1. XenForo 1.5.14 中文版——支持中文搜索!现已发布!查看详情
  2. Xenforo 爱好者讨论群:215909318 XenForo专区

氮气占空气含量78%,但为什么生物进化到今天是呼吸氧气而不是氮气?

本帖由 漂亮的石头2022-02-16 发布。版面名称:知乎日报

  1. 漂亮的石头

    漂亮的石头 版主 管理成员

    注册:
    2012-02-10
    帖子:
    486,020
    赞:
    46
    [​IMG] 九月,专注知识的小答主 阅读原文

    可算看到一个我能回答的问题了。

    实际上人呼吸进去的气体中氮气和氧气都有

    一般最常见的呼吸供气是空气,空气的重要成分是氧气。

    而吸入的气体中,体积含量比例如下:

    氮气占 78%(维持正常氧分压,二氧化碳分压)

    氧气占 21%

    氩气占 0.96%

    二氧化碳占 0.03%

    氦气、水蒸气及其他气体占 0.01%

    除空气外,潜水者的呼吸供气是高含氧或高含氦的气体混合物(模拟正常大气压而不至于负压)。宇航服中的气体是和空气配比类似的气体(已修改)。有时会给予住院的病人氧气或镇痛气体,或者如评论区提到的氢气氧气配比气体。由于人类需要的氧气量不高,在氧气浓度太高的环境可能会出现过度活动或兴奋的症状。

    呼出的气体成分如下:

    氮气占 78%(呼吸进来又出去了)

    氧气占 13-16%(并未完全利用)

    二氧化碳占 4-5.3%

    氩气及其他气体占 1%

    呼出的气体中水蒸气约占 5%,也含有其他痕量气体:数 ppm 的氢气及一氧化碳、1ppm 的氨,小于 1ppm 的丙酮、甲醇、乙醇(在没有摄取酒精的情形下,若有摄取酒精,呼出气体中会有较高浓度的乙醇及挥发有机化合物)。细胞呼吸作用需要氧气,其产物是二氧化碳。呼出的气体中氧气及二氧化碳的含量量会随饮食、运动和健康情形而发生适应性改变。

    人类每分钟吸入和呼出约 6 升空气。呼出气体中的二氧化碳约是吸入气体中二氧化碳的 100 倍。(组织利用氧气产生二氧化碳经肺呼吸作用排出去)

    这是呼吸气体的含量,那么为什么高等生物体利用的是氧气而不是氮气呢?

    首先分清楚氮气氧气区别

    氧气由氧分子(O2)构成。每一个氧气分子由 2 个氧原子构成。

    氧气是双原子分子,两个氧原子形成共价键,一个 2p 轨道形成σ键,另两个 2p 轨道形成π键。其分子轨域式为(σ1s)2(σ1s*)2(σ2s)2(σ2s*)2(σ2p)2(π2p)4(π2p*)2,因此氧气是奇电子分子,具有顺磁性。

    [​IMG]
    氧气分子轨道能级图

    电子按照构造原理,从低能量至高能量顺序填入分子轨域。2p 电子共有 8 个,其中两个填入σP,四个分别成对填入两个π轨域,余下两个不成对地分别填入两个π轨域。从成键轨域电子数和反键轨域电子数可得出,氧气分子的键级为(6-2)÷2=2。这两个不成对电子是氧气分子的价电子,它们决定了氧气的性质。氧气容易被还原。O 是 8 号位元素,电子排布 2:6,更容易得电子被还原。而且氧气分子形成的化学键虽然稳定,但是依旧可以轻松反应。

    接下来看看氮气

    [​IMG]
    氮气分子
    [​IMG]
    氮气分子轨道能级图

    两个氮元素内侧三对电子 外侧各一对电子 共五对电子 N2[K K σs2 σs*2 σp2 σp*2 πp2]

    [​IMG]
    化学键

    N 是 7 号位元素,最外层电子排布 2:5,按理来说虽然没有氧气活泼,但是依旧比较容易被还原供能。然而氮气分子形成的三键极度稳定,不易发生化学反应,导致氮气活泼性比氧气差许多。

    [​IMG]

    因为氮气的稳定性,它是最廉价又稳定的保护气,用于金属炼制及高温合成时的简单保护性氛围(但其稳定性不及氦气及氩气);高温下用于合成氮化物(如氮化硅陶瓷、氮化硼等)。其化合物亦有用于农业,如氮肥。液态氮有时用于冷却。此外,氮气是包装食品的填充气体,用于保持包装外形避免挤压损坏,同时更重要的,隔绝氧气而使食物不变坏。

    而且氮气在生命形成的保护中起重要意义(氮气高含量原因),氮气化学性质稳定,不像其他气体太活跃容易破坏生物结构,但又在大气中起到阻挡太空粒子及陨石冲击作用,而其分子重量,与氧气相约,(氮分子 28,氧分子 32,空气 29 左右),且比氧气轻,不会使氧气被排到太高的空中或太过聚集于地球表面。而且其温室效应不明显,不会使地球表面温度太高。因此给生物提供了一个适合生长和进化的稳定环境。

    所以归根结底,是因为原子,分子化学键层面决定的 氧气活性高,氮气活性低。气体自产生以来化学性质就是如此的,而生物特别是人是适应这个气体环境,并且逐步改造气体环境。氧气通过肺泡交换,肺血管进入机体,通过血红蛋白运送,马上参与反应生成 ATP 给机体提供能量,机体能量供需才能稳定(供应充足,利用效率高)。而氮气是机体无法使用的(但是氮元素是机体必需的,因为要合成蛋白质)。

    正是由于进化才导致我们可以利用活性更高的氧气来供能,而不是氮气。比如进化程度极低的硝化细菌就是利用氮气的(固氮作用),因此供能也是十分有限。

    [​IMG]
    氮循环(解释氮气可以被直接利用,但是人不需要,没必要,有更好的氧气做替代)

    临时补充一点,电子轨道理论是基础。原子和分子 的电子轨道方面的固有结构和性质决定了它的活性,并不是因为活性推导出来的结构。当然科学一开始是根据现象去解释原理,现在是原理运用在了现象,如果出现异象,就再总结一种适用于这种异象的方法。原理 现象反复结合促进科学进步。

    而这个问题是属于现象去解释原理。(已知呼吸氧气的前提下,去探讨为什么呼吸氧气,而不是含量更高的氮气

    谢谢大家能看完
    阅读原文
     
正在加载...