我们呼吸时吸进的氧气“跑”到哪里去了?

      我们一生下来就进行呼吸,直到我们的生命结束。呼吸和心跳一起,是判断一个人是否“活着”的最明显的特征。只要摸一摸颈动脉看看是否在搏动,或者把手放在鼻孔前感觉一下有没有“气流”,就可以基本上知道这个人的状况。

      我们都知道,呼吸的主要作用就是吸进氧气,呼出二氧化碳。氧气进入身体,“氧化”食物中的一些成分,释放出能量来合成“高能化合物”ATP(化学名称叫“三磷酸腺苷”),供我们身体里面的各种需要能量的生命活动使用。氧化过程产生的“废气”就是二氧化碳,从肺部经过鼻腔排出。这就像火力发电厂里烧煤(也是消耗空气中的氧气),把燃烧释放出来的热能用来发电,煤燃烧产生的“废气”二氧化碳则通过烟囱排出。

      从表面看上去,这一切似乎都简单明白。可是如果我告诉你,我们呼出的二氧化碳分子中的氧原子,并不是来自我们吸进的氧气,你一定会觉得奇怪:二氧化碳分子里面的氧原子是从哪里来的呢?我们吸进的氧气又“跑”到哪里去了呢?要回答这些问题,要先了解什么是“燃料”,然后再比较火力发电厂和我们的身体在“燃烧”这些“燃料”时有什么不同。

      不管是人的身体所使用的“燃料”(主要是葡萄糖和脂肪),还是火力发电厂用的燃料(主要是煤或者石油),它们都有一个共同点,就是都含有大量的碳和氢。不管是单独的碳(比如在焦炭和木炭中碳的含量都在85%以上)、单独的氢(比如火箭发动机用的液化氢),还是富含碳和氢的物质(如葡萄糖、脂肪、煤、和石油),都是很好的“燃料”。它们与氧结合时都会释放出能量。

      不过在所有这些燃料中,碳原子和氢原子并不是“各自独立”,“彼此无关”的,而是通过“化学键”彼此连在一起,形成分子。石油主要是由各种“碳氢化合物”组成的。碳原子彼此相连形成长链或环,上面再连上氢原子。脂肪里面的脂肪酸也是在碳原子的长链上联上氢原子,只不过还有一个叫“羧基”的“头部”。葡萄糖的分子的“骨架”是由6个碳原子连成的链,其中的5个碳原子各有氢原子和一个“羟基”(由一个氧原子和一个氢原子组成的基团)与之相连。空气中的氧也不是以单原子状态存在的,而是两个氧原子彼此连在一起,形成氧分子。

      要让燃料里面的碳原子和氢原子和氧气里面的氧原子结合,首先就要把这些“化学键”打开。这就像人的两只手都和别人的手拉住了一样,再想和另外的人拉手,原来拉住的手必须要放开。 可是破坏化学键是需要能量的,就像把两只拉住的手分开需要用力一样。可是在常温下,自然界中又没有什么另外的“手”来把化学键“拉开”。所以把煤堆在露天(和空气中的氧气接触)一般并不会自动燃烧。把石油曝露于空气中一般也不会自动“起火”。

      那怎么办呢?一个办法就是用高温。温度是分子运动激烈程度的量度。温度越高,分子运动越激烈,速度越快。当燃料分子之间猛烈碰撞时,碰撞的力量就可以把化学键打开,就像猛撞一个人可以把他拉着的手撞开一样。不过“撞开”化学键所需要的温度通常是很高的,常常需要千度以上。这就是“燃烧”。火力发电厂就是利用“燃烧”过程让燃料里面的碳原子和氢原子与氧气里面的氧原子结合的。燃烧放出的热量,又可以继续加热尚未燃烧的燃料分子,所以燃烧过程一旦开始,可以自己维持下去,直至燃料耗尽。

      这个办法对发电厂有效,可是对人却不行。我们的体温是37摄氏度。38度就算是“低烧”,39度、40度就是“高烧”,人已经很难受了,哪里还能经得住上千度的高温?那人又是如何在37度“燃烧”这些“燃料”的呢?

      和其它生物一样,我们的身体也是很“聪明”的。直接打开化学键不行,就“绕个弯子”,先让“燃料”分子(比如葡萄糖)和一种蛋白质结合。蛋白质是很复杂的大分子,上面的许多化学基团就像生产线上的“机器手”,从多个角度“拉住”要被打开化学键的分子。这样一“拉”,化学键就变弱了,就比较容易打开了。而且打开化学键的反应也不是“一步到位”,而是经过若干中间步骤,每一步需要的能量都比较少,这样在体温下化学键就可以被打开了。这个过程就叫做“催化”。具有“催化作用”能力的蛋白质就叫做“酶”。比如把氢原子从“燃料”分子上脱下来的酶就叫“脱氢酶”。

      打开化学键的问题解决了,如何使碳原子和氢原子与氧结合还是问题。如果像在火力发电厂中一样,让碳原子和氢原子直接和氧原子结合,释放出来的只能是热能。虽然热能在维持我们的体温上有些用处,但是许多生命活动所需要的能量却不能靠热来供给,而必须以ATP这样“高能化合物”中的化学能来供给。所以碳原子和氢原子必须也绕个“弯子”才最后和氧原子结合,在这个“弯子”中把释放出来的能量变成ATP里面的化学能。

      先说氢原子。这些“燃料”分子中的氢原子被脱下来以后,先把它里面的电子“拿”出来,再让这些电子经过一条复杂的“通路”。这条“通路”主要由蛋白质团块组成,专业名词叫“呼吸链”。电子在这条“通路”上分几步“扔出”能量,用来合成ATP。等到把能量“扔”完,电子“精疲力尽”时,再由酶“催化”和氧气中的氧原子结合,同时把失掉了电子的氢原子核(叫“氢离子”)“检回来”,一起生成水分子。这个过程是在细胞里面的“动力工厂”叫做“线粒体”的结构中进行的。所以要问我们呼吸时吸进的氧气“跑”到哪里去了,答案就是“跑”到线粒体中,和氢原子(电子加氢离子)结合变成水了。

      碳原子的情况比较麻烦。既不能让碳原子直接和氧气中的氧原子结合,也不能像氢原子那样,把它的电子“拿”出来,走那样一条“通路”,因为失去一个电子的碳原子是很不稳定的。那怎么办呢?这里我们的身体更显出它的“聪明”来了,就是采取“偷梁换柱”的方法,把碳原子中的能量转移到氢原子上面去。这样就可以通过氢原子这个“替身”来释放碳原子中能量以合成ATP了。

      这是怎么做到的呢?就是往“燃料”分子上“加水脱氢”。水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成的。往“燃料”分子上加水以后,氧原子“归”碳原子所有,而氢原子却被“脱”下来,进入那条释放能量的“通路”。这样既让碳原子和氧原子结合,脱下来的氢原子又作为碳原子的“替身”,去完成释放能量的“任务”。所以如果要问我们呼吸时呼出的二氧化碳分子中的氧是哪里来的,答案是,除了“燃料”分子中原来就和碳原子结合的氧原子外,另外的氧原子是从水分子来的。

      除了在“燃料”分子上直接“加水脱氢”,还有更“迂回”的“加水脱氢”的方式,那就是通过磷酸。磷酸“送”给碳原子的那个氧原子,随后又从水分子那里“补”回来。这里面涉及的步骤就更多了,但是“净效果”还是把水分子上的氧原子加到“燃料”分子中的碳原子上。

      通过这些“迂回曲折”的步骤,我们的身体就化解了在体温下“燃烧”食物中的“燃料”分子的难题,而且能够高效率地利用“燃烧”过程所释放出来的能量。看到这里,你能不佩服生物进化过程的“聪明”?