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气体与生物氧化还原反应

已有 6199 次阅读 2014-2-9 15:19 |个人分类:气体与生命|系统分类:科普集锦

氧化还原是一切生命能量的基础,无论是需氧生物,还是厌氧生物,化学能是生命活动的基础,而气体在能量代谢或生物氧化还原反应中一直发挥关键作用。需氧生物最重要的能量代谢条件是氧气,因为氧气是这些生物的唯一电子最终接受体,没有氧气,这些生物的能量代谢就无法持续,也不能持续生存。因此氧气对需氧生物的重要性就不言而喻,高等植物和动物都属于需氧生物。因此氧气是一切高等生命生存的最重要基础之一。

厌氧生物,是指一种不需要氧气生长的生物,而当中一般都是细菌。它们大致上可以分为三种,即专性厌氧生物、兼性厌氧生物及耐氧厌氧生物。当暴露于有氧气的环境之下,有些厌氧生物会死亡。这种生物称为“专性厌氧生物”,它们是以发酵或无氧呼吸生存。在有氧的环境下,专性厌氧生物会出现缺乏超氧化物歧化酶及过氧化氢酶的情况,这些酶是可以帮助移走在专性厌氧生物细胞内的致命的超氧化物。兼性厌氧生物是可以在有氧的环境中,利用当中的氧气进行有氧呼吸。但当在没有氧气的环境下,它们部份会进行发酵,而部份则进行无氧呼吸。影响作用转换的条件是氧气及可发酵物质的浓度。耐氧厌氧生物可以在有氧气的环境下生存,但它们不会使用氧气作为最终电子接受者。厌氧生物中,根据生物的营养摄取方式的分类中,作为电子供体的营养物质在细胞内进行化学暗反应而获得能量的一类生物,称为化能自养生物。如果所利用的电子供体为无机物,就称为化能无机营养生物;如果是有机物,就称为化能有机营养生物。是光能自养生物的对应词。显然,这些不用氧气作为电子最终接受体的厌氧生物中,能量代谢仍离不开二氧化碳、氢气和硫化氢等重要气体的参与。所以气体和厌氧生物的能量代谢也关系密切。

氧化还原的本质是电子的传递,电子传递也是化学能量转移的重要途径,因此氧化还原是生物体系能量代谢的核心反应。一切生物能量最终来自于化学能,而化学能的最主要来源是太阳光经过光合作用合成的能量物质。关于气体在代谢中的重要性,前一节我们已经进行论述。

在氧化还原反应中,自然界中最简单的模式是氢气和氧气的反应,简单看,生物最好利用氢气氧化提供能量,但是氢气由于密度小,容易发生爆炸等缺陷,一旦产生,非常容易漂浮到大气顶端,居住在生物圈的生物无法充分利用这种气体提供的能量。因此,生物进化出可以浓缩更多化学能的有机大分子,这些有机大分子如葡萄糖、氨基酸和脂肪酸,并在这些分子的基础上,进一步进化成多糖、蛋白质和脂肪大分子。不仅解决了生物系统物质构建的问题,同时解决了能量的储存和运输的困难。不过在特定条件下,例如在大洋深处,由于存在极端高浓度的氢气,生命竟然真的进化出利用氢气作为能量基础的生物生态系统。另外,在人类等高等动物的大肠内,仍保留着氢气为能量代谢核心的体系。大肠内最普遍的细菌是产氢气菌,这些细菌可以利用各种能量物质,例如纤维素、脂肪酸、蛋白、寡聚糖合成氢气,而另一大类细菌,产甲烷菌则可以利用这些氢气,将二氧化碳作为电子接受体,合成出甲烷气体。同时将氢气的化学能转化为ATP。从气体的角度看,生命的精彩和丰富多彩可见一斑。

总之,气体在氧化还原为基础的能量代谢中具有至关重要的作用。作为化学结构相对简单的物质类型,气体从生命起源到进化过程,一直参与生命过程,关键原因是气体有其他物质无法取代的特点和优势。例如气体能够快速扩散,可以迅速被细胞利用和释放,这是其他物质无法取代的优点。例如,蛋白质和核酸在结构上的复杂性决定了这些物质在组成生物结构上的重要地位,但气体的自由扩散性,决定了这些物质在参与代谢过程和生物活动调节中的独特优点。当然,生物是自然进化的结果,在进化过程中,几乎无所不用其极,就是会利用自然界给生命提供的最完美的可能性组合和搭配。因此气体的优点在生物体系的作用更加说明了生命现象和活动的奇妙。




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