氧與生命的拔河游戲

李啟翔

每一次呼吸，我們都在與氧氣親密接觸。許多動物可以長時(shí)間不進(jìn)食，但卻無法長時(shí)間不呼吸，可見氧氣對維持生命活動有多么重要。而氧氣與生命的關(guān)系，卻比想象的更復(fù)雜。

燃燒背后的秘密

燃燒，這種生活中最常見的現(xiàn)象，一直都是化學(xué)研究的重要課題，科學(xué)家們始終好奇，在舞動的火焰中到底藏著怎樣的秘密。

1774 年，英國化學(xué)家普利斯特里通過實(shí)驗(yàn)分離出一種有助燃性質(zhì)的氣體，但他信奉燃素說，并不認(rèn)為自己發(fā)現(xiàn)了一種新物質(zhì)。普利斯特里發(fā)現(xiàn)，這種氣體可以支持生命體呼吸：“我把老鼠放在這種氣體里，發(fā)現(xiàn)他們過得非常舒服……我又親身試驗(yàn)，將吸管插入放滿這種氣體的瓶中吸它，身心覺得十分輕松舒暢?！?/p>

不久后，法國化學(xué)家拉瓦錫經(jīng)過實(shí)驗(yàn)觀察，提出了氧化說，認(rèn)為燃燒是可燃物和空氣中約占1/5 體積的某種氣體反應(yīng)的結(jié)果。他將這種氣體確認(rèn)為一種新的物質(zhì)，命名為oxygen（希臘語：形成酸的）。受此影響，日語中將氧稱為酸素。我國化學(xué)家徐壽在翻譯時(shí)，將酸素改為“養(yǎng)氣”，他認(rèn)為人的生存離不開這種物質(zhì)，因此取“蓄養(yǎng)精氣神”的“養(yǎng)”字。直到后來統(tǒng)一化學(xué)名稱時(shí)，才成為我們今天熟悉的“氧氣”。

氧氣從哪兒來

今天我們生存離不開的氧氣，是從來就存在嗎？它和生命的關(guān)系經(jīng)歷了什么樣的變化呢？

1、在早期的地球大氣中，幾乎沒有游離的氧氣。氧元素性質(zhì)活潑，以化合物（比如水、二氧化碳、巖石等）的形式存在著。地球上最早出現(xiàn)的生命是一些原核微生物，它們在幽深的海底生存，不需要陽光也不需要氧氣。

2、30 多億年前，一種叫“藍(lán)細(xì)菌”的古菌出現(xiàn)了。它可以進(jìn)行光合作用，吸收二氧化碳，然后釋放出廢氣——氧氣。隨著藍(lán)細(xì)菌的大量繁殖，慢慢地，海洋中的氧氣就多了起來。

3、氧氣產(chǎn)生后，并沒有第一時(shí)間進(jìn)入大氣，而是與海洋中的其他物質(zhì)反應(yīng)。其中，氧氣與海洋中大量的鐵離子結(jié)合，形成了紅色的氧化鐵，它們沉積到海底，變成了獨(dú)特的“條帶狀鐵建造”，也是我們今天開采的鐵礦石的主要來源。

4、對于原本在無氧環(huán)境中生存的微生物來說，氧氣無異于一種劇毒，會帶來致命傷害。20 多億年前，不知道什么原因，地球上的氧氣濃度突然爆發(fā)，使99% 的物種滅絕了，史稱“大氧化事件”。

5、當(dāng)海洋中能與氧氣反應(yīng)的物質(zhì)消耗完以后，氧氣才游離到空氣中，從此，地球大氣的構(gòu)成徹底改變了。生命也在經(jīng)歷滅絕的沉默后，發(fā)生了巨大的變化——能夠利用氧氣的真核生命誕生了，并逐漸演化出世界上豐富多彩的生物，直到今天。

LINK

盡管如今地球上依靠氧氣生存的物種占據(jù)主流，但依然有很多厭氧性細(xì)菌廣泛分布于自然界和動物體內(nèi)，包括我們?nèi)祟惖纳眢w里。

能量之源——氧的利用

那動物究竟是如何利用氧氣的呢？我們來看看一個(gè)氧氣分子在人體內(nèi)的旅行吧。

1、當(dāng)你呼吸的時(shí)候，我就隨著空氣來到了肺部。這里有許多葡萄一樣的肺泡，密布著無數(shù)細(xì)小的毛細(xì)血管，可以方便我搭上血液中的紅細(xì)胞“小船”。

2、紅細(xì)胞帶我去往人體各處旅行。沿途經(jīng)過的地方如果已經(jīng)有了別的氧分子，它就會一直帶著我；到了氧氣不足的地方，它就會讓我“下船”。

3、在人體細(xì)胞里，我遇到了消化后同樣被血液送到細(xì)胞里來的營養(yǎng)物質(zhì)（葡萄糖等）。我和營養(yǎng)物質(zhì)會發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，幫助它們被細(xì)胞吸收利用，并釋放出大量能量。

4、據(jù)說，這趟與我一起進(jìn)來的氧分子，有四分之一都去了一個(gè)叫大腦的地方。那一定是對你來說，最重要、工作量最大的地方吧！

5、 經(jīng)過一番反應(yīng)，我也變了模樣，二氧化碳是我的新身份。我重新坐上了紅細(xì)胞“小船”，回到了肺泡里，隨著你的呼吸，重歸大自然。也有氧分子變成了水或其他物質(zhì)，在你體內(nèi)待得更久一些。

與生命拔河的游戲

如果你去往高原、高山旅行，一定要小心因空氣中氧氣變少而引起的高原反應(yīng)。那么，是不是空氣中的氧氣濃度越高，對地球上的生命來說就越好呢？

其實(shí)，在地球漫長的歷史中，氧氣濃度一直在發(fā)生波動，和生命上演著此消彼長的拔河游戲。比如在3.5 億年前的石炭紀(jì)，因?yàn)殛懙乇簧指采w，它們吸收二氧化碳，釋放出大量的氧氣，使大氣氧氣濃度一度飆升至35％。充足的氧氣使得昆蟲的體形也變得巨大，巨型蜻蜓在天空飛舞，蜈蚣邁開半米長的腿。但是太高的氧氣含量很容易引起大火，一場延續(xù)幾十年的大火給森林和巨型昆蟲們帶來滅頂之災(zāi)，也燒掉了很多氧氣，大氣氧氣濃度急劇下降至11%。

就這樣生命和氧氣互相影響，今天地球上的氧氣濃度約為21%，人類已經(jīng)適應(yīng)了這樣的空氣，太高或太低的氧氣濃度，都會給我們的健康造成影響。

看不見的保護(hù)傘

你或許聽說過“臭氧層空洞”這個(gè)詞。1984 年，英國科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)南極上空出現(xiàn)了臭氧層空洞，引起了全世界的關(guān)注，因?yàn)檫@東西直接關(guān)系著生物圈的安危和人類的生存。

臭氧（O3），其實(shí)是氧氣的“好兄弟”——同素異形體。自然界中的臭氧，集中在距離地面20 ～ 25 千米的大氣平流層中，主要是由陽光中的短波紫外線照射氧氣生成的，而生成的臭氧被陽光中的長波紫外線照射后，又會變回氧氣。臭氧層中的氧氣與臭氧就這樣相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)動態(tài)平衡。

短波紫外線是一種對人和動植物有害的太陽輻射，臭氧層吸收了短波紫外線，就像撐起了一把看不見的太陽傘，為地球上的生物提供了庇護(hù)。