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地球科学原理之32 有机物的能量及氧化-还原平衡

已有 4039 次阅读 2009-5-5 09:02 |个人分类:地球科学|系统分类:科研笔记| 地球科学, 地球演化, 地球科学原理, 氧化-还原平衡, 有机物

广东海洋大学

廖永岩

(电子信箱:rock6783@126.com

生命体由有机物构成。生命由能量维持,而维持生命的能量,除植物经光合作用能直接利用光能外,生命可以利用的能量,主要是有机物里的化学能。生命体通过利用有机物分解或氧化所释放的化学能,维持生命的存在。所以,供给生命体能量的有机物,甚至构成生命体的有机物,只能是分解或氧化能释放出能量的高能有机物。以葡萄糖为例,对高能有机物分解或氧化释放出的能量进行比较发现(王镜岩, 2002)

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O +能量    ΔG0′= -2870 kJ•mol-1   1

ΔG0是指pH7时标准自由能的变化)

C6H12O62C2H5OH + 2CO2 + 能量        ΔG0′= -226 kJ•mol-1    2

      C6H12O6 → 2CH3CHOHCOOH + 能量    ΔG0′= -197 kJ•mol-1  3

由(1)式可知,1摩尔葡萄糖完全氧化为二氧化碳和水,可释放出2870 kJ的自由能;而1摩尔葡萄糖部分氧化为二氧化碳同时分解为乙醇时,仅释放出226 kJ的自由能;1摩尔葡萄糖没有氧化,仅分解为乳酸时,只能产释放出197 kJ自由能。这说明,有机物分解释放出的能量,远小于有机物氧化所释放出的能量。所以,除生命演化早期的原始生命体利用分解有机物释放能量外,先进的生命体,都是利用氧化有机物来提供能量,供生命的维持。

能被氧化并能通过氧化而释放出大量能量的有机物,肯定是还原性有机物。或者说,等量的有机物,其还原性越强,将其氧化所释放的能量就越多。其氧化性越强,其所含的能量越少。所以,为生命体提供能量和构成生命体的有机物,绝大部分是还原性强的有机物。植物通过光合作用,将光能以化学能的形式,固化在还原性强的有机物内,以供生命体利用。

由于构成生命体的有机物,最终来源于水和二氧化碳。水和二氧化碳,均是氧化-还原性中性的物质。要将氧化-还原性中性的物质,变成还原性强的有机物,又要使整个体系的氧化-还原性不变,就必须同时产生氧化性强的物质。所以,光合作用生物的策略是:将氧化-还原中性的水和二氧化碳变成能供生命体利用的强还原性的有机物(CH2O),同时产生强氧化性的氧气。低等的甲烷细菌,不能进行光合作用,在无氧的环境里,它的策略是:将它能利用的其它强还原性有机物(CH2O)分解为还原性更强的甲烷(CH4)。为了维持整个体系的氧化-还原性平衡,系统肯定得释放出氧化性强的氧来。甲烷细菌就利用释放出的氧来氧化它能利用的有机物,产生二氧化碳,来获得能量生存,如沼气发酵。这样,甲烷细菌,在无光和无氧的环境里,通过它能利用的有机物的结构氧氧化有机物,产生二氧化碳来获得能量。在甲烷细菌维持生命的过程中,强还原性的有机物(CH2O)最后变成了氧化-还原性中性的二氧化碳,为了维持氧化-还原性的平衡,它必须以产生比有机物(CH2O)还原性更强的甲烷来作为氧化-还原性补偿。产乙醇细菌在无氧条件下生存的策略是:将强还原性的有机物(CH2O)分解为氧化-还原中性的二氧化碳,同时,产生还原性更强的乙醇来维持氧化-还原性的平衡。产乙醇细菌,也可以看成是利用它能利用的有机物的结构氧,氧化有机物产生二氧化碳来获得能量供自己生存。如此例子,还有很多很多。

所以,在一个密闭系统内,假设没有物质交换的话,一种物质变成了氧化性强的物质,它还必须同时产生一种还原性更强的物质来补偿氧化-还原性平衡。一种物质变成了还原性更强的物质,它还必须同时产生一种氧化性更强的物质来补偿氧化-还原性平衡。一种物质的氧化性增强了还是减弱了,可以参照以下方法进行粗略地定性计算:

因为H2OCO2是氧化-还原中性的物质,所以,氢和氧的比例为21,碳和氧的比例为12,可以看成是氧化-还原中性的比例。因为氢是强还原性物质,氧是强氧化性物质,所以,CH2O3可以被看成氧化-还原性中性的物质结构式。假设一种物质由碳、氢、氧等三种物质构成,123的比例,可以被认为是氧化-还原中性的。若氢的比例降低或氧的比例升高,被认为氧化性增强,还原性减弱;氢的比例升高或氧的比例降低,则被认为还原性增强,氧化性减弱。同理,若某种物质只由氧和氢或碳和氢或氧和碳二种元素组成,则参照H2OCO2计算两种元素的比例来计算氧化-还原性。下面,我们以上述例子进行详细说明。

对光合作用过程进行分析,结果如下:光合作用将CO2H2O合成CH2O,产生O2CH2O和氧化-还原性中性的CH2O3比较,明显少2个强氧化性的O,说明CH2O的氧化性减弱,还原性增强。所以,氧化-还原性中性的CO2H2O经光合作用,变成了强还原性的CH2O。为了维持整个光合作用系统的氧化-还原性平衡和稳定,必须要释放出氧化性强的物质来进行弥补。这样,光合作用在合成CH2O的同时,必须释放出O2

对产乙醇细菌分解作用分析如下:产乙醇细菌将CH2O氧化为CO2,释放出C2H6O。因为CH2O是强还原性的物质,CO2是氧化-还原性中性的物质,所以,CH2O氧化为CO2时,系统的还原性减弱,氧化性增加。为了维持系统的氧化-还原性平衡和稳定,必须释放出比CH2O具有更强还原性的物质。C2H6OCH2O比较,少一个强氧化性的O,而多了2个强还原性的H,所以,C2H6OCH2O具有更强的还原性。通过释放出具有更强还原性的C2H6O来弥补因CH2O氧化为CO2所造成的系统还原性的降低。

甲烷发酵,具有类似的原理。

有了这些基础,我们就可以来分析光合生物出现后地球的氧化-还原平衡了。那么,地球在光合生物出现后,地球的氧化-还原又是如何变化的呢?且听下回分解。

未完,待续。

下回预告地球科学原理之33  光合生物出现后的氧化-还原平衡

参考文献:

王镜岩. 生物化学(下册). 北京: 高等教育出版社. 2002.

 

(注:本“地球科学原理”系列,是根据廖永岩著,海洋出版社(20075月)出版的《地球科学原理》一书改编而来,转载者请署明出处,请不要用于商业用途

 



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2 杨学祥 刘玉平

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