氢——宇宙一号元素

氢(hydrogen)是一种化学元素，在元素周期表中位于第一位，元素符号是H，是自然界最小的原子。有人说世界起源于自然法则，也有人说起源于氢元素。无论怎么说，在宇宙、银河系、太阳、行星、卫星演变以及漫长精彩的各类生命起源和进化过程中，氢元素都无处不在，并一直扮演着重要角色。
 

 

2018年3月14日，英国著名理论物理学家斯蒂芬·威廉·霍金(Stephen William Hawking)去世，霍金研究的黑洞和宇宙论对普通人来说实在难以全面理解，我们暂且不去追究他的理论是否完全正确，从历史发展角度看，将来应该有更理想的理论来解释这些现象。目前他的理论是公认比较正确的，阐述宇宙产生的系统学说。
 

为了清楚阐述量子力学如何影响宇宙的起源和命运，霍金提出了“热大爆炸模型”。这一观点认为，我们的宇宙是起源于150亿年前密度无限大、温度无限高和体积无限小的一个奇点的爆炸。那就是宇宙的起源，也是时间和空间的起源。大爆炸模型假定，从大爆炸开始的那一刻起，宇宙就按照弗里德曼模型演化。所谓弗里德曼模型，是指在宇宙膨胀过程中，宇宙中任何物体都会因为辐射而降低温度。温度是微观粒子平均运动速度的整体或宏观体现，粒子运动速度越快，则宏观温度越高，反之亦然。宇宙降温会对其中的物质状态产生巨大影响。在非常高的温度下，粒子运动得非常快，甚至能逃脱任何核力或电磁力的吸引(此时无法形成原子)。当温度逐渐降低时，互相吸引的核力或电磁力使粒子开始相互结合。更重要的是，存在于宇宙中的粒子种类也依赖于温度高低发生变化。
 

在大爆炸后的大约100秒，温度从无限大迅速降低到了10亿摄氏度。在此温度下，质子和中子不再有足够的能量逃脱粒子之间强核力的相互吸引，开始结合产生氛(重氢)的原子核。氟核包含一个质子和一个中子，所以宇宙演化过程中出现的第一类原子核就是氟核。然后尔核与更多质子、中子相结合形成氨核，它包含两个质子和两个中子，还产生了少量的两种更重的元素锂和皱。余下的中子会衰变成质子和电子，质子不需要与任何粒子结合，本身就是气原子的核，也是我们所熟悉的氢离子。也就是说，在原子形成过程中，先有重氢原子核，然后有气原子核;先形成原子核，后来才出现原子。
 

大爆炸后的4分钟，氨和其他元素原子核的产生就基本停止了。从宏观上考虑，此后30万年左右，宇宙仅仅只是继续膨胀，没有发生什么颠覆性的变化。最后，一旦温度降低到几千摄氏度，电子和核子不再有足够能量去抵抗它们之间的电磁吸引力，开始结合形成原子。在大爆炸发生30万年后，质子与电子结合，宇宙中最伟大最重要的成员氢原子诞生了。
 

随着时间流逝，星系中的氢气和氨气被分割成更小的星云，它们在自身引力下坍缩。它们收缩时原子互相碰撞，气体温度不断升高，到一定程度后，热得足以开始发生热核聚变反应。这些反应将更多的氢转变成氨，释放的热升高了压强，使星云不再继续收缩。如同太阳一样，它们将氢燃烧成氨，并将得到的能量以热和光的形式辐射出来。它们会稳定地在这种状态下停留一段很长的时间。质量更大的恒星需要变得更热，以平衡它们更强的自身引力，它们的核聚变反应进行得极快，以至于它们在一亿年这么短的时间里，就将全部氢消耗完，并给生命进化的行星提供光和热。
 

无论我们现在的宇宙是不是真如上述所描述的样子形成，科学观测表明，组成宇宙的成分中，90%是氢元素，9%是氨元素。我们生活的地球的成分组成与此不同，地壳中各主要元素的含量从高到低依次为氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢，成分百分比分别为：氧48.06%、硅26.30%、铝7.73%、铁4.75%、钙3.45%、钠2.74%、钾2.47%、镁2.00%、氢0.76%。不过像地球这样的星球，并不是宇宙的主要成分。太阳这样分量更大的恒星才是宇宙的主要成员，是决定宇宙成分的主要因素。
 

博尔纳认为，“氢是宇宙中最重要的成分”。氢是宇宙元素的观点，可以从含量、结构和功能三个方面来说明。第一，氢元素是宇宙的基本成分和最主要成分，在宇宙所有元素中占90%，其他元素也都是由氢元素演变而成。第二，氢元素是结构最简单的元素。第三，氢元素是宇宙中各类能量转化的枢纽，氢元素聚变是太阳等恒星产热的基础，生物能量转化也是以传递氢原子的方式进行。
 

出华盛顿大学物理学教授约翰·里格登(John Rigden)写了一部关于氢的著名科普书《氢的传奇》，2002年该书被《发现》杂志选为最佳科普著作。里格登这样评价氢，“我们对物质世界的认识，小到最基本原子，大到宇宙本身，都可以由氢贯穿起来”。在这本书中，里格登给我们展示了氢在科学发展历史中的独特魅力，氢原子结构最简单，也最为独特，数百年来，氢元素一直吸引着世界顶级科学家的兴趣和关注。
 

德国科学家在《自然》杂志的研究报道，从遗传角度再次确认，地球生命始祖是一种依靠氢气为能量的微生物。这一发现与过去通过地质学研究和海底微生物研究获得的结论类似，进一步确定了祖先生物的特征。过去科学家根据生命起源的地球环境，曾经推测原始生命是依靠氢气为能源的观点。对许多地球深部岩石的勘探也证明，在生命起源的地质年代，空气和水中都含有大量氢气。最近大量证据表明，作为所有真核细胞能量代谢的核心细胞器，线粒体就是进化自能制造氢气的原始变形菌。生物信息学研究表明，细菌代谢氢气的氢化酶和真核细胞线粒体电子传递链的复合物I功能亚基属于同源分子，提示氢气可能会影响细胞能量代谢的核心过程。总之，从基因到表型，从环境进化到能量代谢，从理论到实际证据，都说明氢气是生命诞生的必要条件。
 

氢气作为生命能源的基本供体，对许多生物分子和生物化学过程产生调节和影响，几乎就是一种必然。最近大量医学研究发现，氢气对人和动物疾病有预防作用，还可以调节植物和微生物的生长，防护植物疾病损伤。这些证据都提示氢气这种生命气体分子仍然具有产生巨大生物活性的潜力，这非常符合逻辑和预期，可以认为氢气是生命之父。
 

笔者认为，氢元素就是为科学而生，围绕氢气的研究就是一部自然科学传奇。氢气现在进入医学生物学家的视野，又将在生物医学领域演绎传奇。巧合的是，有机生命组成最多的元素也是氢，作为电子传递介质，氢元素也是生命能量转化的中心成员，而生命内环境最重要的成分水主要也是由氢元素组成。因此可以说，氢元素不仅是宇宙元素，也是生命元素。