化學教科書又要改版了！

化學元素周期表剛剛多了兩個新成員：元素 114 和 116，前者命名 Flerovium (Fl)，後者命名 Livermorium (Lv)。對普通人而言，兩個名字都是「佢識我我唔識佢」，究竟有什麼意義，為什麼改這些名字呢？

躋身周期表是非常嚴肅的一件事。這樣重的元素自然界找不到，人工製造是把兩顆較輕的原子結合，以元素 116 為例，科學家用粒子加速器把原子序 96 的 curium 與原子序 20 的 calcium 相撞，由於帶正電的原子核互相排斥，相撞速度必須夠快，兩顆原子才能二合為一，但又不能太快，否則便會撞散；即使結合成功，新原子並不穩定，很快衰變，科學家就是憑衰變時釋出的一連串粒子推測新元素的存在。一次成功並不足夠，必須很多次實驗累積很多數據新發現才算滿意。

誰決定滿意不滿意？由 International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) 及 International Union of Pure and Applied Physics (IUPAP) 組成的委員會決定，當他們認為某新元素證據充分之後，發現者可以替元素命名，命名建議再經五個月公開咨詢，通過才正式納入周期表。由最初發現至「躋身正統」往往需時經年，以元素 114 為例，早在 1999 年已初見端倪，十幾年後的今天才正式成為周期表元素，可以說審批程序嚴謹，可以說委員會工作效率低，可以說抱持懷疑態度、不斷要求更多證據的科學家「玩嘢」或「拉布」，視乎你的取態。

根據 IUPAC，兩個新元素由兩所實驗室合作發現，分別是俄羅斯 Dubna 市的 Joint Institute for Nuclear Research 及美國加州 Livermore 市的 Lawrence Livermore National Laboratory。留心的讀者會發現，元素 116（Livermorium）就是以後者的所在地命名，根據公平原則，另一新元素的命名「主導權」應歸俄羅斯一方了。沒錯，上說 Joint Institute for Nuclear Research，裏面實際進行硏究的單位名為 Flerov Laboratory of Nuclear Reactions，以紀念俄國著名核子物理學家 Georgiy N. Flerov，亦是元素 114（Flerovium）名字的由來。

世上只有三個實驗室擁有製造新元素的能力，上面說了兩個，第三個是德國 Darmstadt 市的 GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research，又看看他們愛給元素什麼樣的名字。周期表上一次更新在去年 11 月，一口氣加了三個新元素，全部由他們命名：

元素 112，copernicium，Cn：紀念哥白尼（Nicolaus Copernicus），五百年前提倡地球繞着太陽轉那位。
元素 111，roentgenium，Rg：紀念Ｘ光發現者 Wilhelm Roentgen，德國人，第一屆諾貝爾物理學獎得主。
元素 110，darmstadtium，Ds：實驗室所在地。

若能洞悉「字根」，不難估計是哪國取的名字，他們愛用實驗室地名、本國或本洲科學家姓氏，唯一難處是某些地名或人名未必為公眾所廣知。沿着周期表下行：

元素 109，Meitnerium，Mt：Lise Meitner，德國奧地利女科學家，在德國硏究。
元素 108，Hassium，Hs：源自德文「Hesse」，實驗室所在州份。
元素 107，Bohrium，Bh：波爾（Niels Bohr），丹麥人，中學教科書必定提及、量子物理學奠基者之一，二戰時期曾逃往美國，但主要學術貢獻在歐洲完成，屬於歐洲人多過北美人。此元素名稱由德人建議。
元素 106，Seaborgium，Sg：Glenn Seaborg，美國化學家，顯然是美國人取的名字。
元素 105，Dubnium，Db：Dubna 市，上述俄國實驗室所在地。
元素 104，Rutherfordium，Rf：Ernest Rutherford，紐西蘭人，另一位中學教科書必定提及的偉大科學家，主要在英國及加拿大工作，不折不扣的 Anglo-Saxon。此元素名稱由美國人建議。

大家注意，嚴謹的命名程序建立了不過十幾年；向來元素名稱都是約定俗成的，不同地區可有不同叫法，上世紀九十年代要把名稱標準化的時候，元素 108 及以下便曾有過一番爭論，最終的「標準共識」可說是德、美、俄三國學術界較勁的結果，或多或少顯示各實驗室的國際地位。

（2012 年 6 月 9 日 信報副刋）

紅酒除了飲之外，還有什麼用途？

滷水很有用，煮什麼也可以，任何食物浸進去烹調，讓滷水的美味滲透，拿出來特別味美。

本着同一道理，有人用可口可樂煮雞翼，有人用紅酒燴牛尾，原理都是讓液體的味道滲進食物，令食物更加可口。

最近在日本，一組科學家把很多支紅酒帶回實驗室，是開派對呢，還是試試哪一支燴的牛尾最好吃？

在這實驗室裏，紅酒不是用來煮食，也不是拿來飲，而是用來煲，把一些鐵塊放進 70 度攝氏的紅酒煲 24 小時，那些鐵塊就變成超導體！

需要註明兩點。首先，不是任何鐵塊，他們用的是 FeTeS，即是鐵（化學式「Fe」）、碲（Te）、硫（S）的化合物，市面上沒有得賣，他們自己硏製的。其次，和很多超導體一樣，必須冷凍至零下二百多度，超導性才會顯現。（地球上錄得最低溫度只有零下 89 度，超導體所需的低溫由液化氮或液化氦提供。）

最引人入勝的是，FeTeS 原本不超導，為什麼紅酒煲過便能超導呢？什麼成分滲進鐵塊改變其導電性？

科學家不知道，這也正是實驗需要很多支紅酒的原因；每種紅酒的成分都有少許不同，其誘發超導的本事有沒有分別？他們找來六種紅酒，各煲鐵塊 24 小時，發現 Gamay（Beaujolais）紅酒效果最好；分析每支的化學成分，發現超導性與酒石酸（tartaric acid）的濃度最有關連，Gamay 含酒石酸最多，鐵塊煲過後的超導性也最強。

把酒石酸與水混合，煲鐵塊的效果如何？超導性也會出現，但及不上 Gamay 紅酒，換句話說，酒石酸是誘發超導性的成因之一，但非故事的全部，紅酒裏還有一些秘密成分，科學家還未知道是什麼。

酒石酸使 FeTeS 發生了什麼變化，使之變成超導體？也不知道。其實超導體的硏究與古時的鍊金術差不多，把各種元素混合混合，加熱煲上一段時間，看看煲出了什麼。鍊金術師缺乏基礎化學知識，鍊出什麼只能靠經驗、直覺和運氣（又叫斷估）；今日科學家雖然懂得高深的物理和化學，但遇到超導體亦只能倚靠經驗、直覺和運氣（又叫斷估）。解釋超導體的理論是有的，但預測力有限，什麼成分能夠超導，降至什麼低溫才開始超導，全得做實驗。依我說，雖然超導體發現了一個世紀，它的硏究還滯留在中古時期。

或許我不應揶揄他們，歷史上先發明，後理解的例子多不勝數。先發明蒸汽機，後才有熱力學；先發明鎢絲燈泡，後才有量子力學；前人吃草藥治病，你猜他們明白身體的運作嗎？上世紀五十年代初嘗以化療對抗癌症，醫生根本未明白癌症的成因；即使醫學（所謂）進步的今天，某些病症也要用藥後才知道藥物有效與否，那是不是說醫生根本不知道藥物有沒有效？

最後不能不提廚師，煮滷水鴨舌、可樂雞翼、紅酒牛尾的時候，究竟知不知道什麼東西滲進了食物，使食物比原來味美呢？知道的話，他是一位化學家。不知道呢，他才是一位廚師。

（2012 年 5 月 12 日 信報副刋）

學術參考：
Keita Deguchi, et al. (2012), “Tartaric acid in red wine as one of the key factors to induce superconductivity in FeTe_0.8S_0.2,” arXiv:1203.4503v1

生命如何爆出來？

科學上有些疑團，不僅難以解開，根本無法完滿解答 －－ 生命的起源就是這樣一個 unknowable 的難題。

生命的奇妙，自古便深深吸引着人類。古時有個想法，一切由生物分泌或提煉的物質都是神聖的，載着某些生命的要素，其成分有別於如空氣、石頭等死物。這想法稱為「vitalism」，認為生命來自一股神秘的「能量」，有這股「能量」的東西便有生命，沒這股「能量」的東西便是死物。「有機」（organic）一字，二百年前出現，本意是一切從生物得來的物質；其餘物質，便稱「無機」（inorganic）。

在 vitalism 的框架內，有機和無機屬於兩個不相容的領域，兩者「井水不犯河水」；無機物不會變成有機物，反之亦然。

1828 年，德國人 Friedrich Wöhler 把無機的 NH₃（阿摩尼亞）和氰酸（cyanic acid）加熱，得出有機的尿素（urea，來自動物尿液，故有機）。自此，有機和無機的界線開始模糊，分隔兩者的圍牆開始倒下。

現代化學裡，一切含碳物質皆稱「有機」。此定義並非無懈可擊，例如 CO₂（二氧化碳）、鑽石和石墨（碳的兩種形態）、大理石和梳打粉（都是碳酸鹽），從來不是「有機」的代表，但除卻這些明顯例子外，「含碳就是有機」還是說得過去的。

有機無機的互換，一點也不神秘，說到底只是原子的再分配。舉例，電油燃燒，長長的有機化合物被拆散，產生氧化碳、氧化硫、氧化氮等，全是無機氣體；有機就是這樣變成無機。

從「有」到「無」，十分容易。從「無」到「有」，可能嗎？這是生命起源的基本疑團。原來只有無機物的史前地球，怎樣生產第一團有機物質，作為生命的原材料？換個說法，生命怎樣由石頭爆出來？地球如何「無中生有」？


1953 年，在美國芝加哥大學進行的一次經典實驗，給了我們一個啟示。化學系博士生 Stanley Miller 在導師 Harold Urey（1934 年諾貝爾化學獎得主）指導下，把裝滿 NH₃、CH₄（甲烷）和 H₂O（水蒸氣）的容器接上高電壓，通電產生火花，模擬史前大氣層雷電交加。一星期後，容器內發現氨基酸（amino acid），蛋白質的原材料。Miller 構想，史前大氣層經無數次閃電「洗禮」，便是地球第一團有機物的來源。

氨基酸是什麼？一條以碳為骨幹的分子，一端為 COOH（一碳、二氧、一氫），另一端為 NH₂（一氮、二氫），就是氨基酸；中間的碳骨幹可以變化無窮，只要分子兩端合符「標準」，便可稱為氨基酸。Miller 實驗以 NH₃、CH₄ 和 H₂O 起始，閃電把氮、碳、氫、氧再分配，得出以 COOH 和 NH₂ 作「標誌」的氨基酸，對愛「馬後炮」的我來說，一點也不意外。

兩條氨基酸，一條的 COOH 對準另一條的 NH₂，有什麼發生？兩者結合，釋出一顆水分子（H₂O），餘下一個 CO-NH 連結，兩條氨基酸連接起來。COOH 和 NH₂ 就像一塊磁鐵的南北兩極，讓氨基酸無止境接駁下去；一列長長的氨基酸，就是經常聽說的「蛋白質」。肌肉、神經、頭髮、指甲都是蛋白質，說身體大部分由蛋白質組成並不為過。

在 Miller 實驗的五十年代，普遍認為史前大氣層充滿着 NH₃ 和 CH₄（亦是 Miller 實驗採用的氣體）。到了九十年代，意見漸漸改變，認為 CO₂ 和 N₂（氮氣）才是史前大氣層的代表，兩種氣體都沒有包括在 Miller 實驗之內。換句話說，Miller 實驗雖然證實「無中生有」的可能，但這可能性並不屬於我們的星球。有人採用 CO₂ 和 N₂ 重覆 Miller 實驗，不見氨基酸的蹤影，我們距離生命之源的答案退了一步。

2008 年，Miller 的意念獲得重生。他兩位高足 Jim Cleaves 及 Jeffrey Bada 懷疑那失敗的實驗存在漏洞，閃電能夠製造氨基酸的同時，也能產生摧毀氨基酸的氮化合物，兩者抵消，氨基酸遂不見蹤影。他們重覆 CO₂ 和 N₂ 的閃電實驗，加進物料吸收氮化合物，氨基酸果然「失而復得」。史前大氣層借閃電之助「無中生有」的假想，再次獲得證實。

氨基酸無疑是生命的原料，但不可能是答案的全部，因為更基本的遺傳物質 DNA 和 RNA 並非氨基酸。DNA 是去氧核糖核酸，RNA 是核糖核酸，兩者都是由核酸（nucleic acid）串連而成。DNA 是基因的載體，儲存着製造蛋白質的指令，RNA 則像圖書管理員，控制着指令的執行；DNA 和 RNA（核酸）攜手管理着蛋白質（氨基酸）的製造和使用，我們的身體是核酸指揮氨基酸。一碟完整的生命原材料，兩種「酸」都需要。

閃電產生氨基酸，核酸又怎樣出現呢？可能來自隕石。最近有人找來隕石碎片，磨碎，去除有機物質，剩下無機礦物，混合 HCONH₂（甲醯胺，formamide）加熱至攝氏 140 度，兩天後，核酸和氨基酸竟會自然出現。為什麼混合 HCONH₂ 呢？此物質有在太空飄浮，隕石跟它相遇不出奇，說不定核酸和氨基酸就是這樣太空製造，隨隕石散落地球。

生命種子來自太空的假想由來已久，這是第一次找到具體證據。

生命原料齊備，不代表生命便會「應運而生」，正如煮餸不是將材料混合這麼簡單。生命是 DNA／RNA 指揮蛋白，然而指揮過程需要很多蛋白協助方能成事，那究竟是 DNA／RNA 還是蛋白首先出現？假如你不明白，讓我舉例。我寫文章，必定參考自己的舊文，那我的第一篇文章怎樣寫？有雞先還是有蛋先？

曾有想法認為，DNA／RNA 的複製及指揮過程實在太複雜，必須週遭環境配合，有適當蛋白作配套，它們才能有作為，因此蛋白先行。

近年想法逆轉，發現 RNA 有時能夠「自己幫自己」，獨自完成複製和指揮過程。現今主流看法認為 RNA 是生命的「開荒牛」，DNA 和蛋白只是「後來者」。

我們沒有時光機，不能重回史前地球，生命起源之謎永沒肯定的答案。Unknowable 也不錯，我們可以辯個不停，直至生命完結為止……

（2011 年 5 月 11 日 信報副刊）

學術參考：
Carl Zimmer (2009), “On the Origin of Life on Earth,” Science 323, 198-199.

H. James Cleaves, John H. Chalmers, Antonio Lazcano, Stanley L. Miller, Jeffrey L. Bada (2008), “A Reassessment of Prebiotic Organic Synthesis in Neutral Planetary Atmospheres,” Origins Life Evol Biosph 38, 105-115. doi:10.1007/s11084-007-9120-3

婚姻的關「鍵」

「我有咗。」她邊說邊呆望着碗中的白飯。白飯冒出的煙，隱藏着大半邊面孔。

這是純粹事實的告知，還是渴望復合的暗示，我不知道。我等她說下去，但她沒再說半句。白飯不再冒煙，卻不代表一目了然。模糊的面目，依然模糊……

「我愛你」，是一段感情的開始；「我願意」，是一段婚姻的開始；「我有咗」，竟然是復合的開始。原已決定離婚的我倆，再次走在一起，不是被逼，也不是自願，胡裡胡塗的人生，繼續胡裡胡塗的走下去……

原已離心的兩人，就像兩顆帶正電的原子核，相互排斥，若非某些力量從中牽引，只會各走各路。氫氣是 H₂，由兩顆氫原子構成，之所以合一，有賴兩顆帶負電的電子鑽進它們中間，電子同時吸引兩顆帶正電的氫原子核，把它們牢牢地拉作一團，兩者「逼不得已」結合成 H₂ 氫分子。這樣的結合，化學上稱為「共價鍵」（covalent bond）。「共價」，有「共享」的意思，即兩顆氫原子因「共享」某數量的電子而結合。

孩子出生後，我和她分擔養育的責任和費用，各人一半，互不拖欠。孩子是個體，不能亦不應被「分享」，但我倆共同承擔，原已離心的兩人，因小生命的出現「逼不得已」再次走在一起，可說體現了「共價鍵」的精神。從前讀化學，不明白為何「bond」譯作「鍵」，現在有所領悟，原來兩件物體結合，必有第三方作「關鍵」，例如電子作為原子結合的「關鍵」，孩子作為我倆復合的「關鍵」，沒有一個「鍵」，結合根本不會發生。「bond」譯作「鍵」，足見譯者的智慧。

沒有「關鍵」，沒有結合。「關鍵」在，結合卻未必發生，這要視乎個別情況。有多少電子也好，不是任何兩顆原子也能夠結合，要視乎原子本身的組成，簡單來說，若果結合後整體能量較低，結合便發生；假若結合後整體能量上升，便維持原狀。大自然永遠喜歡能量較低的安排。

人不關心能量，只關心快樂，不獨自身的快樂，還有身邊人的快樂。換個較為學術的說法，人所尋求的，是「快樂最大化」（maximize happiness）。我和她決定復合，就是為了「最大化」這個家庭的總體快樂，不是我倆的快樂，而是包括孩子的快樂。

孩子是我和她之間的「共價鍵」，一點沒錯。然而，隨着孩子成長，這個「鍵」的性質開始轉變。孩子喜歡親近她，「共價鍵」漸漸向她「傾斜」。我們依然分擔照顧的責任和費用，但孩子跟她的關係較為密切，是路人皆見的。

化學上也有這種「傾斜」的共價鍵。水是 H₂O，氫和氧原子之間由共價鍵連接，但氧原子對電子較為吸引，故電子會偏向氧原子，使氧原子的一端積聚較多負電，氫原子的一端較多正電，這稱為 polar covalent bond，仍是共價鍵，但是有正負兩極的共價鍵。

一天，孩子頑皮，我用藤條懲處，鄰居看見，報警說我虐兒。恰巧孩子早前在校玩耍，跌跌撞撞，身上幾處瘀傷，我百詞莫辯，法官判罰百多小時社會服務令及必須遷離住處，從此不准接近小孩。就這樣，一個大好家庭慘遭拆散。

她對我還算信任，容許孩子跟我通電話。我和她的「共價鍵」雖被拆散，幸好世上還有「離子鍵」（ionic bond），使我倆不致分道揚鑣。離子鍵裡，電子不是共享，而是由一顆原子轉移至另一顆原子，失去電子的原子帶正電，接收電子的原子帶負電，正負相吸，兩者繫在一起，鹽（NaCl，氯化鈉）裡面的氯和鈉原子就是以離子鍵連接的。

現在孩子與她同住，撫養的責任由她一力承擔，我和她的聯繫，已由「共價鍵」變成「離子鍵」，我「失去」的孩子由她「保管」，「離」開了的兒「子」變成我倆保持聯絡的關「鍵」，中譯隱藏的智慧，嘆為觀止。

從前讀化學，原子結合的方式，只有共價鍵和離子鍵兩種，近年發現第三種，叫 charge-shift bond，簡單來說，這是共價和離子鍵的混合，電子時而共享、時而轉移至其中一顆原子保管，很多原來以為是共價鍵的物質，其實是 charge-shift bond 才對，氟氣（F₂）和氯氣（Cl₂）是二例。

我正在上訴，不是要求返回「共價鍵」，只要法官容許我每星期數小時陪伴孩子，這種「charge-shift bond」式關係，我便心滿意足了。

（2010 年 7 月 20 日 信報副刊）

學術參考：
Sason Shaik, David Danovich, Wei Wu, Philippe C. Hiberty (2009), “Charge-Shift Bonding and Its Manifestations in Chemistry,” Nature Chemistry 1, 443-449.

Lixian Zhang, Fuming Ying, Wei Wu, Philippe C. Hiberty, Sason Shaik (2009), “Topology of Electron Charge Density for Chemical Bonds from Valence Bond Theory: A Probe of Bonding Types,” Chemistry - A European Journal 15, 2979-2989.

Philippe C. Hiberty, Romain Ramozzi, Lingchun Song, Wei Wu, Sason Shaik (2006), “The Physical Origin of Large Covalent-Ionic Resonance Energies in Some Two-Electron Bonds,” Faraday Discussions 135, 261-272.

Gjergji Sini, Philippe Maitre, Philippe C. Hiberty (1991), “Covalent, Ionic and Resonating Single Bonds,” Journal of Molecular Structure 229, 163-188.

勝天？由氮說起

聖經有個巴別塔的故事。話說巴比倫人好大喜功，打算建築一座巴別塔與天比高；神不喜愛他們自大狂妄，便運用神力使他們操不同語言，「雞同鴨講」的巴比倫人溝通不成，各散東西，塔也就建不成了。故事的教訓：我們應該敬畏神，永不要挑戰祂的無上權威。至少基督徒如是說。

我，卻有另一番解讀。我懷疑，神只是在試探巴比倫人的決心。你看哥本哈根氣候峰會那些即時傳譯，便知語言根本不是什麼障礙。巴比倫人因為言語互異而四散，與其說是上天的懲罰，不如說他們沒有建塔的決心，遭遇少許波折便輕言放棄。這樣看來，那 193 個國家願意在哥本哈根熬至最後一刻，對解決氣候暖化的承擔，比巴比倫人建巴別塔好了一大截。此外，以神的胸襟，看見自己的創造能夠有日超越自己，這種青出於藍的喜悅，不是遠勝至高無上的寂寞嗎？我認為，巴別塔半途「峻工」，神應該感到萬分失望。

數千年後的今天，由於言語不通而作罷的事例，我再沒聽聞。人類也再不會興建巴別塔這類「大白象」，我們嘗試以更實際的手段去主宰自然，在這過程中，我們靜悄悄地「超越」了大自然而不自知，本文將會談及一個例子。

氮是生命的要素，是 DNA 和很多蛋白質的主要成份之一。大氣層接近八成是氮氣，然而大部份生物都不能直接從大氣中汲取，氮氣必須經過「固氮」（nitrogen fixation）的過程方能被吸收。氮氣是 N₂，是兩粒緊扣的氮原子，「固氮」過程就是要分開這兩粒氮原子，再接上氧或氫，即最終產物是「氮－氧」或者「氮－氫」。這個過程可視為把大氣中不能直接吸收的氮氣「固定」在另一可供吸收的狀態，遂名「固氮」。自然界中，某些細菌和海藻擁有固氮的機能，另外還有些專門固氮的微生物與大豆（soybean）和榿木（alder）共生，生於其根部。

十九世紀中期，科學家發現氮對農作物的重要性。十九世紀末，歐洲有人意識到，若果找不到足夠的氮資源，便不可能種植充足的糧食支持人口的不斷增長，幸好後來在一些太平洋島嶼和南美發現大量鳥糞，成為當時肥料的重要來源。1913 年，發明了 Haber-Bosch process 人工固氮，把氮氣轉化為阿摩尼亞（NH₃），從此想製多少肥料便有多少肥料，想製多少炸藥便有多少炸藥，「氮危機」從此不再。此後全球人口快速增長，或多或少與糧食供應充足有關。今日，世上超過一半食物都是來自 Haber-Bosch process 生產的氮肥料。

從前人類倚靠微生物天然固氮和動物糞便獲得氮源，Haber-Bosch process 發明後人工固氮大行其道；二十世紀後期，以人工方法「固定」的氮氣經己超過所有陸上生態系統天然固氮的份量，這便是人類靜悄悄超越大自然的例子，沒有壯麗的景觀，沒有紀念的時刻，沒有故意的規劃，只有填飽一個又一個的肚子。上世紀五、六十年代的綠色革命使全球糧食產量急增，新品種的稻米和小麥固然應記一功，Haber-Bosch process 所製的氮肥料也功不可沒。

氮肥料的廣泛使用也有其害處，例如增加土壤的酸性，減少生物的多樣性等，氮肥料流失至河水更會造成污染，不但導致有毒海藻滋生，還會影響健康。不說不知，原來肥料中所含的氮，只有大約 10% 會進入我們的身體，其餘的去了哪裡？讓我們看看整個流程。假設化工廠剛剛製成一堆肥料，內含 100 粒氮，真正落田的只有 94 粒，因為小部份會在運送和儲存中途流失掉。落田的 94 粒之中，只有一半被農作物吸收，其餘的可能被水沖走，也可能化成 NH₃、NO 或 N₂O 等氣體揮發掉。47 粒被吸收的氮，農作物生長時流失少許，收割時又流失少許，最終只有 31 粒被收割。收割後，食物可能腐爛，製作過程中又會消耗少許，食客更會浪費不少，最後進入體內的只有 14 粒氮；這是假設你吃植物。吃肉的話，收割的那 31 粒氮會首先用來餵飼禽畜，再如以上東減減西減減，進入人體內的氮只有 4 粒。換句話說，如果你吃素，86% 的氮在進食前經已流失掉；如果你吃肉，這比例更會高至 96%。我們吃氮，想不到竟是如此低效率。

以上只說固氮及其對農業的重要，但地球的「氮循環」還有另一方面，就是那些氧化氮氣體如 NO、N₂O 和 NO₂ 等。人類廣泛使用化石燃料之前，這些氣體的來源主要是閃電。化石燃料普及之後，人類活動當然成為氧化氮的主要來源了。燃燒化石燃料會產生氧化氮，一來是因為燃燒過程令空氣中的氧和氮給合，二來是因為燃料中含有氮的原故。告訴大家一件比較少為人知的事，一般以為只有那些含有 Chlorine 或 Bromine 的氣體才會侵蝕臭氧層，其實 NO 和 NO₂ 也有相同效果。事實上，由於蒙特利爾協定成功控制 CFC 等氣體的排放，氧化氮現已成為侵蝕臭氧層的氣體之中排放量最高的。

我們雖然沒有再建巴別塔，但從我們靜悄悄超越大自然的例子和主宰天地萬物的程度來看，「人定勝天」似是不爭的事實。然而，勝天帶來的後果，我們能否完滿解決？我們需要戰勝或超越的，是「天」還是「天性」？

（2009 年 12 月 30 日 信報副刊）

本文主要資料來源：
Ambio Vol. 31 No. 2, March 2002
James N. Galloway and Ellis B. Cowling
Reactive Nitrogen and The World: 200 Years of Change

從蒙特利爾看哥本哈根

氣候峰會進行之際，眾參與國應對氣候暖化有何良策，我們引頸以待……

抑或，眾人皆知這類有賴各國自律的多邊協定是「姿勢多於實際」，故從未對其寄予厚望？

我屬於後者。

抑或，是我過份悲觀？歐盟上月發表《溫室氣體排放的趨勢及預測 2009》，對達致 2012 年京都協定的減排目標滿有信心。

然而，世上最大溫室氣體生產國－－中國和美國－－對承擔減排責任「步步為營」，今日即使答應減排，他日能否貫徹執行，實屬未知。

哥本哈根氣候峰會將會成為人類通過協商合作完善管理地球資源的最佳示範，還是一次全球性公地悲劇（Tragedy of the commons）的開始，只有留待時間考証。回望過去，其實我們早有成功的先例。1987 年蒙特利爾協定，便有效地減少損害臭氧層氣體的排放，曾被譽為「可能是有史以來最成功的國際協議」。哥本哈根可會是蒙特利爾的再版？

化學家早於 1960 年代末便懷疑一些用於冷凍、空調、噴霧等系統的氣體或會影響環境，1970 年代初知道有關氣體能夠侵蝕臭氧層，從此一些國家已經自行立法規管，這是先於任何國際協議。1985 年，南極發現臭氧層穿洞，引起全球廣泛關注，促成 1987 年蒙特利爾協定，侵蝕臭氧層的氣體將會漸被取締。後來該協議再經多次修訂，根據 1999 年北京的最終版本，發達國將於 2030 年完全停止使用，發展中國家則於 2040 年。效果方面，大氣層中侵蝕臭氧的氣體自 1990 年代已經再沒增加，臭氧濃度近年亦見回升，雖然南極那個臭氧洞仍在^[1]，科學家預計它會在本世紀中葉消失^[2]；到了本世紀末，臭氧層應會完全康復^[3]。

So far so good。溫室氣體減排會唔會咁「順攤」？

侵蝕臭氧氣體主要為 CFC，1930 年代才發明，1970-80 年代開始減用；五十年的「孽」，需要整個世紀償還。溫室氣體減排的終極目標是把大氣中溫室氣體的濃度降至工業化前的水平；工業革命至今二百五十年，我們還未認真減排，不用仔細研究也知道終極目標不可能在本世紀、甚至下世紀內實現。科學界對此心知肚明，因此給我們一個比較現實的目標：把升溫限制在攝氏二度之內。看着中美兩國「慢條斯理」，我認為達致此目標已是了不起的成就。

誠然，減用 CFC 與減排二氧化碳是兩回完全不同的事，前者在冷凍、空調、滅火等應用對現代社會固然重要，後者的產生卻是近乎必然，因為二氧化碳是絕大部份能量來源的副產物。不用 CFC，頂多不再嘆冷氣；不呼 CO₂，社會會停頓，人會死。

另一個問題，是「代用品」（alternatives）。不用 CFC，其實可以繼續嘆冷氣，因為還有 HCFC。蒙特利爾協定生效前夕，化學品製造商便已爭相研發取代 CFC 的化學物，HCFC 就是他們的成果。說到這裡，或者我應該談談這堆英文字母背後的意義。「CFC」的第一個「C」是 Chlorine（氯），「F」是 Fluorine（氟），最後一個「C」是 Carbon（碳），由這三種元素組成的氣體能夠侵害臭氧層；說得準確一點，其實是那粒 Chlorine 原子能夠跟臭氧產生化學作用，從而減少大氣層的臭氧。記着，罪魁禍首是 Chlorine。

「HCFC」又是什麼？「H」是 Hydrogen（氫），之後的三個英文字母與上同。

等等，那 HCFC 不是依然包藏 Chlorine 這粒罪魁嗎？對，不過 HCFC 較易在大氣層分解，在飄至離地面十五公里的臭氧層^[4]之前大多消散掉。包含 Chlorine 之餘，那種氣體分子還必須有足夠的化學穩定性，才能「護送」 Chlorine 至臭氧層肆虐。然而，「漏網之魚」總不能免，少部份 HCFC 還是會飄到臭氧層造成破壞，所以它只是一件「過渡性」代用品，上面提過發達國於 2030 年、發展中國家於 2040 年停用所有侵害臭氧層的氣體，說的就是 HCFC。

那 HCFC 又有沒有代用品？有，而且是終極代用品，包保不再破壞臭氧層。拿走 Chlorine，不就是 HFC 嗎？除去罪魁便不可能傷害臭氧了，對啊，HFC 就是我們夢寐以求的終極代用品。

等等，這只是對修補臭氧層的蒙特利爾協定而言。以上提過的所有英文字母組合，包括看似安全的 HFC，都是比二氧化碳強過千倍的溫室氣體（就同等重量而言），京都協議和將來任何減排協定均會對其加以監管，最終可能遭淘汰。

怎麼辦？會否終有一天沒冷氣？不用擔心，原來天然的代用品多的是，包括阿摩尼亞、丙烷（propane），還有意想不到的 CO₂！可口可樂經已計劃 2010 年完結前安裝十萬部使用二氧化碳的汽水機。看來，只要我們仍想嘆冷氣，我們便有用不完的冷凍劑代用品。

看來，我們也有數不完的另類能源，可惜沒有一樣能在可見將來挑起替代化石能源的重任，核能或是唯一例外。個人認為，蒙特利爾協定的成功，很大程度在於找到功能相約的 CFC 代用化學物；在未有另類能源可「擔大旗」的情況下，減排溫室氣體的道路必定更為崎嶇。

蒙特利爾協定還有一位「得力助手」，就是 1985 年在南極發現的那個臭氧洞！想像，若果我當時告訴你，全球大氣層的臭氧水平比正常低 2%（這是事實）^[5]，你可能只會嗤之以鼻；我再告訴你大氣層有個大過澳洲嘅「窿」……這種震撼，非任何數字和論據可比。為何全球臭氧層變薄，但唯獨南極有個洞，根本無人會深究；眾人只知頭上有個窿，如果今天不修補，明天便可能患上皮膚癌，於是一起向政府施壓。臭氧洞喚起的關注和危機感，不但推動各國立法和蒙特利爾協定的進行，更是環保分子的美夢。

氣候暖化就是缺乏一個「洞」，一件令舉世震撼的事。2005 年侵襲美國新奧爾良的卡特里娜颶風，2008 年開始的南極威爾金斯冰架倒塌，今年吹襲台灣的颱風莫拉克，你都可說是震撼；但於我個人而言，沒有一件事比得上大氣層穿窿來得震撼。走崎嶇路必須有走崎嶇路的決心和勇氣。平心而論，我還未見足夠的政府和人民有着這樣的決心和勇氣（包括我自己）。

「唔見棺材唔流眼淚」，或許這是人的本性，希望氣候暖化給我們的「棺材」不會來得太遲吧。

（2009 年 12 月 9 日 信報副刊）

相關連結及 References：

United Nations Environment Programme
Production and Consumption of Ozone Depleting Substances under the Montreal Protocol 1986-2004 (2005)
第 7 頁有個清晰圖表顯示各種受管制氣體的取締進程。

United Nations Environment Programme
Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2006 (or here)
可說是臭氧層科學的「教科書」，不用讀完整本，只要讀過「Twenty Questions and Answers About the Ozone Layer」那一章，你對臭氧層的認識已經超過世上九成的人，文中很多較技術性的資料都是取自這裡，例如：

[1] Q.23頁：南極臭氧洞大小的歷史數據。

[2] Q.34頁：Around midcentury, the effective abundance of ozone-depleting gases should fall to values that were present before the Antarctic “ozone hole” began to form in the early 1980s.

[3] Q.1頁：Now, with continued compliance, we expect recovery of the ozone layer by the late 21st century.

[4] Q.3頁：臭氧層高度

[5] Q.28頁：全球臭氧水平圖表。1985 年發現南極臭氧洞之時，大氣臭氧水平只比正常的低 2%；最嚴重時也不過 5-6%。

至於為何全球臭氧層變薄，卻只有南極穿洞，自己看吧，在Q.19頁。

化學家與火車卡

上回說到科大唐本忠教授與幾位內地學者發展出一枝「高科技銀針」，可以探測有毒物質cyanide（即山埃）的存在，就像我國用（真正的）銀針試探砒霜這傳統的現代版。讓我們回顧這枝「高科技銀針」的特性：正常情況下，它會發出瑩光；但浸入含有銅的水中，便會熄滅；再浸入含有山埃的水中，便再次發光。換句話說，它同時是銅和山埃的探測器，由於山埃的毒性，方便快捷地對之進行偵測和量度在實用層面有其價值；不為一般人察覺的，是這枝「銀針」還有著更深層的化學意義--關鍵在於這枝「銀針」的物料，一種用嶄新方法合成的「膠」。

日常生活遇到的塑膠、車胎的橡膠、衣服的尼龍，化學上統稱為polymer，即「聚合物」。其實體內的蛋白質也是polymer的一種；在這篇文章，我們會集中討論人工製造的polymer。

塑膠、橡膠、尼龍，看似不同，但它們的分子（molecule）都是由許多許多基本上相同的「單元」串連而成，不同的polymer擁有不同的單元。如果polymer是一列火車，其單元便是車廂，不同的列車（運牛、運煤、載人）有著不同種類的車廂。

Polymer有趣之處，就是容許加添「附件」；為每個車廂加上燈泡，列車便會發光；要偵測污染物麼？裝上感應器便可以了；探測到污染物之後要熄燈？設計一個電子線路容許感應器控制燈泡便行。化學家就像是polymer的工匠，不斷manipulate這些「車廂」，嘗試添加各式各樣的「附件」，希望創造出擁有嶄新功能的「列車」。

在真實的化學世界，事情卻不是想像的那麼簡單。不要忘記，那些「附件」和「車廂」本身都是化學物，兩者走在一起是會互為影響的，因此沒有必然的燈泡，沒有必然的感應器，也沒有必然的控制線路。化學家憑知識和經驗估計某種「附件」配合某種「車廂」可能達致某種效果，但真實的情況只有試過才知道。再者，化學家不是用鏍絲把「附件」裝進「車廂」，而是需要設計一個chemical reaction把兩者結合在一起；能否設計出一個合適的reaction，就要看他的造化了。

概括地說，製造有功能的polymer知易行難；首先，「附件」跟「車廂」未必能夠結合；結合了的「製成品」功能也未必盡如人意，一切要看兩者的interaction。

很明顯，「高科技銀針」的出現，代表著一個新的polymer的誕生，一個「附件」跟「車廂」的嶄新組合。

左圖是「銀針」的單元的分子圖，整枝「銀針」便是由許多個這樣的單元串連而成。不要給那些符號嚇倒，還記得一點化學的讀者應該知道C是炭，H是氫，N是氮，至於那個六角形和五角形只是一些化學家經常碰到的分子群組，一般讀者只需要知道這是一「團」分子已經足夠。

附件甲不太重要，它的存在令整個結構比較穩定，例如遇熱不易分解。

車廂是一連串的炭分子，這種車廂叫polyacetylene（它是其中一種可導電的非金屬，發現此特性的科學家在2000年拿得諾貝爾化學獎）。這是polyacetylene第一次被用作「偵測器」的材料，「高科技銀針」於化學界的意義，此其一。

附件乙是車廂和附件丙之間的橋樑。讀者要記著化學物之間不是機械式的依附，連接的過程不是上鏍絲般簡單，化學家通常會首先設計一個reaction合成許多完整的單元，再用另一個reaction把單元串連成polymer。對於「高科技銀針」，「正常」的做法是嘗試造出｛車廂-甲-乙-丙｝這個單元，再把之串連。可是這做法不是永遠行得通，要視乎化學物之間的相容性，偏偏這一次就是行不通，要另想辦法。唐教授與幾位內地學者便是首先造出｛車廂-甲-乙｝（缺了丙，這是一個不完整的單元），把之串連，然後再把丙補上。利用這種較「另類」途徑製造，「高科技銀針」於化學界的意義，此其二。

在文章的開頭，說到這物料是瑩光的，由於篇幅所限，箇中的科學原理不在這裡詳述；簡單來說，瑩光是源於車廂和附件之間某些特殊的interaction，假如物料的分子結構因為某種原因被改變或扭曲，導致車廂跟附件之間的interaction有所轉變，瑩光便會熄滅。

現在讓我們看看整個故事的主角--附件丙。當「銀針」被放進含銅的水裡，水中的銅便會依附著附件丙，「銀針」的分子結構被扭曲，瑩光也因而熄滅。可是丙和銅之間的吸引力不算強，當遇到山埃，銅被山埃吸引過去，「銀針」的分子結構得以還原，於是再次發光。因此，丙可說是銅的「直接」感應器，也是山埃的「間接」感應器。可以「直接」感應山埃的「附件」十分罕見，以這種「間接」方法偵測則屬首次，「高科技銀針」於化學界的意義，此其三。

一項研究成果背後的科學意義，往往與其表面的實用價值風馬牛不相及，寫這類文章的挑戰，是怎樣在遠離實用層面的同時，仍能夠寫得具體和保持讀者的興趣。你下次搭火車的時候，希望你記得這篇文章。 =)

現代銀針

以銀針（或銀筷子）測試食物是否有被下毒是我國傳統「飲食文化」之一；銀針變黑代表食物有毒，這是國人的傳統智慧。究竟銀針為什麼遇毒變黑？簡單來說，是毒與銀之間發生了化學作用，在針的表面產生了一層黑色的物質。

最廣為人知的毒藥--砒霜，其化學名稱是Arsenic Trioxide(As₂O₃)，中文叫作「三氧化二砷」。當砒霜遇到銀針，它含的那幾個氧（即分子式中的「O」）便會被銀（Ag）搶去，形成暗黑色的「氧化銀」，銀針的黑色由此而來。

其實一般的銀器放久了，表面也會變黑，這也是因為銀與空氣中的氧氣結合形成「氧化銀」之故。銀與空氣的化學作用進行得很慢，反之，銀與砒霜的反應十分迅速，因此銀針是一種很有效的「砒霜探測器」。嚴格來說，銀針只能夠測試食物中是否有砒霜，而非是否有毒。只不過以砒霜作為毒藥是如此的「普及」，久而久之我們便在兩者之間畫上等號，銀針於是被誤以為可以偵測（所有）毒藥。

除砒霜以外，cyanide（氰化物，俗稱山埃）也是一種常見的有毒物質。它由一粒炭（C）和一粒氮（N）組成，分子式是「CN」，它能以氣態的hydrogen cyanide(HCN)存在，也能以固體如sodium cyanide(NaCN)或potassium cyanide(KCN)存在，當然也能溶於水中獨立存在。

近代歷史對cyanide並不陌生；第二次世界大戰德國納粹黨便是用hydrogen cyanide這毒氣來屠殺猶太人；服食cyanide以自殺的，包括希特勒本人及被譬為現代電子計算機之父的Alan Turing。殺人並非cyanide的唯一功能；其實它自然存在於某些食物當中，例如菠菜、杏仁、竹筍，只是份量很少，不會對健康構成傷害；反之，人類某些活動，如開採金礦、鍊鋼、使用農藥、污水處理，可能會排出不少cyanide進入水源和泥土之中。在實驗室，我們當然有能力量度任何化學物的濃度；可是，若要即時實地、方便可靠的監察，科學家們仍在努力，尋求製作一枝探測cyanide的「高科技銀針」。

去年，香港科技大學的唐本忠教授與幾位內地學者便發展出這樣一枝「銀針」（備註[1]）。當然，「銀針」只是比喻，它不是銀造，也不是一支針，只是用途像銀針般可以快捷可靠地偵測某類有毒物的存在。

這枝「銀針」是用一種會發出瑩光的「膠」造成，當這「膠」被浸入含有銅（Cu）的液體，它的瑩光便會熄滅。

你說：「這是偵測到銅啊，哪是偵測cyanide？」你說得對，這枝「銀針」可以用來探測銅，但這並不代表它不能探測cyanide。

把這枝熄了的「銀針」放入含有cyanide的水中，它又會發亮起來！

讓我說說箇中原理。這種「膠」會發光是因為它有某種特殊的分子結構，當它遇到銅的時候，銅會黏附在它的表面，改變了令其發光的分子結構，瑩光便熄滅了。幸好，這過程是可逆轉的，當cyanide把銅從「膠」的表面搶走，回復「膠」原本的分子結構，它便再次發光了。

讓我們把高科技和傳統的銀針作個對比。傳統的銀針是把毒素（砒霜）中的氧搶過來，令自己變黑；「高科技銀針」是讓毒素（cyanide）把銅搶走，令自己再次發亮。殊途同歸，又一例。

這「高科技銀針」當然有其實用價值；站在基本科研的立場，它卻有著另一層意義--關鍵就在那種「膠」，一種以嶄新方法製成的「膠」。

時間所限，今天寫不了那麼多，下篇再續。

備註：
[1] Qi Zeng, Ping Cai, Zhen Li, Jingui Qina, Ben Zhong Tang, An Imidazole-Functionalized Polyacetylene: Convenient Synthesis and Selective Chemosensor for Metal Ions and Cyanide, Chem. Commun. 2008, 1094.