肥料拯救了数十亿人的生命，但也有黑暗的一面

以下摘录自保罗·A·奥菲特 (Paul A. Offit) 所著的《潘多拉实验室：七个科学失误的故事》。

我们并没有那么复杂。尽管我们的体型、身高、体重、背景和性格各不相同，尽管我们的基因不同，导致蛋白质和酶也不同，但我们的本质都归结为四种基本元素：氢、氧、碳和氮。如果其中任何一种元素变得不可用，我们在地球上的生命就会终结。四种元素中有三种很容易获得。

氢来自我们喝的水，水由两个氢原子和一个氧原子 (H 2 O) 组成。氧气来自我们呼吸的空气 (O 2 )，这并不令人意外。（只有鱼才能通过鳃从水中提取氧气。）碳也来自空气。绿色植物在阳光下从空气中吸收二氧化碳 (CO ₂ )，并将其捕获为含碳的复合糖 (即光合作用)。我们通过食用植物或食用以植物为食的动物来获取碳。无论哪种方式，由于空气和水很丰富，氢、氧和碳也很丰富。

生命循环中最薄弱的环节是氮，而氮只能从土壤中获取。当农民种植玉米、小麦、大麦、土豆或水稻等作物时，他们会消耗土壤中的氮。如果不补充氮，土壤就无法养活更多作物。农民通过三种方式补充氮。他们使用腐烂植物或动物粪便制成的天然肥料。他们将作物与鹰嘴豆、苜蓿、豌豆、大豆或三叶草等豆科植物轮作，这些豆科植物的根部含有细菌，可以从空气中吸收氮，并将其转化为土壤中可用的形式——这一过程称为“固氮”。或者他们等待雷雨；事实证明，闪电也可以从空气中固定氮。

如果世界上每个大陆的每个国家的每个农民都利用每一寸肥沃的土地，在田地里撒上天然肥料，精心轮作作物，并说服每个人都吃素，他们就可以养活大约 40 亿人。但截至 2016 年，地球上的人口已超过 70 亿。尽管有些人正在挨饿，但问题不在于食物不足。食物充足。问题是食物没有有效地分配给需要的人。

那么农民是如何做到的？他们是如何养活这么多人的？答案在于 1909 年 7 月 2 日发生的一个事件。因为这个独特的时刻，我们体内 50% 的氮来自自然来源，50% 来自一个人的劳动——这个人既拯救了我们的生命，又播下了毁灭我们的种子。弗里茨·哈伯于 1868 年 12 月 9 日出生于德国布雷斯劳。26 岁时，哈伯进入卡尔斯鲁厄大学，该大学与巴登苯胺和苏打工厂 (BASF) 有着良好的关系：这是一家位于莱茵河下游的大型化学公司。

哈伯的任务是从空气中提取氮，然后制造出一种可以滋养农作物的化合物，这并不容易。虽然空气中 79% 的氮都是氮，但它并不以单个原子 (N) 的形式存在。它以两个原子 ( _N2 ) 的形式存在，形成一个基本上牢不可破的三键：自然界中最强的化学键。虽然空气中的_N2可以用来给一百万个气球充气，但它不能用来种植一根玉米。

由于_N2通常不会被自然分解，因此需要通过非自然过程才能分解：从某种意义上说，这是一种违反自然的行为。公式很简单：

_N2 + _3H2 <—> _2NH3

从左到右，两个成对的氮原子与三个成对的氢原子结合形成两个氨分子。哈伯知道，氨非常适合用作合成肥料。

一系列偶然事件让弗里茨·哈伯取得了许多人未能实现的成就。首先，一位名叫罗伯特·勒罗西尼奥尔的英国年轻物理学家来到了他的实验室。勒罗西尼奥尔是一位技术娴熟、富有创造力的实验者，他最终设计出一种由石英和铁制成的小型台式仪器，能够承受高达 1,832 华氏度的高温，足以熔化铜；以及高达 3,000 磅/平方英寸的压力，足以压垮潜艇。其次，哈伯找到了一种加速反应的催化剂：锇，一种用作灯泡灯丝的稀有金属。第三，哈伯找到了一种快速冷却氨的方法，使其不会在高温下燃烧。最后，也是最重要的，哈伯在卡尔斯鲁厄的导师卡尔·恩格勒说服巴斯夫资助哈伯的实验；如果他们的实验成功，巴斯夫将拥有专利，哈伯将拥有一个商业伙伴。

哈伯和勒罗西尼奥尔对设备进行了调整，并尝试了不同的温度和压力。最终，在 1909 年 3 月，他们取得了一些成功。哈伯欣喜若狂。“快来，你得看看液氨是怎么用完的！”他对一位同事喊道，这位同事记得，“我还能看见它。大约有一立方厘米的氨。太棒了。”虽然量不多——大约五分之一茶匙——但这是一个开始。几个月内，哈伯和勒罗西尼奥尔的设备就开始昼夜不停地生产氨。

哈伯演示十个月后，巴斯夫的科学家在距离卡尔斯鲁厄不远的路德维希港建造了一个小型原型装置。该工厂于 1910 年 5 月 18 日正式开业。哈伯的 2 英尺高的台式装置已成为一台 26 英尺高的巨型机器。在两个月内，该装置生产了超过 2,000 磅的氨。到 1911 年 1 月初，它每天的产量超过 8,000 磅。

其他国家纷纷效仿哈伯的工艺。到 1963 年，约有 300 家氨工厂投入运营，还有 40 多家工厂正在建设中。如今，约有 1.3 亿吨氮从空气中被去除，并作为肥料散播到地球上。今天有超过 30 亿人（未来还有数十亿人）的生存都归功于弗里茨·哈伯。以前从未有这么多人享受过这么多食物。

但事情也有阴暗的一面。

美国最大的氮肥生产厂位于路易斯安那州的唐纳森维尔。该厂每天消耗价值一百万美元的天然气，将当地一条河里的 3 万吨水煮沸成蒸汽，并生产 5,000 吨氨（每年 200 万吨）。每天，这 5,000 吨氨被装上火车车厢，装上驳船，漂流到密西西比河，洒在全国各地的玉米和小麦田里。氨中所含的氮并非全部都进入农作物。例如，玉米地里的氮只有大约三分之一进入玉米粒。其余的则被冲入溪流并渗入地下水。

墨西哥湾位于路易斯安那州氨工厂旁边，是无人看管时可能发生的后果的一个典型例子。每年大约有 150 万吨氮被倾倒到墨西哥湾。这些过量的氮导致藻类过度生长，使水体浑浊，并阻碍其他物种（如鱼类和软体动物）获得氧气和阳光。藻类过度生长导致北半球的溪流、湖泊和沿海生态系统死亡。死亡的不仅仅是鱼类。以鱼为食的鸟类也在死亡。合成氮污染不仅限于水体；它还进入空气中，并以酸雨的形式回到地球，进一步破坏湖泊、溪流和森林以及依赖它们生存的动物。这些问题只会越来越严重。

在慕尼黑的德意志博物馆，一道小屏障将观众与展台隔开，其中陈列着一台桌面装置，该装置由弗里茨·哈伯和罗伯特·勒罗西尼奥尔设计，用于从空气中固定氮。观众偶尔会停下来，盯着它看几秒钟，然后走过去，对这台机器不以为然。正是这台机器开启了全球合成肥料的生产，而这一生产过程为许多人带来了生命，并且——由于过量氮持续污染环境——这一生产过程可能已经开始了最终毁灭人类的进程。

摘自保罗·奥菲特 (Paul Offit) 所著的《潘多拉实验室》一书，由国家地理合作伙伴于 2017 年 4 月 4 日出版。

Paul A. Offit 医学博士是费城儿童医院的儿科教授和疫苗教育中心主任。

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