你知道吗动物为什么不呼吸氮气,而是选择氧

我们都知道,动物需要呼吸才能生存,而呼吸的主要方式是吸入空气中的氧气,然后将其与体内的有机物反应,释放出能量和二氧化碳。但是,你有没有想过,为什么动物不呼吸空气中占比最多的氮气呢?难道这样不是更方便更节省吗?其实,这个问题并不简单,它涉及到动物的进化历史、生命的化学原理和地球的环境变化等多方面的因素。

动物呼吸的目的是为了获取能量,而能量是生命活动的驱动力。没有了能量,动物就无法进行新陈代谢、运动、生长、繁殖等基本功能。而能量的来源是有机物的分解,而分解有机物需要一种催化剂,也就是电子受体。电子受体就是一种能够接收有机物释放出来的电子的物质,从而使有机物发生氧化反应,并释放出能量。而在地球上,最常见也最有效的电子受体就是氧气。氧气具有很强的电负性,也就是说它很容易吸引电子,并与之结合形成水。这个过程中释放出来的能量非常巨大,足以支撑动物的各种活动。而且,水对于细胞来说是无毒无害的产物,可以很容易地排出体外。

那么,氮气能不能作为电子受体呢?理论上是可以的,但实际上却非常困难。原因有以下几点:

氮气的化学活性很低,也就是说它很难与其他物质发生反应。这是因为氮气分子中有三条共价键连接着两个氮原子,这种键非常稳定,要打破它需要很大的能量。所以,在常温常压下,只有少数生物才能利用氮气,并且都是通过一种特殊的酶来催化反应。这种酶叫做固氮酶,它可以将氮气还原成氨或其他含氮化合物,并用于合成蛋白质等生命物质。但是,固氮酶非常复杂和稀有,并且需要消耗大量的能量才能工作。所以,固氮酶只存在于一些细菌和蓝藻等微生物中,并且只用于合成含氮物质,并不用于呼吸产生能量。

氮气参与的反应大多数需要吸热,也就是说需要消耗能量而不是释放能量。这是因为氮原子本身就已经处于较高的氧化态,要让它再接受电子就需要付出额外的代价。所以,在自然界中,我们很少看到有机物与氮气反应产生含氮化合物的例子。相反,我们更多看到含氮化合物与其他物质反应释放出氮气的例子。比如,在爆炸和燃烧中,硝酸盐、硝胺等含氮化合物会分解成水和二氧化碳,并放出大量的热量和压力,并同时生成一些游离态的氮原子或分子。这些游离态的氮原子或分子会很快结合成稳定的氮分子,并排出体外。

氧气在有氧呼吸中产生的能量效率很高,比无氧呼吸或发酵等其他方式高出几十倍。这是因为氧气的还原电位很高,也就是说它可以接受很多电子,并释放出很多能量。而如果用氮气作为最终电子受体,其还原电位很低,意味着产生的能量也很低。而且,氮气还原的产物是氨或其他含氮化合物,这些物质对于细胞来说是有毒有害的,需要进一步处理或排出体外。所以,用氮气呼吸不仅效率低,还会造成代谢废物的堆积。

动物没有进化成氮气呼吸是因为这样做不符合动物获取能量和维持生命活动的需要。而且,在地球上,氧气并不是稀缺的资源,而是由植物和藻类等光合作用的生物不断地产生和补充的。所以,动物可以很容易地利用空气中的氧气来进行有氧呼吸,并享受高效的能量供应。而如果在其他星球上,没有光合作用的生物,或者大气中没有足够的氧气,那么动物可能就会进化出其他方式来呼吸,比如利用硫、铁、甲烷等物质作为电子受体。但是,这些方式都不如有氧呼吸来得优越和普遍。




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