为什么几乎所有生命呼吸氧气？
2025-04-01 07:19阅读：926
为什么几乎所有生命呼吸氧气？
By Harrison
Tasoff published 4 hours
ago
Chemistry
氮气约占地球大气层的78%，如此为什么大多数生命形式呼吸氧气呢？
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氧气是一种非常活跃的元素，如此为什么如此多生命形式呼吸它呢？(Image
credit: Dave Kitson via Getty Images)
我们认为氧气
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为生命、食物、一种字面上的新鲜空气的呼吸。但它实际上是一个非常活跃的元素。任何烧过木头的人已经第一手目睹了这个。如此为什么如此多生命形式呼吸氧气呢？
南丹麦大学的地球生物学家唐纳德·坎菲尔德说，维持生命可能的有数千种代谢或化学过程，但几乎的所有真核生物（细胞包含一个细胞核的生命形式）和广范围的原核生物（缺乏一个细胞核的生命形式）用氧气。
坎菲尔德主要正在谈论关于异养生物——包括人类通过消耗其他有机物质获得它们的营养和能量的生物体。并不是所有生物体都专门的做这个。慕尼黑大学的博士后研究员丹·米尔斯说，例如植物从空气中的二氧化碳获得它们的碳。
异养生物通过剥离食物的电子分解食物中的有机物质。这些被从一种酶传递到线粒体的细胞膜中的另一种酶，产生一个泵质子跨过这个屏障的小电流。鉴于它的高电负性，氧通常在这个电子输送链上服务为终点，接受电子并捡起两个质子来形成水。
这个过程本质上创造一个质子的库，然后涌过像一个微小的水电坝一样膜中的一个蛋白质通道。伦敦大学学院进化生物化学教授尼克·莱恩在一次公开演讲中解释，像一个涡轮一样蛋白质随它自旋以三磷酸腺苷（ATP）的形式合成能量。然后，细胞用这种包装好的能量或者将它送出去进入身体来做一些事情。
生命能用许多其他电子受体如硫酸盐、硝酸盐和铁，但氧是可利用的最高能量受体。
华盛顿大学教授大卫·卡特林和他的合著者在发表在《天体生物学》杂志上的一篇论文中解释，氧的还原提供除氟和氯的还原外每次电子转移释放的最大的自由能量。
他们在研究中写道，氯和氧能产生类似量的能量。氟肯定比氧提供更多的能量，但氟是…作为一种生物氧化剂是无用的，因为它靠与有机物质接触产生一个爆炸。那不是一种你要来呼吸的气体。
氯和氟也是有毒的，这凸显氧气的另一个好处。有氧呼吸不产生任何有毒的化合物，只是水和二氧化碳。然而，如果氧在组织中积累起来它的反应性能是一个问题，在那里它能破坏细胞成分如DNA和蛋白质。这就是为什么适量的抗氧化剂对我们的健康是好的。
氧气也比氟、氯或以其他呼吸形式用的无数电子受体远更丰富。尽管它的与其他原子形成化合物的倾向性，但经由光合作用恒定的产生大量的氧。这使它能够在大气中积累并溶解在水中，在那里它对生命是准备就绪可利用的。坎菲尔德和米尔斯解释说，作为一种气体它很容易跨膜输送。
说到丰富性为什么不用占地球大气层78%的氮呢？
坎菲尔德说，氮的主要问题是它是三键的。来打破是非常非常困难的。
坎菲尔德说，氮是许多生物化合物的一个重要成分，有许多生物体专门从事能量密集型过程来打破氮的强键，使它有生物可利用性。
氧的独特用途归结到量子物理学。氧以它的正常基态只能接受处于相同自旋态的电子，不作为一个电子对，这是化学的通常货币。
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莱恩在一封电子邮件中告诉《生活科学》杂志，因此对氧真的诀窍是它能不用反应积累到高水平，但当它一次被喂一个电子时释放大量能量（来泵质子）。
如此氧坐在反应性和可利用性的一个甜蜜点中。它比诸如氯和氟卤族更温和，而且它不像氮那样太强的结合。但它比其他电子受体如硫酸盐和硝酸盐远更反应的。
氧很容易来获得，而且它不产生需要进一步处理的有毒化合物。更重要的是植物通过光合作用产生大量的这种反应气体，使我们能够用它来为我们自己的身体提供燃料。.
https://www.livescience.com/chemistry/why-does-nearly-all-life-breathe-oxygen
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