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如果没有氧……

2016-05-30暗号大老爷

科学Fans 2016年5期
关键词:距今光合作用氧气

暗号大老爷

说起在寒冷的天气保持温暖,鼠兔这种小型山地“居民”绝对是个中高手。不过随着全球气候变暖,这些抗寒高手们遇到了极大的冲击——低海拔地区气温升高,它们不得不迁居到更加凉爽的高海拔低氧环境里继续生活,而缺氧便是它们遭遇的头号麻烦。

难道人类就一定不会在未来某一天遭遇到类似的事——空气中的氧气突然间全部消失了?这也是本文的前提条件。好了,读者朋友们,建议在往下阅读之前,首先深吸一口气憋住,这样可以获得更加身临其境的阅读体验(我开玩笑的,可别真去这么干)。

脆弱肉体

首先,氧气在空气中约占21%的体积。如果氧气突然消失,空气瞬间变得稀薄,我们首先会感到一阵耳鸣,搞不好鼓膜也会破裂。但这种外伤都不算什么,接下来我们将会体会到什么叫做绝望。

在正常情况下,人体吸入的氧气大部分进入血液,与血红蛋白结合,运输到人体各个角落;小部分直接溶解到血液里。空气中的氧气一旦消失,我们虽然可以照常呼吸,但是再也没有氧气进入身体。

在生理学中有个概念叫做氧分压,指的是溶解于血液的氧产生的压力。这个概念可以量化我们平时血液中的氧含量,但现在也没什么用了,因为按照我们的假设,氧分压很快就降为零:细胞活力下降,器官功能衰退,这种由于吸入气体中氧含量过低引起的缺氧,被称为大气性缺氧。

大脑是人体中最消耗氧气的器官。人类大脑重量大约是人体重量的2%,但脑血流量却占心输出量的15% ,脑耗氧量占人体总耗氧量的23%。因此,大脑对缺氧最为敏感,几分钟内,除了会觉得窒息、呼吸障碍、耳鸣之外,还会引起头痛、思维能力下降,表现在器质层面,就是脑血管扩张、脑细胞及脑间质水肿。完全缺氧5~8分钟后,经过这些对大脑的不可逆损伤积累,你就将迎接昏迷甚至死亡。

生命熄火

如果我们把人体比作一部机器,氧气对人的重要性也可以用能量变化来解释。

人类一天到晚吃吃喝喝,所摄入的有机营养物质都需要在体内被利用,这个过程就是氧化,相当于汽车里面汽油的燃烧,只是没有火焰。

氧气是一种获取电子能力很强的物质,有机物质的氧化分解本质上就是一种传递电子的行为。因此,这一过程会产生能量,就是氧化分解得来的能量。最终,能量以一种“能量分子货币”——三磷酸腺苷(ATP)的形式储存起来,而氧气和氢结合在一起,最终形成了水。

氧气对于人类,以及所有需要有氧呼吸的生物的终极意义正在于此——从空气中获取这种氧化剂,维持能量的正常运转。如果这种氧化过程不能继续,那生命之光也就随之黯淡。

灾异蔓延

但是人类不会这么轻易地“狗带”!

我们假定最能憋气的一部分人活着爬到药店、医院,纷纷争抢氧气瓶和制氧机。一些工厂里的工人赶紧停工,挣扎着打开工业用氧猛吸,也不管有没有杂质气体,先活命再说。不管怎么样,液氧罐现在要比黄金贵重多了。

因为空气中氧含量下降,海洋和土壤中的氧气可能会析出,补充被宇宙恶霸抽走的气压。人类也可能会牺牲电力,用电解法把水分解成氢气和氧气来救急。工厂里的双氧水等氧化物可以制取氧气,或者把地壳里的氧化矿物质分解,把氧气提取出来。当然,我们做这一切的前提是尽量降低耗氧量。

臭氧也开始拼命吸收紫外线,分解出氧气,这也可能让人类变得稍微好过一点点,但是随之而来的是臭氧层的消失。缺少了这一层屏障,紫外线会长驱直入,给人类带来皮肤灼伤、癌变和眼部疾病。

在人类忙碌的过程中,天已经变了颜色。由于缺少了氧气分子,可以反射光线的粒子减少,这时的天空可能会变得像照片底片一样——过于黑白分明。

一种循环

不过有个好消息是,由于其他需氧生命不懂得自行制造氧气,所以会大量死亡。它们不会再跟我们争氧了,此时可以产生氧气的光合作用开始回升,尽管这个过程会非常缓慢。

我们不禁回忆起早期的地球,生命刚刚出现的年代。那时并没有多少氧气可言。一些原始单细胞生命开始利用太阳光,把二氧化碳和水合成有机物,产生一种废物,那就是最初的氧气。那时的氧气对生命而言还是废气,甚至是有毒的致命废气。这些被生物排出来的氧气还顺带挤走空气中的甲烷,降低了温室效应,把温度变得适宜。

后来,一些细菌习惯了充满废气的环境,觉得用有氧呼吸这种方式来进行生存会释放出更多能量,这才有了光合作用和呼吸作用的平衡。

这是历史的重演。在经历这次氧气突然失踪的大灾变后,我们只能期待,地球上这些数不胜数的生命可以尽快恢复氧气含量,并且和之前一样不高不低。当然这种期待听起来实现的可能性真的不高。

TIPS

氧气的历史:几个瞬间

距今45亿年前 地球诞生。

距今34亿年前,一些生命进化出光合作用的技能。但是这时的光合作用产物还不是氧气。

距今24亿年前,有一种光合作用途径开始产生氧气这种代谢产物。但由于氧气要首先和地球上原本存在的许多物质反应(比如金属和还原性物质反应),因此大气中的氧气浓度并不高。

距今17亿年前,大气内氧气浓度达到21%,一大批厌氧生物灭绝,大量好氧生物取而代之。

距今3亿年前,由于氧气充沛,石炭纪产生了一些巨型节肢动物,比如巨脉蜻蜓翼展可以达到0.8米。

公元79年,古罗马最伟大的博物学者老普林尼造访庞贝城附近的维苏威火山,那场抹除庞贝城的火山爆发遮天蔽日,使老普林尼也一去不还。他也许是和庞贝人一样,死于窒息和气体中毒。

1775年,法国科学家拉瓦锡命名了氧元素(oxygene),并揭示了是它在支持可燃物燃烧。

1795年,英国医生托马斯·贝多斯发明了可以用来治疗的吸氧器具。

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