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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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约瑟夫·普里斯特利于1772年首次合成出一氧化二氮，并第一个注意到它具有改变精神状态的效果。但是勤勉的汉弗莱·戴维对一氧化二氮进行了测试，并在詹姆斯·瓦特的帮助下，建造了用来测试的密封气室，对这种气体的产物进行了提纯。最重要的是，戴维首次思考了一氧化二氮的医疗用途（见彩插9.2）。他在1800年评论道：“一氧化二氮用途广泛，显示出消除疼痛的能力，这一优势或许可以应用在没有大量出血的外科手术中。”[16]
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进入19世纪，地表大气的成分已然明了。随着化学从一门定性学科转变为定量科学，我们这个原子世界的拼图也开始成形。英国人约翰·道尔顿（1766—1844年）正式提出了“原子理论”，即原子这种无法再进一步分割的化学元素，是按照一定比例结合在一起组成化合物的。道尔顿观察到分子总是按照特定的比例结合，他通过编写化学方程式的配平手册，掀开了宇宙结构的面纱。每个化学专业的学生都会使用本生灯（Bunsen burner）为试剂加温，每位厨师都会将小苏打（碳酸氢钠）等成分加到制作面包面团的配方中，这些都印证了道尔顿对世界构成比例的洞察。顺便一提，小苏打能够用于烘焙，是因为它化学分解后可以释放出水和二氧化碳，气体的释放使面糊膨胀，让面糊变得更轻更蓬松。其化学反应方程式表达为2NaHCO3 = Na2CO3 + H2 O + CO2 。
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我们应当认为化学是在19世纪崛起的，因为化学的进步使当时的世界发生了翻天覆地的变化。合成药物、提炼石油、改善合金、生产化肥以及制造合成纤维的能力，改变了我们的衣食住行、医疗药品以及现在生活中所接触的一切。医学在19世纪中叶发生的最重大改变是，炼金术爱好者自制配方的能力，现在能够在人体上产生真实而强大的影响。
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要确证一种药物有效，研究者应当尽可能地限制从接触药物到实现预期效果之间的时间。这就好比我们在电视连续剧第一集里看到有人中毒了，最好的表现手法就是王子在聚集的人群前仰面倒地，同时酒杯还在他的手中。如果下毒者选择的毒药需要几个小时或者几天才致命，这样的场景就行不通了。人类自古以来就会醉酒，而且不用旁人告诉就知道喝多了酒会导致举止恶劣、头晕眼花、昏睡不醒。但是人要达到这种醉酒程度，确实需要一定的时间。如果有一种物质让人接触后几分钟甚至几秒钟之内就失去知觉，那肯定让人永生难忘。19世纪30年代，在化学革命的初始，这种物质就出现了。
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美国庆祝建国50周年期间，乙醚和笑气的狂欢派对在美国东海岸风靡一时。自诩化学家的江湖术士学会了如何制作乙醚和一氧化二氮，他们像四处奔波的传教士一样，走街串巷地展示市民们因新奇气体而飘飘欲仙的样子。想象一下，假如你是1839年费城的一名中年妇女，在一场公共活动中你亲眼看着舞台上的丈夫在接触了充满液体的海绵后，就立刻变得跌跌撞撞，语无伦次，而周围没有人在意展示者正在伤害自己的身体。假如站在这位妇女旁边的是一名25岁的医学生，他来自佐治亚州乡村，正惊愕地看着台上的先生失去了知觉。他会想，这种新型混合物能为医学领域带来什么呢？
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克劳福德·朗（Crawford Long）就是19世纪30年代末费城群众中的那名医学生。他来自距亚特兰大90英里的小镇丹尼尔斯维尔（Danielsville），出身于富商家庭。朗在佐治亚州阿森斯读完大学之后，就读于美国最古老的医学院，宾夕法尼亚大学医学院，并于1839年毕业。这所学校由在欧洲受训的内外科医生创建，朗有幸受到了当时最好的教育，尽管在1839年人们对病菌、癌症和疾病的细胞基础缺乏了解，而且当时医学界没有麻醉和抗生素。虽然朗的导师们实践的医学方法是基本无效的，但他确实学到了正确的科学方法。
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克劳福德·朗离开了费城，于1841年在纽约市完成了实习。贝尔维尤医院是美国最古老的公立医院，建于1736年。朗在纽约市时，简单着急的小手术会在这里进行。在19世纪30年代，外科当然没有精细的分科——因为分了也没用。然而在人满为患、疾病泛滥的大城市医院里接受培训，还是会让人受益匪浅。在医学和外科领域，丰富的经验至关重要。朗上医学院时，医学期刊还处于萌芽阶段，没有什么可以替代大量生病受伤患者的经验。当然19世纪中叶的美国医疗都是些徒劳的作为，但是由莫尔加尼和罗基坦斯基开拓的新型诊断方式，至少使医生们能够有理有据地推测患者死亡的原因。
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毫无疑问，纽约铺天盖地的患者加上朗对笑气和乙醚神秘威力的深信不疑，促使他得出这些气体能够使人失去知觉的假说。没有证据表明朗在纽约讨论过气体用于麻醉的可能性，但奇怪的是，他在美国最重要的两所医学圣殿接受培训后，又退居佐治亚州的另一个小镇，在此仅仅一年后就创造了历史。
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克劳福德·朗来到杰斐逊镇，那里是丹尼尔斯维尔的邻镇。他不出一年就改写了历史，尽管许多年后世人才意识到这一切。1842年3月30日，克劳福德·朗为一名颈后长有肿瘤的年轻患者进行了我们今天所说的麻醉。这次历史性突破发生于杰斐逊镇学院街保存至今的一栋二层红砖小房子里，那位高大消瘦、蓄着胡须的南方人在这里给年轻的詹姆斯·维纳布尔（James Venable）使用了乙醚。肿瘤切除手术像抗生素问世之前的所有手术一样，是一种提取术而不是植入术。这台手术也毫无疑问是在窗旁进行的，医生要借助阳光的照明，因为白炽灯泡还要等上几十年才出现。
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起初，克劳福德·朗没有想过要将这一革命性技术公布于众。在科学和医学领域中，有很多至关重要的时刻是由孤独的天才在小村庄中悄无声息地造就的。奇怪的是，他们常常并不急于向世人宣布这些发现。几年过去后，朗在1846年12月9日的《波士顿医学与外科学杂志》（《新英格兰医学杂志》的前身）上读到约翰·柯林斯·沃伦（John Collins Warren）的一篇报告，内容是使用乙醚来防止术中疼痛的惊人成果。我们可以想象朗大惊失色的样子，他自己的发现被一批来自波士顿的内外科医生抢先发表了。同时，他对别人同样使用乙醚解开了疼痛难题感到震惊，没有利用自己快人一步的优势则使他十分沮丧。这些阴郁的情绪会随着波士顿三位先驱人物的争名夺利而不断滋长。
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