第46章 根瘤菌

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“此外，在自然界中，一些微生物也需要通过有氧呼吸获得能量，例如细菌中的芽孢杆菌、根瘤菌、固氮菌、硝化细菌以及霉菌、放线菌等在有氧环境中都吸收分子氧进行呼吸作用。兼性厌氧微生物在有氧条件下氧阻遏发酵作用，促进呼吸作用，也通过有氧呼吸获得生命活动所需的能量。这些微生物虽然微小，但它们在氧的循环和利用中也有着不可忽视的作用。”老师通过显微镜展示了一些微生物的图像，让他们对微生物的呼吸有更直观的认识。 在讲解完氧元素的生理作用后，老师开始介绍氧元素的分布情况。“氧是地壳中最丰富的、分布最广的元素，它在地壳中基本上是以氧化合物（如二氧化硅、硅酸盐及含氧酸盐等）的形式存在，在整个地壳中的质量分数为 48.6%。在大气中主要以氧单质（氧气和臭氧）的形式存在，约占整个大气体积的 21%，大气质量的 23%。在海洋、江河以及湖泊中主要以水的形式存在，质量分数约为 88.8%。此外，氧在人体和动物中质量占比约为 65%，在火星大气中也含有约 0.15%的氧气。可以说，氧元素无处不在，它构成了我们这个丰富多彩的世界的重要基础。” 老师指着墙上的一幅地球剖面图，上面标注着氧元素在不同圈层中的分布。“同学们，想象一下，从地球的核心到大气层，氧元素就像一个无形的纽带，将各个部分联系在一起。在地壳中，那些坚硬的岩石里蕴含着大量的氧，它们参与了地球漫长的地质演化过程。在大气中，氧气是我们呼吸的源泉，臭氧则在高空为我们阻挡了紫外线的伤害。而在水体中，氧溶解在水中，维持着水生生物的生存。这种广泛的分布，决定了氧元素在地球生态系统中的核心地位。” “地球早期的大气是缺氧的，属于还原性质的大气。氧逐渐增加是大气圈的主要变化之一。”老师开始讲述大气氧含量的演变过程，她的声音仿佛带着同学们穿越到了远古的地球。“有科学家推测，37 亿年前也许已存在与氧混合的大气，但缺少有力的证据。一般认为太古宙的自由氧已有明显的意义，可能已存在臭氧。在早元古宙，南非有古土壤，并且枕状玄武岩中有氧化环，说明那时大气中自由分子氧已增多。” 老师在黑板上画出了不同时期地球大气的示意图，展示氧气含量的变化趋势。“有学者认为在 23 亿年前已出现大量红层，在各洲都有红色层的记录。从那时起易氧化的碎屑硫化物、铀云母从地质记录中基本消失，这表明在大气中已有较多的自由氧。18 - 20 亿年前广泛分布的条带沉积铁矿是海洋中二价铁氧化为 fe?o?沉积形成的，另一种猜测认为可能铁细菌通过光合作用产生出氧，氧化了亚铁，这都说明那时大气中自由氧的浓度不断增高。” “最原始的真核细胞可能在 25 - 17 亿年前出现，真核生物是喜氧的，呼吸能力增大。个体较大的单细胞真核生物，具复杂细胞器，大约出现在 14 亿年左右，要求氧的浓度更高。元古宙晚期出现红层，是陆上二价铁的氧化，红层是含有 fe?o?的沉积物，产生 fe?o?所需的氧含量要比产生条带状铁矿岩层 fe?o?所需的氧含量高。”老师用生动的语言描绘着地球早期生命与氧气的关系，让同学们感受到生命与环境相互影响的奇妙。 “自由氧的累积有多种途径，其中光致离解的作用不容忽视。在 45 - 32 亿年前，估计大气上层温度达 1500c - 2000c，水汽和甲烷在大气上层受到光的分解，即光致离解作用，水分解成氢和氧。海拔高度约 600km 以上是逃逸层，那里温度高而空气稀薄，分子间碰撞的机率小，低分子量的氢以相当快的速度逃逸出地球引力圈外，而分子量较重的氧留下，因此氧逐渐累积。水的‘光致离解’产生氧后，部分活泼的自由氧与甲烷作用形成二氧化碳和水，产生的水在高空中又‘光致离解’，通过甲烷和水的接力分解，自由氧不断有所增加。不过，早期大气中水汽的光致离解，提供的自由氧，大部分消耗在火山还原挥发物的氧化和风化中，所以氧累积很缓慢。”老师通过动画演示，向同学们展示了光致离解的过程，让这个复杂的科学概念变得更加易懂。 “游离氧的长期不断累积，在高层大气中形成了薄薄的臭氧层。臭氧层的形成是生物发展的必要条件之一，它吸收紫外线，大气中氧达到现代水平的 1％时就可形成保护作用，所以 20 亿年前可能已存在这个条件，但有的学者估计在 16 亿年前才形成臭氧层。臭氧层保护了生物，生物的作用又进一步加强了臭氧层，这是一个相互促进的过程。”老师强调了臭氧层对于地球生命的重要性，让同学们意识到氧元素在地球保护机制中的关键作用。 “生物在自由氧的累积过程中也有着巨大的贡献。早期能进行光合作用的一些藻类，用光能加工二氧化碳和氮等元素制造有机物排出氧，把氧从化合物中解放出来。叠层石是由原核蓝藻类在特定的环境下与无机沉积物相互作用共同构成的一种生物沉积建造体，这种蓝藻已有进行光解的能力。生物的光合作用为大气圈中氧的增多和二氧化碳的减少作出了贡献，也为自身的发展创造了条件。所有绿色植物包括藻类和古老的蓝细菌，都以相同过程释放氧，光合作用同化二氧化碳，释放自由氧。大约在 20 亿年前自由氧至少可达现代大气总量值的 5%，10 亿年前估计增加到现在氧的 10％。自由氧的缺乏限制了生物的发展，因此 10 亿年前的生物都是小的、简单的、无骨骼的、固着的或漂浮的，缺乏主动取食能力。随着藻类繁盛，生物光解能力的增长，自由氧迅速增多，生物形体变大、变复杂、活动能力增强，发展为具有骨骼的生物。尤其是 4 亿年以来高等植物的出现和发展，氧成为大气的主要成分之一，在志留纪时氧增加到现代自由氧水平的 50％。”老师用丰富的图片和资料，展示了生物在氧元素循环中的重要角色，让同学们对生物与环境的协同进化有了更深刻的理解。 “氧在自然界中的循环是一个复杂而精妙的过程。现代空气中对自由氧的循环起决定作用的是生物的光合作用，估计全球每年产生自由氧为 3.83x101?g，其中海洋中产生 3.4x101?g。另一估计陆生植物纯初生生物产量每年约 58x101?g 碳，碳和氧之比等于 12/32，即光合作用分解二氧化碳后，每年释放 1.55x101?g 氧；而水生植物每年释放 3.62x101?g 氧，全球每年产生自由氧为 5.17x101?g。现代大气氧的总含量 1.2x1021g，被除于生物每年释放的 5.17x101?g 氧，等于 2321 年，这是现代大气圈中氧全部更换的时间。不过，由于碳的埋葬和生物产量的不确定性，氧的驻留时间变化很大。生物圈储库包含约 3653x101?g 有机碳，其中生物圈、土壤腐殖土和海洋中溶解的有机碳是主要储库，如果生物圈储库的所有碳氧化，要消耗现代氧 9.7x101?g，占大气圈总氧的近 1％，所以有机碳的储库在一定程度上控制了氧在大气中的含量。”老师通过一系列的数据和图表，向同学们详细讲解了氧元素的循环过程，让他们对这个宏观的自然现象有了更清晰的认识。 “氧元素在医疗保障领域有着广泛的应用。富氧空气或纯氧在临床医疗中用于治疗各种类型的缺氧、呼吸困难以及任何其它大量消耗氧气的疾病，比如用于治疗呼吸系统疾病、一氧化碳中毒等疾病，当误吸（化学性肺炎）或吸入有毒气体可能导致肺损伤，进而导致正常氧合受损时，也需要辅助供氧。此外，氧气在潜水、登山、航天飞行等方面对于保障人体正常活动也非常重要。在这些特殊的环境中，人体对氧气的需求会发生变化，而我们通过各种设备来为人体提供足够的氧气，确保生命活动的正常进行。”老师拿出一些医疗用氧设备的模型，向他们介绍氧气在医疗中的应用。 “在化工生产中，氧气主要用于原料气的氧化。例如，重油的高温裂化以及煤粉、水煤浆的气化等，都是通过气化原料来达到强化工艺过程、提高产品产量的目的。另外，氧气可用于生产制备过氧化钠、氧化铅、硫酸、硝酸和磷酸等物质，还可直接氧化乙烯生产环氧乙烷、合成气（h? + co），在纸浆漂白、污水处理等领域也有应用。此外，氧的同位素之一1?o 常作为示踪原子（试剂 h?o1?）用于化学反应机理的研究。化工行业离不开氧元素，它就像是一把神奇的钥匙，开启了许多化学反应的大门，让我们能够生产出各种各样的化工产品。”老师带着同学们来到化工实验区，展示各种化工反应中氧气的作用。 “大量的纯氧用于炼钢，炼钢工业耗氧量占氧生产总量的 60%以上。在炼钢过程中吹入高纯度