冥古宙时期的地球大气几乎不含氧气，到了太古宙时期，随着海藻的产生和繁衍，大气层中的氧气浓度缓慢升高，为各种生物的诞生创造了条件。
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今天，氧气这种特殊气体在空气中约占21%，绝大多数真核生物都依靠线粒体进行生物氧化，“燃烧”氧气和产热营养素来获取能量。
氧气如何到达细胞内的线粒体呢？以人类为例，首先，它通过吸气运动进入气管，就好比进入了白色的隧道。这条隧道不断分叉，变得越来越狭窄，经过23次分叉终于到达末端的肺泡囊。每个肺泡囊由17个左右肺泡组成。这些肺泡有大有小，彼此相通。按照物理学原理，小肺泡的空气会向大肺泡转移，导致小肺泡塌陷和大肺泡膨胀，幸亏有肺泡表面活性物质的调节，使肺泡内压力和肺泡表面张力相互制衡，肺泡的大小在正常范围内波动。
肺泡上皮细胞和肺毛细血管基膜等组织构成了呼吸膜，这是空气和血液之间的一道屏障。呼吸膜的厚度不到一微米，最薄的地方只有0.2微米，体型小巧、具有脂溶性的氧气分子就像崂山道士一样轻而易举穿过这面“墙”，就进入了毛细血管中的血液。
血液对于一个个氧分子而言就像汪洋大海，它们如何渡海远征呢？只见氧分子们迅速找到了运输工具——数以亿计的红细胞上的血红蛋白，具有结合氧气的能力。每一个血红蛋白分子可以结合4个氧分子，如果结合得多，血红蛋白就呈现鲜红色，如果结合得少，血红蛋白就呈现暗红色。这使得动脉血的颜色比静脉血更红，而如果人体缺氧，皮肤黏膜就呈现青紫色，临床医生称之为紫绀。
血液循环带着氧分子在体内运输，达到组织器官的时候，由于组织器官消耗氧气使组织液及毛细血管血液中的含氧量下降，氧分子就从血红蛋白上解离下来，透过血管壁进入组织液，再穿过细胞膜进入细胞内，最后进入线粒体，成为生物氧化的燃料。生物氧化之后产生的“矿渣”——二氧化碳，原路返回到血液，进入肺循环后从肺泡排出。
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氧气分子没有指南针，它们如何在人体中漂流而不失去方向呢？决定其方向的是看不见的氧分压。气体分子不断运动产生压力，其中某一种气体分子产生的压力称为分压。某种气体的分压等于混合气体的总压力乘以该气体的容积百分比。比如，空气中氧气的比例约为21%，氧分压就是760毫米汞柱乘以21%，约为159毫米汞柱。在人体内，氧气必须溶于体液才能够运输，这时它的分压与溶解度以及各部位的耗氧量等因素有关。动脉血中的氧分压约为100毫米汞柱，静脉血中的氧分压约为40毫米汞柱，到了组织约为30毫米汞柱。氧气分子始终向着氧分压低的方向转移，这使它终能找到并贡献给组织。
血红蛋白氧饱和度（以下简称氧饱和度）是评价氧气运输的重要指标。血液中实际的氧含量与最大的氧含量的比值称为氧饱和度。动脉血的氧饱和度约为97.4%。只要动脉血中的血红蛋白氧饱和度维持在90%以上，血液就可以携带足够的氧气，即便人类身处高原，空气稀薄，只要动脉血中的氧分压不低于60毫米汞柱，就可以维持90%以上的氧饱和度，机体供氧正常。但如果外界空气过于稀薄或因呼吸困难、肺泡纤维化、肺泡充血水肿等使氧气无法顺利进入血液、氧分压低于60毫米汞柱，血红蛋白氧饱和度就会急剧下降。临床医生会根据病因用吸氧、呼吸机或体外膜肺氧合等方法提高病人的氧饱和度。
氧气是人体的燃料、是细胞的能量来源，固然非常重要，但是氧气的摄入并非越多越好。如果人体中氧气过量，会产生氧自由基等副产品，加速衰老并引发各种疾病。
只要我们保持正常的作息，不滥用药品和保健品，防治呼吸系统疾病，体内的氧气就可以恰如其分地正常运输，提供源源不绝的动力。
作者系华中师范大学副教授、湖北省生理学会理事
来源：科普时报
作者：王欣
编辑：吴桐
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