最后更新：2025年10月2日

为什么氧气对生命如此至关重要？

氧气与生命的进化

大约24亿年前，地球大气中氧气的出现（大氧化事件）促进了特化细胞结构和多细胞生物的选择与演化。有氧呼吸（利用氧气）所提供的能量效率使这一发展得以实现。

双氧（O₂），即我们呼吸的气态氧的分子形式，对大多数生物体不可或缺，因为它在细胞能量生产中起着核心作用。这一过程称为有氧细胞呼吸，主要发生在真核细胞的线粒体中。

没有氧气，我们的细胞就无法高效产生ATP（三磷酸腺苷），这种为所有生物功能提供能量的通用能量分子。

氧气是位于线粒体内膜上的电子传递链中的最终电子受体。因此，氧气作为呼吸链中的最终电子受体，使得能够从三磷酸腺苷（ATP）分子中产生能量。

ATP（C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃）由葡萄糖（C₆H₁₂O₆）和氧气（O₂）生成的过程是一个复杂的机制，称为有氧细胞呼吸（糖酵解产生30-38个ATP）。若无氧气，能量产出显著下降（每次糖酵解仅产生2个ATP）。

这一转变是有氧生物能量代谢的关键！

葡萄糖（C₆H₁₂O₆）是一种富含电子的化学结构（含有12个可氧化的C-H键）。在其代谢分解过程中，葡萄糖的化学键被断裂，轻松释放出电子供氧气等受体使用。

通过线粒体呼吸链转移给氧气（O₂）的电子产生质子梯度（H⁺）。H⁺的流动驱动ATP合酶。O₂确保电子的排出和梯度的维持。

ATP（C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃）

步骤	细胞位置	反应物 / 生成物	ATP形成	还原型辅酶	能量（ΔG, kJ/mol）
糖酵解	细胞质	C₆H₁₂O₆ → 2 丙酮酸	净增+2（形成4个，消耗2个）	2 NADH	≈ –85
氧化脱羧	线粒体基质	2 丙酮酸 → 2 乙酰辅酶A + 2 CO₂	0	2 NADH	≈ –60
三羧酸循环	线粒体基质	2 乙酰辅酶A → 4 CO₂	+2 GTP（≈ ATP）	6 NADH，2 FADH₂	≈ –150
呼吸链（氧化磷酸化）	线粒体内膜	NADH、FADH₂ + O₂ → H₂O	ATP从+26到+34	NAD⁺、FAD 再生	≈ –2575
1分子葡萄糖总计			约30到38个ATP	10 NADH、2 FADH₂	ΔG ≈ –2870 kJ/mol

注：ΔG = –2870 kJ/mol 中的负号表示化学系统演化过程中热力学势能的变化，具体指吉布斯自由能的变化。

来源：Nelson & Cox（Lehninger，2021）、Berg 等人（《生物化学》，2019）、CRC 手册（2022）、Atkins（2020）、NIH ODS（2023）。

缺氧（低氧）会迅速导致细胞功能障碍。仅需几分钟缺氧，脑细胞便开始死亡，这就是窒息为何如此快速致命的原因。

严格厌氧的多细胞生物极为罕见，因为大多数多细胞生物依赖有氧呼吸来满足其高能量需求。然而，存在少数显著例外，主要出现在极端缺氧环境中，例如：Henneguya salminicola（鲑鱼寄生虫）、兜甲动物（海底无氧生态系统）、深海沉积物线虫、厌氧真菌。

元素	符号	质量百分比（%）	生理作用	类别
氧气	O	65	水与有机分子的组成成分，细胞呼吸	主要元素
碳	C	18	有机分子基础（碳水化合物、脂类、氨基酸、DNA）	主要元素
氢气	H	10	水的成分，酸碱平衡	主要元素
氮	N	3	氨基酸、蛋白质、核酸（DNA、RNA）	主要元素
钙	Ca	1.5	骨骼结构、肌肉收缩、细胞信号传导	宏量营养素
磷	P	1.0	ATP、DNA、骨骼、膜磷脂	宏量营养素
钾	K	0.35	渗透平衡、神经传导、肌肉收缩	宏量营养素
硫磺	S	0.25	含硫氨基酸（半胱氨酸、蛋氨酸）、辅酶	宏量营养素
钠	Na	0.15	神经传导、渗透压、肠道吸收	宏量营养素
氯	Cl	0.15	水平衡，胃盐酸（HCl）	宏量营养素
镁	Mg	0.05	酶辅助因子，ATP和膜的稳定性	宏量营养素
铁	Fe	0.006	血红蛋白、肌红蛋白、电子传递（细胞色素）	必需微量元素
锌	Zn	0.003	酶辅因子、免疫系统、蛋白质合成	必需微量元素
铜	Cu	0.0001	氧化还原酶、铁转运、能量生产	微量元素
碘	I	0.00002	甲状腺激素（T3、T4）	微量元素
硒	Se	痕迹	抗氧化剂（谷胱甘肽过氧化物酶），免疫力	微量元素
铬、锰、钼、钴	铬、锰、钼、钴	痕迹	多种催化作用（酶）	微量元素