氧与生命的拔河游戏

李启翔

每一次呼吸，我们都在与氧气亲密接触。许多动物可以长时间不进食，但却无法长时间不呼吸，可见氧气对维持生命活动有多么重要。而氧气与生命的关系，却比想象的更复杂。

燃烧背后的秘密

燃烧，这种生活中最常见的现象，一直都是化学研究的重要课题，科学家们始终好奇，在舞动的火焰中到底藏着怎样的秘密。

1774 年，英国化学家普利斯特里通过实验分离出一种有助燃性质的气体，但他信奉燃素说，并不认为自己发现了一种新物质。普利斯特里发现，这种气体可以支持生命体呼吸：“我把老鼠放在这种气体里，发现他们过得非常舒服……我又亲身试验，将吸管插入放满这种气体的瓶中吸它，身心觉得十分轻松舒畅。”

不久后，法国化学家拉瓦锡经过实验观察，提出了氧化说，认为燃烧是可燃物和空气中约占1/5 体积的某种气体反应的结果。他将这种气体确认为一种新的物质，命名为oxygen（希腊语：形成酸的）。受此影响，日语中将氧称为酸素。我国化学家徐寿在翻译时，将酸素改为“养气”，他认为人的生存离不开这种物质，因此取“蓄养精气神”的“养”字。直到后来统一化学名称时，才成为我们今天熟悉的“氧气”。

氧气从哪儿来

今天我们生存离不开的氧气，是从来就存在吗？它和生命的关系经历了什么样的变化呢？

1、在早期的地球大气中，几乎没有游离的氧气。氧元素性质活泼，以化合物（比如水、二氧化碳、岩石等）的形式存在着。地球上最早出现的生命是一些原核微生物，它们在幽深的海底生存，不需要阳光也不需要氧气。

2、30 多亿年前，一种叫“蓝细菌”的古菌出现了。它可以进行光合作用，吸收二氧化碳，然后释放出废气——氧气。随着蓝细菌的大量繁殖，慢慢地，海洋中的氧气就多了起来。

3、氧气产生后，并没有第一时间进入大气，而是与海洋中的其他物质反应。其中，氧气与海洋中大量的铁离子结合，形成了红色的氧化铁，它们沉积到海底，变成了独特的“条带状铁建造”，也是我们今天开采的铁矿石的主要来源。

4、对于原本在无氧环境中生存的微生物来说，氧气无异于一种剧毒，会带来致命伤害。20 多亿年前，不知道什么原因，地球上的氧气浓度突然爆发，使99% 的物种灭绝了，史称“大氧化事件”。

5、当海洋中能与氧气反应的物质消耗完以后，氧气才游离到空气中，从此，地球大气的构成彻底改变了。生命也在经历灭绝的沉默后，发生了巨大的变化——能够利用氧气的真核生命诞生了，并逐渐演化出世界上丰富多彩的生物，直到今天。

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尽管如今地球上依靠氧气生存的物种占据主流，但依然有很多厌氧性细菌广泛分布于自然界和动物体内，包括我们人类的身体里。

能量之源——氧的利用

那动物究竟是如何利用氧气的呢？我们来看看一个氧气分子在人体内的旅行吧。

1、当你呼吸的时候，我就随着空气来到了肺部。这里有许多葡萄一样的肺泡，密布着无数细小的毛细血管，可以方便我搭上血液中的红细胞“小船”。

2、红细胞带我去往人体各处旅行。沿途经过的地方如果已经有了别的氧分子，它就会一直带着我；到了氧气不足的地方，它就会让我“下船”。

3、在人体细胞里，我遇到了消化后同样被血液送到细胞里来的营养物质（葡萄糖等）。我和营养物质会发生一系列化学反应，帮助它们被细胞吸收利用，并释放出大量能量。

4、据说，这趟与我一起进来的氧分子，有四分之一都去了一个叫大脑的地方。那一定是对你来说，最重要、工作量最大的地方吧！

5、 经过一番反应，我也变了模样，二氧化碳是我的新身份。我重新坐上了红细胞“小船”，回到了肺泡里，隨着你的呼吸，重归大自然。也有氧分子变成了水或其他物质，在你体内待得更久一些。

与生命拔河的游戏

如果你去往高原、高山旅行，一定要小心因空气中氧气变少而引起的高原反应。那么，是不是空气中的氧气浓度越高，对地球上的生命来说就越好呢？

其实，在地球漫长的历史中，氧气浓度一直在发生波动，和生命上演着此消彼长的拔河游戏。比如在3.5 亿年前的石炭纪，因为陆地被森林覆盖，它们吸收二氧化碳，释放出大量的氧气，使大气氧气浓度一度飙升至35％。充足的氧气使得昆虫的体形也变得巨大，巨型蜻蜓在天空飞舞，蜈蚣迈开半米长的腿。但是太高的氧气含量很容易引起大火，一场延续几十年的大火给森林和巨型昆虫们带来灭顶之灾，也烧掉了很多氧气，大气氧气浓度急剧下降至11%。

就这样生命和氧气互相影响，今天地球上的氧气浓度约为21%，人类已经适应了这样的空气，太高或太低的氧气浓度，都会给我们的健康造成影响。

看不见的保护伞

你或许听说过“臭氧层空洞”这个词。1984 年，英国科学家首次发现南极上空出现了臭氧层空洞，引起了全世界的关注，因为这东西直接关系着生物圈的安危和人类的生存。

臭氧（O3），其实是氧气的“好兄弟”——同素异形体。自然界中的臭氧，集中在距离地面20 ～ 25 千米的大气平流层中，主要是由阳光中的短波紫外线照射氧气生成的，而生成的臭氧被阳光中的长波紫外线照射后，又会变回氧气。臭氧层中的氧气与臭氧就这样相互转换，实现动态平衡。

短波紫外线是一种对人和动植物有害的太阳辐射，臭氧层吸收了短波紫外线，就像撑起了一把看不见的太阳伞，为地球上的生物提供了庇护。