读量子霸权08固氮过程

1.弗里茨·哈伯 1.1.德国化学家于1918年获得诺贝尔奖 1.1.1.直到今天，人类体内大约一半的氮分子都是哈伯这个重要发现的直接结果，所以他的不朽遗产烙印在每个人的原子里 1.2.大约有一半的人由于他的发现而活到了今天，但却没有任何传记或纪录片赞扬他 1.2.1.就是那个发现如何制造人造肥料的人 1.2.2.我们所吃的食物中有50%与他的开创性研究直接相关，但他的贡献很少受到历史学家的赞扬 1.3.在现代史上，他比地球上其他任何人拯救的生命都多，但他的名字却并不为公众所知 1.3.1.影响了地球上每一个人的生活 1.3.2.发现了从空气中提取氮来制造肥料的关键化学过程，从而改变了世界历史 1.3.3.揭示了大自然的秘密，发起了绿色革命，制造了几乎无限量的肥料，帮助养活了今天的地球 1.4.哈伯开发的哈伯-博施法的耗电量是很大的，以至于这种技术的应用给全球能源供应带来了巨大压力，并且加剧了环境污染，导致了气候恶化 1.5.他专注于许多化学谜团，包括如何将空气中的氮转化为有用的产品，比如肥料、火乍药 1.5.1.他在实验室里找到了正确组合，宛若解开了魔法，从而创造了历史 1.5.2.如果把空气中的氮气加热到300摄氏度，并用200~300倍大气压的压力进行压缩，那么确实有可能最终将氮分子分解，并使其与氢气重新结合，形成氨，即NH3 1.5.3.历史上第一次，化学可以用来养活世界上不断增长的人口 1.6.为了打破氮的化学键，哈伯的方法是从外部施加高温和巨大的压力 1.6.1.将两个氮原子分开的唯一方法就是施加特别大的压力和特别高的温度 1.6.2.哈伯发明的制造氨的过程非常耗能，需要给氮气施以巨大的压力并加热到相当高的温度，因此这种制造过程实际上消耗的能源占比高达世界能源产出的2% 1.6.2.1.这就是哈伯-博施法如此低效的原因 1.7.肥料并不是哈伯唯一的发明 1.7.1.他发现储存在氮分子中的能量不仅可以用来制造赋予生命的肥料，也可以用来制造致命的火乍药 1.7.2.哈伯的惊人突破也被用来制造毁灭性的化学武器，包括高能火乍药和毒气，这一事实极大地玷污了他在历史上的作用 1.7.2.1.硝酸盐 1.7.2.1.1.制造了爆炸性化学武器，成为德国庞大战争机器最大的帮凶 1.7.2.2.在战争中使用的夺走了许多无辜生命的毒气也是哈伯发明的 1.8.事实上，他甚至被称为化学战之父 1.8.1.这位精通化学的人扩大了世界人口总量，但也剥夺了成千上万无辜者的生命 1.8.2.他的妻子是一名和平主义者，而她自杀的一个最大的可能性，应该是因为她反对哈伯在化学战和毒气方面的研究 1.8.3.在第二次世界大战期间，纳粹军队使用齐克隆(Zyklon)毒气，一种由哈伯开发和完善的毒气，在集中营杀死了哈伯的许多亲属 2.人口过剩与饥荒 2.1.哈伯为摆脱马尔萨斯曾经预言的人类悲惨命运所做出的贡献 2.2.早在1798年，托马斯·罗伯特·马尔萨斯就预测，有一天人类的人口数量可能会超过粮食供应，导致大规模饥饿和死亡 2.2.1.在马尔萨斯看来，所有动物都在进行永恒的生死斗争，每当它们的数量超过栖息地的承载能力时，许多同类就会因为食物不足而饿死，从而维持平衡 2.2.2.人类也不例外 2.3.肥料的基本成分是氮，它存在于我们的蛋白质和DNA分子中 2.3.1.氮其实广泛大量存在于我们呼吸的空气中，甚至在空气中占据的比例高达80% 2.3.1.1.因为其形态一直无法为人所用，因此对人类而言这种广泛存在几乎毫无用处 2.3.2.不知出于什么原因，在豆类（如花生和豌豆）根部生长的一种细菌能够从空气中提取氮，并用碳、氧和氢分子“固定”氮，从而产生氨，即一种制造肥料所需的基本成分 2.4.尽管普通细菌可以毫不费力地从空气中提取氮来制造赋予生命的肥料，但化学家仍然无法如此有效地从大自然中将这个过程成功复制 2.4.1.原因是空气中的氮气实际上是N2，即两个氮原子通过三个共价化学键紧密地结合在一起 2.4.2.这些化学键是如此牢固，以至于正常的化学过程根本无法破坏它们 3.ATP 3.1.自然界的电池 3.2.ATP（三磷酸腺苷） 3.3.在自然界中，基本能量来源于一种名为ATP（三磷酸腺苷）的分子，ATP是生命的动力、自然界的电池 3.4.每当你锻炼肌肉、呼吸或消化食物时，你都在利用ATP为身体的组织提供能量 3.5.ATP分子是如此普遍，几乎在所有形式的生命中都能发现，这些证据都表明ATP是数十亿年前就存在于生命当中又随之进化的 3.6.如果没有ATP，地球上的大多数生命根本无法存活 3.7.了解ATP分子的秘密，关键在于分析其结构 3.7.1.ATP分子由3个排列成链的磷酸基团组成，每个基团由一个被氧和碳包围的磷原子组成 3.7.2.分子的能量储存在最后一个磷酸基团的电子中 3.7.3.当身体需要能量来执行其生物功能时，它会使用最后一组电子中存储的能量 3.8.在分析植物自然的固氮过程时，化学家发现12个ATP分子提供的能量能够打开一个N2分子 3.8.1.在自然界中，利用来自随机碰撞的12个ATP分子的能量可能需要几年的时间 3.8.2.量子计算机可以在分子水平上解开全过程，因此或许就可以改进固氮的漫长过程，甚至找到有效的替代过程 4.催化作用 4.1.自然界的捷径 4.2.催化剂就类似于一个旁观者 4.2.1.它不直接参与化学反应 4.2.2.也不知道出于什么原因，催化剂的存在确实促进了化学反应 4.2.3.“催化”的过程也可以用量子计算机来完成分析 4.3.催化剂是如何发挥作用的，可以想象一个媒人，试图把一对生活在两个不同城市的潜在“夫妻”撮合在一起 4.3.1.两者纯粹随机相遇的可能性极低 4.3.1.1.他们在相距数英里的完全不同的生活圈中生活 4.3.2.媒人却可以与双方联系并帮助他们见面，这就大大增加了他们之间发生感情的可能性 4.4.通常情况下，人体内的化学反应非常缓慢，有时会持续很长时间，但有时也会发生一些神奇的事情来加快这些过程，这样它们就可能在几分之一秒内完成 4.4.1.这就是催化剂的用武之地 4.4.2.在人类的身体之中，几乎所有重要的化学过程都是由某种催化剂介导的 4.5.对于固氮过程，有一种叫作固氮酶的催化剂 4.5.1.对于这个研究来说，数字计算机实在是太原始了，没有能力解开这个秘密 4.5.2.量子计算机就非常适合这项重要任务 4.5.3.催化剂将两种反应物结合在一起 4.5.3.1.它能够将催化剂和反应物像拼图一样组合在一起，促进两种反应物的结合 4.5.4.反应发生所需的被称为活化能的能量有时太高了，从而导致反应物无法顺利相互作用 4.5.5.催化剂实际上降低了活化能，从而使反应可以更加顺利地进行 4.5.6.反应物结合并产生一种新的化学物质，但是催化剂仍然完好无损 4.6.量子“媒人”，它能够意识到有时候自己必须去推动这对潜在“夫妻”的结合，使它们建立联系 4.6.1.打破僵局，或者帮助其穿过分隔它们的屏障 4.6.1.1.这个过程被称为“隧穿”，是量子理论的特征之一，意味着要穿透看似无法穿透的屏障 4.6.2.隧穿是像铀这样的放射性元素能够发出辐射的原因，因为辐射通过隧穿核屏障而到达外部世界 4.6.3.放射性衰变的过程会使地球中心升温，并推动大陆漂移，这也是由于隧穿效应 4.6.4.下次当你看到一座巨大的火山喷发时，你就能见识到量子隧穿的力量 4.6.5.ATP分子也能够神奇地隧穿这一能量屏障，完成化学反应 4.7.几乎所有使生命成为可能的关键反应都需要催化剂，而生命本身的起源可能是由于量子力学 4.7.1.科学家不仅想通过量子计算机更加节能地完成食品生产，他们还想了解能源本身的性质 5.量子计算机分析固氮过程 5.1.量子计算机可以通过求解固氮酶中各种成分的波动方程，帮助逐个原子地阐明这一复杂过程 5.1.1.将有助于揭开固氮过程中许多缺失的步骤 5.2.量子计算机实际上可以测试不同的方法来破坏N2的化学键，而不只是尝试通过外力或催化来实现 5.3.如果我们用替代品取代各种原子和蛋白质，那么量子计算机可以模拟将会发生什么，看看是否可以用不同的化学物质使固氮过程效率更高、能耗更低、污染更少 5.4.量子计算机可以测试各种新的催化剂，看看它们是否能加快这一过程 5.5.量子计算机可以测试具有不同蛋白质链排列版本的固氮酶，看看是否可以改善其催化性能