氧气制造机

氧气制造机

谁都知道，人类的生存离不开空气，更确切地说是离不开空气中的氧气。人可以几天不吃饭，几天不喝水，但如果几分钟没有氧气的话生命就会停止。那么，空气中的氧气是怎样产生的呢？

在小学的目然课上，老师就已经给你讲了有关地球上的绿色植物可以通过光合作用将二氧化碳和水合成为有机养料，同时向大气中释放氧气的知识。不过，你知道光合作用究竟是如何进行的吗？

光合作用是这样进行的：通过绿色生物细胞内含有的叶绿素吸收太阳能，并将太阳能以ATP（生物体的通用能源）的形式贮存起来，同时光解（在光的作用下分解）水成氧气和氢，这一过程被称作光反应，形成的氧气释放到大气中去，氢则被用来还原二氧化碳（CO₂）形成有机物（CH2O），此过程被称作暗反应，因此，光合作用是由光反应和暗反应两个生化反应系统组成的，其总的反应过程可用下式表示：

从光合作用的反应过程及总反应式中可了解到，光合作用的确是一个无与伦比的生物化学过程，它在叶绿素的协助下，巧妙的将光反应和酶促的暗反应有机地结合起来，从而将地球上取之不尽、用之不竭的太阳能转变成化学能而贮存在几乎所有生物（包括进行光合作用生物本身）都赖以生存的能量基础含碳有机物上（每吸收1克分子CO₂，最少积累112千卡的能量），并同时释放绝大多数生物生存所必需的氧，每吸收1吨碳，可贮存1．0×10⁷千卡的能量，并能释放2．7吨的氧气。

对人类来说，光合作用不仅使人类的生存成为可能，还使人类的起源成为现实。为什么这么说呢？这要从生物的进化谈起了。

科学家们通过放射性元素的计时技术，测得了地球的年龄约有45亿年，而生命的起源大约在35亿年前，这就是说在生命起源前，地球已经历了大约10亿年的进化史。在这10亿年间，原始地球大气中的甲烷（CH4）、氨（NH3）、水（H2O）、硫化氢（H2S）和氢气（H₂）等还原性气体在紫外线、宇宙射线、闪电及局部高温高能等条件下，先自然地合成出一些简单的有机物（如氨基酸、核苷酸和单糖等），进而再由简单的有机物合成出生物大分子（如核酸、蛋白质等），接着，各种生物大分子还是在外界自然条件的作用下聚集在一起形成多分子体系至原始生命出现，在这漫长的10亿年间，地球完成了它的化学进化阶段，逐步进入到它的生物进化阶段。

尽管经过化学进化之后，地球上已含有丰富的有机物质，但那时地球上的大气与现在的完全不同，仅含有一些水蒸气、CH4、NH3、H2S和少量H2等还原性气体，游离态的氧气几乎不存在，因此，在大约35亿年前，地球上最早出现的生物是那些能够直接分解有机物来获得能量且不依赖于氧的存在而生存的厌氧性异养微生物（指至少需要提供大量有机物才能满足正常生长的微生物），如原始衣原体类。大约在25—30亿年前，由于地球上有机营养物的逐步耗尽（消耗超过其自然产生），地球上逐渐出现了下列几种类型的微生物，一是能利用原始大气中的H2还原CO₂成甲烷的古细菌厌氧性自养微生物（指不依赖任何有机物即可正常生活的微生物），如产甲烷菌；二是能进行不放氧光合作用的厌氧性光合自养微生物，如红螺菌类；三是细胞内含有叶绿素的好氧性光合自养微生物，如蓝细菌，它也可以进行光合作用，但与前面的红螺菌类所进行的光合作用不同的，也是最重要的一点是它能通过H₂O的光解作用产生还原CO₂所需要的氢，并同时释放出具有能根本改造地球大环境的氧气。为什么说氧气能根本改造大气环境呢？首先，由于在光合作用中可释放氧气，故自从蓝细菌在地球上起源后，就逐步改变了地球大气层的性质，使原来一直是还原性的大气逐步转化成氧化性的大气，从而为一切能利用率极高的好氧性生物的起源和发展开辟了前所未有的广阔前景。从整个地球来看，自从好氧性生物产生以后（大约21亿年前），特别是自12亿年前以来，地球上生物进化的速度加快，且它们都是建立在产氧光合作用这一稳固基础之上的。由于大气中含氧量的逐步提高，推动了真核生物的起源和繁荣发展，并最终导致人类的起源。其次，由于有了氧气，在强烈的紫外线和雷电的作用下，就使在20～25千米高空的原始大气层中形成了一个臭氧层屏障，只有依靠它；才能避免来自太阳的，对一切生物有强大杀伤力的紫外线辐射到地球表层，从而使生物的生存环境从以前的岩石底下或海洋深层逐步上升到地表和海洋表层，最终使地球表面充满着繁茂的各种类型动植物和微生物。难怪科学家们称赞光合作用是一个伟大的过程，是地球上最重要的生物化学过程，是一切生命的源泉。

既然光合作用这么重要，那么，担当这一重要工作的都是哪些生物呢？你肯定回答：当然是植物了。是的，你回答得不错，所有的绿色植物都可以进行光合作用，不过你知道吗？除了绿色植物外，还有一些微生物（包括单细胞显微藻类和蓝细菌）也能进行光合作用，并且它们的光合作用产量（如合成的有机物量、氧气的释放量及能量的贮存量）要比你们能够用肉眼看见的植物（包括陆地的植物和水生的多细胞藻类）的光合作用产量高得多。

从整个地球来看，地球的表面积为5．1×10¹⁰公顷（每平方千米等于100公顷），其中陆地占1．5×10¹⁰公顷，海洋（包括河流、湖泊）占3．6×10¹⁰公顷，海洋所占的面积几乎是陆地面积的2．5倍，这使得水生的光合作用产量8倍于陆生的光合作用产量。然而即使同样的面积，水生的光合作用产量也高于陆生的光合作用产量，如拿有机物的合成来说，每公顷水域每年平均形成8～9吨有机物质，而每公顷陆地每年平均形成仅3～4吨。

这是因为一方面地球上的许多陆地是干燥炎热的地区或寒冷的两极，这几乎不适于陆地植物和光合微生物生活，而几乎所有的海洋中温度条件都是在某种程度上适于植物或微生物生存的。另一方面，由于海水中的相对稳定的温度条件，海生生物的生命活动中不会觉察到非常明显的季节性变化，相对来说，这要比陆生生物优越得多。除此之外，水生植物和光合微生物还不会受到像水分供应缺乏这种因素对于生命过程的不利影响，而这种因素常常会非常强烈地限制陆生植物及光合微生物的产量。

海洋微生物中的单细胞显微藻类是地球上进行光合作用并生产大量光合产物（有机物、氧气）的主力军。在当今世界面临能源危机、粮食危机和环境污染之时，开发单细胞藻类的人工种植，对于解决世界性的粮食危机等问题不失为一个好的方法。