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最近，科学家们在地中海底发现一种可能不需要氧气就能生存的多细胞动物。在生物界引发了不小的反响，因为此前科学家们发现的“厌氧生物”大都结构简单，只有一个细胞。这很可能会有助于我们进一步认识生物演化史。氧气从来就是和“生命”联系起来的一种概念，下面我们就一起看看氧气和生命的古今因缘。
氧 活跃元素提供能量
如果你经常上网，大概看过这样一则笑话——有一个小学生写了篇日记：”2月30日，天气晴。今天一天都没出太阳，我养的金鱼淹死了，我很伤心。”老师的批语是：“我也很伤心，从没听说2月有30日，晴天一天不出太阳，金鱼会淹死。”
其实，这个笑话一点都不好笑。小学生写的有可能是真的，比如中国的农历就有2月30日，再比如在两极，半年都出不了太阳，更别说一天了。那鱼会淹死吗？这就要看你要如何定义“淹死”。人会溺水，是因为在水中不能呼吸，肌体得不到足够的氧气进行氧化作用。但如果水中溶氧不足，鱼也会死。而且鱼的这种死亡原因和人溺死的原因其实是一样的，所以说“鱼也会淹死”。
好氧生物——包括我们人类，都需要氧气来进行氧化作用，从而让身体获得能量，这就是所谓的“呼吸作用”。所谓“氧气”，其实就是自由状态的氧原子，两两结合形成O2。氧还有另一种形式O3，也就是大名鼎鼎的“臭氧”。臭氧在低层空气中是一种污染物，复印机在工作时就会产生大量臭氧。但它在高层空气中有阻挡紫外线的作用。氧是除了氢和氦之外宇宙中含量最高的元素，同时是地壳中质量最大的元素。所有组成生命体结构的有机物，包括蛋白质、碳水化合物和脂肪都含有氧元素，而组成生物的骨、壳和牙齿的无机物成分中也含有氧。不需要借助超新星爆发的威力，氧元素能自然地由恒星的核反应产生，多数的氧元素都来自氦的核聚变，也有少数来自氖的裂变。
氧是一种非常活跃的元素，可以和几乎所有其他元素形成化合物。这么“好交往”的家伙，独善其身者自然少之又少。火星的大气中只有0.1%的氧气，金星大气中的氧气含量更少，这些少得可怜的氧气都是各种射线轰击二氧化碳产生的。但是现在氧气却占地球空气量的20.9%，这么大的量，绝对是“不正常的”，这是谁干的？
光 让氧气充满大气层
地球上的氧气绝大多数都是光合作用的产物。光合作用是生物利用光能、水和CO2合成碳水化合物的过程，氧气是其中“无用”的副产品。在进行光合作用的叶绿素中，有一个类似电极的装置，利用光能转化出的电能把水电解成氢和氧，不过因为氢的电子被叶绿素夺去，只能变成氢离子，不变成氢气，氧两两结合成氧气被释放出来。
据研究，在可以进行光合作用的古细菌和藻类演化出来之前，地球大气中氧气的含量是很少的。在20亿年前到16亿年前的原生代，最初的光合作用产生了大量氧气。这时地质史上诡异的一幕出现了：当时的海水里溶有大量的铁元素。这些铁和海水中的氧气结合成为红色的氧化铁，而氧化铁并不能溶于水，纷纷沉到海底，后来形成一种里面有一道道红纹的沉积岩，叫“铁燧岩”（Taconite）。
在早期低氧环境中，地球最早的那批生命大都是厌氧的。氧气的增加对于这些生活在海洋中的厌氧生物来说是一种灾难。它们被大批毒死。而此时也有细菌演化成了好氧菌，利用氧化作用产生的能量比厌氧生物的氢化作用之类产生的能量要大得多，可以支持更大更复杂的生物体，于是真核生物和多细胞生物开始出现。
从大约5.4亿年前的寒武纪开始，地球大气中的氧气含量在15%到30%之间徘徊，到了大约3亿年前的石炭纪末期，氧气含量达到了空前绝后的35%。在石炭纪末期，生活着很多巨大的昆虫，比如翼展超过一米的巨蜻蜓。有科学家认为，昆虫没有哺乳动物那么先进高效的循环系统，只能靠气管的分支把氧气输送到身体各个部位，如果气管太长，那么氧气就过不去了，这也是昆虫不能长得太大的原因之一。而氧浓度较高是巨蜻蜓出现的重要条件。不过，也有科学家认为氧含量和生物的大小没有直接关系，石炭纪末期产生出大昆虫的原因是爬行动物、哺乳动物和鸟类还没有来到这个世上。这些后来者具有轻便的内骨骼，更高的代谢率，所以更适合长得更大，代替昆虫成为顶尖捕食者。当然，昆虫也没有失败，它们靠强大的生殖能力到现在还是地球的统治者之一。
水 溶氧让鱼能“喘气”
一个成年人每分钟要耗去1.8克到2.4克氧气。全人类每年要耗去60亿吨的氧气，不过不用担心氧气会用完。地球上有让氧气生生不息的“氧循环”，就是氧元素在大气圈、生物圈和岩石圈之中的循环。光合作用把氧气释放到大气里，而呼吸作用和腐败作用又把氧气转化成化合物中的氧。好消息是，现在地球上的氧循环基本处于平衡状态，每年有1/2000的氧气失而复得，得而复失。
不但在大气中，自由的氧元素也可以在水中找到，虽然这些自由氧元素在水中大多不是以气体形式存在，但也可以大略理解成溶于水的氧气。冷水可以比热水溶解更多的氧。极地的浅海里充满生命，而赤道的浅海往往像沙漠一样荒凉，含氧量的区别是导致这种差别的原因之一。而过多的藻类和腐败物质在水中会消耗大量的氧，造成水中动物的大量死亡。
回到开头鱼会不会淹死的话题。水生生物靠吸收溶解在水中的氧气来进行呼吸，1升水顶多含有10立方厘米的氧气，而1升空气的含氧量多达210立方厘米。但是没办法，最初的生物就是在水里出现的，所以它们只能凑合着利用水里那少得可怜的氧气了。实际上，鱼类的鳃也可以利用空气中的氧气，不过前提是鳃要保持湿润。如果鳃干了，就会黏在一起，不能再起到吸氧的作用。弹涂鱼大多数时间呆在水边的岸上，只把尾巴伸进水里。刚开始，生物学家以为它用尾巴呼吸。最终，他们发现其实弹涂鱼用尾巴把水引到鳃里，以保持其湿润。
很多螃蟹成年后能完全在陆地上生活，因为它们在壳里已经携带了海水，凭着这些海水就可以让自己的鳃不干涸。而后来演化程度更高的动物，比如蜘蛛、昆虫、爬行动物等等，都成功让喝进的水能够在身体里保存，成功地在身体里营造了一个“海洋环境”，通过血管吸收从外界吸进的氧气。用肺呼吸的动物能够吸收利用最多的氧气，从而具有最大的肌肉力量。即使在海洋中，最有力的动物也是用肺呼吸的鲸。
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吸氧“三十六计”
为了能够获取更多的氧气，很多生物演化出了各种神奇的手段，用“三十六计”般花哨的策略获得这些“生命之气”。
●无中生有，青蛙长毛
1900年，有人在非洲的加蓬抓到了一种长毛的蛙。不久之后，青蛙长毛的秘密终于被揭穿了，原来这些毛并不是毛，而是皮肤上的赘生物。蛙类用皮肤呼吸，而雄性的长毛青蛙因为交配时特别费力气，所以光靠皮肤吸收的氧气不够，于是长出长毛增大接触空气的面积。
●借刀杀人，凿壁偷气
寄生于非洲大蝗虫身上的蜂类幼虫，能够穿透寄主的呼吸气官的支气管偷取氧气。
●树上开花，屁股有管
有些蜂蝇的幼虫生活在淤泥中，它的屁股上有一根很长的呼吸管，可以伸到水面上呼吸。
●围魏救赵，网住气泡
水蜘蛛的网织在水下，它可以把腹部伸到水面上，用腹部的绒毛粘住一些空气，把它们带到网里。有趣的是，这些气泡中的氧气用完了也不用经常补充，因为水中的氧气会通过扩散作用进到里面去，堪称一种“自动物理肺”。
●釜底抽薪，破植取氧
植物的光合作用可以产生氧气，有一类水下生活的象鼻虫会咬开植物，直接吸取它产生的氧气。
新知专题编译/本报记者 刘铮
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