减掉的”体重去了哪里？大部分以二氧化碳等气体的形式释放到空气中。这进一步证明你来自气体，且将回归气体。）
在他之前的几位化学家曾提出呼吸和燃烧有一些共同点，但只有拉瓦锡确定氧气是支持这两种活动的气体。历史学家也指责拉瓦锡抄袭其他化学家的成果，但这忽略了一个事实，那就是拉瓦锡几乎总是超越他们。和亨利·卡文迪什一样，拉瓦锡曾经在一个容器里点燃氧气和氢气，产生了水一样的露珠。和卡文迪什一样，拉瓦锡也比较了反应前的两种气体的质量和反应后的水的质量，发现它们相等。（拉瓦锡为此设计了一个精确得离谱的天平，其精度为0.0005克。）但与卡文迪什不同的是，拉瓦锡看到了更广阔的前景。他推断，在任何化学反应中，同样的等式都应该成立：生成物的质量恒等于反应物的质量。在此基础上，他制定了化学的一般规律——质量守恒定律。它说的是，在任何反应中，即便原始物质改变了颜色或形态，或者以奇怪的方式重新组合，反应前后总质量一定、必定、肯定是相同的，即质量是守恒的。
（说来古怪，一些历史学家认为，拉瓦锡在总包税所征税的工作可能启发了他在这里的科学观。要想出质量守恒定律，需要称量大量的反应物和生成物，使所有物质在化学“资产负债表”上达到平衡。会计以同样的方法追踪借方和贷方——在这两种情况下，钱和原子都不会凭空消失。因此，如果你曾经对化学课上的配平方程式有可怕的记忆，就怪经济学这个沉闷的学科吧。）
这只是拉瓦锡对化学的贡献的开端。他是最早解释一种物质（例如水）在不同的温度下可以表现为固体、液体或气体的化学家。他还提出，所有的物质要么是元素（如氧、碳和铁），要么是元
素的组合——这可能是化学最基本的理念。正如19世纪的一位化学家所说：“拉瓦锡没有发现新的物体，没有发现新的性质，没有发现未知的自然现象。他的不朽荣耀在于，他给科学注入了一
种新的精神。”
拉瓦锡在他的《化学基本论述》（Traité Elementaire de Chimie）中提出了这种新精神，这本书是化学对《自然哲学的数学原理）
和《物种起源》的回应。＇一个奇妙的巧合是，《化学基本论述》在1789年首次亮相，而这一年法国发生了另一场革命。历史学家难以抗拒地指出，拉瓦锡的化学革命迟早也会同样深刻地震撼世界。不幸的是，拉瓦锡没有活到这个时候，无法看到它们的成果。
这里我们留点悬念，不透露地球上的生命是否挺过来了。我可以说的是，一些微生物开始反击这只气体野兽。有些微生物形成了更坚硬的外膜，完全阻止氧气的进入。有些微生物建立了特殊的内壁，保护固氮酶这样的脆弱分子。还有些微生物什么都不做，反而很幸运：当氧气冲过它们的细胞膜，它们并没有痛苦地死去，相反，它们的细胞机制意识到可以把这种气体开发为能量，将其爆炸性的破坏力转变为生产力。想象一下，几名法国士兵吸入了哈伯毒气攻击中的氯气，然后他们不仅活了下来，而且感觉充满活力——这是有可能的。但这些特殊的细菌（现在被称为“好氧细菌”）不知怎么就成功了。
我们动物都应该感谢好氧细菌，因为没有它就不可能有我们这种多细胞生物。所有动物的细胞都含有一种叫“线粒体”的小东西，它们是这种好氧细菌的后代。正是线粒体使我们的细胞能够利用氧气。事实上，要理解氧气与高级生命之间的联系，线粒体是关键。我的意思是，每个学童都知道动物的生存需要氧气，但我们很少了解动物为什么需要氧气。简单的回答就是，线粒体利用氧气分解葡萄糖等糖类，并从中提取能量。的确，我们的细胞可以在没有氧气的情况下消化一点点葡萄糖。但要真正从葡萄糖中耗尽最后一丝能量（吃干抹净），线粒体必须和氧气一起作用于葡萄糖。没有氧气，我们的能量储备会迅速耗尽，我们会在几秒钟内死亡。
然而，关于光合作用还有一件事需要记住，喜欢化学计算的安托万－洛朗·拉瓦锡会立刻注意到这一点。制造1分子葡萄糖 需要6分子二氧化碳和6分子水：6CO2+6H20→C6H12O。但是请注意，葡萄糖（C6H12O6）只含有6个氧原子；说得更确切些，最开始有18个氧原子，它只含有其中的6个。质量守恒定律说，原子既不能凭空创造，也不能凭空消失，所以我们可以得出结论，光合作用的副产品一定包括自由氧。事实上，随着蓝细菌开始繁荣并扩散到全球，地球上首次有了自由氧的累积。
自由氧在今天看来似乎没什么问题，但对当时的生物来说却是有毒的。问题在于，当紫外线照射氧气时，气体会产生变化，形成氧自由基，而氧自由基会破坏DNA和蛋白质，把它们撕成碎片。自由氧也破坏了许多固氮细菌的能力，因为氧会“扯下”固氮酶核心的铁原子。氧气在当时是非常反生命的。
对于这些脆弱的微生物，幸运的是，自由氧一开始很难累积，因为它几乎会与水中和空气中的所有东西发生反应（氮气是一个例外）。尤其是海洋中的氧气会与溶解在海里的铁反应，形成铁锈沉淀。随后，这些小薄片沉至海底，经过几千年的累积，形成了所谓的“条状铁层”——只要那个时代的古海床被抬升到旱地上，世界各地的露出地面的岩石中就会存在这种红色的铁层。世界上90％的铁资源出自这些铁层，而这一切都要归功于微生物。只要溶解的铁依然存在，氧气污染就是最轻微的。但一年又一年、一世又一世，蓝细菌剥离了海洋中的铁。一旦它们耗尽了铁，事情就变得糟糕了。自由氧开始在海洋中累积，缓慢地扼杀海洋生命。然后它向上冒、侵人大气，相当于尼奥斯湖的致命气体云的微生物版。科学家把几亿年来氧气的累积称为“大氧化事件”，就像创世宇宙的“宇宙大爆炸”和创造月球的“大撞击”，这个名称实际上是一个轻描淡写的纪念碑。生命从未面临过如此严峻的威胁——将其描述为一场“浩劫”也不为过。生命之树的每一根枝丫都濒临灭绝。
现在氧气占地球空气的21％，其中大约一半来自植物，另一半来自微生物。但不同于空气中的另一种主要气体氮气，氧气并不是在几千年的时间里稳定累积的。它喷涌而出。氧气的第一次迸发是在大约23亿年前，当时海洋中的铁被消耗完了。在接下来的几亿年里，空气中的氧气浓度从万亿分之一跃升到五百分之一，几乎是10个数量级。为方便你理解：哈伯的氯气在浓度为百万分之一时就可以杀死人类，而当氧气浓度上升到五百分之一时，不呼吸氧气的生物则会有生命危险。
大约在18亿年前，氧气含量稳定了一段时间，这主要是因为陆地上的矿物吸收了氧气。也许并非巧合，生命似乎也在这段时间故步自封，不再进化。（地质学家有时将这一时期称为“无聊的10忆年”。）但是，大约6忆年前，陆地上的矿物变得饱和，氧气浓度开始再次上升，化石记录中也开始出现第一批复杂的植物和动物——能够奔跑、战斗、狩猎、交配和杀戮的生物。
在此后的几亿年，氧气含量发生了剧烈的变化，低至15％，高达35％。这又产生了几个不寻常的影响。在高点，最轻微的火花或灰烬都会燃烧，毁掉附近的一切。在低点，即使火山和雷击也很难点燃附近的任何东西。事实上，我们在化石记录中没有看到火的证据，直到几亿年前出现了第一批黑炭的迹象。这也标志着历史上的第一个时间旅行节点：时间旅行者可以在他的时间机器外走动，而不会感觉气喘吁吁。（当氧气含量低于17％时，我们的思维就会模糊不清，行动也会有困难。）
当氧气含量较高时，所有动物中受益最多的可能是虫子。由于没有肺，大多数昆虫、特别是小昆虫，不能真正吸人氧气；氧气是通过昆虫外骨骼上的孔被动地扩散到它们的细胞中。这种机制效果很好，除非昆虫长得太大。这是几何学的问题：表面积的增长比体积的增长慢，在某一时刻，体表的小孔无法吸入足够的氧气。这揭示了为什么现在的大多数昆虫都很小——免得窒息。可是，在氧气含量为35％的辉煌岁月，这种限制不重要。如果我们的那位时空旅行的朋友在3亿年前踏出虫洞，她会见到近1米长的千足虫、海鸥大小的蜻蜓以及轮胎那么大的蜘蛛。它们是虫子中的巨无霸，这多亏了氧气。
1无套裤汉（Sans-culottes，意即没有裙裤或短裤）指18世纪法国的底层阶级。