这个问题和以下问题其实是等价的:土更多,为何我们还吃肉而不吃土呢?
自然选择理论指出,生物在生存斗争中,具有有利变异的个体更容易存活并繁殖后代,而那些不利变异的个体则逐渐被淘汰。
这一过程如同大自然这位严苛的设计师,塑造着生物的形态、结构和生理功能,使其与所处环境相适应。在动物呼吸方式的选择上,自然选择也发挥着至关重要的作用。
生命,如同一个精密运转的机器,需要源源不断的能量来维持其复杂的生理活动。
从细胞的新陈代谢到个体的运动、生长和繁殖,每一个生命过程都离不开能量的驱动。而呼吸,作为生命获取能量的关键途径,其本质是生物体与外界环境进行气体交换,进而实现能量转化的过程。
在生物体内,物质的氧化分解是释放能量的重要方式。以常见的木柴燃烧为例,木柴在氧气的参与下,发生剧烈的氧化反应,释放出大量光和热,同时生成二氧化碳。
这一过程直观地展示了物质氧化分解释放能量的原理。而动植物体内的呼吸作用,与木柴燃烧在本质上是相似的,只不过更加温和、有序。通过呼吸,生物体摄入氧气,将体内的有机物(如葡萄糖)氧化分解,释放出能量,为维持生命体征提供动力,同时排出二氧化碳等代谢废料。
氮气,作为地球大气中含量最为丰富的气体,约占空气体积的 78%。
然而,它却有着独特的化学性质 —— 惰性。从自然界中氮化物相对稀少的现状,我们便能直观地感受到氮气的化学 “冷淡”。氮气分子由两个氮原子通过三键紧密相连,这种化学键极为稳定,使得氮气在常温常压下很难与其他物质发生化学反应。
要促使氮气参与化学反应,往往需要外界提供大量能量。
例如,在工业生产中,合成氨反应需要在高温、高压以及催化剂的条件下,才能使氮气与氢气发生反应生成氨气。而生命过程的一个重要特征是从外界获取能量,而非消耗能量去驱动化学反应。因此,从能量获取的角度来看,氮气显然无法担当呼吸作用的 “能量源”,也就难以成为生命呼吸的选择。
与氮气形成鲜明对比的是,氧气具有活泼的化学性质,易于与其他物质发生氧化反应。
在细胞呼吸过程中,氧气扮演着至关重要的角色。细胞呼吸大致可以分为三个步骤:
在起始阶段,葡萄糖通过一系列复杂的化学反应,释放出少量能量,并生成大量还原性氢(NADH 还原性辅酶);
在中间阶段,类似于糖发酵的过程,继续生成携带大量能量的还原性氢,这两个阶段氧气并未参与;而在最后的关键阶段,还原性氢与氧气发生反应,生成水,并释放出大量能量。
这一过程本质上是氧化分解,与葡萄糖在氧气中直接燃烧所释放的能量总量是一致的,只不过生物体内的反应更为温和,且是逐步进行的。
以氧气参与的生物 “能量发动机”,其转化效率令人惊叹,高达 40%,剩余的能量则以热能形式散失。
相比之下,人类制造的发动机,即便技术最为先进的德国产品,其转化效率最高也仅为 25%。由此可见,在富含氧气的地球环境中,生物选择有氧呼吸,无疑是自然选择下适者生存的绝佳体现。
地球的生命演化历程漫长而复杂,呼吸方式也在不断演变。
地球诞生至今已历经 46 亿年漫长岁月,在大约 24 亿年前,地球上才首次出现游离的氧气。在此之前的约十亿年里,地球大气中几乎没有氧气,生命在这样的环境中艰难诞生并演化。
早期生命形式,如厌氧生物,它们的生存不需要氧气,甚至氧气对它们来说是有毒的。
随着蓝藻(蓝细菌)的出现,情况发生了改变。蓝藻开始进行光合作用,这一过程产生的氧气最初是副产物。这些氧气并未立即逸散到大气中,而是与硅反应生成硅酸盐,或者与铁结合形成氧化铁(铁锈)。
经过长达十亿年的持续消耗,相关物质对氧气的容纳系统逐渐趋于饱和,氧气开始过剩,进而在大气中自由积累。
氧气含量的上升,对当时的厌氧生物构成了巨大的生存压力,导致了第一次大规模生物灭绝事件 —— 大气氧化事件。
然而,生命展现出了强大的适应性与创造力。在氧气含量持续上升带来的巨大压力下,真核生物成功演化出多细胞生命形式,并巧妙改变化学合成的代谢途径,开始利用氧气。
这一转变,使得生命能够更高效地获取能量,为生命的进一步演化和多样化发展奠定了基础。
呼吸作用的本质并非单纯对氧气或氮气的选择,而是身体细胞线粒体对能够驱动能量传输的活跃物质的需求。
从地球大气成分来看,氧气无疑是实现这一过程的最优选择。在自然选择的作用下,能够利用氧气进行呼吸的生物,在能量获取和生存竞争中具有明显优势,逐渐成为地球生命的主流。
以海底热泉口附近的生命形式为例,生命起源之初,地球上尚无氧气存在,但在海底火山口,却不断喷涌出大量化学物质,如硫化物。
这种特殊环境下,天然形成了氢离子浓度差,而且只要地球内部岩浆持续流动,氢离子就会源源不断地喷涌而出,并向大海中扩散,火山泉口处的氢离子浓度始终处于高位。
在这样的环境中,一些生命形式利用这种特殊的化学环境,发展出了独特的能量获取方式,这也是生命适应环境、自然选择的结果。
总之,动物不呼吸氮气,是由氮气的化学特性、生命的能量需求以及自然选择的作用共同决定的。
在地球生命漫长的演化历程中,呼吸方式的选择始终与环境变化紧密相连,生动诠释了自然选择下 “适者生存” 的伟大法则。