新喬 趙曉寧 任熙俊

（接上期）

拉瓦錫的燃燒實(shí)驗(yàn)：測量、技巧、方法? 拉瓦錫重視利用非常精確的實(shí)驗(yàn)技巧來處理實(shí)際問題，并常常由此發(fā)現(xiàn)其中的理論意義。他是一位不知疲倦的組織者、研究者和使自己的思想、方案實(shí)現(xiàn)的促進(jìn)者。[9]99

1772年夏天，拉瓦錫開始思考有關(guān)空氣的問題，這時(shí)他已經(jīng)熟悉杜爾哥關(guān)于物質(zhì)蒸汽態(tài)的理論。這時(shí)有兩件不起眼的學(xué)術(shù)問題使拉瓦錫開始注意燃燒問題。拉瓦錫開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，他也學(xué)到更多有關(guān)金屬煅燒的知識。那年春季，法國科學(xué)院出版了德莫爾沃（1737—1816）的著作《科學(xué)院以外的話題》，書中詳細(xì)描述了所有金屬在煅燒時(shí)所獲得的重量。這是一個(gè)頗有爭議的問題，因?yàn)檫@意味著燃素的減少反而增加了重量;并且不是少數(shù)特例，而是所有金屬煅燒時(shí)均如此。對此，燃素理論不容易做出解釋。[9]100

關(guān)于燃燒問題，按照燃素理論：

鉛鉛灰（一氧化鉛）+燃素

鉛灰+木炭（燃素源）鉛

按拉瓦錫的意見：

鉛+普通空氣鉛灰

鉛灰+木炭鉛+固定空氣

現(xiàn)在的解釋：

2Pb+O22PbO

2PbO+C2Pb+CO2[9]101

當(dāng)拉瓦錫用鉛灰與木炭進(jìn)行還原反應(yīng)時(shí)，他很高興地收集到大量的“空氣”，但它是固定空氣，因?yàn)樗墙饘倩以谶€原反應(yīng)中放出的空氣。可以假定固定空氣就是金屬被煅燒時(shí)從大氣中所吸收的空氣，但是煅燒在固定空氣的情形下不能發(fā)生，因此鉛吸收的空氣不可能是固定空氣。當(dāng)拉瓦錫把燃素轉(zhuǎn)移到空氣中去的時(shí)候，他并沒有完全擺脫燃素論。根據(jù)拉瓦錫的觀點(diǎn)，實(shí)際上是空氣或部分空氣在燃燒，因?yàn)榛鹗菑目諝庵嗅尫懦鰜淼?。[9]102-103

拉瓦錫繼續(xù)他的實(shí)驗(yàn)，在密閉的干餾器中用加熱的辦法煅燒鉛和錫。他發(fā)現(xiàn)密閉的容器在加熱前后重量沒有改變，這說明沒有可稱量的“火物質(zhì)”穿過干餾器的壁。當(dāng)打開容器時(shí)，可以聽到空氣沖進(jìn)去的聲音，金屬灰也將重于金屬?？諝馀c金屬結(jié)合產(chǎn)生金屬灰，他對此似乎已經(jīng)確信不疑，并在1774年11月12日向法國科學(xué)院報(bào)告了這些實(shí)驗(yàn)。但很遺憾，這一實(shí)驗(yàn)早已有人做過。[9]104

這一實(shí)驗(yàn)是另一位科學(xué)家普里斯特利用一塊很大的取火鏡做的，這個(gè)透鏡的直徑有12英寸，平時(shí)他用它來燃燒在實(shí)驗(yàn)室偶然碰到的而又使他感興趣的任何物體。然而他并沒有什么理論構(gòu)思，也承認(rèn)唯一可能的做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的原因只是自己做過許多這樣的實(shí)驗(yàn)，因而只需很輕微的刺激就會(huì)使自己再做一次這種實(shí)驗(yàn)。使他十分驚訝的是，當(dāng)他用透鏡加熱水銀灰時(shí)，它在沒有木炭的情形下變成了水銀。他也收集到相當(dāng)數(shù)量的空氣，一支燃著的蠟燭或一塊燒著的木塊放進(jìn)這種空氣中以后，燃燒得更加明亮。普里斯特利想，自己收集的也許是“燃素化硝石空氣”（phlogisti-

cated nitrous air，即一氧化二氮，或稱“笑氣”）。這種空氣是他在早些時(shí)候發(fā)現(xiàn)過的，而且發(fā)現(xiàn)它能支持燃燒。他沒有收集和測試這種氣體，一直到1775年的2月和3月才又進(jìn)行了—系列新的燃燒實(shí)驗(yàn)。[9]104

拉瓦錫也收集了水銀灰還原時(shí)產(chǎn)生的空氣，并用石灰水測試后，才發(fā)現(xiàn)這種空氣并非像巴揚(yáng)猜測的那樣是固定空氣。他發(fā)現(xiàn)這種空氣支持燃燒，并像普里斯特利一樣，假定它是燃素化硝石空氣，但因?yàn)樗С秩紵?，所以也有可能是普通空氣。為此，拉瓦錫做了普里斯特利曾經(jīng)設(shè)計(jì)測定空氣“精華”的實(shí)驗(yàn)。測試過程是：將兩個(gè)體積的待測空氣置于倒置量杯的水面之上，然后加入一個(gè)體積的硝石空氣（一氧化氮）。普里斯特利發(fā)現(xiàn)如果待測空氣是普通空氣，注入硝石空氣后其體積將減小五分之一（一氧化氮與被測空氣中的氧化合產(chǎn)生二氧化氮，后者高度溶解于水），當(dāng)被測空氣被燃燒“污染”以后，體積就一點(diǎn)兒也不會(huì)減小。[9]106-107

拉瓦錫發(fā)現(xiàn)，水銀灰還原過程中產(chǎn)生的空氣，其體積減小五分之一，說明這空氣是普通空氣;如果在待測空氣中加入比測試所需要的更多的硝石空氣，從水銀灰得到的空氣將比普通空氣收縮得更多，但他沒有加入更多的硝石空氣。這一測試證實(shí)了他的理論預(yù)言，即任何金屬煅燒時(shí)吸收的空氣與金屬灰用木炭加熱時(shí)放出的空氣并不相同，當(dāng)他用木炭加熱水銀灰時(shí)，得到預(yù)期中的固定空氣，這是他的理論的一個(gè)勝利。因?yàn)樗f明這種空氣與金屬化合而產(chǎn)生金屬灰，固定空氣應(yīng)該是從金屬灰中釋放出來的普通空氣與木炭中的碳的一種化合物。在他的1775年4月16日著名的復(fù)活節(jié)備忘錄中，他宣稱由水銀灰釋放的空氣完全是“沒有任何改變的空氣自身”。[9]107

拉瓦錫對水的分析，為氧理論最終取得成功作出重要貢獻(xiàn)。他已經(jīng)證明空氣是一種混合物，現(xiàn)在又證實(shí)水是一種化合物，兩個(gè)古老的元素在10年之內(nèi)先后屈從了他的分析。在化學(xué)新語言中，易燃空氣改名為“氫”（hydrogen），其意思是“水的生成者”。新的名稱鞏固了新的理論。[9]110

生命能量：關(guān)于呼吸的實(shí)驗(yàn)? 1860年以后，生命能量學(xué)成為呼吸和新陳代謝研究的基本主題。其經(jīng)典的工具是呼吸量熱器，活體產(chǎn)生的熱可加以直接或間接測量。直接測量的范例是拉瓦錫和拉普拉斯的方法：量熱器中冰融化的數(shù)量可被認(rèn)為是實(shí)驗(yàn)動(dòng)物所產(chǎn)生的熱量的直接指數(shù)。[5]152

如圖4所示，在冰量熱器中，冰充滿內(nèi)外兩層固體墻之間以及與最里面的實(shí)驗(yàn)籃之間的內(nèi)部空間，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物被放在實(shí)驗(yàn)籃中，然后整個(gè)儀器被密封，并使它盡可能地與環(huán)境達(dá)到熱平衡。動(dòng)物產(chǎn)生的熱將里層的冰融化成水，該水被收集在容器P中。這些融化了的水標(biāo)示著生物產(chǎn)熱的能力，這使得冰量熱器成為早期研究呼吸之化學(xué)、物理學(xué)基礎(chǔ)必不可少的工具。[9]81-82

對動(dòng)物熱產(chǎn)物的間接測量就更復(fù)雜了。相互獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)（如弗蘭克蘭的那些實(shí)驗(yàn)）證明碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)完全燃燒時(shí)，都產(chǎn)生數(shù)量明確的熱能以及數(shù)量固定的、各自不同的氣體產(chǎn)物。于是，從產(chǎn)生的氣體就可以計(jì)算出食物中在體內(nèi)降解的營養(yǎng)成分的數(shù)量，從而轉(zhuǎn)換成這些數(shù)量所對應(yīng)的熱能。然而，在生物體中，呼吸的最終產(chǎn)物并不完全是氣態(tài)的，也有一些含氮物質(zhì)（尿素、尿酸、肌酸酐）排出，這些產(chǎn)物并沒有被完全氧化，于是就將食物中營養(yǎng)成分連帶人體內(nèi)的部分能量轉(zhuǎn)移走了。因此，間接方法需要對所有的呼吸產(chǎn)物進(jìn)行非常仔細(xì)的檢驗(yàn)。[5]152

用來對熱產(chǎn)物進(jìn)行間接測量的基本儀器在1849年問世。如圖5所示，這是一個(gè)由管子和小室組成的封閉系統(tǒng)，氧氣由左邊的管子輸送給小室中的狗，狗產(chǎn)生的二氧化碳由右上端的管子轉(zhuǎn)移出實(shí)驗(yàn)小室。實(shí)驗(yàn)小室中安放了測量溫度和壓力變化的工具，小室中實(shí)驗(yàn)動(dòng)物所產(chǎn)生的二氧化碳可被吸收并被稱重;需要時(shí)，還可加入數(shù)量確定的氧氣。這個(gè)裝置，加上后來對它的改進(jìn)，可以長時(shí)間地控制及分析具有生理學(xué)意義的所有氣體的消耗及產(chǎn)生。[5]153-154

人們不斷改進(jìn)這種儀器，其中最著名的一種能夠不斷地將嚴(yán)密控制的空氣輸送到小室中。由于要按固定的時(shí)間間隔對儀器中的氣體進(jìn)行取樣，因此，每次實(shí)驗(yàn)的操作時(shí)間相對較長。利用這個(gè)通風(fēng)或開放的環(huán)路，以及其中固態(tài)和液態(tài)的排泄物，卡爾·沃伊特和馬克斯·馮·佩滕科費(fèi)爾在他們在慕尼黑的實(shí)驗(yàn)室里，對呼吸的變化展開重要的研究工作。1862年，他們證實(shí)了所利用的氧氣量是隨著所消耗營養(yǎng)成分的性質(zhì)而變化的。因此，控制呼吸率的并不是氧的供應(yīng)量，而是食物中可被降解的營養(yǎng)成分的可利用性。這對那些過于強(qiáng)調(diào)氧在身體中的直接作用的人來說是一個(gè)有力的打擊，并使人們更多地注意到身體的生理狀況（健康、饑餓、休息）。[5]153

沃伊特和佩滕科費(fèi)爾在改進(jìn)呼吸作用儀器的同時(shí)，卻忽視了量熱器分析，動(dòng)物熱產(chǎn)物直接和間接測量的方法最后是由沃伊特的學(xué)生馬克斯·魯布納（1854—1932）結(jié)合起來。魯布納指出，幾乎沒有必要再向科學(xué)界提出能量守恒也適用于生物學(xué)界這一觀點(diǎn)。然而這一適用性不是憑猜測得出來的，僅魯布納在1889—1894年間進(jìn)行的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的大致測試，就使這一普遍的看法得到確定。魯布納將一個(gè)通風(fēng)的呼吸儀器放在一個(gè)量熱器內(nèi)，于是形成一個(gè)呼吸量熱器。這一儀器使研究者在記錄呼吸氣體變化的同時(shí)，直接測量其帶出的熱量;尿中的含氮廢物也必須被收集，并計(jì)算它們的熱值。魯布納花了大量的努力去糾正該儀器中的錯(cuò)誤，以便如他所說能夠控制與該研究有關(guān)的“所有的生物學(xué)因素”。他實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和目標(biāo)在19世紀(jì)90年代都不能不認(rèn)為是創(chuàng)新的，使他獲得成功的原因無疑是來自他的明確目的及行動(dòng)的徹底性。[5]153

魯布納在呼吸作用儀器中測量了大、小狗的熱產(chǎn)物，這些實(shí)驗(yàn)的目的是要研究“體內(nèi)燃燒的物質(zhì)所具有的能量與動(dòng)物體表所釋放出的熱能在數(shù)量上是否一樣”。他改變它們的食物（禁食、純脂肪、肉和脂肪、肉），并記錄接踵而來的呼吸關(guān)系的變化。在所有這些眾多的實(shí)驗(yàn)中，魯布納只發(fā)現(xiàn)一種情況，即當(dāng)用直接方法和間接方法測量同一動(dòng)物的熱產(chǎn)物時(shí)，其數(shù)值十分接近（見表1）[5]155。

事實(shí)上，在歷時(shí)45天中的所有實(shí)驗(yàn)的總平均值中， 這一數(shù)值微小的變化在實(shí)驗(yàn)儀器的誤差范圍之內(nèi)。魯布納宣稱：“量熱器（直接）方法測得的值只比從身體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)降解燃燒所計(jì)算得到的值大0.47%。”這些數(shù)據(jù)非常圓滿地完成了這些實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)。他總結(jié)道：“所有這些實(shí)驗(yàn)中沒有一個(gè)任意選擇的單獨(dú)的數(shù)據(jù)能夠使我們懷疑，在恒溫動(dòng)物中，熱量的唯一來源就是營養(yǎng)物質(zhì)中隱含能量的釋放?！彼J(rèn)為，這一結(jié)論雖并不適用于其他動(dòng)物，但也是一個(gè)絕對不可思議的假說。這樣，魯布納的研究就明確證實(shí)了首先由邁耶和亥姆霍茲提出的生物體是一臺熱機(jī)器的斷言。[5]155-156

實(shí)驗(yàn)生理學(xué)家威廉·貝利斯（1860—1924）在1913年寫道：“有生命機(jī)體最振奮人心的特征，就是它們所顯示出來的永恒的變化（或工作）狀態(tài)。這種能力是因?yàn)閾碛心撤N被稱為能量的東西?！比欢?，能量是物理和化學(xué)過程的標(biāo)記，而這些過程則正是實(shí)驗(yàn)生理學(xué)家所能研究的。他在自己的著作《普通生理學(xué)原理》中寫道：“必須牢記，所有用于研究生命過程的方法都是物理的或化學(xué)的，因此，即使存在一種生物所特有的能量形式，我們也不必考慮它，除非它能被轉(zhuǎn)換成等量的已知形式的化學(xué)或物理能量?！笔聦?shí)上，它總結(jié)了拉瓦錫關(guān)于生命是由緩慢燃燒維持的結(jié)論。生物并不是單獨(dú)的存在，而是物質(zhì)宇宙相互作用的基本元素。[5]156

（未完待續(xù)）