這個問題就像在問:為什么動物吃肉、吃草,而不吃土?道理是一樣的。生命以負熵為食,需要從環境中獲取能量,生物體內的一切循環的根源都是能量的循環,而物質可以通過氧化分解釋放能量,例如木柴與氧氣,在一定的溫度條件下會釋放出大量光和熱及二氧化碳。動植物體內的呼吸作用實際上也是在完成這個過程,為生物體提供維持生命體征所需要的能量,然后排出廢料。
氮氣是一種惰性氣體,這點從自然界氮化物含量較少就可以看出,要驅使氮氣反應是需要吸收能量的,這與生命的本質相違背,因此氮氣不可能作為呼吸作用的燃料。
這個問題并非質疑達爾文的好例子,因為它放在哪都適用,例如“如果神創論是正確的,為什么神創造的動物呼吸氧氣,而不是氮氣呢?”你問女媧,她也懵圈。
自然選擇的本意為最適者生存,適者一方面是競爭壓力,另一方面是環境壓力。而環境指代地球的氣候、溫度、大氣成分等等,它們的本質有地球上的物理變化,化學變化等等,這是地球的底層邏輯。適者要在底層規則的基礎上演化,而不是在逾越大自然的基本法則的基礎之上演化。
呼吸只是表象
氧氣進去,二氧化碳出來這只是呼吸作用的表象,實際上氧氣經過呼吸系統進入到血液循環中,血液把氧氣輸送到全身細胞中,氧氣真正要做的事情是參與細胞內釋放能量的反應,為身體供能,這個過程我們稱為細胞呼吸。
細胞呼吸大致可以分為三個步驟,葡萄糖通過和釋放少量能量,生成大量還原性氫(NADH還原性輔酶),和階段氧氣并沒有參與,階段有點類似于糖發酵的過程,這兩個階段實質為生成攜帶大量能量的還原性氫。
在最后一個階段,還原性氫與氧氣反應生成水,并釋放大量能量。這是一個氧化分解的結果,等量的葡萄糖在氧氣中直接燃燒,獲得的能量是一致的。生物體內的反應更為溫和,并逐步分解。這套氧氣參與的生物“發動機”的轉化效率極高,達到40%,剩下的以熱能散失掉,而人類制造的發動機,哪怕是德國的,轉化效率最高也就25%。
因此,在有氧的地球上,生物選擇有氧呼吸本身就是適者的最佳選擇。不過,還有一種情況,我們要考慮——地球誕生時并沒有氧氣,生命如何誕生?
生命源于能量
地球誕生至今46億年,直到大約24億年前地球上才出現游離的氧氣。在此之前的大約十億年中,藍藻(藍細菌)出現并開始進行光合作用,這個過程產生的氧氣是副產物。
這些氧氣并沒有在飄逸到大氣之中,而是與硅反應生成硅酸鹽,或者與鐵生成氧化鐵或鐵銹,經過了長達十億年的消耗,最終系統飽和,氧氣過剩,開始自由地在大氣中積累。然而氧氣對于當時生存在地球上的厭氧生物來說都是有毒的,它導致了第一次大滅絕——大氣氧化事件。
在不斷上升的氧氣水平帶來的巨大壓力下,生命進化出了不同的生存策略。其中真核生物演化出多細胞生命,并改變化學合成的代謝途徑來使用氧氣。這個代謝途徑上面我們已經了解到了,但是要清楚無氧生命的起源,我們需要了解有氧呼吸的本質,這其實是一個物理過程。
圖:ATP合成酶發電機扇葉結構
上述反應中有一個東西叫做ATP,它是一種化學分子,你可以簡單理解為對能量進行“閃存”,ATP隨時可以舍去自己的一部分形成ADP,也就是能量被用掉,閃存清空。而葡萄糖是一個機械硬盤,存儲著大量能量,當它進入身體,實際上就是把自己的能量傳遞給ADP,形成ATP的過程。
這個傳遞過程需要通過ATP合成酶,它就像一個發電機至于線粒體膜中,當氫離子通過這個“發電機”就會把ADP轉化成ATP,而通過之后的氫離子又被氧氣消耗掉,從而不斷的維持氫離子濃度差,使這個“發電機”不斷的運轉,這個過程極為復雜,這里只是簡單的描述。
生命起源之初,氧氣不存在,但在海底火山口會不斷噴出大量化學物質,例如硫化物。這是純天然的氫離子濃度差,而且只要地球內部巖漿流動,氫離子就會源源不斷噴涌而出,再向大海擴散出去,而泉口的濃度總是最高的。現在的海底熱泉口附近這種生命方式仍然存在,這就是生命的起源之地。
呼吸作用的本質并非我們需要氧氣或者氮氣,而是身體細胞線粒體中需要活躍物質進來帶動能量傳輸,從大氣的成分中看,氧氣是最優的選擇,因此適者生存。