尽管本书主要内容将围绕氢气分子生物学，以氢气的生物学效应为中心进行阐述。本人认为，氢元素的特点、氢气发现的历史以及氢气的物理化学性质，特别是熟悉和了解和生物学效应关系密切的相关性质，这对于深入理解氢气的生物学作用机制是非常重要的基础，所以是我们首先必须了解的，因此本书第一章将分别介绍氢元素的形成、氢气的发现历史和氢气的物理化学性质，这些知识不少读者都已经比较熟悉，就算是温故而知新吧。

德国著名天体物理学家格哈德曾经说过“氢是宇宙中最重要的成分”。宇宙的有形物质成分绝大多数是由结构最简单的氢元素组成，大部分氢原子是由一个质子为原子核和一个核外电子组成。人类是自然界最复杂的物质形式，组成人体的物质也主要是由氢元素为主的有机分子和水分子组成的。作为人体和宇宙中含量最多的元素，氢气是该元素最简单的存在形式，受人类自身知识和各种因素限制，过去人类一直对氢气的生物学效应研究很少，最近的研究发现氢气具有非常神奇的生物学效应，甚至可能隐藏着巨大的生物学秘密。

氢气在水中的溶解度非常低，但仍可以达到0.9 mM，氢气在脂肪中的溶解度可以达到2 mM，这样的浓度范围在生物学体系中是常见的物质浓度，也是氢气具有生物学效应的浓度基础。氢气是一种化学性质比较稳定的气体分子，具有许多物理和化学性质，其中最显著的化学性质是还原性，过去长期的观点认为生物体系中不具备直接和许多物质发生的温度和浓度等条件，但是不发生或很难发生化学反应并不是产生生物学效应的唯一条件，甚至生物体系中可能存在一些我们不熟悉的能促进氢气和其他物质发生反应的催化条件，是氢气发挥生物学效应的真正化学基础。

第一节 氢是宇宙元素

氢（hydrogen）是一种化学元素，在元素周期表中位于第一位，元素符号是H，是自然界最小的原子。氢元素是自然界中最简单的元素，有三个同位素，分别为氕、氘和氚。

霍金被认为是现在世界上活着的最聪明的科学家，关于他研究的物理学和他的大爆炸理论，普通人实在难以全面理解。我们暂且不去追究他的理论是否完全正确，从历史角度看，将来应该有更理想的理论来解释这些现象。但他的理论目前是公认正确的，且看他是如何描述宇宙产生的。

为了解释他和其他人关于量子力学如何影响宇宙的起源和命运的思想，霍金提出了“热大爆炸模型”。这一观点认为，我们的宇宙是起源于150亿年前密度无限大、温度无限高和体积无限小的一个极点的爆炸。那是宇宙的起源，也是时间和空间的起源。大爆炸模型假定，从大爆炸开始那一刻起，宇宙就按照弗利德曼模型演化。所谓弗利德曼模型，是指宇宙膨胀过程中，宇宙中任何物体都会因为辐射而降低温度（就是会散热）。温度是微观粒子平均运动速度的整体或宏观体现，粒子运动速度越快，则宏观温度越高，反之亦然，宇宙降温会对其中的物质状态产生巨大影响。在非常高的温度下，粒子运动得非常快，甚至能逃脱任何由核力或电磁力将它们吸引到一起的限制（这个时候无法形成原子）。但可以预料，当温度逐渐变低时，互相吸引的核力或电磁力使粒子开始相互结合。更重要的是，存在于宇宙中的粒子种类也依赖于温度高低。

在大爆炸后的大约100秒，温度从无限大迅速降低到了10亿度。在此温度下，质子和中子不再有足够的能量逃脱这些粒子之间强核力的相互吸引，所以开始结合产生氘（重氢）的原子核。氘核包含一个质子和一个中子，所以宇宙中演化过程中出现的第一类原子核就是氢重元素。然后氘核和更多的质子中子相结合形成氦核，它包含二个质子和二个中子，还产生了少量的两种更重的元素锂和铍。所余下的中子会衰变成质子和电子，质子不需要和任何粒子结合，本身就是氕原子的核，也是我们所熟悉的氢离子。也就是说原子形成过程中，先有重氢原子核，然后有氕原子核；先形成原子核，后来才出现原子。

大爆炸后的4分钟，氦和其他元素原子核的产生就基本停止了。从宏观上考虑，此后30万年左右，宇宙仅仅只是继续膨胀，没有发生什么事。最后，一旦温度降低到几千度，电子和核子不再有足够能量去抵抗它们之间的电磁吸引力，才开始结合形成原子。就是在大爆炸后30万年这个时候，质子和电子结合，宇宙中最伟大最重要的成员氢原子诞生了。

随着时间流逝，星系中的氢和氦气体被分割成更小的星云，它们在自身引力下坍缩。当它们收缩时，其中的原子相碰撞，气体温度升高，直到最后，热得足以开始发生热核聚变反应。这些反应将更多的氢转变成氦，释放出的热升高了压力，因此使星云不再继续收缩。正如同我们的太阳一样，它们将氢燃烧成氦，并将得到的能量以热和光的形式辐射出来。它们会稳定地在这种状态下停留一段很长的时间。质量更大的恒星需要变得更热，以去平衡它们更强的引力，使得其核聚变反应进行得极快，以至于它们在一亿年这么短的时间里将全部氢消耗完，并给生命进化的行星提供光和热。

无论我们现在的宇宙是不是真如上述所描述的这样形成的，科学观测表明，组成宇宙的成分中，90%是氢元素，9%是氦元素。我们生活的地球上似乎不是这样的比例。地壳中各元素的含量从大到小依次为氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢百分比分别为：氧48.06％、硅26.30％、铝7.73％、铁4.75％、钙3.45％、钠2.74％、钾2.47％、镁2.00％、氢0.76％、其他0.76％。不过宇宙的主要成分中，象地球这样的星球并不是主要的，太阳这样的恒星才是分量更大的宇宙成员，才是决定宇宙成分的主要因素。

说氢是宇宙元素，可以从三个方面来考虑。首先，氢元素在组成上是宇宙的主要成分，其次，氢元素是宇宙中结构最简单的元素，第三，氢元素是宇宙中能量转化的中心。德国著名天体物理学家格哈德曾经说过“氢是宇宙中最重要的成分”。著名科普作家，华盛顿大学教授物理学家里格登的一部《氢的传奇》2002年被《发现》杂志选为20部最佳科普著作。里格登是这样评价氢的“我们对物质世界的认识，小到最基本的原子，大到宇宙本身，其实都可以由氢原子贯穿起来。”在《氢的传奇》中，作者给我们展示了氢原子在科学发展历史中的独特魅力，氢原子结构最简单，也最为独特，数百年来，氢原子一直挑战着世界顶级科学家的兴趣和信心。如果让我来评价氢元素，我觉得氢元素就是为科学而生，围绕氢的研究简直就是自然科学的一部传奇大书。而且，它现在又开始进入生物学家的视野，将在生物学领域继续演绎它的传奇。

巧合地是，有机生命组成最多的元素也是氢，作为电子传递介质氢也是生命能量转化的中心成员，而作为生命内环境最重要的成分水主要也是由氢元素组成。因此可以说氢元素不仅是宇宙元素，更是生命元素。

有人说世界起源于自然法则，也有人说起源于氢元素。无论怎么说，在宇宙、银河系、太阳、行星、卫星和、以及漫长、精彩演化的各类生命起源和进化形式，氢元素都无处不在，并一直扮演最重要角色。