氮元素的特点,氮元素在生活中的应用(氮元素的历程)

每一次呼吸、每一个声响,它的参与占比都超过75%;每次雷暴过后,它都会让湖水酸化,让石头加速碎裂。在地球几十亿年的形成和发展过程中,它将闪电、蓝天、空气、土地与生命联系了起来,这就是本文要跟大家介绍的——氮元素

氮元素的特点,氮元素在生活中的应用(氮元素的历程)

一、紫色的天空

细心的读者看到这里是不是想说:天空是蓝色的,老郭你弄错啦!其实天空真的是紫色的,尤其是在正午的天空中,蓝色的占比才20%。只是我们的眼睛对紫色不敏感,只能对蓝色产生感应,所以我们看到的天空才是蓝色的。

要解释为什么天空是紫色的,就必须了解大气的成分及其分子结构。空气中主要是氮气和氧气以及少量的其它气体,氮气占比78%、氧气占比大约21%。氮气和氧气都是双原子分子,原子之间靠着共享电子对连接起来。

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氮气和氧气的分子差不多大,但氮气分子要略小一些。它们都能散射全波段的阳光,只不过由于其分子比较小,所以散射波长短的光的能力要更强,也就是说,散射蓝光和紫光的能力更强。这就跟吉他上越细的弦音调越高是同一个道理。波长接近分子直径的,就容易被散射。

我们的眼睛能看到蓝色的天空,说穿了并不是因为天空是真正的蓝色,而是由于我们眼睛的视觉功能决定的。

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二、从氮气到蛋白质

氮是构成蛋白质的重要元素,没有氮就没有蛋白质,也就不会有生命。尽管大气中有78%都是氮气,但是从氮气变成蛋白质却并不那么容易。这是因为,氮气分子形成了共享三个电子对的结构,要拆开它们很难,这就使得氮气分子异常稳定,很难与其它物质发生化学反应。

不过在生物进化的过程中,出现了能够固氮的多种微生物,它们有一个统称叫做蓝细菌。这些蓝细菌通过寄生在其它生物体内或者是体外,通过与宿主合作就可以把空气中的氮气固定成氮肥。比如我们熟知的大豆的根部就存在这样的土壤细菌。

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蓝细菌之所以具有固氮的能力,是因为它们体内含有一种含铁的固氮酶。这种酶利用铁原子作为一把锋利的刀,可以把氮气分子劈开,然后给每个氮原子配上三个氢原子,从而形成生物学上很有用途的氨。

另外一种大自然中固化氮的方法是闪电。由于氮气分子的稳定性,也只有这样的高能量才能劈开它们,然后这些氮与氧结合,以氮氧化物的形式,随着雨水降落到地面。这些氮会被土壤中的细菌利用,然后再被植物吸收,进入到食物链当中,最后走进我们的餐桌。

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三、动物迁徙与氮在食物链中的轮回之旅

在生物链的底层是那些细菌的天下,腐烂的动植物尸体被细菌降解,释放出氨气和其它气体,追踪这些分子中的同位素比例,就可以在生态系统中追踪迁徙动物的原子踪迹。

氮有两种同位素,分别为氮14和氮15,氮15由于其质量略大,其在空气中的分子运动速度相比氮14分子的匀速速度略低,在空气中逸散的难度也会略大,所以,氮15更容易在区域内积累。

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我们可以把氮气分子看作由氮原子组成的哑铃,由于氮15略重,所以氮15在分子内的振动也会比氮14组成的氮分子略低。这也导致了,氮15构成的化学键要比氮14构成的化学键更稳定。同样的道理,腐败的动植物尸体所释放出来的氨气当中,氮15会比较少,这就会进一步加剧氮15在区域内的富集。

在食物链中,随着食物链的升高,处于食物链高端的动物,其体内的氮15含量也会有所提升。

在《西游记》中,孙悟空有72变,可以变身成各种动物、植物、石头……,然而在科学家眼中,这一切毫不奇怪。在原子的世界里,蚂蚁可以变身蟑螂、老鼠、狮子、大象……甚至是人类,森林也会变成海洋。

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乌苏里江的秋季,既是一年一度的大马哈鱼回游的时间,又是黑瞎子的捕食季节。黑熊的氮元素摄入也几乎完全依赖于大马哈鱼提供的蛋白质。它们守候在比较浅的溪水里,当发现有大马哈鱼游过来,就用巴掌奋力击打水面,把鱼震晕,然后一口咬上去,再慢慢地走回到岸上,大口大口地将鱼肉蛋白送入胃中。

此时,黑熊胃中的酶开始工作,将大马哈鱼的蛋白质分解为氨基酸。这些氨基酸被血液运输到肝脏,在这个化工厂里加工成各种身体需要的原料,用于构建身体。那些超过身体需要的部分,都会被分解成氨,再由肾脏转化为尿液排除体外,当然了也有部分是通过粪便离开身体。这样的过程,在所有动物的体内都在发生,也包括我们人类。

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而那些从万里之外回到故乡的大马哈鱼,一路艰难跋涉,从北太平洋沿黑龙江、乌苏里江逆流而上,然后在深水区集结,以集群冲锋的方式,密集、快速地冲过有黑熊守候的险滩,以使种群的损失率降到最低。最后,这种鱼在浅、小溪流中筑巢产卵后,亲鱼会一直游弋在巢的周围,防止其他动物偷食鱼卵。最终当幼鱼将要孵化出来时,亲鱼会死在巢旁,为幼鱼提供最初的氮的来源。

根据一项研究,黑熊毛发中有80%的氮原子都可以追溯到海洋中,新生的毛发纤维中的这种氮原子信号,不仅出现在大马哈鱼回游的秋季,也出现在春季和夏季,此时熊的食物来源变得很杂,有植物也有小型动物。不过来自大海的氮原子,已经滋养了整个兴安岭的森林,而不仅仅是黑熊了。

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四、母婴之间的氮传递

食物链高端的物种体内的氮15通常会比其低端的猎物要高,这一点也在人类的身上有所体现。尤其是在母亲和哺乳期婴儿之间氮15的比例,可以显示出母婴之间的原子纽带。

除了那些非母乳喂养的婴儿,最初的营养物质都是来自母亲,这也造成了婴儿体内的氮15要比他们的母亲富集。这与我们说的食物链高端物质体内的氮15含量更高的原理相同。通过对婴儿及其母亲的指甲之中氮15的含量分析,可以提供母亲为了抚育婴儿所做出的巨大牺牲的同位素证据。

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五、氮的同位素研究与食品安全

随着全球经济一体化,食品贸易量逐渐增大,食品供应链延长,食品安全隐患和危害也在进一步延伸。尤其是动物源性食品在人类饮食结构中占有很大的比重,而动物的饲料来源广、种类多,同时喂养和交易地点多变,安全保障的难度更大,对动物产地进行溯源分析也更复杂。

近年来,基于稳定的同位素指纹分析成为了一种有效的食品产地溯源技术,这其中最值得我们中国人重视的应该是氮同位素。因为内脏器官在世界上大多数国家没有消费市场,但内脏器官是我们中国人的重要食材。在内脏器官的碳同位素研究中,差异不大,而氮15的差异却异常显著。

科学家们通过对氮原子的网络追踪发现,大气中的污染物落入海洋之后,使海洋生物受到了污染,而海洋生物又通过与陆地生物的食物链关系,将大气污染带到了全世界,最后带到了我们的餐桌。

尤其是在今天武汉的疫情形势比较严峻复杂,疫情处于防控关键时期。虽然从疫情的认知来看,主要传播途径为呼吸道传播,对新型冠状病毒的认识还十分有限,不过这次疫情应该是跟我们的动物性食品来源有关。

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六、成圣与成魔

1908年,德国化学家哈伯申请了“循环法合成氨”的专利,1909年,改进了合成,使氨的含量达到6上。这是工业普遍采用的直接合成法。反应过程中为解决氢气和氮气合成转化率低的问题,将氨产品从合成反应后的气体中分离出来,未反应气和新鲜氢氮气混合重新参与合成反应。

如今,氨气是化肥工业和有机化工的主要原料,然而合成氨工业在20世纪诞生初期,其目的是用氨作炸药工业的原料,为战争服务。第一次世界大战期间,几百万人因为高效炸药的出现而丧命,甚至连哈伯的妻子和儿子也因此而自杀。

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战争结束后,合成氨工业转向为农业、工业服务。随着科学技术的发展,人类对氨的需要量日益增长。如今,合成氨工业产量已经超过了一亿吨,成为了全球几十亿人能够填饱肚子的重要支撑。人类获取氮元素的主要方式,已经逐渐从微生物转向了工业。

哈伯本人也因为发明了合成氨的方法,在1918年获得了诺贝尔奖。最具讽刺意味的是,这个奖项是由诺贝尔通过生产含氮炸药,以数百万人的生命为代价,发战争财而积累的巨大财富创办的。

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结束语

人类与所有的生物以及非生物一起,共同存在于地球这个庞大的原子网络当中。氮这个对于人类来说无比重要的元素,没有它就不能构建我们的身体,没有合成氨,恐怕今天人口中的一半都会不存在。不过正是因为人口激增,加速了地球资源的消耗,带来了环境恶化、气候变暖等一系列的问题。

人类正在向环境中排放出更多形式的含氮废气。虽然我们在讨论全球变暖的时候,主要都是考虑二氧化碳的排放,但事实上,由于过度施肥和工业生产而排放的一氧化二氮所造成的气候影响已经远远超出了碳的影响。

人类作为一种智慧的生物,在发展的同时,如何平衡固氮带来的效益与氮的化合物对环境的破坏之间的关系,是关系到所有地球生物生存的重大课题。

在科学获取氮的同时,保护我们的生存环境,刻不容缓!

因为——我们只有一个地球!

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