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氫氣知識

氣體與氧化還原平衡

發布時間:2017-05-13 瀏覽次數:次 字號:  【關閉】
氧化還原是一切生命能量的基礎,無論是需氧生物,還是厭氧生物,化學能是生命活動的基礎,而氣體在能量代謝或生物氧化還原反應中一直發揮關鍵作用。需氧生物最重要的能量代謝條件是氧氣,因為氧氣是這些生物的唯一電子最終接受體,沒有氧氣,這些生物的能量代謝就無法持續,也不能持續生存。因此氧氣對需氧生物的重要性就不言而喻,高等植物和動物都屬于需氧生物。因此氧氣是一切高等生命生存的最重要基礎之一。


厭氧生物,是指一種不需要氧氣生長的生物,而當中一般都是細菌。它們大致上可以分為三種,即專性厭氧生物、兼性厭氧生物及耐氧厭氧生物。當暴露于有氧氣的環境之下,有些厭氧生物會死亡。這種生物稱為“專性厭氧生物”,它們是以發酵或無氧呼吸生存。在有氧的環境下,專性厭氧生物會出現缺乏超氧化物歧化酶及過氧化氫酶的情況,這些酶是可以幫助移走在專性厭氧生物細胞內的致命的超氧化物。兼性厭氧生物是可以在有氧的環境中,利用當中的氧氣進行有氧呼吸。但當在沒有氧氣的環境下,它們部份會進行發酵,而部份則進行無氧呼吸。影響作用轉換的條件是氧氣及可發酵物質的濃度。耐氧厭氧生物可以在有氧氣的環境下生存,但它們不會使用氧氣作為最終電子接受者。厭氧生物中,根據生物的營養攝取方式的分類中,作為電子供體的營養物質在細胞內進行化學暗反應而獲得能量的一類生物,稱為化能自養生物。如果所利用的電子供體為無機物,就稱為化能無機營養生物;如果是有機物,就稱為化能有機營養生物。是光能自養生物的對應詞。顯然,這些不用氧氣作為電子最終接受體的厭氧生物中,能量代謝仍離不開二氧化碳、氫氣和硫化氫等重要氣體的參與。所以氣體和厭氧生物的能量代謝也關系密切。
氧化還原的本質是電子的傳遞,電子傳遞也是化學能量轉移的重要途徑,因此氧化還原是生物體系能量代謝的核心反應。一切生物能量最終來自于化學能,而化學能的最主要來源是太陽光經過光合作用合成的能量物質。關于氣體在代謝中的重要性,前一節我們已經進行論述。
在氧化還原反應中,自然界中最簡單的模式是氫氣和氧氣的反應,簡單看,生物最好利用氫氣氧化提供能量,但是氫氣由于密度小,容易發生爆炸等缺陷,一旦產生,非常容易漂浮到大氣頂端,居住在生物圈的生物無法充分利用這種氣體提供的能量。因此,生物進化出可以濃縮更多化學能的有機大分子,這些有機大分子如葡萄糖、氨基酸和脂肪酸,并在這些分子的基礎上,進一步進化成多糖、蛋白質和脂肪大分子。不僅解決了生物系統物質構建的問題,同時解決了能量的儲存和運輸的困難。不過在特定條件下,例如在大洋深處,由于存在極端高濃度的氫氣,生命竟然真的進化出利用氫氣作為能量基礎的生物生態系統。另外,在人類等高等動物的大腸內,仍保留著氫氣為能量代謝核心的體系。大腸內最普遍的細菌是產氫氣菌,這些細菌可以利用各種能量物質,例如纖維素、脂肪酸、蛋白、寡聚糖合成氫氣,而另一大類細菌,產甲烷菌則可以利用這些氫氣,將二氧化碳作為電子接受體,合成出甲烷氣體。同時將氫氣的化學能轉化為ATP。從氣體的角度看,生命的精彩和豐富多彩可見一斑。
總之,氣體在氧化還原為基礎的能量代謝中具有至關重要的作用。作為化學結構相對簡單的物質類型,氣體從生命起源到進化過程,一直參與生命過程,關鍵原因是氣體有其他物質無法取代的特點和優勢。例如氣體能夠快速擴散,可以迅速被細胞利用和釋放,這是其他物質無法取代的優點。例如,蛋白質和核酸在結構上的復雜性決定了這些物質在組成生物結構上的重要地位,但氣體的自由擴散性,決定了這些物質在參與代謝過程和生物活動調節中的獨特優點。當然,生物是自然進化的結果,在進化過程中,幾乎無所不用其極,就是會利用自然界給生命提供的最完美的可能性組合和搭配。因此氣體的優點在生物體系的作用更加說明了生命現象和活動的奇妙。

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