空气中氮含量78%，为什么地球生物没进化成用氮呼吸?

发布时间：2024-09-19

这个问题的基础假设就有误。

起初的大气中并没有氮气。
先有了生命，接着出现了光合作用，然后才有了有氧呼吸。
光合作用产生的大量氧气，改变了大气结构，氧化了大气中的氨，逐步生成了水和氮气。
经过二十多亿年的积累，才达到了78%的氮气比例。
除了氮的化学性质不活泼，即使稍微活泼一点，30多亿年前的生命也不可能穿越到未来。
从根本上看，生命的碳基属性决定了它不可能呼吸氮。

地球上的生命几乎必然是碳基的。
碳原子有两层电子，不大不小。
它就像宇宙中的天选之子，对最外层电子的约束力恰到好处。
碳原子有四个外层电子，可以形成正负两种状态。
在常温下结合牢固，而温度升高时又容易断裂。
碳不仅可以与氢、氧、氮、硫、磷等非金属元素形成共价化合物（共四个共价键），还能与自身结合，形成单键、双键和三键。
这些特性使得以碳为中心的有机物能形成稳定而丰富的碳链和碳环。

目前已知的有机化合物多达3000万种。
每年新发现或合成的多达数百万种：各种烃类、醇类、酚类、醚类、醛类、酯类、胺类、腈类、杂环类、硝基、重氮、偶氮化合物，各种酸类、氨基酸、肽、多肽、蛋白质，各类糖类、单糖、低聚糖、多聚糖，以及其他高分子化合物。
有机物不仅种类丰富多样，它们之间的反应也极其复杂繁多。
这些性质都是其他元素所不能相比的。
而作为同IVA族的硅，由于外层电子更容易失去，与强氧化物形成稳定而牢固的共价键，即使高温也不易断裂。
因此，硅的活泼性远不如碳。
所以，考虑外星生命的存在时，碳基生命是第一选择；虽然自然起源的硅基生命并非绝对不可能存在，但非常勉强。
硅基生命的想象图。

地球诞生之初，地表处于冷热变化中，并有丰富的水，这有利于碳基物质的生成和分解。
在这个过程中，大量有机物开始形成，并在能量流动下，生命得以诞生。
随着地球的冷却，生命逐渐发展起来。
一切都显得那么恰到好处。
那为什么碳基生命不能呼吸氮呢？实际上，生命代谢的基础在其起源那一刻就已决定。
正如生命形成的过程，每一个生命体内部，总是发生着无数生化反应，大量的有机物在合成，同时也有大量有机物在分解，形成不断流动的物质和能量。
这就是新陈代谢。

那么，生物通过呼吸释放能量时，体内究竟发生了什么？发生了让众多抗衰老人士害怕的——氧化。
本质上说，有机物中的氢被氧化物夺取，从而释放出生命赖以生存的能量。
但早期的海洋和大气中并没有强氧化物，所以早期生命只能通过弱氧化物维持能量代谢。
例如，NO3-、NO2-、SO4-、S2O32-、CO2、Fe3+等，甚至少量使用胡索酸、甘氨酸等有机物。
弱氧化物对能量物质的氧化通常很弱，不能彻底氧化，产生的代谢产物大多还是能量较高的有机物。
例如，酵母在厌氧环境下代谢乙醇（酒精），提纯后甚至可以直接当作燃料使用。
由于没有强氧化物，早期生命代谢效率极低，而且相当浪费。
直到30亿年前，蓝细菌的出现才改变了这一切。

蓝细菌通过光合作用释放出大量的氧气。
对于早期使用弱氧化物代谢的生命来说，氧气的强氧化性是无比残酷的，整个代谢途径被氧气破坏，最终导致死亡。
但总有一些个体发生了基因突变，竟然利用氧气的强氧化性，彻底氧化葡萄糖，释放出最多的ATP。
利用氧气的强氧化性，这些新生的有氧菌不仅代谢效率远超厌氧菌，甚至有机体的更新换代也更为有效率。
活跃的新陈代谢为多细胞生命的出现奠定了坚实基础。
有人可能会问，厌氧生物利用NO3-、NO2-进行能量代谢，为什么不利用氮气呢？实际上，硝酸盐和亚硝酸盐的氧化性实际上通过氧原子夺取氢离子来实现。
至于氮气，其性质更加不活泼。
我们可以通过比较氢氮化合物—氨（NH3）和氢氧化合物—水（H2O）来说明。
我们发现，氮与氢生成氨需要高温高压，而且是可逆反应。
而水的生成是剧烈燃烧甚至爆炸过程，几乎不可逆。
通过这种比较，我们可以看出，氮的氧化性远逊于氧。

根据原子模型，电子以不同的能级分布在不同的电子层，低能级电子在内层，高能级电子在外层。
每层最多容纳2n^2个电子（当一个电子层是原子的最外层时，最多只能容纳8个电子，次外层最多容纳18个），所以最内层最多容纳2个电子，第二层最多容纳8个。
氮氧氧化性差异的根源在于：氧气有8个电子，最外层有6个电子，因此很容易夺取2个电子填满外层轨道，形成-2价状态。
而氮有5个电子，其内核束缚力比氧小，而且要填满外层需要吸收3个电子，这使得其负价态比氧气更不稳定。
总的来说，生物的演化过程决定了不可能使用氮气进行呼吸。

地球生命没有进化出利用氮气呼吸的根本原因在于氮气的化学性质。
它的弱氧化性，既不如氧气，更不如NO3-、NO2-、SO4-、 CO2、Fe3+等物质。
换句话说，即使没有有氧呼吸，生命也不可能走上呼吸氮气的演化道路。
最多进化出更加高效的无氧呼吸方式。
许多时候，生命的进化无法回头。
如果真的能回头，可能我们的世界不会是绿色，而是妖艳的紫色。
“紫色地球假说”。