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生命核心過程是氫氧反應!

作者:孫學軍  來源:氫思語  更新時間:2019-10-21 10:22:07

    按照尼克教授的說法,整個生命世界,能算上奇跡中的奇跡的一個就是光合作用。光合作用和呼吸作用對應,兩種生命過程如果用一個最簡單的公式來表達,就是:氫氧反應產生水。光合作用是把水變成了氫和氧,氧氣釋放到環境,也可以釋放氫氣,只不過進化過程中,氫原子和二氧化碳發生了反應變成了葡萄糖。而潛藏在葡萄糖中的氫原子在呼吸作用過程中,和氧氣發生了反應產生了水。光合作用劈開水分子,把能量存放在氫和氧的兩個物質的勢能中,其中氫放在有機物中,氧氣釋放到大氣中。呼吸作用把氧氣和氫結合成水,同時是把光合作用吸收的太陽能釋放的過程。

    

    光合作用可分解為5個子過程。

    第一步是放氧復合體把水分子進行固定,做好把水的電子釋放的準備。

    第二步是光線把光系統II激發,這是光能進入生物系統的接入點。激發的光系統II能從放氧復合體中搶奪電子,使放氧復合體完成放氧。

    第三步是光系統II把搶來的電子傳遞出去,同時會消耗能量產生ATP,并把電子傳遞到光系統I

    第四步是光線把光系統I獲得的電子進一步激發,把NADP還原為NADPH

    第五步是NADPH還原二氧化碳為葡萄糖。這個過程是暗反應。

許多人誤解是光合作用消耗了二氧化碳,產生了氧氣,因為植物會吸入二氧化碳,釋放氧氣。其實從上面的光合作用細節中可以明確,光合作用的本質是把水分解成氧氣和氫原子,氫原子通過多個步驟還原二氧化碳變成碳水化合物。

    呼吸作用的本質則是相反,是把葡萄糖等碳水化合物,經過三羧酸循環,產生了氫原子或電子(氫原子和氫離子+電子是等價的),然后通過氧化磷酸化過程,將電子一步步傳遞到氧氣,把氧氣還原為水。在氧化磷酸化電子傳遞過程中,電子能量逐漸釋放能量把把質子(氫離子,這里的氫離子來自水的自然分解)泵入線粒體內,產生跨膜質子梯度,ATP合成酶利用這個梯度電化學能合成ATP。大家可以看清楚,呼吸過程本質是將存放在葡萄糖中的氫原子提取出來和氧氣反應產生能量。

    從呼吸過程本質來看,就是把葡萄糖存放的氫原子釋放出來和氧氣反應產生水的過程,這個過程釋放的化學能以合成ATP的方式被細胞利用。

    光合作用是生物系統能量的輸入口,呼吸作用是利用光合作用存下的化學能進行生命物質能量代謝的過程。本質上說,宇宙中一起運動都來自能量的轉化。雖然太陽系中一切能量都來自太陽,地球上生命能量也都來自太陽光能。但從質量能量轉化率來講,生物卻是能量轉化效率更高的過程。尤其是低等生命如細菌的能量轉化效率,是超過太陽核能轉化效率無數倍的過程,即使是人體的能量利用效率雖不如單細胞生物,也遠遠超過宇宙中恒星的能量轉化效率。在能量轉化這個最核心過程中,光合作用可以簡化為光線分解水為氧氣和氫的過程,呼吸過程則是氫原子和氧氣反應產生水的過程。

    另外,氧氣產生往往被認為是光合作用的突出特征,有一些光合作用并不是產生氧氣,而是產生氫氣。如一種光合作用定義是:綠色植物利用葉綠素等光合色素和某些細菌(如帶紫膜的嗜鹽古菌)利用其細胞本身,在可見光的照射下,將二氧化碳和水(細菌為硫化氫和水)轉化為儲存著能量的有機物,并釋放出氧氣(細菌釋放氫氣)的生化過程。

    可以簡單推測,光合作用是把陽光能量轉化為分解水為氫和氧氣,能量是存放在氧氣和氫之間的勢能中。這個過程可以是釋放氧氣,當然也可以是釋放氫氣的過程。確實在某些光合細菌能產生氫氣,這往往不被廣泛了解。

    總之,生命的核心化學基礎可以簡化為:氫氧反應成水,或水分解為氫氧。

    本文摘自微信公眾號《氫思語》,作者:孫學軍

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