前几天2019年诺贝尔生理学奖颁布
三位来自美国和英国的科学家获奖
获奖理由是：
表彰他们在理解细胞感知
和适应氧气变化机制中的贡献
氧气是我们生命的源泉
这几位科学家的探索
可能会让人类拥有新的对抗疾病的方法
经常看我们公众号的同学
对于氧气已经有了很多了解
氧气既是燃烧的重要条件
也是包括大部分生物生存的必须物质
地球空气中的含氧量一直在变化中
并不是永远保持在21%的比例
在地球最早期
空气中氧气含量非常的少
地球早期生物几乎都是在无氧环境中形成的
这些生命形式都无法耐受氧气
氧气对于他们就是一种毒气
那时候的地球基本上是厌氧菌的天下
大约在26亿年前
发生了一次空气中氧含量突然增多的情况
叫做“大氧化事件”
对于这次成因有多种解释
有一种推论是有一种叫做蓝绿菌的分支
进化出了光合作用
他们借助阳光的能量
利用二氧化碳和水产生有机物供给自身的能量
同时排出氧气
这种蓝绿菌后来就演变成了植物中的叶绿体
而在同时期地球上还有另一种产甲烷菌
他们以金属镍为食物
制造大量的甲烷
甲烷会和氧气发生反应
这样还能维持着地球的低氧环境
后来由于一些原因
地球上的镍含量急剧减少
没有了食物来源的产甲烷菌也随之减少
空气中的氧气开始增加
而我们知道
对于当时地球上的厌氧菌来说
氧气就是毒气
所以在这个过程中
大量的厌氧菌因为氧气含量的上升而死亡
当然并不是所有厌氧菌都灭亡了
现在地球上还有厌氧细菌
比如我们所说的破伤风梭菌
就是一种厌氧菌
所以如果伤口比较深就需要打破伤风疫苗
因为深而窄的伤口容易形成无氧环境
氧气含量的上升打开了另一扇大门
经过几亿年的进化
一类专门消化氧气的好氧菌诞生了
他们可以在有氧环境中生存
并且可以将葡萄糖分解为ATP
后来某些大细胞吞噬了这种好氧菌
被吞噬的好氧菌并没有死亡
而是和这些大细胞生物发生了共生
帮助大细菌消耗氧气
这样就让难以在有氧环境中生存的生命
有了对付氧气的武器
同时源源不断的ATP为细胞代谢提供能量
这就是我们现在身体里的线粒体
线粒体的出现
是地球厌氧生物向好氧生物转化的关键
这类拥有了线粒体的细胞
就是地球各类高等动植物的祖先
从此地球形成了一种奇特的依赖关系
各种拥有叶绿体的植物
在白天依靠阳光通过光合作用
将二氧化碳转变成氧气
而其他的动物或者夜晚的植物
通过线粒体消耗氧气制造能量供给自身
同时排出二氧化碳
形成了一种巧妙的平衡
当然这是在亿万年的进化过程中慢慢发生的
在大氧化事件之后十几亿年
地球的氧气含量缓慢上升
生命演化的相当平缓
直到几亿年前
突然出现了一次生命大爆发
称为寒武纪生命大爆发
关于这次爆发的原因有很多解释
有一种解释是认为
生物进化出了关键器官
比如说眼睛
有了眼睛之后生物对于世界的感知变的不一样了
也迅速催生了各种器官的出现
还有另一种因素就是氧气含量的持续攀升
终于到了一个临界点
因为有氧呼吸能够使生命拥有更强大的能量
从而支撑了生命拥有更大活动能力
氧气含量的增加让生物更具有活力
距今大约3.5亿年前
地球进入了石炭纪
也就是今天煤炭形成的时代
大片大片的森林覆盖在地球表面
植物的疯狂生长吸收了空气中大量的二氧化碳
由于当时还没有进化出能够降解木质素的细菌
导致碳元素无法再释放到环境中
形成了大量煤炭的同时
也让空气中二氧化碳的含量迅速减少
氧气含量开始疯狂攀升
一度攀升到超过35%的水平
高浓度的氧气催生出了体型巨大的昆虫
在这个时代
长达两三米的蜈蚣
翼展一米的蜻蜓
都随处可见
到了石炭纪末期
树木经过几千万年的生产
在地表上累积了大量的枯枝败叶
加上高浓度的氧气
简直就是烤肉的绝好环境
一个小小的火苗就能够引燃大片大片的土地
谁也不知道是哪个火苗点燃了这片大地
但是这场大火足足烧了几十年
地球上这些巨型昆虫霸主几乎都灭绝了
这场大火也让空气中氧气含量的迅速下落
一度跌落到11%
后来又逐渐上升
慢慢的地球经过亿年的演化
终于形成了现在氧气含量占空气21%的情况
未来还会有变化么？
答案是显然的
比如因为工业化的到来
大量沉积在地球内部的碳被燃烧
地球上的二氧化碳的含量在逐渐增加
空气中各种成分的含量也在不停变动
我们都知道如果在缺氧的环境中
人会感到不适
氧含量变的特别低的时候
甚至会死亡
那么是不是氧气含量越高越好呢？
也不是的
如果人生活在纯氧环境中
只能生存24小时就会死亡
苏格兰生理学家Haldane的儿子
曾经尝试在高压下呼吸氧气
导致癫痫大发作
这也是第一次关于人类急性氧中毒的文献记录
有人发现早产儿容易发生失明
多年后才发现
早产儿失明和出生后呼吸氧气
存在很大相关关系
才意识到早产儿失明的原因
可能是出生后呼吸纯氧
早产儿视网膜对氧气毒性非常敏感
导致视网膜病变
最终视力丧失
当然我们不要因此而对氧气产生恐惧
毕竟抛开剂量谈毒性都是不科学的
我们正常呼吸的时候
氧气是我们生命的源泉
