1898年，威廉·克鲁克斯爵士呼吁科学拯救欧洲免于迫在眉睫的饥荒。克鲁克斯爵士在向英国科学促进协会发表的会长致辞中指出，当时世界的小麦供应主要由美国和俄罗斯生产。随着这些国家人口的增长，它们自身的需求将超过产量的任何增长。那么欧洲将会怎样？“必须由化学家来拯救受威胁的社区，”克鲁克斯喊道。“正是通过实验室，饥荒最终才能转变为富裕。”问题的症结在于缺乏氮。到19世纪40年代，英格兰的农业生产已经下降，如果不是发现食物生产的限制因素是土壤中的氮量，饥荒就会随之而来。以硝酸盐肥料形式添加氮足以提高食物生产，从而避免灾难。但现在，在这个世纪末，倍增的人口给农业带来了新的压力。显而易见的解决方案是使用更多的肥料。但世界上大部分的硝酸盐矿藏都在智利，而且数量不足。额外的氮将从何而来？
这个问题，以及克鲁克斯的科学号召，将引发一场连锁反应，其影响之深远，堪比四十年前洛斯阿拉莫斯释放的那些反应。历史学家常常将核能的发现描述为人类历史上的一个门槛——一道我们的文化已经跨越且无法返回的防火墙。但氮的研究也发生了一次同样致命的跨越。就像曼哈顿计划的科学家一样，那些接受克鲁克斯挑战的人，出于社会而非科学原因，在摆弄生命的基本元素。而且，就像制造原子弹的人一样，他们启动了超出他们控制的力量，这些力量此后塑造了从政治到文化再到环境的一切。今天，含氮肥料帮助养活了数十亿人，但它们也在毒害生态系统，破坏渔业，并使世界各地的儿童生病和死亡。在确保我们食物供应的同时，它们正在对我们的水和空气造成破坏。氮对生命化学至关重要，有时也是其毁灭的关键。它以氨基酸的形式穿梭于所有生物体中——氨基酸是碳原子链或环，附着着氮和氢原子簇——它是硝化甘油和三硝基甲苯（TNT）的主要元素。含氮肥料现在如此普遍，爆炸物化学如此众所周知，以至于任何狂热分子都可以制造炸弹。1995年，俄克拉荷马城的阿尔弗雷德·P·默拉联邦大楼被炸毁，所用炸弹主要由饲料店出售的硝酸盐肥料与燃油和雷管混合制成。地球大气中近80%是氮——足以养活人类直到世界末日。但大气中的氮是由极其稳定的N2分子组成的，它们不愿与其他分子发生反应。细菌会将一些大气中的氮首先转化为氨（NH3），然后转化为亚硝酸盐（NO2-）和硝酸盐（NO3-），但远不足以满足现代农业的需求。到19世纪末，需要一种模仿这些微生物的方法——将大气中的氮“固定”成化学活性形式。在威廉·克鲁克斯发表他的演讲几年前，石灰和焦炭在电炉中成功加热，生成碳化钙，然后碳化钙与大气中的氮反应。克鲁克斯本人已经证明，电弧可以“点燃空气”，正如他所描述的，将氮氧化成硝酸盐。但这两种过程所需的电力都过于昂贵。克鲁克斯建议使用水力发电，但只有挪威有足够的水力发电，尽管挪威人建造了一个固氮厂，但它提供的氮勉强够国内使用。欧洲其他地区仍然面临饥饿的威胁。弗里茨·哈伯步入了这不安的场景。哈伯是一位年轻的德国物理化学家，为了提升他的职业生涯而放弃了犹太教：当时，在德国以及大多数其他欧洲国家，犹太人的学术机会是有限的。哈伯在获得博士学位后的第一个学术职位是卡尔斯鲁厄大学化学系的一名搬运工或看门人。但他很快就通过口才争取到了讲师职位，并在1898年被任命为特聘教授，并准备开始思考氮的问题。哈伯首先考虑了通过使大气中的氮与氢直接反应来将其转化为氨的可能性。以前的实验者发现，该反应只会在高温下进行——大约1000摄氏度——已知氨会在这个温度下立即分解。但哈伯自己的实验证实，他只能以这种方式将大约0.0048%的氮转化为氨。此外，对热力学理论的全面研究证实了他长期以来的怀疑：氨只有在高压下才能大量生产——比当时可达到的压力更高，但并非不可能高。现在的问题是如何在高压和高温之间找到最佳平衡以获得最佳结果，以及如何找到一种催化剂，可以将压力略微降低到商业可能性范围内。经过长时间的搜索，哈伯发现元素铀正是这样一种催化剂，经过进一步的技术改进，他能够每小时生产近半升氨。最重要的是，这个过程所需能量很少，而且这种鲜为人知的金属，没有其他商业用途，价格便宜。巴登苯胺和苏打工厂（BASF）派化学家阿尔温·米塔施和工程师卡尔·博世到哈伯的实验室进行演示。当然，一切都出了问题。哈伯恳求他们留下，而他则摆弄着仪器。时间流逝，博世离开了。就在米塔施准备离开时，氨开始从管子里滴出来。米塔施站着凝视，然后又坐下，深受感动。等到他离开时，氨已经自由流淌。公司工程师在博世的领导下，又花了三年时间才将实验扩大到商业规模，但到1912年，哈伯-博世法已成为一种可行的肥料生产方法。哈伯和博世后来因他们的努力获得了诺贝尔奖，饥荒的威胁得以避免，世界从此幸福快乐。嗯，不完全是。20世纪初，威廉二世皇帝统治下的德国是欧洲最强大的国家，拥有最强大的军队、最大的工业能力和与之匹配的爱国热情。德国人想要在世界秩序中拥有“应有的地位”，但他们的国家除了以牺牲别人的边界为代价外，无法发展。德国也无法通过殖民化实现其抱负——大部分未开发的世界已经被瓜分。没有发展甚至扩张的空间，皇帝的念头转向了战争。然而，有三个障碍阻碍了他。第一个是肥料的氮问题，因为在本世纪最初几年，哈伯还没有开始他的工作。德国是智利硝酸盐的最大进口国，如果没有持续不断的肥料补充，其贫瘠的沙质土壤每年都会恶化。第二个问题仍然是氮的缺乏，这次是用于炸药。第三个问题是统治海洋的英国皇家海军。如果德国开战，皇家海军将切断其来自智利的硝酸盐供应，人口将缓慢挨饿，而军队将耗尽炸弹和炮弹。
那么，哈伯工业固氮的发明对威廉二世皇帝来说是多么美妙啊。德国将能够一举生产所有需要的肥料和炸药——只要战争持续时间不太长。1913年，第一家固氮工厂在奥珀瑙开始运营。一年后，奥地利王位继承人弗朗茨·斐迪南大公在萨拉热窝遇刺。德国很快推动奥地利宣战，并向东部和西部部署了自己的军队。第一次世界大战四年后结束，建立了苏维埃俄罗斯，德国崩溃，直接导致纳粹主义及其所有恐怖的兴起和第二次世界大战。这一切都离不开商业固氮的发现。弗里茨·哈伯在试图拯救欧洲时，差点摧毁了它。而在试图养活人类时，我们可能还会让其挨饿。文明最血腥的世纪，在氮的解放下肆虐，已载入史册。但氮的悖论依然存在。起初它无处不在，我们却无法使用它。现在我们知道如何使用它，它却让我们窒息。地球上60亿（并且还在增加）的人类比以往任何时候都更依赖肥料来增加土壤中的天然氮。事实上，我们现在通过稍微修改的哈伯-博世工艺生产的固定氮比土壤的天然微生物过程产生的还多。农民倾向于施用更多的肥料，而不是冒风险少施，因此积累的氮量超过了土壤所能吸收或分解的量。汽车尾气和其他化石燃料燃烧产生的硝酸盐也大大增加了这种过载。多余的氮要么被雨水或灌溉冲走，要么从土壤中渗入地下水。据估计，人类排放到流域中的氮有20%最终进入湖泊、河流、海洋和公共水库，打开了一个名副其实的问题潘多拉魔盒。藻类，像所有生物一样，受到食物供应的限制，而氮是它们生命的支柱。因此，当过量的氮被冲入温暖、阳光充足的水域时，藻类狂欢便随之而来。有些物种因其鲜艳的颜色而形成所谓的“赤潮”，产生杀死鱼类并摧毁商业渔业的化学毒素。当人们食用被赤潮污染的贝类时，他们可能会出现从皮肤刺激到肝损伤、瘫痪甚至死亡的各种症状。正如叶芝所说，“血色潮汐已然泛滥。”即使无毒的藻华也会阻挡阳光，切断下方植物的光合作用。然后它们死亡并下沉，通过分解消耗水中的氧气供应，杀死蛤蜊、螃蟹和其他底栖生物。在波罗的海，20世纪氮含量增加了四倍，导致春季藻华大量增加。一些生态学家认为这是20世纪90年代初波罗的海鳕鱼渔业崩溃的主要原因。每年春天，同样的过程现在在墨西哥湾一到二十码深处形成一个巨大且不断增长的“死区”。密西西比河和阿查法拉亚河排泄了美国大陆41%的面积，将来自31个州的农田以及工厂的过量硝酸盐和磷酸盐冲入墨西哥湾。这种径流在路易斯安那州沿海向德克萨斯州方向形成了一个缺氧区，在某些年份甚至大到新泽西州的大小。该地区支持着丰富的渔业，如果不采取措施，预计会发生与波罗的海类似的严重后果。因此，哈伯的氮礼物在食物领域并非完全是福音：它增加了陆地上的食物生产，但现在却威胁着我们来自海洋的食物供应。四年前，美国环境保护局成立了一个专家工作组来解决死区问题。他们于一月份提交的最终行动计划呼吁增加研究、监测、教育和更多规划。最重要的是，该计划提议激励农民减少肥料使用。但这种依赖将很难戒除。与核能不同，氮肥对于现代文明的生存绝对是必要的。“无硝酸盐！”和“永远冻结肥料！”都不是可行的口号。19世纪末，世界上约有15亿人口，他们已经开始耗尽食物供应。今天，随着人口突破60亿，人类如果没有氮肥就无法养活自己。正如斯坦福大学生态学家彼得·维图塞克最近告诉我们的那样，“我们如果不调动大量氮就无法生产食物，而如果不扩散一些氮就无法调动大量氮。”藻华只是氮失控造成的众多灾难性副作用之一。例如，在佛罗里达州，奶牛场和农场的氮（和磷）径流破坏了佛罗里达大沼泽地的原生生物，它们是在低营养环境中进化的。营养丰富藻类的涌入已大量取代了曾经漂浮在大部分佛罗里达大沼泽地上的灰绿色附生藻类。新出现的蓝藻大军耗尽了氧气，并且是一种不利的食物来源。因此，香蒲、白千层和澳大利亚松等外来植物入侵了佛罗里达大沼泽地。就像购物中心和住宅区开发商已经铺设了东部和南部大部分可居住的土地一样，这些机会主义植物已经覆盖了鸟类曾经觅食的原生沼泽和湿地草原。在地表之下，新藻类积累更快，它们的残骸几乎完全消灭了水中的溶解氧。很少有鱼能生存。氮还污染饮用水，对婴儿尤其危险。它干扰了高铁血红蛋白向血红蛋白的必要转化，从而降低了血液携带氧气的能力，导致高铁血红蛋白血症，或蓝婴综合征。美国环保局已将硝酸盐与细菌一起列为只要超过基本水平就会对健康构成直接威胁的唯一污染物，而且它们正在越来越多地超过。根据美国地质调查局1995年的一份报告，9%的受检水井的硝酸盐浓度超过了环保局的限制；之前的研究表明，只有2.4%的水井是危险的。
加强农业不仅污染了我们的水，还腐蚀了空气。随着肥料在土壤中积累，细菌将其越来越多地转化为一氧化二氮（N2O）。一氧化二氮最著名的是“笑气”，一种常见的牙科麻醉剂，但它也是一种强效温室气体，效力比二氧化碳强数百倍，并且对臭氧层构成威胁。就像一台旨在创造和培育地球生命的鲁布·戈德堡装置一样，我们的生态圈显然经不起太多修修补补。稍微弄错一根小杆，整个连锁机制就会失灵。世界各地的科学家正在努力逆转富营养化的影响，富营养化是指引入过量营养物质。但是，尽管燃料电池汽车发动机和其他进步在不久的将来即将出现，而且氯氟烃已大多被更安全的化学物质取代，但氮没有这样的替代品。“欠发达地区仍有大量人口需要更好的食物供应，”杜克大学生物地球化学家威廉·施莱辛格说，“特别是在印度和非洲。当他们在大约未来50年内进入农业发展阶段时，每年部署到土地上的氮量至少会增加一倍。”改善肥料管理是减少径流的一个好方法。如果我们能更好地了解作物何时需要吸收氮，农民就能学会适量施肥，在恰当的时机。施莱辛格说：“当施用和吸收结合时，可以最大限度地减少径流。”在切萨皮克湾等一些流域，农民自愿减少了养分径流。在其他地区，农民别无选择：当苏联及其经济崩溃时，黑海附近的肥料突然变得难以获得。结果，黑海的缺氧区明显缩小。另一种不那么激进的减少氮使用量的策略称为“间作”，可以追溯到罗马时代。通过将标准作物行与固氮作物（如大豆或苜蓿）行交替种植，农民可以让大自然为他们施肥。间作对发展中国家来说可能是一个福音，那里肥料很难获得。困难在于设计新的耕作方案，而农民，像其他人一样，不愿放弃久经考验的方法。但即使是美国成功的农民也可能被说服。除了保护全球环境——一个有些无形的目标——间作还可以为他们节省肥料开支。而农业地区往往受硝酸盐污染的地下水影响最大。其他研究人员正在开发天然过程来清理我们的烂摊子。就像有些细菌可以从大气中吸收氮并将其排出为硝酸盐一样，另一些细菌可以消耗硝酸盐并将氮分子重新排回空气中。反硝化细菌数量太少，无法清理所有氮污染，但它们可以得到更广泛的使用。例如，爱荷华州和切萨皮克湾附近的一些农民通过附近的湿地排灌他们的农田，那里反硝化细菌很常见，这样多余的氮在到达溪流、河流和海湾之前就被消耗掉了。愿意冒着滑坡风险的生物学家可能想更进一步，将反硝化细菌添加到受硝酸盐污染的土壤或水中。在过去的几年里，已经确定了几种可能有用的细菌菌株。为什么不通过基因改造它们来完全实现我们想要的目标呢？对于任何熟悉全球入侵物种的破坏力的人来说，危险是显而易见的。基因改造微生物必须在大面积区域散布，使其难以监测。而在需求最大的发展中国家，几乎没有专家进行监测。基因工程细菌蔓延到目标区域之外并变异成新菌株的景象，让人想起22世纪的生物地球化学家回顾人们仍然可以奢侈地担心氮的黄金时代。弗里茨·哈伯在考虑在高压下加热铀、氢和空气时，无法想象他正在改变地球的环境平衡。如果我们不小心，我们纠正这种平衡的尝试只会引发另一个，甚至更具破坏性的连锁反应。哈伯的铀在许多方面都是奥本海默的铀。氮的简要突出历史 1910年 威廉二世皇帝希望德国扩张，但缺乏战争所需的肥料和炸药。缺失的成分：氮。 1912年 一位名叫弗里茨·哈伯的杰出年轻化学家发现了大规模生产氮的关键：高压和铀催化剂。 1956年 含氮肥料的生产呈指数级增长。在明尼苏达州，肥料袋中的模特在生产线上摆姿势。 1980年 在接下来的十年里，施用于作物的化肥，如这种氮磷钾混合物，将比人类历史上之前使用的总和还要多。 1995年 俄克拉荷马城阿尔弗雷德·P·默拉联邦大楼被一枚主要由硝酸铵和柴油制成的炸弹摧毁，造成168人死亡。 2001年 佛罗里达大沼泽地正被大量藻华缓慢扼杀，因为奶牛场和农场将其富含氮磷的径流排入沼泽。适应养分较少水域的原生物种，如附生藻类，正在被香蒲、白千层和澳大利亚松等外来植物取代。有关高铁血红蛋白血症或蓝婴综合征的更多信息，请参阅环境保护局报告《您的饮用水安全吗？》（出版物编号EPA 810-F-94-002，1994年5月），可在以下网址找到：www.epa.gov/region5/drink.html。如需更多信息，请联系环保局安全饮用水热线：1-800-426-4791。有关大沼泽地稀有亚热带生态系统面临威胁的更多信息，请参阅国家公园管理局网站“大沼泽地能幸存吗？”：www.nps.gov/ever/home.htm。要了解有关环保局控制墨西哥湾“死区”富营养化行动计划的更多信息，请访问：www.epa.gov/msbasin/actionplanintro.htm。阅读弗里茨·哈伯因其在氨合成方面的工作而获得1918年诺贝尔化学奖时的演讲：www.nobel.se/chemistry/laureates/1918/press.html。
