简单讲,这个问题实际上就等于在问:土更多,为何我们还吃肉而不吃土呢?
生命,遵循着 “以负熵为食” 的奇妙法则,这意味着它必须从所处环境中摄取能量,以维持自身的有序状态。
在生物体内,能量的循环如同生命之轮的轴心,驱动着一切物质循环。
物质通过氧化分解释放能量的过程,在日常生活中并不罕见。比如木柴在氧气的助燃下,达到一定温度时,会剧烈燃烧,释放出大量光和热,同时生成二氧化碳。
而动植物体内的呼吸作用,本质上与这一过程异曲同工,是为生物体维持生命体征提供能量,并排出代谢废料的关键机制。
氮气,作为空气中含量最为丰富的气体,却有着独特的化学性质 —— 惰性。
从自然界中氮化物相对稀少的现状,便能直观地感受到氮气的化学 “冷淡”。要促使氮气参与化学反应,往往需要外界提供能量,这与生命从外界获取能量的需求背道而驰。
因此,从能量获取的角度来看,氮气显然无法担当呼吸作用的 “能量源”,也就难以成为生命呼吸的选择。这一现象并非对达尔文进化论的挑战,因为它具有普适性。
设想一下,倘若神创论成立,那为何神创造的动物选择呼吸氧气,而非氮气呢?恐怕这一问题,即便向神话中的女娲询问,也难以得到明确解答。
自然选择,其核心要义在于 “最适者生存”。这里的 “适者”,面临着来自两个方面的压力:竞争压力与环境压力。
环境,涵盖了地球的气候、温度、大气成分等诸多要素,而这些要素的背后,是地球物理变化、化学变化交织而成的复杂网络,构成了地球运行的底层逻辑。生物的演化,如同在既定轨道上行驶的列车,必须遵循这些底层规则,而无法逾越自然的基本法则。
我们日常所观察到的呼吸现象,即氧气吸入、二氧化碳排出,仅仅是生命呼吸作用的表象。
深入生命体内,氧气进入呼吸系统后,便融入血液循环,由血液将其输送至全身细胞。氧气真正的使命,是参与细胞内的能量释放反应,为身体供能,这一过程被称为细胞呼吸。
细胞呼吸的过程宛如一场精密的 “生命之舞”,大致可分为三个步骤。
起始阶段,葡萄糖在一系列复杂的化学反应中,释放出少量能量,并生成大量还原性氢(NADH 还原性辅酶)。
在这一阶段以及后续的某个阶段,氧气并未参与其中,这两个阶段类似于糖发酵过程,其核心目的是生成携带大量能量的还原性氢。在最后的关键阶段,还原性氢与氧气发生反应,生成水,并释放出大量能量。
这一过程本质上是氧化分解,与葡萄糖在氧气中直接燃烧所释放的能量总量是一致的,只不过生物体内的反应更为温和,且是逐步进行的。以氧气参与的生物 “能量发动机”,其转化效率令人惊叹,高达 40%,剩余的能量则以热能形式散失;相比之下,人类制造的发动机,即便技术最为先进的德国产品,其转化效率最高也仅为 25%。
由此可见,在富含氧气的地球环境中,生物选择有氧呼吸,无疑是自然选择下适者生存的绝佳体现。
然而,地球的生命演化历程并非一帆风顺,氧气的出现更是改变了整个生命格局。
地球诞生至今已历经 46 亿年漫长岁月,大约在 24 亿年前,地球上才首次出现游离的氧气。在此之前的约十亿年里,蓝藻(蓝细菌)悄然登场,并开启了光合作用的奇妙旅程,而氧气在当时只是光合作用的副产品。
这些氧气并未立即逸散到大气中,而是与硅反应生成硅酸盐,或者与铁结合形成氧化铁(铁锈)。经过长达十亿年的持续消耗,相关物质对氧气的容纳系统逐渐趋于饱和,氧气开始过剩,进而在大气中自由积累。
但对于当时地球上的厌氧生物而言,氧气却如同致命毒药,直接导致了第一次大规模生物灭绝事件 —— 大气氧化事件。
在氧气含量持续上升带来的巨大生存压力下,生命展现出了强大的适应性与创造力,进化出了截然不同的生存策略。
其中,真核生物成功演化出多细胞生命形式,并巧妙改变化学合成的代谢途径,开始利用氧气。前文我们已详细了解了有氧呼吸的代谢途径,而要深入探寻无氧生命的起源,我们需要进一步剖析有氧呼吸的本质,其实它是一个涉及多种物理、化学过程的复杂机制。
在细胞呼吸反应中,ATP 这一关键的化学分子扮演着重要角色。
我们可以将 ATP 简单理解为能量的 “闪存盘”,它能够随时舍弃自身的一部分,转化为 ADP,这一过程意味着能量的消耗,如同闪存盘被清空。而葡萄糖则像是一个存储大量能量的 “机械硬盘”。
当葡萄糖进入生物体,其核心任务便是将自身存储的能量传递给 ADP,促使 ADP 转化为 ATP。这一传递过程离不开 ATP 合成酶的助力,ATP 合成酶如同一个精巧的 “发电机”,镶嵌在线粒体膜中。
当氢离子通过这个 “发电机” 时,会促使 ADP 转化为 ATP,氢离子通过后又会被氧气消耗掉,从而持续维持氢离子浓度差,确保这个 “发电机” 能够不断运转。这一过程极其复杂,这里仅作简要描述。
追溯到生命起源之初,地球上尚无氧气存在,但在海底火山口,却不断喷涌出大量化学物质,如硫化物。
这种特殊环境下,天然形成了氢离子浓度差,而且只要地球内部岩浆持续流动,氢离子就会源源不断地喷涌而出,并向大海中扩散,火山泉口处的氢离子浓度始终处于高位。
直至今日,在海底热泉口附近,仍然存在着基于这种特殊机制的生命形式,这里也因此被视为生命的起源之地。
总之,呼吸作用的本质并非单纯对氧气或氮气的选择,而是身体细胞线粒体对能够驱动能量传输的活跃物质的需求。
从地球大气成分来看,氧气无疑是实现这一过程的最优选择,这也生动诠释了自然选择下 “适者生存” 的伟大法则。生命在漫长的演化历程中,不断适应环境,巧妙利用资源,展现出了无与伦比的智慧与韧性。