我已经、我已经……用了洪荒之力了！——傅园慧
在李比希以前，很多科学家对植物光合作用作了深入研究，李比希分析了稻草和其它许多干草，发现植物含碳量不因土壤条件不同而有所不同，因此他支持植物中的碳元素来自大气的观点。也许受此影响，在发现各种植物汁液中都含有氨，且雨水中也有氨后，李比希认为植物中的氮元素来自雨水，不是肥料必需的成分。同时，他还低估了文明古国的“踏粪”大法和腐殖质的改土作用。
健客：今天要讲光合作用的故事吗？
云飞：哈哈，发现细菌光合作用要等到20世纪30年代。今天聊聊“固氮”那些事。
1755年，英国医生布拉克，业余时间研究化学。当时不少科学家都在研究气体，布拉克也不例外。他通过煅烧石灰石实验，发现了一种叫二氧化碳的新气体。惊喜之余，他敏锐地发现试剂瓶中还有另一种未知气体。接着，他做了第二组实验分解碳酸镁，结果也有一种类似的未知气体。为此，他做了第三组实验，将木炭放在玻璃罩里燃烧。布拉克发现，燃烧后的气体有一部分与“未知气体”相似。当他把燃烧的蜡烛放在盛满“未知气体”的容器里时，蜡烛熄灭了。当他把麻雀和小老鼠放进这个容器里时，麻雀和小老鼠先后都死了。“这种未知气体到底是什么呢？”看到天色已晚，布拉克边沉思边向家里走去。回家后，他翻了许多资料，也没找出这种未知气体的相关记录。
第二天，正当布拉克准备投入更多的时间精力，全力研究这种未知气体时，天降恩典，晋级加薪，为了报答组织知遇之恩，他要加倍努力做好本职工作。于是，只得让得意门生丹尼尔·卢瑟福继续研究。丹尼尔·卢瑟福，当时正在爱丁堡大学攻读医学。他与号称“原子核物理学之父”的新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福同姓不同名。
1772年，卢瑟福才重复做了老师当年的第三组实验。然后，用苛性碱吸收其中的二氧化碳等酸性气体，并把剩余气体密封在器皿里。放进器皿的小老鼠一会儿就死了。“看来器皿里的氧气是减少了。剩下的未知气体能不能助燃呢？”卢瑟福一边想，一边把燃烧的蜡烛放进刚才那个器皿里。结果，蜡烛光线很微弱，只燃了几秒钟。“看来很难把那些助燃烧、助呼吸的气体除净！”对化学颇有研究的卢瑟福立刻想到，“白磷比木炭更容易燃烧，为什么不用白磷代替呢？”于是，他用白磷做了上面的实验，结果发现小老鼠立刻就死了，燃烧的蜡烛也马上熄灭了。卢瑟福由此得出，这种未知气体不能维持生命，也不助燃烧，也不溶于苛性碱。“干脆叫它浊气吧！”他自言自语。很快，卢瑟福写成了一篇论文，名叫《固定空气和浊气导论》，并于当年公开发表。
健客：等等，什么是苛性碱？
云飞：苛性碱就是氢氧化钠，具有高腐蚀性的强碱，会吸取二氧化碳、二氧化硫等酸性气体。
健客：好像之前在什么地方提到过吧。
云飞：还记得“84”消毒液吗？就是用苛性碱和氯气制备的。
健客：对了，“84”消毒液杀灭新冠病毒一级棒！
云飞：别忘了，塞麦尔维斯要求医生护士用漂白液洗手消毒，防治产褥热，巴斯德证实消毒原理就是杀灭细菌。
就在卢瑟福埋头做“浊气”实验的时候，英国传教士普里斯特利和瑞典药剂师舍勒也在同步研究。与卢瑟福不同的是，普里斯特利和舍勒都只是作了记录，没有公开发表自己的结论。转眼到了1774年。法国化学家拉瓦锡得知普里斯特利和舍勒的实验后，心有所动，便重复做了几次试验，并仔细研究了燃烧过程。经过慎重思考，他将这种未知气体命名为“无益于生命”。后来，我国清代化学家徐寿称为“淡气”，意思是“冲淡”了空气中的氧气。再后来，统一译作“氮气”。虽然氮气是由拉瓦锡命名的，但科学界公认发现者是卢瑟福。从此，人们知道，空气主要由氧气和氮气组成，氮气占了绝大部分。
健客：咱们文化中有阳气和阴气的说法，不知与氮气、氧气有没有关系？
云飞：阴阳是中华文化的根基，包罗万象。历史上还真有人用阴阳描述空气的成分。唐朝炼丹家马和在炼丹过程中认真观察各种可燃物体，如木炭、硫磺等在空气中燃烧的情况，认为空气主要是由阳气（氮气）和阴气（氧气）两种气体组成的，其中阳气比阴气多得多。在燃烧过程中，马和发现，阴气可以与可燃物一同燃烧掉，从空气中排除出去，而阳气却安然无恙。说明阴气可以燃烧，阳气不能燃烧。马和进一步指出，阴气存在于青石（氧化物）、火硝（硝酸盐）等物质中，只要用火加热它们，阴气就能放出来。马和认为水中也存有大量阴气，不过很难把它们放出来。马和的这些重大发现，比欧洲早1000多年。
除了空气，氮以硝酸盐和铵盐形式存在于多种矿物质中，例如硝石；以有机物形式存在于生物体中，如尿素。
人类历史上长期存在无机物与有机物有根本性差异的认识，有机物是由生物体内神秘力量创造的，这种力量是非物质的，甚至有人称为灵魂。19世纪初，瑞典化学家贝采利乌斯提出现代版的“生活力”学说。因为当时化学家没有能力合成有机物，所以贝采利乌斯认为，不能以物理及化学方式从无机物合成有机物。按照“生活力”学说，植物生长发育所需营养也是神秘力量创造的，不能以物理或化学方式来解释。1773年，法国化学家罗埃尔发现尿素。尿素是典型的有机物，在肝脏产生后融入血液，最后通过肾脏由尿排出。少量尿素由汗排出。1828年，贝采利乌斯的学生，维勒首次使用无机物质：氰酸钾和硫酸铵，人工合成了尿素。维勒和李比希一起推翻了阻碍化学发展的“生活力”学说。可是，李比希认为植物中的氮元素来自雨水，而错过了氮肥研究，否则李比希-维勒，这对最佳拍档也许能取得更大的成功。
自氮气被发现后，科学家做了大量实验，发现氮气化学性质很不活泼。天雷滚滚、大雨磅礴，才能让氮气变一点氨水出来。然而，细菌就有氮气变成氮肥的洪荒之力。
1888年，荷兰微生物学家拜耶林克发现了生活在蚕豆属和山薰豆属（黄豌豆）植物根部的小瘤块或结节中的细菌。为了从根瘤上分离出这些细菌，并在实验室里培养，拜耶林克进行了艰苦的工作。他费了很大工夫，配制出营养混合物，帮助根瘤菌的生长，同时抑制土壤里上千种其它细菌。这就是被称为富集培养基的方法，它至今仍是环境微生物学中的一个关键部分。拜耶林克用了好几年，把这些细菌的代谢和其在自然界里的作用，连缀到了一起。拜耶林克发现了地球氮循环中的关键一步：根瘤菌从空气中收集氮，这个过程称为固氮作用，把氮元素转化为豆科植物，如豌豆、大豆、花生和苜蓿等可以利用的形态。植物把氮整合进蛋白质、核酸等，然后被动物吸收利用，为动物提供营养。根瘤菌-豆科植物的联合体现了共生关系，在这种关系中，两种不相关的生物体紧密地生存在一起。这种共生就被命名为互惠共生，因为两种生物彼此合作，互有助益。植物根部给予细菌一个安全的港湾，而根瘤菌为植物提供了其所必需的营养。因此，大气圈的氮要进入生物圈，必须通过如下两种方式：一是生物固氮，如根瘤菌-豆科植物的联合；二是化学固氮，如闪电，变成可供植物利用的形态。当然，后来还诞生了工业固氮，如合成氨，也可归为化学固氮一类，但那完全是科学的洪荒之力。
健客：等等，我忍很久了，一会儿是氨，一会儿是铵，什么情况，完全糊涂了。
云飞：别着急，听我慢慢说。
“氨、铵”两兄弟的母亲都是氮元素，它们还有一个有机兄弟是“胺”，这个以后再说。氨是氮和氢的化合物，分子式为NH3，是无色气体，有强烈的刺激气味，极易溶于水，常温常压下1体积水可溶解700倍体积氨，水溶液又称氨水。铵是由氨分子与一个氢离子配位结合，形成铵离子。由于化学性质类似于金属离子，故造字时用了金字旁。
“氨、铵”两兄弟各具才艺。氨的主要用途是氮肥、制冷剂、化工原料。无机方面主要用于制氨水、液氨、氮肥（尿素、碳铵等）、硝酸、铵盐、纯碱。有机方面广泛应用于合成纤维、塑料、染料、尿素等。铵盐可用作氮肥，称为铵态氮肥。此类肥料不宜与碱性肥料混用，否则铵离子会被反应掉从而肥效降低。常见的铵态氮肥有：硫铵、碳铵、硝铵。
总结：氨通常指的就是氨气，铵通常是指含铵根离子的铵盐。顺便说一下，它们都是中学化学的重要知识点噢。
2019年9月30日，2019年度中国政府友谊奖颁奖仪式在北京人民大会堂举行。中山大学全职教授、有害生物控制与资源利用国家重点实验室学术带头人，致力研究植物基因资源与遗传改良的奥斯丁·巴特瑟·史德海林获奖。
史德海林花了30年的时间研究“根瘤菌”。在中国，这位瑞士教授有一个亲切的称呼——“老史”。走进实验室的植物房，拿起一棵日本百脉根，老史兴奋地指着培养液中植物根系间的一颗颗米粒大小的瘤子说：“看，这就是根瘤。” 植物生长的奥秘，就在这些小小的“米粒”中。当对的根瘤菌遇上了对的植物，它们便可以“对话”、共生。一旦破解了它们的“语言密码”，老史就可以根据不同植物的需要，精准选择根瘤菌，将空气中的氮固定在植物根部，这些被根瘤固定的氮几乎全部会被植物吸收。这就是“生物固氮”的秘密。找到对的根瘤菌并不容易。目前的研究中，根瘤菌只能跟豆科植物相互作用，能成功形成根瘤的菌更是稀少。在国内，这项研究因为技术门槛高、菌种筛选难，仍然非常冷门。
2005年，在国际生物固氮学术界已经颇有名气的老史选择和夫人谢致平双双来到中国，进入中山大学任教。同时，他将自己多年的研究心血——100多份根瘤菌种质资源和有效提取结瘤因子的技术无偿提供给中国。他带来的广谱根瘤菌234，已被国内多家研究机构应用作为科研的“标准/对照”菌，提取的结瘤因子也为多家科研机构作为“关键”的科研要素。他将最新的科研思路带到中国，打开了中国的固氮科学研究的新局面。基础研究十分枯燥，这个冷板凳，老史一坐就是30年。“他就喜欢做科研，在实验室里坐得住。”老史的夫人、中山大学生命科学学院副教授谢致平笑道。老史和谢致平的爱情故事，平凡中带着浪漫。谢致平是土生土长的广州姑娘，中学就读于广东实验中学，大学毕业于中山大学，在瑞士最古老的巴塞尔大学攻读了硕士、博士，并结识了老史。在异国，谢致平时常想念家乡。她提出，想回到中国、回到母校中山大学。“广州是你的家，那就是我的家，一起去吧！”老史说。2005年，“洋教授”真的来了。那时，我国引进的西方科学家非常少，老史更是中山大学引进的第一位全职外籍教授。当时国内的科研条件无法与欧洲相比。广州大学城刚刚落成不久，岭南酷热的夏季也让生长于欧洲的老史一时难以适应，空调成了他的“救命稻草”。回到实验室，一切从零开始。老史夫妇带着学生们自己设计培养植物的模具、建温室。“来中国之前，很多人跟我说，中国太远了。但在我的研究天地里，中国的实验室和国外的实验室没有什么不同。”老史说。在中山大学的支持下，实验室慢慢有了雏形，组建了包括植物学、微生物学、生物化学、分子生物学等跨学科研究团队，老史还指导团队成员在国际学术期刊发表高水平论文50余篇。
“我们很喜欢大自然，看到环境被污染，希望能做点什么。”老史说。为此，夫妇俩经常带着学生到野外采集土壤样本，哪里“脏”就往哪里去。实验室里，有被污染的河涌污泥、极酸的污染矿土、极咸的海沙、贫瘠的沙漠土等。他们用这些土，添加根瘤菌，种植各类豆科植物，并探索根瘤菌与水稻、玉米等多种农作物的相互作用，以适应多种土壤乃至污水治理需求。在老史看来，每一个微小的根瘤颗粒，都是一个天然的“垃圾处理厂”和“微生物医院”。有的根瘤菌可以吸收被污染的土壤中的重金属物质等；有的可以在毫无营养的土壤中固氮来促进植物生长。
为了让根瘤菌从实验室走上环保战场，2016年，在中山大学和康泰民生环境科学研究院的鼎力支持下，老史夫妇选择了江西赣州一块30亩的废弃稀土矿区开展土壤修复实验。那是一块满目疮痍的稀土尾矿，稀土开采严重破坏了矿山的原有生态，导致水土流失、下游江湖与地下水严重污染、生态环境恶化。稀土开采过程中的强酸浸泡使得这片土地几乎失去了生机——土壤沙化严重和极度贫瘠，保水保肥能力差，有机质和其他土壤必需元素缺乏，土壤微生物多样性受到严重破坏。 “这样恶劣的土壤，几乎没有植物能生长。”这是实地考察给夫妇俩留下的第一印象。当地曾想办法修复，他们用了最原始的“客土法”，从其它地方运来好的土壤覆盖在被污染的土壤上，厚约30厘米，然后种植物。这种办法治标不治本，修复后，第一批植物种了下来，很快死掉，然后再种，循环往复。一亩地的修复成本，就要好几万元。老史夫妇用生物固氮法做了个实验：将豆科植物柱花草作为“先锋部队”种在这里，辅以对应的根瘤菌，为这片土壤“治病”。实际效果怎么样？3年后，不仅柱花草长得郁郁葱葱，这里原本种植的松树等也存活下来，长了四五米高。“在根瘤菌和固氮植物的共同作用下，这块土壤恢复健康了，其他植物也能长得好了。”如今，老史和他的团队又选了一个新试点，将这支“先锋部队”带到广东韶关大宝山矿，试点土壤修复。他们还在实验室尝试用根瘤菌和豆科植物对污水进行净化。“污水实际是富营养化，带根瘤菌的豆科植物可以吸收污水中的富营养物质、有毒分子等，植物一拔掉，水就更清澈了。”
科学家无国界，科研也永不停步。老史从一个怕热的老外，变成了一个能说几句粤语的“广州女婿”。他越来越发现，自己的研究对中国，尤其是环境治理非常有用。“科研的最终目的是为社会服务。”老史常常告诫学生，“好好做科研，不能浪费纳税人的钱，必须要回馈社会。”获得友谊奖后，老史说：“能获颁中国政府友谊奖，非常荣幸，我会继续努力为中国的绿水青山做贡献。”
健客：人才啊！到哪都受欢迎！
云飞：你想过为什么豆科植物能与根瘤菌共生固氮，而别的植物则没有这项技能吗？科学家对此深感好奇，但始终没有搞清楚。一百多年来，成为困扰该领域研究者的一大难题。
12月9日，王二涛在中国科学院分子植物科学卓越创新中心新闻发布会上介绍研究成果。新华社记者 张建松 摄
中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛带领研究团队，通过现代分子生物手段，发现豆科植物之所以能“结瘤固氮”，是因为其皮层细胞获得一种植物发育的干细胞关键分子模块“SHR-SCR”。该干细胞分子模块，可赋予豆科植物皮层细胞分裂能力，使豆科植物的皮层与非豆科植物不同。同时，该干细胞分子模块还能被根瘤菌的信号激活，诱导豆科植物形成根瘤，从而共生固氮。
业内专家认为，这一研究发现了控制豆科植物根瘤共生固氮的关键分子模块，不仅加深了人们对共生固氮的理解，回答了“为什么豆科植物能结瘤固氮”这一科学问题。同时，也为非豆科植物皮层细胞命运的改造奠定了基础，为今后减少作物对氮肥的依赖，实现农业生产的可持续发展，提供了新的思路。
2020年12月10日，国际权威学术期刊《自然》杂志发表了这项研究论文。王二涛说：“之所以他们团队能率先突破，是因为他们有一个大胆的假设：既然只有豆科植物等少数几种植物能够天然地与细菌形成粉红色的囊，那么，这些植物根部皮层细胞应该是特化的，换句话说，这些皮层细胞的命运不同于其他植物根部表皮细胞的命运。”
研究团队花费了很大气力，对植物根部皮层细胞内同类转录因子的表达情况进行比较。经过大量鉴定和计算，他们在50多个基因里选定了SCR基因。这给他们带来了好运。
后续研究中，他们发现了与SCR基因配合的另一种关键转录因子SHR。后者居然不是在表皮细胞中表达的，而是别的地方生产出来后，运送过来的。王二涛说：“更奇妙的是，他们发现非豆科植物也有SHR，但因为蛋白上有所不同，竟然无法被运送、被移动，进而无法形成根瘤。”
无数出人意料的发现，背后是刻苦地努力和不断地尝试。原本在植物干细胞中表达的SHR-SCR模块竟然是建造细菌氮肥工厂“粉红色厂房”的重要秘密。
这一技术终于可以复制了。研究人员发现，利用前述基因模块，非豆科植物皮层细胞也可以具有分裂的潜能。筑巢引凤，厂房已经有了，但生产氮肥的根瘤菌会在这里住得开心吗？会在这里高效地生产氮肥吗？现在是氮肥，那么，钾肥等其他肥料呢？人们对生物的洪荒之力充满想象。
欲知后事如何，且听下回分解。
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