大家知道，蛋白质在生命过程中起着决定性作用，而氮是蛋白质的主要组成元素。一切动植物的生长都离不开氮。大气中虽然含有80%左右的氮气，可是它不能被绝大多数的生物直接利用。只有当氮气被“固定”住了，就是当大气中的氮气和水中的氢元素或大气中的氧气结合成一种可溶性的含氮化合物之后，它才能被生物吸收。

目前，工业合成氨是以空气等物质为原料，经过复杂的加工得到纯净的氮气和氢气，然后让它通过合成氨催化剂，在高温高压的相当苛刻的条件下制成氮肥的主要原料氨。这种方法要求庞大的设备和复杂的工艺，还要消耗大量的能源。然而自然界中却存在着一类叫做固氮菌的微生物，豆科植物上面寄生的根瘤菌就是这样一种固氮菌。它通过体内的一种具有特殊催化功能的蛋白质一一固氮酶的作用，能够把不能被植物所直接利用的空气中的氮气，转化成可以直接利用的氨态氮，这就是通常说的生物固氮。

经过科学家们研究，固氮酶和化学催化剂一样，是通过某些催化活性中心起着固氮作用的。那么，我们能不能用化学方法模仿固氮酶来进行固氮作用呢？固氮酶的活性中心具有什么样的结构呢？能不能用化学方法合成这种活性中心的模型物呢？目前，世界上许多优秀的科学家都在研究和探索着回答这些问题。

氮气分子是非常不活泼的。可是为什么它却能在固氮菌这样微生物的作用下，以足够高的速率和效应被还原成氨态氮呢？固氮菌的这种超人本领，使需要高温高压那样苛刻条件的合成氨工业，相形之下显得非常逊色，这里的关键又是什么呢？所有固氮菌都含有固氮酶，不同固氮菌中所含的固氮酶在组成和结构上必然存在着一些差别，但本质上的差别肯定很小。反过来，不能生成固氮酶的生物无论如何是不能直接固氮的。因此，了解固氮酶的结构，探讨它是怎样起作用的，要怎样做才能模仿它。，这就是化学模拟生物固氮的任务，也就是要以化学的方法来模仿固氮酶这样一种生物化学催化剂的固氮本领，把仿生学的研究渗进化学领域去。

化学模拟生物固氮的研究是从两个方面进行的。第一是生物化学家们从生物固氮酶入手，分离出它的有效成分，测定它的组成以及它的固氮活性中心的结构。1960年，美国杜邦公司的卡纳汉从巴氏核菌中首次分离出具有固氮活性的无细胞提取液，并且成功地实现了利用它把氮气还原成氨的试验，使固氮的生物化学研究推进到细胞内提取液的水平（这里我们不妨顺便指出，我国是1962年从棕色固氮菌制备出无细胞抽提液，当时相差不过两年左右）。1966年莫顿森和布伦等分别从巴氏核菌和棕色固氮菌的提取液中分离出固氮酶的两种单纯化的酶蛋白，通称钼铁蛋白和铁蛋白。这就标志着固氮的生物化学研究又从非细胞提取液水平进入了分子水平的研究阶段。1970年，伯恩斯等首次获得了钼铁蛋白的针状结晶，之后固氮酶的生物化学研究进展相当迅速，对固氮酶的结构提供了许多基本信息。

1977年，威斯康辛大学从钼铁蛋白分离出一个分子量只有一两个的铁钼辅基，并加以纯化。经过许多生物化学家的努力，我们有理由相信这个铁钼辅基分子是固氮活性中心的核心部分。不过，固氮酶的固氮活性中心结构到现在还未能完全搞清楚，对氮气分子的整个还原过程也还得不到真正的了解。

第二方面的工作是，化学家和生物化学家们根据固氮酶研究所提供的基本化学组成、生物化学性质、催化固氮活性以及结构信息，设法用化学的方法加以模拟。他们逐步深入地提出了固氮酶活性中心的结构模型，并且设法进行模型化合物的试探合成，或者设计出模拟体系，进行固氮活性中心的模拟研究。1973年，由蔡启瑞教授领导的厦门大学固氮研究组和由我领导的中国科学院福建物质结构研究所固氮研究组，分别从络合催化和结构化学的角度，先后分析了生物固氮化学过程的络合活性催化作用，这都是国际上提得最早的钼铁硫类立方烷型原子簇结构模型，即厦门模型Ⅰ和福州模型Ⅰ。后者形状有点象像我国土产的网兜，因此我们称它为网兜状结构模型。前者本质上也是网兜状的。应该说，这两个模型都能相当圆满地解释固氮酶的主要还原反应，因此不妨认为提得相当完整，也能描述得相当细致的。1978年，我们两个固氮研究组又根据国外新取得的固氮酶研究结果对原提模型加以发展，福州模型Ⅰ就这样成为福州模型Ⅱ。总的说来，我们提出的两个福州模型都含有一种基本结构单元即网兜状一钼三铁三硫原子簇结构单元；这样的结构单元，不仅得到外延X射线吸收谱实验结果的相当有力的支持，而且从其它活性测试结果得到了旁证。

当然，一个理论模型是否正确，还必须通过实践来验证。莫顿森已经从好几种固氮菌结晶出钼铁蛋白，得到可供晶体结构测定用的单晶，相信再过五年左右能将钼铁蛋白的全结构测定出来。这样就可以用来对比验证了。但是福州模型是一种多核原子簇结构，它的合成规律尚未被人们充分掌握，可以说它的合成本身就是一个要费大力气的研究课题。在国内，厦门大学、吉林大学、中国科学院福建物质结构研究所等单位都已开展了这方面的研究工作，分别合成了若干系列具有一定活性的化合物。其中我们福建物质结构研究所一方面与兰州大学化学系黄文魁教授协作，合成出一系列所谓G系的模型物（这里G指甘肃兰州）；另一方面又自己组织力量合成出另一系列所谓F系的模型物（这里F指福建福州）。文献上还未见到其它报道，反映出我国化学模拟生物固氮的研究工作在某些方面还是处于前列的。近年来，我们福建物质结构研究所又对模型物的活性成因以及它和活性体分子结构的相互关系进行了分析研究。根据G系模型物晶体结构测定结构果的启示，可以相当肯定它们的活性体在晶体中并不一定直接存在；相反地，在晶体里可能只存在着几种比较简单的双核原子簇化合物作为活性结构的“元件”，它们在活性测试的实验条件下组装成活性体的机会。这样的元件设想已经得到一些实验的初步考验，进一步的工作尚在进行中。

在当前世界性能源短缺的情况下，为了适应生产迅速发展的要求，寻求新的农业氮源是一项十分迫切的任务，因而化学模拟生物固氮的研究有着非常明确的意义。如果化学工作者能和生物化学工作者一道彻底弄清生物固氮作用的机理，模仿合成出具有够高固氮活性的准生物化学催化剂，就有可能做到，在相当温和的温度压力条件甚至是常温常压下，从一端输入氮气和水以及必要的电子供体，从另一端得到源源不断地输出的氨。要做到这一点，还要走漫长的道路，克服重重的困难；但是只要通过我们科学技术工作者的辛勤探索，化学模拟生物固氮这个美妙的科学幻想一定会成为真正的科学现实。