氧气为何优于氮气？

大气的组成

当我们想到地球大气时，我们通常会想到蓝天、白云和太阳光芒。然而，这个看似简单的现象背后隐藏着一个复杂的化学过程和相互作用。

(资料图)

地球大气 主要由氮气（％）和氧气（％）组成。 此外，还有 少量的水蒸气、二氧化碳、氩气和其他稀有气体，如氖、氦、甲烷和氢气等。 其中，水蒸气是所有温室气体中占比最高的，它也是导致地球温度变化的主要因素之一。

除了以上所述的气体组成，地球大气中 还包含很多微观颗粒物 ，如尘埃、灰尘、烟雾、花粉和空气中的其他污染物。这些 微观颗粒物对空气质量和人类健康产生不良影响，同时也影响着大气的化学反应和作用。

当太阳能穿过地球大气层时，它的能量会被部分吸收和反射。这种现象被称为 大气吸收 。大气吸收可以分为两类：分子吸收和辐射吸收。 分子吸收是由地球大气中的氧气、水蒸气、二氧化碳等分子所引起的，它们能够吸收和散射来自太阳的紫外线和可见光。 而辐射吸收则是由大气中微观颗粒物的散射和吸收作用引起的。

此外，地球大气中还存在着很多化学反应。不过说了一大堆，总感觉少了点什么，怎么占比快80%的氮气，没什么存在感呢？

氮气到底有什么作用，生命为什么不能用氮作为生命的源泉呢？

大气的形成

其实，氮气并不是一开始就存在如此多的。

据科学家研究， 地球诞生于46亿年前，当时地球表面温度非常高，且没有稳定的大气层。 随着地球冷却，水蒸气逐渐凝结为水，在地球表面形成了海洋。同时，地球表面上的火山喷发释放出大量的气体，这些 气体包括水蒸气、二氧化碳、氨气等 。这些气体被称为 原始大气。

然而， 原始大气中含有大量的氢和氦，这些气体非常轻，无法被地球引力束缚住。 因此，随着时间的推移，这些气体逐渐流失到了宇宙空间中。

随着地球的演化，原始大气逐渐被地球内部的岩浆所吸收并转化为新的物质，这些物质包括 水蒸气、二氧化碳、氮气、氧气等 。这些气体 逐渐形成了现代大气层 。

然而， 大量的氮气主要是在地球生命出现后才开始占据地球大气层的。 这是因为氮气可以通过植物及其它生物固定为生物有机物，而这些物质可以进入到土壤和海洋中，从而释放出新的氮气。

为什么氮气占现代大气层的比例如此之高呢？这是由氮气在地球大气层中的物理、化学性质以及地球生命演化历史上的因素所决定的。

氮气分子比较稳定，不会被太阳光谱分解，也不会被其他化学过程分解。 因此，氮气能够在地球大气层中存留很长时间，而不像二氧化碳一样很容易被大气层中的水蒸气和生物活动影响而发生变化。

还有就是 氮气在地球上非常普遍 。它存在于空气中、水中和土壤中，并且由于氮气分子与其他大气成分相比比较轻，因此随着大气层的运动，氮气可以被有效地混合到大气层中各个部分。

最后，氮气在地球生命演化史上扮演了非常重要的角色。 氮气是组成氨基酸和核苷酸的重要成分，这些有机分子是构成生命体的基础。 因此，氮气的丰富存在为地球上的生命提供了必要的元素。

氮气在大自然的作用

作为空气中最主要的成分之一， 氮气是地球上所有生物体（包括人类、动物和植物）所需要的基本元素。

尽管氮气本身并不直接参与生命活动及其它化学反应，但它是构成生命体的重要组成部分，同时 也是植物合成蛋白质等有机物质的必需原料。

植物通过光合作用固定二氧化碳，产生有机物质，而其中的氮元素通常从土壤中的氮化合物中提取得到。因此， 土壤中的氮和空气中的氮之间构成了一个紧密的循环系统。 这个循环系统对于维持生态系统的平衡和稳定至关重要。

其次，在某些地质和气候条件下， 氮气还可以在环境中形成硝酸盐和铵盐等化合物，这些化合物可以被植物吸收， 为它们提供必需的营养元素。

例如，在闪电和火山爆发时，高温和高压会使空气中的氮气结合成氮氧化物，这些氮氧化物随后会 被雨水冲刷到土壤中，形成硝酸盐和铵盐等营养物质。

这些化合物可以促进植物的生长，有助于维持生态系统的平衡。

此外，氮气在大气层中还起着重要的保护作用。 它能够吸收紫外线和可见光，帮助保护臭氧层，从而减少地球表面受到紫外线的伤害。

除了对生态系统的影响外，氮气还在许多领域中发挥着重要作用。比如，在化学工业中，氮气是一种非常重要的惰性气体，可以被用来防止氧化反应的发生，同时也可以用来制造高纯度的化学品。在医疗行业中， 氮气也被广泛应用于麻醉和手术过程中。

生物为何不呼吸氮？

上文我们说了， 空气中氮气约有78%， 这意味着，如果生命体要靠呼吸氮气来活着，它们需要消耗大量的能量来从环境中提取和处理氮气。

相比之下， 利用氧进行呼吸所需消耗的能量更少，因为氧在大气中的浓度较低， 而且氧分子本身就比氮分子更易于被氧化，产生更多的能量。

其次，氮气分子结构稳定，不容易被生物体利用。氮分子中的两个氮原子通过非常强的三键连接在一起，这使得氮分子对于生物体的化学反应非常难以处理。相比之下， 氧分子是双原子分子，比氮分子更加容易与其他分子形成化学反应 ，因此更适合作为生物体呼吸的气体。

此外，氮分子在大气层中具有惰性，也就是说它们不容易被化学反应所改变。这意味着，如果 生命体要利用氮进行代谢活动，它们需要大量的酶和能量来打破氮分子之间的强连接。 相比之下，氧分子更加反应活泼，更容易被生物体利用，可以产生更多的能量。

综上所述，碳基生命进化出了靠呼吸氧活着，而没有进化出靠呼吸氮活着，是因为 氧分子结构稳定、反应活泼，而且在大气中的浓度较低， 同时 氮分子结构稳定、惰性，很难被生物体处理 。这使得 利用氧进行呼吸成为了生命体的主要选择 。

当然，在一些特殊的环境条件下，一些微生物可能会进化出利用氮甚至硫化氢等物质进行呼吸代谢的能力，但这仍然是非常少见的情况。

例如，在2009年发表的一篇研究报告中，科学家们发现了一种栖息在巴西亚马逊河口的细菌，它们可以利用氮分子进行呼吸代谢。

这些细菌中的一种叫做 Candidatus Methylomirabilis oxyfera ，它们 能够将氨气转化为硝酸盐，并且在此过程中利用氧进行呼吸。

这个发现向我们展示了生命体如何在特殊环境下进化出利用非氧化学物质进行呼吸的能力。不过，总体来说，利用氧进行呼吸仍然是大多数生命体的主要方式。

氧气的重要性

碳基生命之所以如此依赖氧气，是因为 氧气（O2）在生物化学中扮演着重要的角色 。作为一种强氧化剂，氧气可以促进许多化学反应， 使得生物体内的代谢过程更加高效和完整。

此外，氧气也是最终电子受体，参与了呼吸链上的能量转换过程。因此，如果没有足够的氧气供应，生命体就会面临能量不足及代谢障碍的危险。

氧气是体内能量代谢的最终电子受体。 细胞通过氧化葡萄糖等有机物来产生能量，并将这些能量储存在ATP分子中，以供细胞进行各种生物学活动。

但是，这个过程必须经过呼吸链，其中氧气作为最终电子受体，接受从NADH和FADH2传递过来的电子，并在此过程中释放出水。 呼吸链的最终产物是ATP分子和水 。

其次，氧气还参与了一些其他重要的生物化学反应。例如，氧气在线粒体中的存在促进了TCA循环（三羧酸循环）中的反应，这是细胞合成ATP所需的一部分。 氧气还可以促进脂肪酸代谢、DNA修复、抗氧化反应等。 在缺氧条件下，这些反应可能受到限制，并导致生物体功能紊乱。

另外 像心脏、大脑、肝脏等重要器官需要大量能量支持其正常功能。 如果供氧不足，这些器官就会出现缺血缺氧的情况，甚至发生坏死、组织退化等严重后果。因此， 有足够的氧气供应对于生物体的生存和健康至关重要。

结语

总之，氮气和氧气在地球上都扮演着至关重要的角色。

氮气是构成大气层中最主要的气体之一，为植物提供了重要的营养素，并维持了生态系统的平衡。 而氧气则是所有生命体的必需品，在代谢和许多其他生物化学反应中发挥着关键作用。

不论是氮气还是氧气，它们都是地球上不可或缺的资源，需要我们共同关注和保护。只有通过科学合理的利用和环境保护措施，才能确保这些资源得到充分利用和可持续发展，以维护地球的生态健康和人类的福祉。

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