在文艺复兴时代及其之后,一些著名的科学家在从事他们的专业研究期间,有时还注意研究海洋。例如,La Grange研究潮汐,Boyle研究含盐量,中国人,希腊人和罗马人研究水产养殖。然而,在一百年前,海洋学——研究海洋的科学还是一门不知名的科学。可是在十世纪,生物学方面的某些研究成果差不多能与现代的成就相比。二十世纪二十年代末,Rekes Lraw(美国),Harvey(英国)和他们的同事在食物链方面进行的开创性工作,使海洋生物化学真正进入了高级阶段。目前,由于出现了食物及动物供不应求的危机,海洋的开发才受到应有的充分的重视。
海洋资源的勘察为化学海洋学的形成提供了创立条件。化学家对海洋学的发展又起了显著的决定性作用。在海洋学的早期历史中,包括第一次世界大战后的四十年,海洋化学家经常为海洋勘察无条件地提供化学分析,帮助海洋生物学家和物理海洋学家,从而发挥了辅助作用。
食物
人类并不习惯以海洋食物为生。世界人口需要的热量仅3%来自海洋。美国人比其他国家的人们获取量多一些,但每人每年只能吃到十二磅鱼。由于海洋食物是海洋科学的一个重要课题,海洋化学家将其大部时间和精力都用于生物食物链的实验中。他们利用植物吸收海水中的某些离子,再放养一些小动物消化植物,然后再让一些大鱼吃掉小动物。化学家根据实验判断海水中的养分有:氨、亚硝酸盐、硝酸盐、磷酸盐和硅酸盐。海水中氧的浓度及生物氧的消耗量也曾引起化学家极大的关注。可见,导致食品工艺学产生的海洋生物学也是海洋化学家赖以存在的主要原因。
物理海洋学
海洋学的另一分支——物理海洋学,研究海水的特征,海水的来源,相邻海水之间的区别及相互联系。所有这些都要通过海水中离子总浓度(即含盐量)的化学分析来完成。虽然在某种程度上说海水中含有所有的元素,但有九种离子的含量却占了海水总盐量的99.5%。
化学海洋学家的任务是测定海水的浓度。他们已经毫不费力地证实:海水中所有离子的相对含量大约是个常数。假如一定量海水的总盐量即“咸度”是3.51%,那么钠的含量则是1.077%,镁的含量是0.13%,氯化物含量是1.94%。所以对于化学家来说,真正需要的是测定某种离子的浓度,然后再间接地测量其他主要离子的浓度。
通常选择Mohr法——硝酸银滴定法来测定氯离子的浓度。因为该方法操作简便而且数据准确。
二十世纪四十年代末及五十年代初,新兴科学——地球化学开始形成。化学家通过放射化学可以准确断定海水质量和海底沉积物的年代,实际上他们促进了现代地球物理学理论,如大陆漂移,海洋板块分布和板块构造学的发展。
经历灾难的成果
在二十世纪六十年代中期,一些政府,特别是美国政府十分注意环境被破坏的问题。但其主要目标只是地壳水。当时,他们还以为海洋吸收废物的能力无穷无尽呢!
十年前,一些人考察了旧金山海港。该海港方圆435平方英里,可以容纳世界上所有的船舶,曾经被当作规模极大的港口受到重视。考察者进入该港口后,发现每天有239磅铬和172磅铜(以盐的形式)倾倒其中。还有60吨石油和润滑油。几乎集中了整个地区居民的废物,各种各样,无奇不有。
地球71%的表面由海水构成。实际上318万立方米海水中有许多是人类排泄的废物。近来,还有许多未经生物分解的废物排泄在公海之上。随着环境危机的出现,许多水化学家应运而生。虽然他们还没有经过这方面的专门培训,但这些化学海洋学家已在美国以及政府的管理机构,工业管理部门,大学,工厂和其他政府机构的科研实验室里工作。
有时,人类活动在海洋化学方面的影响是间接的,错综复杂的。例如,平常从东地中海获取食物的人们现在必须另外寻找其他的食物资源。这是由于海水具有阻止电磁辐射透过的蔽光性,太阳辐射只能穿过几米深的海水,因而光合作用只能在海水上层进行。在这一层,植物生长所需要的养分几乎完全被光合过程耗尽。因此表层海水通常总是缺少养分,而中层和深海才含有大量营养成分。
现在考察地中海:由于来自撒哈拉沙漠的连绵不断的南风,海面上的典型气候是炎热、干燥。其结果导致海水急剧蒸发,从而使地中海海水的含盐量比其他海洋高得多。含盐量高的水比淡水密度大,这就限制了地中海水与大西洋海水的相互混合。密度小的大西洋海水在直布罗陀海峡表面进入地中海。密度较大的地中海水被卷入下层,流入大西洋深处。地中海接受了养分少的海水,而养分多的海水进入了大西洋。实际上,地中海水的养分大概是大西洋海水的十分之一。
至今,为地中海提供养分的仍然是奈耳河。大概在二十年前,为了最大限度地节制奈耳河,修筑了阿斯旺水坝。遗憾的是水坝的建成减少了养分充足的河水流入地中海,以致渔业公司在地中海的收入损失了50 ~ 90%。假如事先询问化学海洋学家,可能预见到这一点,遗憾的事情或许不会发生。
开发海洋
迄今,关于海洋资源的讨论还仅限于食物。人们认为食物是可以更新的资源,因为食物可以通过植物和动物的生长而更换。另一类资源——矿物,被认为是不可更新的资源,因为矿物可能被用尽。也就是说,矿物的总供给量是固定的。近年来,由于能源不足,人们十分注意海洋的矿物资源,特别是海底的矿物燃料。现在,世界上使用的产品将近四分之一来自海洋。科学家们估计,在本世纪末,使用数量可望达到二分之一。海下矿物资源对美国来说是很重要的,因为美国要进口69种现代工业部门急需的主要材料和矿物。相反,在苏联这些资源都自给闰足,其中许多资源就是从海洋中大量找到的。
某些产品如溴、钾、镁和食盐(氯化钠)的普遍应用,促使海水工业得以迅速发展。还有许多普通的矿物来自大陆性沙洲及斜坡的沉积物中。除了矿物燃料(石油和天然气)外,还有砂子、卵石,磷灰石(作肥料用)、石灰、某些较重矿物及以独居石矿砂中得到的稀土元素。
目前,正在勘探海底“锰结核矿”。该矿由大量锰元素组成。现代冶金学和化学已经成功地从锰结核矿中分离出铜、镍和钴等元素。据估计,在不久的将来,该分离过程与从陆地矿物中分离无机物的过程相比,将不相上下。
海洋中的药物
人们需要一些食物,药物。若干世纪以来,人们就在研究从海洋中提取药物的问题。罗马人曾经从鱼类中提取过毒素。日本人和中国人吃过海藻,得知其中含有碘,对控制甲状腺病有益。但是,从生理学上进行专门研究,探索海洋生物体中的有效成分,乃是近代的使命。
据文献记载,有1200种物质是生长抑制剂,它们能够抑制活的有机体的生长。其中早已发现的五十多种已广泛用来预防和医治人及动物的细菌性疾病。这些物质的应用大大促进了医学的发展。对于新的更有效的天然抗菌素以及其他药物的研究正在继续进行。直到现在,所有应用的被分离的天然药物几乎都是从陆地上的有机物中提取的。有一段时间人们曾认为,在我们所处的环境中,最重要的药物资源也许全部存在于陆地上。这显然是不正确的。科学家们认为,从海洋中来的物质在医学上未被利用,是由于缺乏对适用的高效试剂的研究。
教育
化学海洋学家正处在迅速发展的愈来愈为人们注意的领域里。要从事化学海洋学的研究工作,必须有许多高等基础知识。
化学家的研究已不再限于对营养成分和主要离子的分析。他们的仪器也不再那么简陋。色层分析法,中子激活分析法和原子吸收光谱取代了简单的比色分析器和滴定分析法。现代的海洋化学家正使用各种精密仪器分析维生素、多氯联苯,碳氢化合物和重金属。
在第二次世界大战末期,希望得到海洋学学位的人只能从Scripps海洋学会(加利福尼亚大学)或者在Seattle的Noshington大学接受学位。现在至少有三十六个大学提议授予海洋学博士学位。
自开设学位以来,美国授予了2600名海洋学博士。大概在第二次世界大战期间,有10%是化学家。然而,由于政府意识到环境保护的需要,这个数字已显著地增大。1958有4人,1972年有十人被授予化学海洋学博士学位。
无疑,被公认的海洋事业及其专业已随着几百年来化学专业的发展而有所发展。化学海洋学是新兴的有活力的专业,人们不难推测它的未来。
(Journal of chemical Education,1983年3月)