大氣中氮氣佔78%，為何生物的呼吸作用基本都依賴於氧氣？

2020-10-18 艾伯史密斯

氧氣的化學性質比氮氣活潑很多，生物利用氧氣作為呼吸氣體時效率更高，也更容易實現。

在地球大氣中，氮氣的體積含量為78%，氧氣為21%，其他氣體只佔1%，地球上的生物基本都選擇了氧氣作為呼吸氣體，而不是氮氣，比如植物在白天可以進行光合作用，同時植物會消耗氧氣進行呼吸作用，只有少數的厭氧菌不需要氧氣生存。

其中的原因，與氧氣和氮氣的化學性質有關，我們先來看兩者的基本性質：

氧氣（O2）：無色無味，熔點-218.4℃，沸點-182℃，微溶於水，化學性質活潑，能與絕大部分元素發生氧化反應，幾乎能與所有的有機化合物反應。

氮氣（N2）：無色無味，熔點-210℃，沸點-195.8℃，難溶於水，化學性質非常穩定，常溫常壓下只能與極少數活潑物質反應，比如與活潑金屬鋰生成氮化鋰（Li3N）。

氮氣分子擁有三個化學鍵，並且鍵能很大，而氧氣分子只有兩個化學鍵，鍵能相對小，所以氮氣分子比氧氣分子穩定很多。

生物的呼吸作用，本質上就是利用了氣體的化學反應，如果使用氮氣作為呼吸氣體，那麼對儲能物質的要求非常高；相反使用氧氣作為呼吸氣體時，能夠利用的儲能物質更多，也更容易實現呼吸作用，這樣能大大提高生物體的化學能量利用率。

如果從地球生物進化歷程來看，地球生物起源於海洋，氧氣在水中的溶解度更高，氮氣在水中的溶解度非常差，即便還有二氧化碳、氨氣等可供生物選擇，但是氧氣在各方面的化學性質是最容易利用的，所以人類祖先還在海洋中時，就把氧氣作為了呼吸氣體。

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