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至少在5 000年以前，苏美尔人就在栽培罂粟，这种植物可能从那时起就一直在中东地区被广泛种植。尽管种类繁多的罂粟因其艳丽的花朵而在世界各地受到喜爱，但是阿片等生物碱的来源也正是罂粟（Papaver somniferum ，见彩插9.1），它改变了医学，燃起了战火，支撑着独裁统治。
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阿片的来源是“罂粟的眼泪”，即罂粟子房壁或心皮中所包含的乳白色乳胶。几千年来，罂粟种植者用刀片在绿色果心的外壳上划出平行切口，牛奶般的液体便从中流出。这些“眼泪”经过整夜的干燥后颜色变暗，人们通过刮下珍贵的珠状凸起以收集阿片。千百年来，人们就是凭此方法将这种逗留在花卉中的珍宝窃取出来的。阿片具有舒缓肠胃、诱导睡眠的功效，所以被青铜时代的种植者们食用，直到注射针头发明以后，人们才改用蒸馏提取其成分。
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1680年，托马斯·西德纳姆向世人推出了“阿片酊”，之后的几百年里，这种雪利酒和阿片的调和物是医学世界里的主流镇痛剂。19世纪早期，随着现代化学的到来，德意志化学家弗里德里希·威廉·史特纳（Friedrich Wilhelm Sertürner）于1804年完善了从阿片中提纯吗啡的过程，成为首位从供体植物中提炼出单一药物分子的科学家。[6] 当时德国的化学巨头，以及19世纪30年代的美国公司对吗啡进行了工业化生产，意味着那些自己给自己治病的西方人可以买到非处方的吗啡和可待因，进行自我“麻醉”[7] ，甚至在20世纪依然如此。当人痛苦万分，走投无路 时，没有什么比乘着摩尔甫斯的翅膀远走高飞更美妙了。
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药物通常只有在进入体内的血液循环之后才具有活性，所以医生必须了解药物在人体内的吸收、化学变化和代谢方式。尽管大部分药物会被肠道不同程度地吸收，但是它们作为控制精神的医疗物质并不十分可靠，因此摄入阿片酊之后的深睡程度和产生睡意的时机一直无法确定，而外科手术的先驱们总是要面对一些在痛苦折磨中挣扎扭曲的患者。
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药物进入血液的路径是一个谜，我们的科学祖先运用不断发展的化学知识解开了这个谜题，人体生化世界的拼图也一块一块地合并为一个整体。然而，在亚历山大·伍德于1855年发明出中空针头用于皮下注射之前，[8] 任何药物都不能通过静脉注射使人体进入适宜手术的睡眠状态。尽管在1804年分离出吗啡是一大突破，但寻找另一类药物并不是一件轻松的事。
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事实的确如此。
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约瑟夫·普里斯特利（1733—1804年）是向世人介绍有关气体的化学与物理学专业知识的关键人物，不过他可以骄傲地宣称自己没接受过任何正规科学教育。[9] 虽然地球上的生命不能没有水，但氧气才是我们的星球大气中的关键活性成分。人类靠感官很难发现它，直到普里斯特利的实验使其显露。在早期研究中，自学成才的普里斯特利推断空气是一种“简单的基本物质，不灭不变”。[10] 他从根本上遵循古希腊的概念，认为空气、土、火、水是造物的四大组成元素，他本应毫不犹豫地认为空气是一种没有其他成分的同质物质，但是一个简单的实验为他揭开了空气的奥秘。
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普里斯特利生活在一个哲学和宗教动荡不安的时代，这个时代有引人注目的独立《圣经》研究以及反传统的神学观。他先是信奉加尔文主义，后来又加入长老会，这激发了他的怀疑天性。他和一个世纪后的约瑟夫·利斯特一样，由于不是英国国教徒而不能进入牛津或者剑桥学习。不久以后，普里斯特利“在他人的鼓励下，开始为当上牧师而学习。结果证明他十分善于学习”。[11] 他自学了“拉丁语、希腊语、法语、意大利语和德语，对一些简单的中东语言也略知一二，同时还学习了数学和哲学”。[12] 普里斯特利并没有选择神学院，而是进入了达文特里学院（Daventry Academy）学习，这是一所为不信奉国教的新教徒而设立的学校。毫无疑问，普里斯特利以异见者身份开始的人生道路，为他与众不同的思维方式做好了准备。
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在毕业后的几十年中，普里斯特利为富裕的家庭做辅导教师，过着自给自足的生活。如同一个世纪之前的罗伯特·波义耳，普里斯特利花了大量的时间思考天地万物有规律的运行方式，钻研电力、植物、矿物和空气。他定期前往伦敦与专业学者交流沟通，其中包括美国的天才本杰明·富兰克林，他们成了终生好友。在进行了一系列的电力实验之后，普里斯特利于1766年成为英国皇家学会成员，这使他接触到学会成员的报告、实验方法和科研仪器。
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空气是怎样作用的？它是由什么构成的？如果你是一位18世纪的科学爱好者，你会如何解构呼吸系统的含义？请思考一下自己的呼吸：当你本能地渴望呼吸，空气是如何涌入胸腔的？亲爱的读者，请按照下面的要求做一个实验：深深地吸入一口气，使空气尽可能地充满肺部，然后屏住呼吸。在阅读上面的句子之前，你完全没有意识到自己的呼吸作用，但是我想让你停止呼吸并思考一下空气。现在开始吧。
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当你再也无法坚持憋气，就将那一大口气全部呼出来。我的意思是全部 空气，彻底排空肺部。现在停止呼吸。你能坚持多久，20秒或者两分钟？为什么我们必须呼吸？吸气和呼气的过程到底实现了什么？空气的成分是什么？我们又为什么必须依赖空气？
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在皇家学会对空气的成分进行探索之前，人们几乎没有办法思考空气是什么，只能将它视为一种功能未知的、同质且无形的元素。古希腊的空气活力学说已不能满足人们的好奇，新的实验时代要求对空气本身进行测试。评估空气的唯一方式是使其分离，而各位“科学侦探”选择的装置是由透明玻璃制成的钟罩，他们把这个气密装置放在浅水池或者水银池中，这样便可以将空气困在里面以方便做实验。皇家学会的科学新秀们最早进行的一些实验，借助了玻璃钟罩和一个真空泵，他们把一只小鸟放入密封的罩子里，并用手动真空泵将空气排空，那个不幸的小生命几乎立即仰面倒下，生命迹象全无。即使不抽气到真空状态，在钟罩内放置一根燃烧的蜡烛和一只啮齿类动物，也可以显示出空气对生命的重要性。蜡烛一旦熄灭，小动物也变得无精打采、瘫软无力。人们进行这些实验时还没有认识到氧气的存在。该如何解释蜡烛的燃烧或者动物的呼吸呢？
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18世纪初期的知识分子认为动物和非生物体都含有“燃素”[13] ，生物呼气或者物体燃烧时，燃素被释放到空气中。这种理论认为，当空气中的燃素过饱和，火就会自然熄灭，动物也会在钟罩内倒地而亡。这个解释似乎完整得无可挑剔，只是荒唐可笑，错误至极。
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下面我们来做一个小测验。1648年，荷兰医生扬·范·海尔蒙特（Jan van Helmont）的实验结果发表出来，这项实验旨在探索树木等植物生长的性质，设计得非常聪明。范·海尔蒙特在几年前仔细地收集、干燥了200磅重的土壤并放在一个大花盆中。然后他选择了一根5磅重的柳树幼苗，将它种在大花盆中，并精心浇灌了5年。实验结束时，他小心翼翼地将这棵树连根移走，发现它增加了164磅。范·海尔蒙特又对土壤进行了干燥和称重，他发现这些土壤在5年中仅仅减少了2盎司（约57克）的重量。他的结论是，植物仅靠水分来增重。
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问题：您同意扬·范·海尔蒙特的观点吗？请马上作答。
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1754年，约瑟夫·布莱克（1728—1799年）向爱丁堡大学提交了自己的医学博士论文。作为一名接受过医学专业培训的医生，布莱克在格拉斯哥和爱丁堡两地对肾结石的性质进行了实验研究，测试用酸溶解结石的可能性。布莱克收集了肾结石和胆结石，然后将它们放入各种酸中。他惊讶地看到，某些石头（如石灰石）泡入酸中会腾起气泡并发出咝咝声。他猜测将这种气体是被固定在固体材料中的成分，便称之为“固定空气”。后来的实验表明，“固定空气”无法维持火焰的燃烧或者使动物存活；然而植物却可以在“固定空气”中生机勃勃地成长。
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约瑟夫·布莱克的发现对后续研究产生了直接影响，在接下来的几十年中，化学领域的传奇人物们进行了一系列的基础研究，有人认为他的博士论文是“一个精妙的模型，也许是第一个成功的定量化学研究模型，也是实验科学的经典范本，其价值可以与牛顿的《光学》比肩”。[14] 这一切始于这位年轻的苏格兰人俯身观察一小瓶酸，想知道为什么浸泡在液态酸中的石头会像香槟一样冒泡。
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再来回想一下扬·范·海尔蒙特的实验：树木增加的重量有没有可能不是来自水，而是来自空气？
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空气的基本构成要素是分子，这种想法十分吸引人，不过解开这一谜团的巨大挑战也令人生畏。另一些英国化学家利用钟罩制造出了氢气（亨利·卡文迪什，1766年）和氮气（丹尼尔·卢瑟福，1772年）。那些早期的化学家加热或燃烧密封玻璃罐中的物体，观察密封气室内动植物之间的相互反应，或者在隔离空间内燃烧物体，来收集信息，了解组成空气的气体成分。蒸汽机的发明以及对燃烧过程理解的加深，显然激发了人们研究气体的极大热情。在人们好奇的众多问题中，有一个大家不断追问的疑点：是什么为燃烧过程提供了燃料？
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约瑟夫·普里斯特利的声望在英国的有识之士中日益上升，正当英国当局的统治在北美殖民地逐渐瓦解，他在博伍德别墅（Bowood House）获得了辅导教师的职位，同时也做一名学者。博伍德别墅是谢尔本伯爵（Earl of Shelburne）的家产，位于伦敦以西100英里处。1773年，普里斯特利成为伯爵一家的图书管理员和志趣相投的朋友，更重要的是，他还负责照看实验仪器，这将促成思想史上最重要的发现之一。
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1774年夏末，约瑟夫·普里斯特利把大量精力都花在对汞灰（mercury calx）的研究上。汞灰是一种奇特的深红色粉末，看上去如同辣椒粉一样，加热会变成液态汞，也就是水银这种在几百年来一直吸引着炼金术士的传奇金属。然而，即使像艾萨克·牛顿这样的奇才也没有留心去研究隐藏于水银粉末中的秘密。
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当科学家点燃一炉汞灰，粉末变成水银的同时会有一股烈焰在上方腾起。普里斯特利决定尝试在玻璃钟罩中将粉末变成液态水银，以研究生成液态水银时究竟是什么“气体”以某种方式引燃了如此明亮的火焰。但是，怎样才能在玻璃气室内使粉末液化呢？普里斯特利非常巧妙地利用了一个12英寸的“燃烧透镜”。他用一块放大镜将阳光的能量聚焦在一小堆汞灰上，就像现在调皮的中学生逗蚂蚁一样。玻璃钟罩外面的透镜将粉末熔化为液态水银，就能使钟罩内部充入空气，放置其中的蜡烛火焰更加明亮了，困在其中的小鼠存活时间也变得更长。
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这种富含氧气的气体副产物与约瑟夫·布莱克所说的“固定空气”类似，两者都是化学反应过程中释放的某种气体，不论产生的条件是粉末状固体加热熔化，还是石头接触到了酸。普里斯特利坐在保存至今的博伍德庄园小实验室中思忖着这种气体的重要性。“它在肺中的感觉，”普里斯特利写道，“无异于普通空气，但是过了一会儿，我似乎感到胸部特别轻盈。假以时日，这种纯净的空气可能会成为时尚的奢侈品。但目前为止只有两只小鼠和我自己享受着呼吸它的特权。”[15] 普里斯特利呼吸的当然是氧气浓度很高的空气。汞灰实际上就是氧化汞，加热时氧气便释放到空气中。
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约瑟夫·布莱克的“固定空气”又是什么呢？二氧化碳。为什么玻璃钟罩里的植物在“固定空气”中就会茂盛地生长呢？因为通过光合作用，它们能够分解出碳、释放出氧分子。这也是约瑟夫·普里斯特利的发现。它还解答了扬·范·海尔蒙特给柳树称重的谜题。柳树并不是通过土壤长大的，也不是通过水 ，而是通过周围空气所提供的二氧化碳来生长。我们这个世界上的所有树木和植物都是将二氧化碳转换为它们组织结构中的含碳物质，才长得更高更大的。
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布莱克、卡文迪什、卢瑟福、普里斯特利和拉瓦锡等化学先驱发现了我们所呼吸的空气是由哪些气体构成的，这一基础性发现为现代化学的发展铺平了道路，也为麻醉的发明奠定了基础。汉弗莱·戴维（Humphry Davy，1778—1829年）是英国人，他在父亲去世后，十几岁就跟着外科医生做学徒。巧的是，戴维对外科手术没什么兴趣，却喜欢用化学物质和火焰在家里做实验。这对外科来说不是坏事。少年时期的戴维就结识了几位传奇的科学先驱，并接到气体研究所（Pneumatic Institution）的邀请，这个机构位于布里斯托尔，专门研究气体的医疗用途。
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