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世界百事通！氮气占空气含量78％，为什么生物进化到今天是呼吸氧气而不是氮气？

2023-04-03 15:28:55 来源：腾讯新闻

这个提问的立足之点就搞错了。

一开始大气中并没有氮气。

先有生命再有光合作用，然后再有有氧呼吸。


(资料图片)

光合作用产生的大量氧气改变了大气结构，大量的氧气氧化了大气中的氨，不断生成了水和氮气。

经过二十多亿年的积累，才有78%的氮气。

且不说氮的化学性质不活泼，哪怕稍微活泼一点点，30多亿年前的生命也不能穿越到未来是吧？

当然，从根本上来说，是生命的碳基属性，就决定了不可能呼吸氮。

而地球生命作为碳基属性，几乎是必然。

碳原子拥有两层电子，不大不小。

它就像宇宙中的天选之子，对最外层电子的约束力，正好适中。

四个外层电子，可阴可阳。常温下结合牢固，而温度一升高，就很容易断裂。

碳不仅可以与氢、氧、氮、硫、磷，等多种非金属形成共价化合物（共4个共价键），它自己和自己也能结合，形成单键、双键，三键等不同的形式。

这些特性可以让碳为中心的有机物，形成稳定而无比丰富的碳链和碳环。

已知的有机化合物多达3000万种，每年新发现或合成的种类多达数百万种：

各种烃、醇、酚、醚、醛、酯、胺、腈、杂环、硝基、重氮、偶氮化合物，各类酸，各类氨基酸、肽、多肽、蛋白质，各类糖类、单糖、低聚糖、多聚糖，以及其它高分子化合物。

有机物的种类不仅丰富多样，互相之间还有极其复杂繁多的反应。

这些性质，都是其它元素远远不能比的。

而作为同IVA族的硅，则因为对外层电子更容易失去，从而与强氧化物形成稳定而牢固的共价键，高温也不容易断裂。所以，硅比碳的活泼性差了很多。

所以，考虑外星生命的存在，碳基生命是第一考量，自然起源的硅基生命虽然并非绝对不能存在，但相当勉强。

硅基生命想象图

而在地球诞生之初，地表处于冷热变化之中，再加上丰富的水，有利于碳基物质的生成和分解，在这个过程中形成大量的有机物，随着能量的流动，从而诞生了生命。

随后地球冷却下来，生命开始发展。

所有的一切，都显得那么恰到好处。

那凭什么说碳基生命就不能呼吸氮呢？

其实生命代谢的基础，在生命起源的那一刻就已经决定。

就像生命形成的过程一样，每一个生命体的内部，总是发生着无数生化反应，大量的有机物在合成，也有大量的有机物在分解，形成不断流动的物质和能量。

这便是新陈代谢。

那么，生物体通过呼吸作用，释放能量的过程，机体内究竟发生了什么？

发生了令无数抗衰人士谈之色变的——氧化。

本质上来说，有机物的氢，被氧化物夺走之后，才能释放出生命赖以生存的能量。

但早期的海洋和大气中，并没有强氧化物，所以早期生命也只能通过弱氧化物维持机体的能量代谢。

例如，NO3-、NO2-、SO4-、S2O32-、CO2、Fe3+等等，甚至还有少量使用胡索酸、甘氨酸等有机物的。

弱氧化物对能量物质的氧化往往很弱，根本不能氧化彻底，产生的代谢产物大多数依旧是能量储存较高的有机物。

例如，酵母在厌氧环境下代谢的乙醇（酒精），提纯后甚至可以直接当做燃料使用。

由于没有强氧化物，早期生命不仅代谢效率极低，而且相当的浪费。

直到30亿年前，蓝细菌的横空出世，才改变了这一切。

蓝细菌通过光合作用，释放出大量的氧气。

对于早先使用弱氧化物代谢的生命来说，氧气的强氧化性对它们来说是无比残酷的，整个代谢途径被氧气彻底破坏，最终死亡。

但总有一些个体，发生了基因突变，竟然利用氧气的强氧化性，彻底氧化了葡萄糖，释放出了最多的ATP。

利用氧气的强氧化性，这些新生的有氧菌，不仅能量代谢比厌氧菌快得多，就连有机体的更新换代也更加的有效率。

旺盛的新城代谢，为多细胞生命的出现打下了坚实的基础。

有人可能会问，厌氧生物也会利用NO3-、NO2-进行能量代谢，为什么氮气就不行呢？

其实，硝酸盐和亚硝酸盐虽然它的弱氧化性在于高价氮离子，但实际在无氧呼吸过程中，也是通过氧原子来夺取氢离子。

至于氮气性质就更加不活跃了，这里我们可以把氢氮化合物——氨（NH3）和氢氧化合物——水（H2O）拿来对比。

我们不难发现。

氮和氢生成氨的过程中，需要高温高压，而且还是可逆的。

而水的生成，是一个剧烈燃烧甚至爆炸过程，通常看做不可逆。

从这个对比也能看出，相比起氧，氮的氧化性差得实在是太多了。

根据原子模型，电子以不同的能级分布在不同的电子层上，能量低的电子在内层，能量高的电子在外层。

每层所容纳的电子上限为2n^2个（但当一个电子层是原子的最外层时，它至多只能容纳8个电子，次外层最多容纳18个），所以最内层所能容纳的电子最多2个，第二层最多为8个。

氮氧的氧化性差异的根本在于：

氧气仅仅只有8个电子，最外层电子数为6个，所以它很容易夺取2个电子填满外层轨道，处于-2价状态。

而氮是5个电子，它的内核比氧的束缚力更小不说，如果要填满外层，就要吸收3个电子，这就让它的负价态相比起氧气来说，变得更加的不稳定。

总的来说，生物的演化过程，决定了不可能使用氮气进行呼吸。

而之所以没有演化出利用氮气的过程，则是因为氮气的化学性质。它的弱氧化性，不说比氧气差多了，甚至远远比不上NO3-、NO2-、SO4-、CO2、Fe3+等等。

也就是说，哪怕有氧呼吸不出现，生命都不可能走上呼吸氮的演化旅程。

最多进化出更加高效的无氧呼吸。

很多时候，生命进化根本走不了回头路。

如果真的能走回头路，我想，我们现在的世界不会是绿色，而会是妖艳的紫色。

见紫色地球假说。

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