这个问题就像在问:为什么动物吃肉、吃草,而不吃土?道理是一样的。生命以负熵为食,需要从环境中获取能量,生物体内的一切循环的根源都是能量的循环,而物质可以通过氧化分解释放能量,例如木柴与氧气,在一定的温度条件下会释放出大量光和热及二氧化碳。动植物体内的呼吸作用实际上也是在完成这个过程,为生物体提供维持生命体征所需要的能量,然后排出废料。

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氮气是一种惰性气体,这点从自然界氮化物含量较少就可以看出,要驱使氮气反应是需要吸收能量的,这与生命的本质相违背,因此氮气不可能作为呼吸作用的燃料。

这个问题并非质疑达尔文的好例子,因为它放在哪都适用,例如“如果神创论是正确的,为什么神创造的动物呼吸氧气,而不是氮气呢?”你问女娲,她也懵圈。

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自然选择的本意为最适者生存,适者一方面是竞争压力,另一方面是环境压力。而环境指代地球的气候、温度、大气成分等等,它们的本质有地球上的物理变化,化学变化等等,这是地球的底层逻辑。适者要在底层规则的基础上演化,而不是在逾越大自然的基本法则的基础之上演化。

呼吸只是表象

氧气进去,二氧化碳出来这只是呼吸作用的表象,实际上氧气经过呼吸系统进入到血液循环中,血液把氧气输送到全身细胞中,氧气真正要做的事情是参与细胞内释放能量的反应,为身体供能,这个过程我们称为细胞呼吸。

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细胞呼吸大致可以分为三个步骤,葡萄糖通过和释放少量能量,生成大量还原性氢(NADH还原性辅酶),和阶段氧气并没有参与,阶段有点类似于糖发酵的过程,这两个阶段实质为生成携带大量能量的还原性氢。

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在最后一个阶段,还原性氢与氧气反应生成水,并释放大量能量。这是一个氧化分解的结果,等量的葡萄糖在氧气中直接燃烧,获得的能量是一致的。生物体内的反应更为温和,并逐步分解。这套氧气参与的生物“发动机”的转化效率极高,达到40%,剩下的以热能散失掉,而人类制造的发动机,哪怕是德国的,转化效率最高也就25%。

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因此,在有氧的地球上,生物选择有氧呼吸本身就是适者的最佳选择。不过,还有一种情况,我们要考虑——地球诞生时并没有氧气,生命如何诞生?

生命源于能量

地球诞生至今46亿年,直到大约24亿年前地球上才出现游离的氧气。在此之前的大约十亿年中,蓝藻(蓝细菌)出现并开始进行光合作用,这个过程产生的氧气是副产物。

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这些氧气并没有在飘逸到大气之中,而是与硅反应生成硅酸盐,或者与铁生成氧化铁或铁锈,经过了长达十亿年的消耗,最终系统饱和,氧气过剩,开始自由地在大气中积累。然而氧气对于当时生存在地球上的厌氧生物来说都是有毒的,它导致了第一次大灭绝——大气氧化事件。

在不断上升的氧气水平带来的巨大压力下,生命进化出了不同的生存策略。其中真核生物演化出多细胞生命,并改变化学合成的代谢途径来使用氧气。这个代谢途径上面我们已经了解到了,但是要清楚无氧生命的起源,我们需要了解有氧呼吸的本质,这其实是一个物理过程。

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图:ATP合成酶发电机扇叶结构

上述反应中有一个东西叫做ATP,它是一种化学分子,你可以简单理解为对能量进行“闪存”,ATP随时可以舍去自己的一部分形成ADP,也就是能量被用掉,闪存清空。而葡萄糖是一个机械硬盘,存储着大量能量,当它进入身体,实际上就是把自己的能量传递给ADP,形成ATP的过程。

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这个传递过程需要通过ATP合成酶,它就像一个发电机至于线粒体膜中,当氢离子通过这个“发电机”就会把ADP转化成ATP,而通过之后的氢离子又被氧气消耗掉,从而不断的维持氢离子浓度差,使这个“发电机”不断的运转,这个过程极为复杂,这里只是简单的描述。

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生命起源之初,氧气不存在,但在海底火山口会不断喷出大量化学物质,例如硫化物。这是纯天然的氢离子浓度差,而且只要地球内部岩浆流动,氢离子就会源源不断喷涌而出,再向大海扩散出去,而泉口的浓度总是最高的。现在的海底热泉口附近这种生命方式仍然存在,这就是生命的起源之地。

呼吸作用的本质并非我们需要氧气或者氮气,而是身体细胞线粒体中需要活跃物质进来带动能量传输,从大气的成分中看,氧气是最优的选择,因此适者生存。