氫(hydrogen)是一種化學(xué)元素，在元素周期表中位于第一位，元素符號是H，是自然界最小的原子。有人說世界起源于自然法則，也有人說起源于氫元素。無論怎么說，在宇宙、銀河系、太陽、行星、衛(wèi)星演變以及漫長精彩的各類生命起源和進(jìn)化過程中，氫元素都無處不在，并一直扮演著重要角色。
 

2018年3月14日，英國著名理論物理學(xué)家斯蒂芬·威廉·霍金(Stephen William Hawking)去世，霍金研究的黑洞和宇宙論對普通人來說實在難以全面理解，我們暫且不去追究他的理論是否完全正確，從歷史發(fā)展角度看，將來應(yīng)該有更理想的理論來解釋這些現(xiàn)象。目前他的理論是公認(rèn)比較正確的，闡述宇宙產(chǎn)生的系統(tǒng)學(xué)說。
 

為了清楚闡述量子力學(xué)如何影響宇宙的起源和命運(yùn)，霍金提出了“熱大爆炸模型”。這一觀點認(rèn)為，我們的宇宙是起源于150億年前密度無限大、溫度無限高和體積無限小的一個奇點的爆炸。那就是宇宙的起源，也是時間和空間的起源。大爆炸模型假定，從大爆炸開始的那一刻起，宇宙就按照弗里德曼模型演化。所謂弗里德曼模型，是指在宇宙膨脹過程中，宇宙中任何物體都會因為輻射而降低溫度。溫度是微觀粒子平均運(yùn)動速度的整體或宏觀體現(xiàn)，粒子運(yùn)動速度越快，則宏觀溫度越高，反之亦然。宇宙降溫會對其中的物質(zhì)狀態(tài)產(chǎn)生巨大影響。在非常高的溫度下，粒子運(yùn)動得非?？欤踔聊芴用撊魏魏肆螂姶帕Φ奈?此時無法形成原子)。當(dāng)溫度逐漸降低時，互相吸引的核力或電磁力使粒子開始相互結(jié)合。更重要的是，存在于宇宙中的粒子種類也依賴于溫度高低發(fā)生變化。
 

在大爆炸后的大約100秒，溫度從無限大迅速降低到了10億攝氏度。在此溫度下，質(zhì)子和中子不再有足夠的能量逃脫粒子之間強(qiáng)核力的相互吸引，開始結(jié)合產(chǎn)生氛(重氫)的原子核。氟核包含一個質(zhì)子和一個中子，所以宇宙演化過程中出現(xiàn)的第一類原子核就是氟核。然后爾核與更多質(zhì)子、中子相結(jié)合形成氨核，它包含兩個質(zhì)子和兩個中子，還產(chǎn)生了少量的兩種更重的元素鋰和皺。余下的中子會衰變成質(zhì)子和電子，質(zhì)子不需要與任何粒子結(jié)合，本身就是氣原子的核，也是我們所熟悉的氫離子。也就是說，在原子形成過程中，先有重氫原子核，然后有氣原子核;先形成原子核，后來才出現(xiàn)原子。
 

大爆炸后的4分鐘，氨和其他元素原子核的產(chǎn)生就基本停止了。從宏觀上考慮，此后30萬年左右，宇宙僅僅只是繼續(xù)膨脹，沒有發(fā)生什么顛覆性的變化。最后，一旦溫度降低到幾千攝氏度，電子和核子不再有足夠能量去抵抗它們之間的電磁吸引力，開始結(jié)合形成原子。在大爆炸發(fā)生30萬年后，質(zhì)子與電子結(jié)合，宇宙中最偉大最重要的成員氫原子誕生了。
 

隨著時間流逝，星系中的氫氣和氨氣被分割成更小的星云，它們在自身引力下坍縮。它們收縮時原子互相碰撞，氣體溫度不斷升高，到一定程度后，熱得足以開始發(fā)生熱核聚變反應(yīng)。這些反應(yīng)將更多的氫轉(zhuǎn)變成氨，釋放的熱升高了壓強(qiáng)，使星云不再繼續(xù)收縮。如同太陽一樣，它們將氫燃燒成氨，并將得到的能量以熱和光的形式輻射出來。它們會穩(wěn)定地在這種狀態(tài)下停留一段很長的時間。質(zhì)量更大的恒星需要變得更熱，以平衡它們更強(qiáng)的自身引力，它們的核聚變反應(yīng)進(jìn)行得極快，以至于它們在一億年這么短的時間里，就將全部氫消耗完，并給生命進(jìn)化的行星提供光和熱。
 

無論我們現(xiàn)在的宇宙是不是真如上述所描述的樣子形成，科學(xué)觀測表明，組成宇宙的成分中，90%是氫元素，9%是氨元素。我們生活的地球的成分組成與此不同，地殼中各主要元素的含量從高到低依次為氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂、氫，成分百分比分別為：氧48.06%、硅26.30%、鋁7.73%、鐵4.75%、鈣3.45%、鈉2.74%、鉀2.47%、鎂2.00%、氫0.76%。不過像地球這樣的星球，并不是宇宙的主要成分。太陽這樣分量更大的恒星才是宇宙的主要成員，是決定宇宙成分的主要因素。
 

博爾納認(rèn)為，“氫是宇宙中最重要的成分”。氫是宇宙元素的觀點，可以從含量、結(jié)構(gòu)和功能三個方面來說明。第一，氫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%，其他元素也都是由氫元素演變而成。第二，氫元素是結(jié)構(gòu)最簡單的元素。第三，氫元素是宇宙中各類能量轉(zhuǎn)化的樞紐，氫元素聚變是太陽等恒星產(chǎn)熱的基礎(chǔ)，生物能量轉(zhuǎn)化也是以傳遞氫原子的方式進(jìn)行。
 

出華盛頓大學(xué)物理學(xué)教授約翰·里格登(John Rigden)寫了一部關(guān)于氫的著名科普書《氫的傳奇》，2002年該書被《發(fā)現(xiàn)》雜志選為最佳科普著作。里格登這樣評價氫，“我們對物質(zhì)世界的認(rèn)識，小到最基本原子，大到宇宙本身，都可以由氫貫穿起來”。在這本書中，里格登給我們展示了氫在科學(xué)發(fā)展歷史中的獨特魅力，氫原子結(jié)構(gòu)最簡單，也最為獨特，數(shù)百年來，氫元素一直吸引著世界頂級科學(xué)家的興趣和關(guān)注。
 

德國科學(xué)家在《自然》雜志的研究報道，從遺傳角度再次確認(rèn)，地球生命始祖是一種依靠氫氣為能量的微生物。這一發(fā)現(xiàn)與過去通過地質(zhì)學(xué)研究和海底微生物研究獲得的結(jié)論類似，進(jìn)一步確定了祖先生物的特征。過去科學(xué)家根據(jù)生命起源的地球環(huán)境，曾經(jīng)推測原始生命是依靠氫氣為能源的觀點。對許多地球深部巖石的勘探也證明，在生命起源的地質(zhì)年代，空氣和水中都含有大量氫氣。最近大量證據(jù)表明，作為所有真核細(xì)胞能量代謝的核心細(xì)胞器，線粒體就是進(jìn)化自能制造氫氣的原始變形菌。生物信息學(xué)研究表明，細(xì)菌代謝氫氣的氫化酶和真核細(xì)胞線粒體電子傳遞鏈的復(fù)合物I功能亞基屬于同源分子，提示氫氣可能會影響細(xì)胞能量代謝的核心過程。總之，從基因到表型，從環(huán)境進(jìn)化到能量代謝，從理論到實際證據(jù)，都說明氫氣是生命誕生的必要條件。
 

氫氣作為生命能源的基本供體，對許多生物分子和生物化學(xué)過程產(chǎn)生調(diào)節(jié)和影響，幾乎就是一種必然。最近大量醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，氫氣對人和動物疾病有預(yù)防作用，還可以調(diào)節(jié)植物和微生物的生長，防護(hù)植物疾病損傷。這些證據(jù)都提示氫氣這種生命氣體分子仍然具有產(chǎn)生巨大生物活性的潛力，這非常符合邏輯和預(yù)期，可以認(rèn)為氫氣是生命之父。
 

筆者認(rèn)為，氫元素就是為科學(xué)而生，圍繞氫氣的研究就是一部自然科學(xué)傳奇。氫氣現(xiàn)在進(jìn)入醫(yī)學(xué)生物學(xué)家的視野，又將在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域演繹傳奇。巧合的是，有機(jī)生命組成最多的元素也是氫，作為電子傳遞介質(zhì)，氫元素也是生命能量轉(zhuǎn)化的中心成員，而生命內(nèi)環(huán)境最重要的成分水主要也是由氫元素組成。因此可以說，氫元素不僅是宇宙元素，也是生命元素。