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魔法石、炼金术和化学家|一场鸡骨头实验引发的探索
有趣的实验
2025年06月03日
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金子的永恒也象征着永生,这也是炼金术士苦苦追寻的,只是,在寻找可以点石成金的哲人石过程中,炼金术士通过蒸馏尿液意外发现了——磷——这一生命中极重要的元素。

尿液蒸馏后剩下黑色残留物,然后混合炭和砂石加热,会得到一种白色的沉积物,这就是白磷,继续加工可以得到红磷。这完全符合关于哲人石的传说,经历从黑色到白色再到红色的转变。

竟然,如此巧合。

在西湖大学杨肖实验室,他们正在尝试从鸡骨头中回收宝贵的磷元素。相比直接从磷矿中“暴力”夺取资源,磷元素又开启了另一场在生命中的循环。

我们和杨肖聊了聊,一场由磷元素引发的探索往事。

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杨肖实验室


肖实验室,密集的设备如同宇宙飞船里的内部设置,恍惚间以为是一趟星际迷航。


磷,从坩锅里化为蒸汽,在玻璃管里凝结,形成白磷。这些磷从鸡骨头里提炼而来,此时的鸡骨头已化为灰烬。这些新生的白磷如果接触空气,很容易自燃,


磷,是什么?


一个经常出现在化肥袋上的元素?《聊斋》里写的鬼火?或者说战争中的白磷弹?疫苗里普遍使用的磷酸铝佐剂?这些都和磷有关。


我们经常说碳基生命,但其实,但是磷,也是生命的隐形大玩家,且看下面两点——


大名鼎鼎的ATP,也就是三磷酸腺苷,是生物体内储存和传递能量的物质。通过水解,ATP最后丢掉一个磷酸基团,生成ADP(二磷酸腺苷),释放大量能量供细胞使用,ATP就像是生命的能量货币。


鼎鼎大名的DNA,也就是脱氧核糖核酸,是由四种碱基(A、G、C、T)、脱氧核糖和磷酸组成的。磷酸再次出现了,它和核糖合作,构建出生命信息存储的骨架。


如果把生命看成宇宙的一项大工程,磷,参与了两项最基础的工作:能量和信息。


不止于此,这位工作狂人,到处揽活,拼命兼职,多管闲事。通过磷酸化,进而调控细胞信号传导、基因表达、酶活性等复杂的生命活动。细胞膜的主要成分是磷脂,骨骼的重要成分就是磷酸钙。人体内的磷大概85%存在于骨骼中。


磷儿啊,忙着撑起细胞的面子,又不忘给生命以笔直的骨气。


又如果生命是宇宙的一家创业公司,很怀疑磷是大股东,等待生命进化到可以在宇宙证券交易所挂牌上市,磷老板就会套现离场,不然这么拼干嘛?


杨肖在实验室



后来,我硬着头皮去听了一节杨肖的《化学冶金》课,才知道这仅仅是故事的局部,磷还有深藏不露的身世。有请杨老师:


“请不要叫我化学家,我是冶金学者。”


在第一节课,他如此开宗明义。课程是从介绍自己的家乡开始的,江西萍乡,曾经盛产煤矿。1908年,盛宣怀将湖北汉阳铁厂、大冶铁矿和萍乡煤矿合并组成汉冶萍煤铁厂矿公司,这是中国近代冶金工业的标志性事件。


杨肖记忆中,萍乡有着黑色的山,黑色的河,那是洗煤留下的痕迹。在这黑色的世界里,小镇很繁荣,电影院、舞厅、餐馆,五光十色。只是如今,煤矿枯竭,繁华不再。


矿石和冶金,其实一直编织着人类的历史。就像,学会青铜冶炼后,那些青铜武士终究会打败只会磨石头的部落。铁器出现的会晚一点,因为对冶炼温度的要求更高,但铁的硬度和强度又超过了青铜。


回眸数千年,这些都是当时的顶尖科技,也是文明的某种底色。


那磷呢?同样如此。当杨肖团队瞄准从动物骨骼和污泥中提取磷,其实是一种观念的转变。


让我们如此大致猜想,所有拼命参与生命过程的磷元素,最初来自地壳,并在漫长的地质和生命演化中,形成了某种“生物地球化学循环”。当人类想要养活更多的人口,就更多的粮食,也就是更多的化肥,这,当然包括磷肥。


说白了,人类无法满足于缓慢自然循环下的磷资源,开始直接向地壳中的磷矿索要更多。高温还原是比较常用的方法,将磷矿石与焦炭、硅石等还原剂混合,在高温炉中进行还原反应,温度会达到1400多度。


如此,原本“封印”在地壳中的磷,加速进入了自然循环。磷肥的粗放使用导致了水体富营养化的环境问题,而磷矿资源几乎是不可再生的,挖一份,少一份。


长此以往,这无异于青铜武士杀入石器部落,恐怕最终只会让地球“生灵涂炭”。


就是在这样的思考下,杨肖实验室开发了新型的反应方式,新的还原剂,找到了更低的反应温度,从1400度降低到了800度,更重要的是,他们只提炼原本就在自然循环中的磷。


经历第一步高温后的鸡骨头


现在,欢迎正式来到杨肖实验室。


在你面前的是一套测试中的实验装置,鸡骨头会先进入坩锅,在这红色的炼炉中化作白骨,然后进入到下一个反应炉,最终磷被还原出来,升腾为蒸汽,最终在玻璃管中凝结。


相比磷矿冶炼时如钢铁巨兽的设备,这个设备显得太微小,鸡骨头真的能改变未来吗? 


当我们不确定未来,最好回看下历史。在杨肖办公室里,有几本是关于炼金术的,其中一本是《炼金术的秘密》,作者是普林西比,约翰斯•霍普金斯大学科学讲席教授,译者是张卜天,西湖大学终身教授。


杨肖从那堆书里伸出头来看着我问:“知道哈利波特和魔法石吗?魔法石就是炼金术士追求的哲人石,philosopher's stone。”这是传说中能够点石成金、制作长生不老药的终极造物。


但是,炼金术士们在找到它之前,却找到了磷。时间是1669年,德国汉堡。


炼金术士布兰德正在蒸煮尿液。据说,街坊领居已经不能满足他对尿液的需求,布兰德最后是在军队中收集了整整5000升尿液。浓烈的臭气味让他的学徒几欲呕吐,但日益继夜的蒸发,只剩下了黑色残留物。


上千年来,炼金术的语言传统充满了各种神秘而晦涩的隐喻。当时有一则关于哲人石的古代格言,说哲人石“价格低廉,无处不在,脚下就是”。这很容易让人联想到人类排泄物,当时的欧洲满大街都是。


当然,布兰德执着于尿液,也是受到了尿液金黄色的诱导,如同德国人爱喝的啤酒。但是,炼金术士并非完全是在晦涩的隐喻里摸索,他们也保有更深沉的信仰,从亚里士多德的四元素说到后面发展出来的诸如“硫-汞”二原质说,他们坚定地相信世间万物都可以通过某种方式转化。


布兰德迎娶过一位富有的女子,得到了大量的嫁妆,丧妻后又迎娶了另一位富有的女子。他软饭硬吃,把大量金钱投入到炼金事业之中,意志坚定,管它臭气滔天。


面对黏糊糊的黑色臭疙瘩,布兰德没有放弃,几个月后,他继续把残留物和沙子混在一起加热,如同大火收汁。最终,一种洁白如雪的蜡质固体沉积在底部。


这种白色固体极容易燃烧,散发出绿色火焰和大量白烟。布兰德捧着里面正在燃烧的玻璃器皿,感受到如此炽烈的火焰却是冷的,他给这个东西取名为——phosphorus——在希腊语中是带光者的意思。


关于布兰德发现磷元素的油画作品。by Joseph Wright 1771


参与生命演化亿万年的磷,化身冰冷闪动的火焰,和人类见面了,这是1669年。


也是在1669年,乡试未中的蒲松龄已经开始当私塾老师。在他日后创作的《聊斋》里,燃烧的磷化氢鬼火,是时代的映照,那是一个兵匪横行、灾荒四起、命若草芥的时代。


磷的故事,一直在继续。二战期间,美军开始在在太平洋战场对日军使用白磷弹。白磷弹,最佳爆炸方式是在百米高空采取锥形抛射,如同天国的烟花。飞溅的碎片可附着在人的身上不断燃烧,甚至烧穿骨头。


是生命之光,是地狱之火。


说回布兰德,他最终几乎破产,连如何死去都成了一个迷。同时代的炼金术士波义耳在英国复刻了布兰德的实验,他的步子明显更大,多年前,他已经写就了一本划时代的书《怀疑的化学家》,向亚里士多德的四元素说提出了质疑。


波义耳改变了思路,认为不能互相转变以及不能还原为更简单的东西称之为元素,这更具有实证精神。近代化学由此诞生,它脱胎于炼金术。


大概是在磷发现的在两年前,另有一位年轻人在自己大学宿舍边上搭了一个实验室,用于研究光学和炼金术。年轻人比波义耳小15岁,深受这位前辈影响,视他为偶像。终其一生,这位同学,大概写下了60多万字的炼金术笔记。他沿用着炼金术隐晦的语言,比如用“赤龙”指代水银,“白鹅”指代硫磺。


几百年后,他的部分笔记被大经济学家凯恩斯拍走,凯恩斯曾感慨说:“他不是理性时代的第一人,他是最后一位炼金术士。”


他,就是牛顿。


我们至今依然生活在他开创的万有引力时代。有一种学术观点认为,在练金术的影响下,他摒弃了笛卡儿式的机械论哲学,炼金术中物质神秘的相互作用,也许启发了牛顿,提出物质之间存在吸引力的观念,这种超距作用看似魔法。那是一个魔法和科学并存的时代。


而磷,在当下的实验室里,又开启了新的轮回。


杨肖团队合影