牛津通识读本：分子 [12]
所有脊椎动物和不少无脊椎动物都用血红蛋白来运送氧分子，不过不同的物种其确切的蛋白质形状有所不同。节肢动物和软体动物则使用另一种结合氧分子的蛋白质，称作蚯蚓血红蛋白。这种蛋白质里也有铁原子，不过不是被血红素基团束缚住的。它结合氧后会呈现介于紫色和粉色之间的颜色，未结合氧时则无色。有些海洋无脊椎动物会用另一种金属元素来输送氧，它们用来结合氧的蛋白质称作血蓝蛋白，呈现蓝色，也就说明其中包含铜元素。它们可谓海洋中名副其实的“蓝血贵族”。
绿叶的能量
地球大气之所以富含氧气，靠的是植物的功劳。光合作用是生物利用光的能量来制造分子，而氧气就是光合作用的副产品。因为植物和光合细菌位于食物链的最底层，所以地球上全部生命的能量最终都来自太阳能。没有植物我们就都完了，不但我们自己每天没有面包吃，牛羊也只能在不长草的贫瘠牧场中饿死。
光合作用是一种非常非常古老的生命过程。至少35亿年前，大陆才刚刚形成、寸草不生的时候，藻类就开始进行光合作用了。这些生命体是第一批自养生物——自己养活自己，能够用光、水和空气中的碳等原材料来制造自己的分子。每年大约有600亿吨的碳会从大气中的二氧化碳被转化为富含能量的生物质。我们把其中的一部分吃掉，烧掉，盖房子，造桌子，喂给牲畜，浆成纸张，织成布匹。而更多的能量则落到地上，被微生物分解，变成易挥发的含碳化合物重新回到大气中。经过地质学尺度上的很长时间，很多会埋在地下，压缩成为煤炭，或是分解成为石油或天然气。
光合作用依赖于能够与光相互作用的分子，分子需要吸收光的能量，并把能量传递到化学过程中。如果说线粒体是哺乳动物细胞中的锅炉房，那么叶绿体就是植物叶子细胞里的光能中心（如图23）。大致说来，叶绿体里所发生的反应过程正是葡萄糖代谢的逆过程，它利用二氧化碳和水制造糖类。“燃烧”葡萄糖是个能量下降的过程，于是我们就知道，光合作用中产生葡萄糖就是个能量上升的过程。正因如此，植物才需要光的能量参与进来。植物利用这些能量并不仅是制造葡萄糖、然后编织进细胞壁里的纤维素而已，与之同等重要的还有用能量来产生ATP分子，驱动细胞里的化学反应。
图23 植物在叶绿体中捕获光能，并将其转化为化学能。叶绿体中堆积着一层层的类囊体膜
有氧代谢和光合作用有若干相似之处。两者都包含两个独立的子过程——线性的反应序列与循环过程耦合，循环过程产生两个子过程都需要的分子，而两个子过程有着不同的进化起源。糖酵解和柠檬酸循环间的桥梁是作为电子摆渡船的NAD分子，而光合作用中两个子过程间的桥梁是个几乎一模一样的分子——磷酸NAD（NADP）。
在光合作用的第一阶段，光用来转化NADP，让它携带上电子（即转化成NADPH），并将ADP转化为ATP。这实际上是一个储能的过程，为叶绿体合成葡萄糖打下基础。第二阶段是个循环过程，称为卡尔文-本森循环，在这里ATP和NADPH用来将二氧化碳转化为糖（如图24）。
图24 在光合作用中，捕获的光能用来分解水、制造ATP，两者继而又驱动二氧化碳向葡萄糖转化
叶绿体中有层层叠叠的膜，称作类囊体膜，第一阶段就在膜表面上发生。类囊体膜上散布着一簇一簇的分子，称作“光系统”。在光系统中，能够吸收光的分子称作光合色素，它们开启了光能驱动的反应。光系统的核心称作光合反应中心，位于这个中心的是叶绿素a分子。叶绿素a能够大量吸收红光和蓝光，因而使叶子看起来呈绿色。
当叶绿素得到光能时，它会被“激发”，就像苹果树被摇晃。在激发态上，叶绿素束缚外层电子的能力减弱，于是其中一个电子就脱离它成为自由之身。这个电子接着会传递给一个酶。当酶收到两个从叶绿素“摇下来”的电子时，它就能把一个NADP阳离子转化成NADPH。在另一个光能驱动的反应中，缺了电子的叶绿素能重新从水分子中夺得一个电子。而水分子被分解为氢离子和氧原子。氧原子两两结合形成氧气分子，植物通过叶子表面的气孔把氧气释放出去。
叶绿素从水中得到电子的过程，实际上经过了一连串的分子传递，它们都嵌在类囊体膜上。传递过程的每一步都是能量下降的过程，都会释放能量，其中有某几步起到离子泵的作用，会将氢离子抽到类囊体膜的内部。膜上的ATP合成酶分子就利用膜两侧的不平衡作为能量源，风车般地将ADP转化为ATP。
不过，这时候光合作用还有任务没有完成，包括水的分解，以及能量源ATP、电子源NADPH的产生。ATP和NADPH这两种组分会释放到类囊体膜外面，即称作基质的液体中，它们在基质中驱动卡尔文-本森循环的反应过程，将二氧化碳转化为糖。这个阶段称为“暗反应”，因为其中并不需要光直接参与。美国化学家梅尔文·卡尔文推导出了这个过程中的大部分反应，为此他获得了1961年的诺贝尔奖。
今天，化学家对设计一个类似叶绿体的人工分子系统很感兴趣，这个系统可以利用阳光来驱动化学合成。亚利桑那州立大学的一个课题组用细胞状的合成结构模拟叶绿体，这种结构称为脂质体，是利用脂类分子做成的中空球形膜。研究人员在类脂体膜上撒有一些设计好的分子组合体，使它们能够执行与光合反应中心相同的任务：利用光能将氢离子抽入脂质体的内部。
研究人员将ATP合成酶分子注入他们的脂质体里，它们可以释放氢离子，并顺带制造了ATP。人们寄希望于ATP存储的能量能够用来进行化学合成，比如去执行某些工业上有用处的生化反应。
轰然结尾
葡萄糖和蜡（一种烃类）都“蕴含能量”，利用氧气断裂它们的化学键，就可以以热能的形式释放出能量（除非将能量导入其他形式）。但是，有些化学家却还在寻找蕴含着更多能量的分子。那么一个分子里究竟能装得下多少能量呢？
阿尔弗雷德·诺贝尔就在19世纪为回答这个问题而奔忙，结果却是一个广为人知的反讽：他发明炸药积累了大量财富，却用财产资助了一项著名的年度和平奖金。诺贝尔的创新，并不在于他发明了一种富含能量的分子，而在于他找到了一种方法把已有的炸药包装成另一种形式，减少了它趁人不备就随意爆炸的机会。
最古老的炸药是黑火药，它是硫黄、硝石（硝酸钾）和炭的混合物，约公元11世纪在中国发明。在西方，人们未加多少改动就直接应用它（造成了很糟的后果），直到19世纪科学家开始寻求制造更猛烈爆炸的办法。1845年，瑞士化学家克里斯蒂安·舍恩拜因发现了硝化纤维，即用硝酸和硫酸对棉纤维（纤维素）进行处理得到的化合物。这是第一例“半合成”聚合物，是自然界和化学家手艺共同的创造。人们后来又用硝化纤维来制造赛璐珞——一种硬塑料，还有第一例人造丝。但硝化纤维也具有爆炸性，所以就成为了著名的火药棉。
火药棉暴烈的脾气很难控制：人们最初尝试批量生产它时，造成了好几例死亡事故。1847年，意大利化学家阿斯卡尼奥·索布雷罗合成了一种相似的危险物质，称作硝化甘油。阿尔弗雷德·诺贝尔在1859年开始研究这种化合物，试图找到一种办法使它变得稳定，除非人们刻意让它爆炸。虽然1864年的一场爆炸事故炸死了他的弟弟，诺贝尔依然坚持研究，最终发现，将一种称作硅藻土的黏土与硝化甘油混合能够得到泥灰状的炸药，可以让人们安全地操控。他给这种炸药起名叫甘油炸药。1875年，诺贝尔发明了炸胶，这是硝化甘油和火药棉的胶状混合物，比两种物质各自分开的威力都要大。
这些炸药大部分用于采矿和建设中的爆破，这给诺贝尔带来了财富。但它们终归无可避免地也会用于军事。19世纪末，英国和法国军队使用了无烟火药—— 一种类似于炸胶的炸药。德国军队使用了三硝基甲苯（TNT），只有用一种次级的炸药引爆它才会爆炸。阿道斯·赫胥黎在《美妙的新世界》中向我们讲解了这种致命混合物的奇特的化学特性：
CH3C6H2（NO2）3 + Hg（CNO）2注等于，啊，什么？等于地上的一个巨大的窟窿，一大堆破砖碎瓦，几片肉和黏膜，一条腿飞到天上叭的一声掉下来，落到天竺葵丛里……注
上面所有这些化合物都是包含硝基的有机物质。所谓硝基就是一个氮原子连着两个氧原子。硝基化合物之所以有爆炸性，是由于这些材料在点燃时会使氮原子重新形成氮气分子。氮气分子的化学键非常稳定，在形成过程中释放大量的能量。同时，氧原子能够促进燃烧过程，使得燃烧迅速发生。开发威力更大的炸药，很大程度上就是要想办法把更多的硝基结合到有机化合物中。RDX（或称黑索金）炸药就通过这种办法改进了TNT，如今用在武器当中。目前所生产的威力最大的富氮化合物称作HMX，是高熔点炸药的缩写。
2000年初，芝加哥大学的化学家们设计了一种可能具有更多能量的硝基化合物。这种化合物名叫八硝基立方烷，包含八个碳原子组成的立方体，每个碳原子又连着一个硝基。这个分子不仅饱含硝基，而且立方体形状意味着碳原子间的键张力很大，很容易断裂。另外，由于分子形状紧致，它应该可以堆积起来形成密实的晶体形式。最初的实验还没有实现这种高密度的形式，但是计算结果已经预测，如果能造出这种形式，那么就单位质量来说它的爆炸能量将高于任何一种已知的非原子能炸药。
阿尔弗雷德·诺贝尔将遗产用于颁奖，可能是由于他的成果被用于杀伤和毁灭，他为此感到后悔，从而做出了这样的表示。但是很明显，并非所有化学家在面对与武器相关的研究时都会有这样的情感。在我个人看来，这种工作可以说是科学的不端。可更重要的是，对烈性炸药的研究表明，科学研究无法截然分成“纯粹”的、无关道德的科学部分，和低等的、满足社会“应用”的科技部分。制造八硝基立方烷确实是高超技术取得的辉煌成就，但它也得到了美国国防部的资助。
炸药这个例子向我们透露了分子科学的两面性。爆炸其实也是化学的一部分乐趣所在——在学校实验室里就能实现的经典爆炸反应，有几个崭露头角的化学家从没想要做做看呢？我所知道的就至少有一位德高望重的科学家曾经被学校开除，因为他差点把学校毁了。（他现在在研究能灭绝所有生物的巨大陨石的影响。）不过，从这些小爆炸、小闪光到德累斯顿和汉堡注的