为什么动物没有进化成氮气呼吸?

2020年2月,以色列特拉维夫大学动物学家Dayana Yahalomi的研究小组首次发现了不需要氧气生存的动物-鲑居尾孢虫,这是一种寄生在鲑鱼肌肉组织中的寄生虫,它可以在完全无氧的环境下正常生存。该研究报告发表在了美国《国家科学院院刊》上。(别再说生吃三文鱼没有寄生虫了)

除了鲑居尾孢虫外,地球上的其他动物都是氧气呼吸的,但是在地球的大气层中,氮气是占比最多的气体,高达78%以上,而反观氧气,只有21%左右,如此看来,动物如果用氮气呼吸的话更加合理一些。

但是,对于任何的动物来说并不是“多”就有利,比如地球上土最多,动物却没有真正吃土的。那么,是什么导致了动物没有演化出氮气呼吸呢?我们一起来聊一下这个有意思的问题。

动物的呼吸

除了极个别的动物,其他动物都是需要进行有氧呼吸的。但是你有没有想过一个问题:空气中氮气最多,还有其他微量的气体,这些气体是在动物呼吸氧气时一同被吸入的,虽然这些气体表面上看没有什么作用,但是如果剔除掉这些气体,变成纯氧呼吸,会危害到动物的健康。

因为呼吸是将气体送入肺泡中(以哺乳动物为例),之后气体的互换会在肺部中进行,首先吸入的空气中氧气含量较高,而肺泡中原本的氧气已经被消耗的差不多了,所以空气中的氧气就会从肺毛细血管中进入到血管中,此时空气中二氧化碳的含量要低于肺泡中的含量,所以二氧化碳就会从肺毛细血管中进入肺泡,至此,动物的一次呼吸完成。

如果是呼吸的纯氧的话,二氧化碳就很难进入肺泡再呼出来,这样气体的交换就很难进行,而且氧本身是一种自由基,过多的氧在体内会损害人的器官和组织。

所以说,氧气虽好,但符合自己的需求才是最好的。在整个呼吸的过程中,可能小伙伴们也发现,在我们吸入的空气中有大量的氮气,它们去了哪里?

答案很简单:被呼出来了。而且在整个呼吸过程中,氮气完全没有参与,从本质上说它只是起到了淡化氧气浓度的作用而已。

既然氮气在空气中占主要,为何动物不用氮气呼吸?

在自然界中,生物的呼吸可以分为有氧和无氧呼吸两大类,其中无氧呼吸的生物虽然大都是厌氧生物,不需要氧气,但是它们同样也不需要氮气,而是通过发酵来生存的,由此可见,即便是不适用氧气生存的动物,也没有演化出用氮气生存。这到底是为什么呢?

首先我们来看一下呼吸的本质,动物呼吸的本质是通过一系列的化学反应来分解有机物从而获取能量,因为能量不仅仅是动物,还是所有生物生命的驱动力,没有了能量也就意味着生命的终止。

从上图中我们可以看出,我们吸入的氧气在线粒体内与有机物发生化学反应,从而产生了对于大多数动物最主要的水和能量。那么,为何不能用氮气呢?这就要从两个方面来说了:

01 效率。任何一种生命活动都是长期的演化得来的,而能够在自然选择中被保留下来的,都是对于大多数生物来说更有利的。呼吸也是一样的,作为一种释放能量的存在,氧本身是一种自由基,它容易与其他的物质发生反应。

相比较而言,氮的稳定性更强,虽说它也能与其他物种发生一定的反应,但是效率非常低,并且在发生反应时还需要吸收热量(常温下稳定,发生反应就需要能量),不像氧气那样释放热量。

因此,从效率上说,氧的活动更强更容易发生反应产生能量,所以除了厌氧生物外,其他生物都选择了氧气呼吸,就连生活在海底的生物也是如此,只不过长期的环境适应,让它们需要的氧气浓度较低而已。

第二:终端产物。我们常说水是生命之源,动物都离不开水,虽然像沙漠猫这种动物可以长期不喝水,但是这只是它们长期演化的结果,而且在捕食时它会进食大量的动物体液,这也是它们体内水来源之一。

除此之外,任何的动物除了从外界补充水外,身体产生的水也是非常重要的,因为这保证了动物在一段时间不喝水不至于死,而身体产生的水其中有三分之一以上就是氧(H2O),而水也是有氧呼吸的最终产物之一,这使得动物在遇到干旱等自然灾害时的生存能力大大的提高了。

如果动物是用氮气呼吸,那么最终的产物就可能是氮化氢,氮化氢就是我们常说的氨气,对于动物的组织来说氨气具有腐蚀性和刺激性,这就会发生动物边呼吸,机体变损伤的现象。除此之外,用氮气呼吸,最终还可能出现一种产物氮化碳,氮化碳是一种硬度可以跟金刚石媲美的化合物,即便是在体内少量的形成,日积月累,动物的身体也是无法承受的。

总结

在地球的大气中,氮气确实是占比最多的,但是这些氮气对于动物的呼吸来说只能起到一个辅助作用(使氧气浓度维持在一个相对稳定的状态下),它是不参与动物的呼吸系统的。

这是因为氮气本身要比氧气要稳定,所以很难参与化学作用从而产生足够的能量,而且氮的化合物对于动物来说基本上都是有害的,所以,氮气呼吸无疑是在“慢性自杀”。

而氧气就不同了,作为大气中占比第二大的气体,它的自由性容易在动物体内参与反应从而高效地产出能量,而且它的最终产物之一水还是动物的生命之源。

当我看到这个提问,觉得这个问题很赞:是啊,空气中氮气约占78%,氧气约占20%,分明氮气远比氧气多嘛,为什么不用氮气来呼吸而是用氧气呢?

我首先觉得应该是氮比氧稳定性高许多,从而影响生物活性生物能量等方面的原因吧;

可是,仔细想想,又觉得这个理由不怎么全面吧?

我们先从生命体的组成元素来看:

一,我们都知道蛋白质是地球生命的重要构成部分,蛋白质的主要组分是氨基酸,氨基酸的主要成分可是氮元素呐(氨基NH3),氨基酸是生物茁壮成长不可缺的重要物质。

二,生命遗传密码DNA,即脱氧核糖核酸,是由碳,氮,氢,氧,磷构成,而DNA的重要组分与形态构成是有序列排列的各种碱基,而碱基里都含有氮元素(这也是生命不可缺少蛋白质的原因之一)

这两点很明显的说明生命体富含氮元素,需要氮元素。

三,植物不但呼吸氧气还利用了二氧化碳,进行着释放与吸收的双向反应,但是需要光合作用来进行合成与消耗。

四,厌氧菌在纯氧环境下无法生存,却以二氧化碳为生存条件。

五,海藻或者一些菌,不呼吸氧气,却通过阳光太阳能产生氧气。

六,固氮菌,比如富含豆类蛋白质的大豆的根系上富含固氮菌,这小东西是要吸氮的,形成氮的有机物。

七,因为氮气不溶于水,氧气也只是微溶于水,在江河湖海里,氧气含量远比陆地更少,虽然水生植物会产生氧气增加水里氧气的含量,但是水生动物却是通过氧气来呼吸的。

八,自然界中甚至有只生存在甲烷里面呼吸吃的都是甲烷。而对含量丰富的氧气与氮气视而不见。

从以上举例,我们看到两点:一是地球生物基本都选择了以氧气呼吸为主的模式;二是氧气与氮气都不选择的其他呼吸模式也存在。我们会有个初步的结论:生物采用氧呼吸而不采用氮呼吸不是仅仅从谁含量多,谁更活跃,谁耗能少就更经济这样的逻辑出发的。否则,为什么会有其他的呼吸方式呢?

氢元素的存在!

氢元素是宇宙中最原始的元素,遍布宇宙而且是丰度(含量)最高的;氧元素在宇宙中的含量也是排在前几位的;

这为我们提供了一种推测:生命的进化是从宇宙的视角而不是仅仅在地球的视角来“组织采购”原材料的!

事实也是如此,组成我们生命有机体的,组成生命最重要遗传密码的碳,氮,氧,氢 等元素恰好是宇宙中蕴藏最丰富的;

无论是氢气还是氢离子都远比氧气与氮气活泼,不活泼的氮元素与氢元素一旦结合为氨基(NH3),或者与氧结合为硝酸根(NO3)等物质,就完全改变了氮元素的活性;

水资源,宇宙中遍布水资源(H20),水循环!

生物体内的化学反应平衡

我们吸入氧气,在生物体内参与一系列氧化反应,而排出体内代谢的碳氮化合物,以防止某些化合物浓度超标损害生命。

从上述现象我们可以看出,生命是多样性的,物竞天择,生物是生命演化的高级阶段,所有人类已知的自然科学知识其实生物都知道!

所有的生物是按照自己的逻辑(思想)来构建生命体,来延续生命;

结论:宇宙中氢元素的遍布存在,以及地球的小宇宙环境现实;使生物选择氧呼吸为主,来使生命具有最佳的活力与延续。(H+O+N+C)

道法自然,无名。

动物呼吸氧气本质上跟燃烧是类似的,就是用氧气跟某些物质的化学反应释放能量来让动物可以有能量活动。如下图所示就是动物呼吸作用的过程。

而我们知道,氮气实际上是一种非常稳定的气体,用专业属于来说,就是氮原子与氮原子之间的化学键键能较高,所以这不是一种容易参加氧化还原反应的气体。所以氧气可以很容易跟各种物质发生反应,尤其碳氢化合物,很容易被用来提供能量,而氮气就做不到这一点【如下图所示,为氮气的化学分子式】。

事实上,氧气不是动物体内唯一的供能方式,还有一种被称为“无氧呼吸”的功能方式,这种供能方式甚至于都不用氧气的参与,只要有酶的催化作用,动物体内的有机物就可以分解并生成少量的能量。两种呼吸作用的区别如下图所示。

所以说,动物体内哪怕让有机物自己分解生成能量,也比让氮气这种很难发生反应的气体参与其中效率要更高一些。这下你知道为什么动物不会呼吸氮气来供能了吧。

当动物或人呼吸的时候,氧气和氮气都被吸入体内,并没有分离。

氮气不仅进入了肺,还进入了血液和组织液中。因此,动物的确呼吸了氮气。只不过因为氮气的化学性质十分稳定,不易和其它物质发生化学反应,因此动物无法利用它来干点什么,而氧气的化学性质十分活泼,容易和别的物质之间发生一些不得不说的故事,写在一本又一本厚厚的专著中,让学生尤其是医学生背得十分痛苦。

  • 怎样证明,在呼吸的时候,氮气真的进入了动物身体之内呢?

让我们来了解一种疾病——减压症。

深潜者急速上升的时候,很容易产生一种疾病,最初被笼统的称为潜水病,。直到生理学家搞清楚原因之后,才被称为减压症。严重的潜水病患者会发生瘫痪甚至死亡。这种疾病的特征是,患者的身体会出现许多奇怪的鼓胀之处,用针抽吸出来部分进行检验,会发现鼓胀之处的主要成分是氮气

了解到这一点后,生理学家们迅速认定,这是因为氮气在血液和组织液中的溶解度发生急速变化所导致的疾病,一般来说气体在高压下的溶解度高,在低压下的溶解度低。当压力骤然降低时,气体从液体中冒着泡的逸出。

图示:减压病就像这冒泡的可乐。可乐的生产过程中,通过高压将大量二氧化碳溶解在水中,一旦打开可乐罐子,伴随着压力的骤降,失去高压束缚的二氧化碳,现在重新转变为气体,以气泡的形式冒出来。

潜水员在水下通常呼吸的是高压空气,大量的氮气进入潜水员身体,并溶解在潜水员的血液和体液中。当潜水员急速上升的时候,水压骤然降低,导致血液和组织液中本来处于溶解状态的大量氮气,现在开始从血液和组织液中冒着泡的钻出来,又无路可走,于是就积累在人体的肌肉和关节中,压迫肌肉和关节,让人痛疼难忍,严重情况下甚至会破坏神经,造成瘫痪或死亡。

  • 呼吸过程中氧气浓度的变化,标志着动物对氧气的利用

虽然氧气和氮气都被吸入肺中,但在呼气的时候,呼出的气体中氧气却明显变少了,这是动物利用氧气的一条重要线索。以人类为例,在我们处于平静状态时,吸入的空气中大约含21%的氧气,但在我们呼出的空气中,却只剩下大约16%的氧气,按照物质守恒定律,我们可以合理的推论,氧气不会无缘无故失踪,它一定是通过化学反应转变成了其它物质。

仔细检查我们呼出的气体,我们会发现呼出的气体中会有许多二氧化碳,大约4%,可是在吸入的普通空气中,通常二氧化碳的浓度很少,可以忽略不计,另外,哪怕空气中没有水分,在我们呼出的气体中也会含有一些水分。看看二氧化碳和水的元素组成,它们都有一个共性,它们都含有氧。

图示:石灰水定性检测吸入和呼出气体中的二氧化碳。这是利用了一个化学反应,当石灰水中的钙离子遇到二氧化碳后,会生成碳酸钙沉淀,碳酸钙在生活中很常见,比如鸡蛋壳、贝壳等的主要成分就是碳酸钙。

在体外燃烧糖类、酒精、天然气、蜡烛时,这些物质和空气中的氧气发生化学反应,释放出光和热,同时生成二氧化碳和水。因此,我们可以大胆地猜测,动物吸入氧气的目的,同样是用于燃烧,燃烧可以产生热,还可以产生其它生命可以利用的能量。而氮气无法简单地用于燃烧过程,这就是动物利用氧气不利用氮气的原因呀。

虽然氮气难以发生化学反应,但是生命的存在和维持却需要氮元素。

生命世界中两大核心物质都含有氮:

1、在一线干活的蛋白质,生命现象大多由蛋白质来完成和体现

2、储存遗传信息的核酸

它们都富含氮元素。只不过,只有很少的生命能直接使用空气中的氮气,来让氮元素进入生命流程,这就是大名鼎鼎的固氮菌。除了固氮菌之外,就得靠天吃饭了,天空的雷电让氮气和氧气发生化学反应,产生亚硝酸或硝酸,但这部分的产量并不高。

图示:空气中的氮气,通过豆科植物和土壤中的固氮菌,转变成氨,进入生命大循环。

植物从固氮菌处得到发生了化学反应后可以利用的氮元素,动物吃植物,也就得到了这部分可利用的氮,动物吃动物,自然也得到了这部分氮,主要是以氨基酸的形式来得到的,即肉肉。实际上,由于氮气的惰性,让氮元素在生命世界中成为一种奢侈品。直到,化学家发明了人工合成氨的工业化流程,人类才摆脱了靠天吃饭的宿命。因此炼钢大法和合成氨大法都被视为穿越必备宝典呢。

如果动物能直接利用空气中的氮气,世界和平就到来了。


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对于为什么动物没有进化成氮气呼吸呢之话题,我个人的观点认为,动物没有进化成氮气呼吸,而是采用氧气来呼吸的主要原因,是与原始细胞生物(单细胞)诞生时的环境有关。为什么会这样说呢?因为:

太阳系太空间的物质,实际上都是无机的尘粒流物质,是太阳历来持续核聚变燃烧过程,源源不断地散发出庞大数量的尘粒流物质,并在运动中所聚集形成现阶段太空物质(各类行星天体)的表现结果。太阳尘粒流物质的主要化学成分是由二氧化碳、氮、氢、氧和有毒化学物五种基本物质元素所构成,可统称之为自然定体物质。当自然定体物质一旦能达成氢氧元素(HO2)的状态,就自然会形成稳定的液态水体现象,在这种状态下的自然定体物质,都是会形成为原始生命(单细胞)的种子物质,缺一不可。

自然界在稳定液态水体(海洋、河流和湖泊)形成的状态下,并能在阳光的持续透射作用下,会令尘粒流物质(自然定体物质)产生化学反应现象,久而久之,会使二氧化碳、氮、氢、氧和有毒化学物五种基本物质元素之间产生化合作用,从而,实现自然界无机物向有机物的转变,形成为最为原始生命的单细胞自然现象。这个化合作用形成单细胞的过程,水化和氧化起到决定性改变的重要作用。因而,单细胞演化的生存与发展,就永远离不开液态水和氧元素(氧气)作为主要的生存要素。

单细胞诞生的源地是来自于稳定的液态水体,自然界哪里有稳定液态水体的自然形成,哪里就会有原始生命之单细胞持续诞生与进化生存的自然现象。自然稳定的液态水体,会有适中的氧元素存在,能为水中生物的可持续生存与发展提供供氧的作用,而陆地生存的生物,能依赖于在空气中适中比例的氧气来获得供氧作用,能保持在陆地上可持续生存与发展。如果自然界水中的氧元素比例和空气中的氧气比例都不处在适中的状态,或密度多了或少了都不行,都会因中毒或失氧而走向死亡。

正因为适中的氧元素和氧气是细胞生物生存必不可少的要素,所以,动物在生理上的繁衍方向必须是要迎合氧元素或氧气呼吸的供氧作用,方能达成细胞生物的演化与发展。这就动物没有进化出以氮气呼吸的原因所在。

不知这样的回答读者看后是否能明白和认同?!如觉得我说的对或有道理或能对你理解此题带来新的启迪,希给个点赞并点击关注我。欢迎大家一起来讨论或发表意见和转发。宇明于东莞市。

首先,大气层中的氮气含量确实高达 78%-80%,且动物在呼吸时,除了必要的氧气以外,也会将氮气一并吸入体内,只不过氮气不参与动物身体的机能反应,不能给动物带来必要的“能量”。比如氧气会与动物体内的血红蛋白发生反应,混合形成氧合血红蛋白,并通过肺泡膜吸引更多的氧气,维持动物各类细胞的基础机能,而氮气绝对做不到这一点。

准确地讲,氮气的化学式为N?,也就是两个N原子以叁键结合成为氮气分子,这两个氮原子之间的叁键结构,使其分子结合非常牢固,很难以化学反应的方式打破。这么讲可能不够直观,那换种方式表达,氧气不但会腐蚀金属、且能够助力火焰燃烧,凭借的正是其易反应的特性,而氮气则可以看成是一个“懒汉”,大多数刺激方式都不足以促使其劳动,只有某种剧烈的刺激,才能赶着氮气运动,但剧烈刺激行为下,动物体内细胞也会发生损坏,动物也就失去了进化的意义。

当然,氮气对于动物来讲也不是一无是处,最起码其构建动物体内必要的蛋白质以及DNA时发挥的作用巨大。且有研究表明,地球动物形成之前,海洋远古生命可能是依靠氮气而进化的,因为海底深处氧气无法渗透,也就产生了缺氧环境,古生菌和细菌只能通过呼吸周围泥浆中的物质,将硝酸盐等物质转化为氮气,并在此过程中去除了有机废物,从而促进生命进化,只不过后期地球有一个“大氧化”的过程,远古生命转而向吸氧时代进化。

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氮气键能过高,断键所需能量太大,成本太高。

在地球的环境下,氮气的化学活性非常低,生物如果以靠氮气呼吸维持运动,那几乎是做不到的,即使有一点点化学反应,也不足以维持活力,在自然选择中会被淘汰

但是

宇宙浩瀚,也不能排除有这样的星球,在它的环境下,氮(不一定是气)有极高的化学活性,那么也可以成为维持生命的主要元素

氮气分子N三N键能941.69kJ/mol,氧气分子O=O键能为498 kJ/mol。

要分解氮气分子所需要的键能将近氧气分子的两倍,这可不是吃饭吃双倍那么简单。氮气是性质很稳定的气体,不会很容易地与其他物质发生反应,所以在工业领域经常作为保护气氛气体使用。当然也有使用氮气的生物,但仅限于细菌,比如固氮细菌,能够打断氮氮三键。

氧气与氮气相比,键能低,性质更活泼,可以参与许多生物化学过程,可以支持地球上的生命。这就是为什么氧气成为生命的支持者,虽然它不是地球上最丰富的气体。

当然并非所有的地球生命都依赖于氧气。固氮细菌以氮气为食,厌氧菌需要无氧环境,其他菌类及所有动植物才是以氧气呼吸。

动物由于他的体型决定了他只能以性质更活泼的氧气来呼吸。

空气中氧气占21%,而氮气占78%也是有原因的,因为氧气浓度高了会造成氧中毒。

高浓度的氧摄入会导致呼吸中枢的麻痹,体内过多的氧会导致氧自由基增多,引起核酸、脂肪等组织成分的改变、变性,引起细胞功能损害,最终是脏器功能的损害。特别是孕妇和新生儿危害更大,吸入高浓度的氧会导致婴儿的视网膜的损伤、失明。这就是为什么在医院吸氧不能长时间吸的原因。

为什么动物没有进化成氮气呼吸呢?

众所周知动物的呼吸是靠氧气来维持的,有人会有好奇的疑问,空气中的氧气占比为21%,而最大的成分占比78%的氮气,为什么不是动物们需要的呢?

从氮气和氧气的化学性质可分析动物为什么使用氧气来呼吸。

动物的有氧呼吸实质是氧气和体内有关活性酶结合产生我们所需的大量的能量(ATP,腺嘌呤核苷三磷酸)

有氧呼吸过程

有氧呼吸分为三个阶段,每个阶段都有能量的释放,三个阶段的过程发生的场所不同,最后一个阶段的释放的能量是最大的。

第一阶段

反应场所:细胞质的基质

参与物质:葡萄糖

生成物质:丙酮酸、[H](活化氢)、少量的能量

反应式:C6H12O6酶→2C3H4O3(丙酮酸)+4[H]+少量能量 (2ATP)

第二阶段

反应场所:线粒体的基质

参与物质:丙酮酸、水分子、活性酶

生成物质:[H](活化氢)、二氧化碳

反应式:2C3H4O3(丙酮酸)+6H2O酶→20[H]+6CO2+少量能量 (2ATP)

第三阶段

反应场所:线粒体的内膜

参与物质:[H](活化氢)、氧气、活性酶

生成物质:水、大量能量

反应式:24[H]+6O2酶→12H2O+大量能量(34ATP)

有氧呼吸的实质是分解有机物释放大量的能量,1mol葡萄糖在体内彻底氧化分解所释放的能量是2870KJ,其中1161KJ的能量转移到ATP中,合成38molATP,能量的转化率约为40%。

氮气和氧气化学性质

氮气的化学性质不活泼,必须在高温高压下以及催化条件下才能与氢气发生反应,反应条件苛刻且在普通的环境条件下难以实现,无法将它和其他物质产生相应的物质来提供我们能量的必须需品。在氮气分子中,两个氮原子之间的化学键是以三键进行连接组成氮气分子的,包含的是1个σ键和2个π键,因为在化学反应中首先受到攻击的是π键,而在N?分子中π键的能级比σ键低,打开π键困难,因而使N?难以参与化学反应,且反应所需的能量相对很大。

而氧气的化学性质相对活泼,与其它的物质反应没那么苛刻,添加适当的催化剂可与其它物质发生反应,在氧气的分子中,氧原子是以两键的化学键连接。在相同的反应条件下,使用氮气比使用氧气所需的能量更大,反应更困难,不宜在进行呼吸过程中产生所需的能量物质。

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