03.07 為什麼動物沒有進化成氮氣呼吸?

弄潮科學


動物呼吸氧氣本質上跟燃燒是類似的,就是用氧氣跟某些物質的化學反應釋放能量來讓動物可以有能量活動。如下圖所示就是動物呼吸作用的過程。

而我們知道,氮氣實際上是一種非常穩定的氣體,用專業屬於來說,就是氮原子與氮原子之間的化學鍵鍵能較高,所以這不是一種容易參加氧化還原反應的氣體。所以氧氣可以很容易跟各種物質發生反應,尤其碳氫化合物,很容易被用來提供能量,而氮氣就做不到這一點【如下圖所示,為氮氣的化學分子式】。

事實上,氧氣不是動物體內唯一的供能方式,還有一種被稱為“無氧呼吸”的功能方式,這種供能方式甚至於都不用氧氣的參與,只要有酶的催化作用,動物體內的有機物就可以分解並生成少量的能量。兩種呼吸作用的區別如下圖所示。

所以說,動物體內哪怕讓有機物自己分解生成能量,也比讓氮氣這種很難發生反應的氣體參與其中效率要更高一些。這下你知道為什麼動物不會呼吸氮氣來供能了吧。


航小北的日常科普


動物當然不靠氮氣呼氣了,要清楚呼吸的意義的原理才好理解原因的。

呼吸本質上是為心臟供氧,通過心臟將帶氧血液帶入全身留著,最終通過帶氧反應,將能量供給身體各個部分的。這其中貫穿始終的就是氧,因而氧氣是必不可少的存在。

至於為什麼必須是氧而不是氮氣,就要結合具體情況分析了。氧在呼吸全過程中是起到提供能量催化能量分解作用的,這就要求氧氣必須有一定的活波性,也就是是否易於反應,從這點來說,活性越高的氣體越有用,而氮氣被稱為惰性氣體,活性肯定很低,雖然量大,但沒有用處,所以氮氣是不可能取代氧氣地位的。

再者,活性高的氣體種類多了去了,但為什麼是氧呢?這就主要是氧氣量的原因了,雖然作為傳遞能量的介質而已,氧氣不是最好的,但它在空氣中的含量可是相當高的,在漫長的生命進化史中,生物再多次的抉擇之後,最終選擇了氧氣。(其實是有可能選擇別的氣體的,但含量的高低也決定了獲取難度,進而影響種群數量,最終數量最龐大的那批進化到了現在,而其他的都滅亡了)

最後,從生命體的構成來說,現在地球生命基本都是碳基生命,這決定了所需介質的類別。若是呼氣氮氣,CN的化學鍵可是相當牢固的,這導致產生反應所需的化學能大幅提高,同時由於cn的穩定性,會讓變異概率大幅減小,這讓這種生命體必須有足夠大的固定能量來源,同時基本不會變異成新物種,最終後果就是這種生命還來不及發展到多細胞時,一次自然災害或氣候異常就能滅絕它們。所以呼氣氮氣的生命體就算出現過,也早已消亡在生命進化史裡了。


傍徨的魚


氮氣分子N三N鍵能941.69kJ/mol,氧氣分子O=O鍵能為498 kJ/mol。

要分解氮氣分子所需要的鍵能將近氧氣分子的兩倍,這可不是吃飯吃雙倍那麼簡單。氮氣是性質很穩定的氣體,不會很容易地與其他物質發生反應,所以在工業領域經常作為保護氣氛氣體使用。當然也有使用氮氣的生物,但僅限於細菌,比如固氮細菌,能夠打斷氮氮三鍵。

氧氣與氮氣相比,鍵能低,性質更活潑,可以參與許多生物化學過程,可以支持地球上的生命。這就是為什麼氧氣成為生命的支持者,雖然它不是地球上最豐富的氣體。

當然並非所有的地球生命都依賴於氧氣。固氮細菌以氮氣為食,厭氧菌需要無氧環境,其他菌類及所有動植物才是以氧氣呼吸。

動物由於他的體型決定了他只能以性質更活潑的氧氣來呼吸。

空氣中氧氣佔21%,而氮氣佔78%也是有原因的,因為氧氣濃度高了會造成氧中毒。

高濃度的氧攝入會導致呼吸中樞的麻痺,體內過多的氧會導致氧自由基增多,引起核酸、脂肪等組織成分的改變、變性,引起細胞功能損害,最終是臟器功能的損害。特別是孕婦和新生兒危害更大,吸入高濃度的氧會導致嬰兒的視網膜的損傷、失明。這就是為什麼在醫院吸氧不能長時間吸的原因。


有初有終


當動物或人呼吸的時候,氧氣和氮氣都被吸入體內,並沒有分離。

氮氣不僅進入了肺,還進入了血液和組織液中。因此,動物的確呼吸了氮氣。只不過因為氮氣的化學性質十分穩定,不易和其它物質發生化學反應,因此動物無法利用它來乾點什麼,而氧氣的化學性質十分活潑,容易和別的物質之間發生一些不得不說的故事,寫在一本又一本厚厚的專著中,讓學生尤其是醫學生背得十分痛苦。


  • 怎樣證明,在呼吸的時候,氮氣真的進入了動物身體之內呢?

讓我們來了解一種疾病——減壓症。

當深潛者急速上升的時候,很容易產生一種疾病,最初被籠統的稱為潛水病,。直到生理學家搞清楚原因之後,才被稱為減壓症。嚴重的潛水病患者會發生癱瘓甚至死亡。這種疾病的特徵是,患者的身體會出現許多奇怪的鼓脹之處,用針抽吸出來部分進行檢驗,會發現鼓脹之處的主要成分是氮氣。


瞭解到這一點後,生理學家們迅速認定,這是因為氮氣在血液和組織液中的溶解度發生急速變化所導致的疾病,一般來說氣體在高壓下的溶解度高,在低壓下的溶解度低。當壓力驟然降低時,氣體從液體中冒著泡的逸出。

圖示:減壓病就像這冒泡的可樂。可樂的生產過程中,通過高壓將大量二氧化碳溶解在水中,一旦打開可樂罐子,伴隨著壓力的驟降,失去高壓束縛的二氧化碳,現在重新轉變為氣體,以氣泡的形式冒出來。


潛水員在水下通常呼吸的是高壓空氣,大量的氮氣進入潛水員身體,並溶解在潛水員的血液和體液中。當潛水員急速上升的時候,水壓驟然降低,導致血液和組織液中本來處於溶解狀態的大量氮氣,現在開始從血液和組織液中冒著泡的鑽出來,又無路可走,於是就積累在人體的肌肉和關節中,壓迫肌肉和關節,讓人痛疼難忍,嚴重情況下甚至會破壞神經,造成癱瘓或死亡。


  • 呼吸過程中氧氣濃度的變化,標誌著動物對氧氣的利用

雖然氧氣和氮氣都被吸入肺中,但在呼氣的時候,呼出的氣體中氧氣卻明顯變少了,這是動物利用氧氣的一條重要線索。以人類為例,在我們處於平靜狀態時,吸入的空氣中大約含21%的氧氣,但在我們呼出的空氣中,卻只剩下大約16%的氧氣,按照物質守恆定律,我們可以合理的推論,氧氣不會無緣無故失蹤,它一定是通過化學反應轉變成了其它物質。

仔細檢查我們呼出的氣體,我們會發現呼出的氣體中會有許多二氧化碳,大約4%,可是在吸入的普通空氣中,通常二氧化碳的濃度很少,可以忽略不計,另外,哪怕空氣中沒有水分,在我們呼出的氣體中也會含有一些水分。看看二氧化碳和水的元素組成,它們都有一個共性,它們都含有氧。

圖示:石灰水定性檢測吸入和呼出氣體中的二氧化碳。這是利用了一個化學反應,當石灰水中的鈣離子遇到二氧化碳後,會生成碳酸鈣沉澱,碳酸鈣在生活中很常見,比如雞蛋殼、貝殼等的主要成分就是碳酸鈣。


在體外燃燒糖類、酒精、天然氣、蠟燭時,這些物質和空氣中的氧氣發生化學反應,釋放出光和熱,同時生成二氧化碳和水。因此,我們可以大膽地猜測,動物吸入氧氣的目的,同樣是用於燃燒,燃燒可以產生熱,還可以產生其它生命可以利用的能量。而氮氣無法簡單地用於燃燒過程,這就是動物利用氧氣不利用氮氣的原因呀。


雖然氮氣難以發生化學反應,但是生命的存在和維持卻需要氮元素。

生命世界中兩大核心物質都含有氮:

1、在一線幹活的蛋白質,生命現象大多由蛋白質來完成和體現

2、儲存遺傳信息的核酸

它們都富含氮元素。只不過,只有很少的生命能直接使用空氣中的氮氣,來讓氮元素進入生命流程,這就是大名鼎鼎的固氮菌。除了固氮菌之外,就得靠天吃飯了,天空的雷電讓氮氣和氧氣發生化學反應,產生亞硝酸或硝酸,但這部分的產量並不高。

圖示:空氣中的氮氣,通過豆科植物和土壤中的固氮菌,轉變成氨,進入生命大循環。


植物從固氮菌處得到發生了化學反應後可以利用的氮元素,動物吃植物,也就得到了這部分可利用的氮,動物吃動物,自然也得到了這部分氮,主要是以氨基酸的形式來得到的,即肉肉。實際上,由於氮氣的惰性,讓氮元素在生命世界中成為一種奢侈品。直到,化學家發明了人工合成氨的工業化流程,人類才擺脫了靠天吃飯的宿命。因此鍊鋼大法和合成氨大法都被視為穿越必備寶典呢。


如果動物能直接利用空氣中的氮氣,世界和平就到來了。


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生物體內的很多代謝反應和生化過程也都建立在化學反應的基礎上,利用哪個元素不利用哪個元素,通常取決於該元素能否參與該類反應。

生物體進行各種生命活動的背後,需要旺盛的物質代謝和能量代謝作為支撐,源源不斷的供給能量,而有氧呼吸是大部分生物能量的主要來源。呼吸鏈中最終的氫受體和電子受體都是氧,氧的電負性強決定了它可以作為電子受體,而且用氧作為電子受體和氫受體最終產物是對細胞無毒無害的水。

當然也有例外,確實有些生物就是喜歡厭氧的環境,通常是一些厭氧微生物,他們能夠進行無氧呼吸,並且用乳酸發酵的方式消耗糖酵解的產物提供能量。但是,這種能量供應方式特別低效,僅有有氧呼吸的百分之五。

有時候我們會覺得,要是生物能直接利用這些存在量多的物質,像空氣中的氮氣和土壤中的鋁,那不是更好,為什麼還要辛苦尋覓那些量少的難得的物質?

其實很多時候也是無奈,生命起源於非生命物質,生化反應基於化學反應,很多元素的性質特徵就限定了它們不能或者很難參與生命過程。

另外,即使有的物種中某些生物學過程在我們看來不是最合理的,理論上和現實中確實都有其他案例其他生物採取了更好的方式或途徑來完成,但是該類生物並沒有採用這種方式,那也不足為怪。 因為生物的演化不是那麼隨意的,不是我想要飛就能進化出翅膀,不是我為了在沙漠生存就進化出抗旱機制,而是先有不同類型的機制和性狀,再由自然選擇決定更好的那些更容易留下。


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氮氣的化學性質比氧氣穩定太多了,拆開兩個氮原子比拆開兩個氧原子難得多。氮氣、氧氣、氟氣的化學鍵能分別是945、498、157。氟氣太活潑,空氣裡基本沒有遊離態的氟氣。氮氣又太穩定了,很難被利用,所以氧氣是目前物理條件下的最佳選擇。

不能光看含量高低,還要看誰更容易利用。就像1張100塊錢和20張1塊錢的鈔票,相信不傻的人都會去拿100塊的那張。


晴月浩新雪


氮氣鍵能過高,斷鍵所需能量太大,成本太高。


化學興趣者


這個問題問的好。


功德無量43


氮氣呼吸應該是這效果吧😂😂😂😂😂



笨笨牛850


氮的化學鍵,外電子錶明其性質不活潑,無法在地球溫度氣壓下與碳基生命進行能量結合分解的氧化還原反應循環。


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