氧 活躍元素提供能量

　　如果你經常上網，大概看過這樣一則笑話——有一個小學生寫了篇日記：”2月30日，天氣晴。今天一天都沒出太陽，我養的金魚淹死了，我很傷心。”老師的批語是：“我也很傷心，從沒聽說2月有30日，晴天一天不出太陽，金魚會淹死。”

　　其實，這個笑話一點都不好笑。小學生寫的有可能是真的，比如中國的農歷就有2月30日，再比如在兩極，半年都出不了太陽，更別說一天了。那魚會淹死嗎？這就要看你要如何定義“淹死”。人會溺水，是因為在水中不能呼吸，肌體得不到足夠的氧氣進行氧化作用。但如果水中溶氧不足，魚也會死。而且魚的這種死亡原因和人溺死的原因其實是一樣的，所以說“魚也會淹死”。

　　好氧生物——包括我們人類，都需要氧氣來進行氧化作用，從而讓身體獲得能量，這就是所謂的“呼吸作用”。所謂“氧氣”，其實就是自由狀態的氧原子，兩兩結合形成O2。氧還有另一種形式O3，也就是大名鼎鼎的“臭氧”。臭氧在低層空氣中是一種污染物，復印機在工作時就會產生大量臭氧。但它在高層空氣中有阻擋紫外線的作用。氧是除了氫和氦之外宇宙中含量最高的元素，同時是地殼中質量最大的元素。所有組成生命體結構的有機物，包括蛋白質、碳水化合物和脂肪都含有氧元素，而組成生物的骨、殼和牙齒的無機物成分中也含有氧。不需要借助超新星爆發的威力，氧元素能自然地由恒星的核反應產生，多數的氧元素都來自氦的核聚變，也有少數來自氖的裂變。

　　氧是一種非常活躍的元素，可以和幾乎所有其他元素形成化合物。這么“好交往”的家伙，獨善其身者自然少之又少。火星的大氣中只有0.1%的氧氣，金星大氣中的氧氣含量更少，這些少得可憐的氧氣都是各種射線轟擊二氧化碳產生的。但是現在氧氣卻占地球空氣量的20.9%，這么大的量，絕對是“不正常的”，這是誰干的？

　　光 讓氧氣充滿大氣層

　　地球上的氧氣絕大多數都是光合作用的產物。光合作用是生物利用光能、水和CO2合成碳水化合物的過程，氧氣是其中“無用”的副產品。在進行光合作用的葉綠素中，有一個類似電極的裝置，利用光能轉化出的電能把水電解成氫和氧，不過因為氫的電子被葉綠素奪去，只能變成氫離子，不變成氫氣，氧兩兩結合成氧氣被釋放出來。

　　據研究，在可以進行光合作用的古細菌和藻類演化出來之前，地球大氣中氧氣的含量是很少的。在20億年前到16億年前的原生代，最初的光合作用產生了大量氧氣。這時地質史上詭異的一幕出現了：當時的海水里溶有大量的鐵元素。這些鐵和海水中的氧氣結合成為紅色的氧化鐵，而氧化鐵并不能溶于水，紛紛沉到海底，后來形成一種里面有一道道紅紋的沉積巖，叫“鐵燧巖”（Taconite）。

　　在早期低氧環境中，地球最早的那批生命大都是厭氧的。氧氣的增加對于這些生活在海洋中的厭氧生物來說是一種災難。它們被大批毒死。而此時也有細菌演化成了好氧菌，利用氧化作用產生的能量比厭氧生物的氫化作用之類產生的能量要大得多，可以支持更大更復雜的生物體，于是真核生物和多細胞生物開始出現。

　　從大約5.4億年前的寒武紀開始，地球大氣中的氧氣含量在15%到30%之間徘徊，到了大約3億年前的石炭紀末期，氧氣含量達到了空前絕后的35%。在石炭紀末期，生活著很多巨大的昆蟲，比如翼展超過一米的巨蜻蜓。有科學家認為，昆蟲沒有哺乳動物那么先進高效的循環系統，只能靠氣管的分支把氧氣輸送到身體各個部位，如果氣管太長，那么氧氣就過不去了，這也是昆蟲不能長得太大的原因之一。而氧濃度較高是巨蜻蜓出現的重要條件。不過，也有科學家認為氧含量和生物的大小沒有直接關系，石炭紀末期產生出大昆蟲的原因是爬行動物、哺乳動物和鳥類還沒有來到這個世上。這些后來者具有輕便的內骨骼，更高的代謝率，所以更適合長得更大，代替昆蟲成為頂尖捕食者。當然，昆蟲也沒有失敗，它們靠強大的生殖能力到現在還是地球的統治者之一。

　　水 溶氧讓魚能“喘氣”

　　一個成年人每分鐘要耗去1.8克到2.4克氧氣。全人類每年要耗去60億噸的氧氣，不過不用擔心氧氣會用完。地球上有讓氧氣生生不息的“氧循環”，就是氧元素在大氣圈、生物圈和巖石圈之中的循環。光合作用把氧氣釋放到大氣里，而呼吸作用和腐敗作用又把氧氣轉化成化合物中的氧。好消息是，現在地球上的氧循環基本處于平衡狀態，每年有1/2000的氧氣失而復得，得而復失。

　　不但在大氣中，自由的氧元素也可以在水中找到，雖然這些自由氧元素在水中大多不是以氣體形式存在，但也可以大略理解成溶于水的氧氣。冷水可以比熱水溶解更多的氧。極地的淺海里充滿生命，而赤道的淺海往往像沙漠一樣荒涼，含氧量的區別是導致這種差別的原因之一。而過多的藻類和腐敗物質在水中會消耗大量的氧，造成水中動物的大量死亡。

　　回到開頭魚會不會淹死的話題。水生生物靠吸收溶解在水中的氧氣來進行呼吸，1升水頂多含有10立方厘米的氧氣，而1升空氣的含氧量多達210立方厘米。但是沒辦法，最初的生物就是在水里出現的，所以它們只能湊合著利用水里那少得可憐的氧氣了。實際上，魚類的鰓也可以利用空氣中的氧氣，不過前提是鰓要保持濕潤。如果鰓干了，就會黏在一起，不能再起到吸氧的作用。彈涂魚大多數時間呆在水邊的岸上，只把尾巴伸進水里。剛開始，生物學家以為它用尾巴呼吸。最終，他們發現其實彈涂魚用尾巴把水引到鰓里，以保持其濕潤。

　　很多螃蟹成年后能完全在陸地上生活，因為它們在殼里已經攜帶了海水，憑著這些海水就可以讓自己的鰓不干涸。而后來演化程度更高的動物，比如蜘蛛、昆蟲、爬行動物等等，都成功讓喝進的水能夠在身體里保存，成功地在身體里營造了一個“海洋環境”，通過血管吸收從外界吸進的氧氣。用肺呼吸的動物能夠吸收利用最多的氧氣，從而具有最大的肌肉力量。即使在海洋中，最有力的動物也是用肺呼吸的鯨。