氮气占空气含量78%,但为什么生物进化到今天是呼吸氧气而不是氮气?

氮气占空气含量78%,但为什么生物进化到今天是呼吸氧气而不是氮气?

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。

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。

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,才能释放出生命耐以生存的能量。

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。