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氧气就是“慢性毒药”,为什么生物进化中没有选择无毒的氮气呢?

地球的大气主要成分是78%的氮气,21%的氧气剩下的1%就是些二氧化碳、一氧化二氮等等气体。氧气作为地球大气中最常见的气体之一,氧气虽然是支持生命存在的必需气体,但同时也可以对生物体造成伤害,因此可以被视为一种慢性毒药。在氧气气体的存在下,生物体的细胞呼吸过程中会产生自由基,这些自由基会攻击生物体的蛋白质、脂肪和DNA等分子,导致细胞受损,从而增加生物体患疾病的风险。长期暴露在高氧环境下也可能导致人类和其他生物的衰老和死亡。相比之下,氮气则是一种相对惰性的气体,不易与其他物质反应,不具有氧气的强氧化性质。那么为什么生物进化中没有选择无毒的氮气呢?

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要回答这个问题,我们需要从生物进化的角度来看待。生物是通过漫长的进化过程逐步形成的,其存在和演化都与地球环境的变化有着密切的关系。在生命起源之初,地球的大气成分与现在有很大的不同,缺乏自由氧。据科学家推测,最早的生命形式可能是一些原核生物,它们不需要氧气就能进行代谢活动,使用各种化学反应产生能量。这些生物不需要氧气,是因为它们没有细胞器(如线粒体)进行呼吸作用,而是利用一些较为简单的代谢途径从周围环境中获取能量。

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随着生物的进化,氧气在地球大气中的含量逐渐增加。事情的转折点在25亿年前的大氧化事件(Great Oxygenation Event),这时氧气开始在地球上激增,事实上这次事件是地球上第一次生物大灭绝,随着氧气在大气中浓度占比不断升高,氧气的毒性开始显现出来了。此次大氧化事件造成了全球99%的生物都死亡了。不过,这个过程,是地球生命形式由低端走向高端的必经之路。一些原核生物利用光合作用开始产生氧气,这使得氧气的含量逐渐增加。随着时间的推移,生命开始逐渐进化出线粒体等细胞器,进而形成真核生物。线粒体是细胞中进行呼吸作用的细胞器,需要氧气来提供能量。因此,氧气成为了维持生命活动的必需气体之一。

相比之下,氮气在生物进化过程中的作用则相对较小。氮气虽然是地球大气中含量最多的气体之一,但它并不参与生命体的代谢活动。氮气的化学惰性使得它不易被利用。尽管生物可以利用氮元素合成蛋白质,但它们并不直接利用氮。另外一个原因是氮气化合物的化学键相对稳定,需要更高的能量才能破坏它们并释放出氮。这意味着使用氮气作为生物体的能源和代谢受体将需要更高的代价。相反,氧气的化学键比氮气和氮气化合物更容易破坏,释放出更多的能量,从而更容易被生物利用。

氧气就是“慢性毒药”,为什么生物进化中没有选择无毒的氮气呢?

此外,氮气具有较高的惰性和不反应性。这意味着生物不能直接利用氮气来合成其生命所需的有机分子。相反,氮气必须经过一系列复杂的化学反应才能转化为生物可利用的氮化合物,如氨和硝酸盐。这些反应需要特殊的酶和其他生物催化剂来催化,需要更高的代价来维持生物体内氮的循环和利用。

此外,虽然现在氮气在大气中的浓度非常稳定,约为78%。但在地球形成之初乃至于生命最初出现之后,氮气的含量并不高。氮气之所以有如今的含量标准主要是生命出现后的几十亿年中,地球上的微生物和植物逐渐发展演化,固定了更多的氮气,并将其释放到大气中,逐渐提高了地球大气中氮气的含量,所以是先有了氧气的出现造就了更高的生命,才使得氮气量增加了。

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综上所述,虽然氮气是地球大气中最丰富的气体之一,但它不是生物体的理想能源和电子受体。相反,氧气更易于利用,因为它的化学键更容易破坏,能量释放更多,让地球可以诞生出更高级的生命形式。



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原文地址《 氧气就是“慢性毒药”,为什么生物进化中没有选择无毒的氮气呢?》发布于2023-6-22
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