為什麼氧氣是生物必須的?氧氣有什麼特殊性,為什麼不是別的氣體?


知乎慣例,先問是不是,再問為什麼。

現在地球上除了少量的微生物以外,絕大多數高等真核生物都是進行有氧呼吸來給機體提供能量的。那麼氧氣是不是生命所必須的呢?答案是否定的。

事實上,地球從大約46億年前誕生一直到大約24億年前都是沒有氧氣或氧氣極度缺少的,而生命至少在35億年前都已經誕生了。在這段近11億年的時間裡面,地球上的生物主要以原核微生物為主,它們主要的供能方式是無氧呼吸。無氧呼吸和有氧呼吸都需要經過古老的糖酵解過程,將一分子葡萄糖轉化成兩分子的丙酮酸。它們之間最大的差別就在接下來的電子傳遞鏈中:有氧呼吸以具有強氧化性的氧氣為最終電子受體,無氧呼吸的最終電子受體不是氧氣而是其它的弱氧化劑如硝酸根離子和硫酸根離子。線粒體上電子傳遞的過程在線粒體膜內外形成了質子差,這種質子差導致質子通過質子泵,也就是ATP酶,這個過程能將ADP轉化成ATP。而由於氧氣的氧化能力比其它的物質高,也就是它接受電子的能力更高,所以能夠造成更多的質子差,形成更多的ATP。因此有氧呼吸比無氧呼吸總的來說效率更高。注意,無氧呼吸跟我們所熟悉的發酵並不是一回事。發酵過程雖然也不涉及到氧氣,但同時也不涉及到線粒體膜上的電子傳遞鏈,發酵過程用NADPH將丙酮酸還原成乳酸(如在乳酸菌中)或酒精(在酵母中)。

地球在27億年前左右的時候演化出了藍細菌,這些藍細菌能夠將大氣中大量的二氧化碳轉化成氧氣,造成大氣中氧氣的濃度急劇上升,一時間將很多厭氧生物全都消滅了,被稱為Oxygen Catastrophe,因為高濃度的氧氣對厭氧生物只有很強的毒性的。但與此同時自然選擇也篩選出了少量能夠進行有氧呼吸的生物。由於有氧呼吸相對於無氧呼吸的巨大優勢,逐漸成為了地球生命主要的能量利用方式。


氧氣不是必須,甚至可以說是有毒的。

但氧氣有三好,

一是氧化還原電勢足夠高,活潑性適中(這點就排除氮氣和臭氧);

二是容易獲得,而且可以被常見金屬離子絡合,絡合的強度適中;

三是三廢(水、二氧化碳、過氧化物、超氧化物等)相對容易處理。

歸根結底,細胞的供能系統可以比作一個高效率的燃料電池,氧氣是這個燃料電池的陽極。對於沒有氧氣或不用氧氣的生物,這個陽極也可以用別的氧化性物質替代,比如硝酸根、丙酮酸,磷酸二羥丙酮、延胡索酸、草醯乙酸等,總之,靠山吃山,靠水吃水,篳路藍縷,以啟山林。

最後,還是要感謝那些讓大地充滿氧氣的藍細菌們,感謝光系統II。


嚴格來說,氧氣不是生物必須的,許多生物氧氣不是必須的甚至是有害的,舉例常見的就是厭氧菌發酵,做酸奶啤酒什麼的。

生物必須的是能量,要不就來自光能(植物等),要不就來自氧化還原反應,而氧化還原反應中氧化劑最易獲得的就是氧氣。

氧氣的特殊性、、、、恰巧植物恰好排出的『廢氣』是氧氣而已,我們這種消費者就揀著用咯,海底還有用硫化物什麼的呢


為史前生物說句話:曾經我們都不需要氧氣生活,後來不知道哪個天殺的物種無中生有提高大氣層和海水中含氧量把我們都弄死了,活下來的後代十幾億年後還在知乎提這種問題來羞辱我們。


因為先有氧氣,才有需氧的生物。所謂「氧氣是生物必需的」這不過是自然選擇的結果。在地球上的含氧量還很低的時候,那些生物呼吸的可不是氧氣,那時氧氣是有毒的氣體。


因為我們動物的細胞是有氧呼吸的


我們現在已知的生物是碳基生物,需要氧化產生能量來維持生命。宇宙中可能會有更高等的文明他們不一定就是碳基生物,可能就不需要氧氣了。


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