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地球上为什么有超过20%氧气？本质上是绿色植物（以及我们动物）的祖先蓝细菌花了几亿年大量向空气中排放的。当时其他生物都受不了氧气的剧毒和腐蚀性，就大量灭绝消亡，只留下现在各种的厌氧菌，从来没有机会进化壮大。我们体内有大量复杂的酶系统来解毒氧气，才能生存。基因的目的就是延续，复制自己，怎么有利于自己的存续，基因就向着什么方向变化。 人类的有氧呼吸是细菌整合自己的dna到线粒体内部，所以线粒体内部有dna可以自我复制，也有种起源说是线粒体本身就是一种原始有氧呼吸生物被其他生物吞噬整合共生，至于呼吸产生代谢产物对人体不利，这难道不是很平常的事，吃饭拉的是屎，喝水变成尿，既然代谢了，肯定是没那么有用的东西，有用会进一步代谢直到没用，只是自由基不能像其他代谢产物一样随便就排出体外，需要辅助保养清除自由基，和洗澡刷牙类似吧！ 生物氧化的总过程 人们离不开氧气 氧气的毒害作用仅限有氧呼吸，对厌氧生物没有毒，不然现在这么多厌氧生物都怎么活？只是浓度高的氧气会影响厌氧呼吸作用。早年没有有氧呼吸时，氧气对于所有生物都是毒药。凡是耐受不了氧气的生物都死了，或者只能躲在没有氧气的环境下生活。后来进化出了一种细菌，可以利用氧气作为氧化剂进行呼吸，产能效率很高。在此之后才出现了需氧生物。顺便说一下我们人类的祖先一直没有进化出这种技能，但是有一代祖先吞噬并奴役了需氧细菌提供能量，所以我们现在才可以呼吸氧气。 很多哺乳动物性成熟时间是短，但是刚成熟就能得到繁衍的机会了吗？“基因就是只要繁衍成功接下来就不管这具躯体怎么崩溃”，可是性成熟了可不代表就繁衍成功了。能否繁衍固然依赖于基因本身赋予生物体的特性，但是很大程度上仍是一个受环境因素影响的随机事件。所以基因要存续，就必须要保证生物在获得繁衍能力之后能够保持繁衍能力一段足够长的时间。线粒体基因这套底层设备的强大之处在于，机体在丧失生育能力之后依然能够维持正常功能很多年。 生物氧化的三个阶段 植物已经适应氧气 虽然之后因为消耗了太多二氧化碳导致温室气体不够温度下降而使植物大量死亡，这个过程还重复了很多次，但它们仍然使今天地面上的生物都成了好氧的了，而厌氧的生物已经不再是主流。没有地上的小花小草，就没有我们的今天。 维生素C是抗氧化剂，但是对细胞内呼吸作用的自由基问题没什么用。因为细胞有自己非常灵敏的抗氧化酶系统，其浓度受精确调节，除非人体本身缺乏，超出正常浓度的抗氧化剂细胞基本不吸收。诺贝尔奖得主Pauling曾经提出超量服用维生素C的万用灵丹式疗法，几十年前跟他的人相当多，但长期跟踪下来，没效果，除了容易拉稀。Pauling的局限是，他的时代自由基与衰老关系理论刚刚提出来，研究很不充分，他想得太简单了。 关键在于：在细胞一系列生理行为中，自由基信号占据一个相当关键的位置。从有线粒体以来的大概二十亿年，细胞已经围绕着有氧呼吸进化出一大套信号网。比如细胞凋亡（正常、重要的生理活动），启动信号就是自由基浓度持续高位。所以细胞是不会允许外加的抗氧化剂干扰这些信号网的。 很多人把“呼吸作用自由基泄漏有毒性”随便引申为“吸氧越多毒性越大”，这个等式在很多具体情况下都不成立。因为细胞的生理是非常复杂、多个因素作用的。有氧运动会促进线粒体生物合成，降低线粒体的平均负载，疏通氧化路径，对这个问题本身是正面效果。打个小比方：你平均每天有氧运动上强度的，2小时很了不起了吧？这2小时对你的细胞呼吸作用设备的刺激加强，会在24小时内每时每刻分摊降低压力。 再比如，细胞对付线粒体自由基泄漏的措施，除了上一些抗氧化酶（并不会超量乱扔，因为细胞仍然需要信号存在。生理行为就是这么复杂），主要靠自由基信号启动线粒体合成（老线粒体融合，分成更多新的），以此减轻单位线粒体负载，解决问题。解决不动的时候会超量自由基会启动凋亡，生理逻辑就是“目前状态搞不定这个问题，这个细胞将废，所以可以去死了。”对成熟人体来说，有些组织细胞分裂旺盛或者有干细胞，凋亡会被补充，出不了大事。有些组织（比如中枢神经系统）细胞是不会补充的，这些组织的受迫凋亡，就是组织流失，就是衰老。这就是我前面提到的新理论，是旧理论的细化。 维生素C治感冒才是好好利用它的抗氧化性。我稍微描述下，看看人类生理多好玩：人类抗感冒靠自己的免疫系统。其中最前线的是某些免疫白细胞，在血液里撒氧化剂，以此攻击病毒。化学武器当然是盲杀，自身细胞一样被杀伤，这就是炎症。但是这些白细胞没傻到连自己一起杀。他们会在放毒之前，从血液中吸收维生素C，浓度能吸到血液100倍左右。所以，维生素C对感冒的意义是：它是士兵的防毒面具。 氧气的还原过程 氧气的出现可以说彻底改变了地球 两种学说，一个跟线粒体有关，一个跟核DNA有关，两者并不是互相排斥，共同作用的可能性很大。两者也都不完善。端粒学说的主要逻辑是细胞分裂染色体复制的次数有限制，染色体的端粒每次分裂都磨损一截，就像个计数器，磨完了就不能分裂。这个学说没能解决的问题是：DNA上的基因本身是随着年龄和分裂次数慢慢损坏的。有端粒也损坏。一定数量和位置的细胞损坏到一定程度，生命本身就难以维持了。比如说癌症。那么端粒到底是因，还是细胞进化出的自我限制的果呢？还有，细胞和细胞不同。无限分裂能力也不能支持无限生命。大脑的神经元有端粒，生理程序就基本不分裂（说基本，是因为有少数例外情况，无关补充），神经元不分裂是很有道理的，因为如果成熟后新造神经元，它的轴突缺乏发育时期的化学信号引导，找不到设定方向，就是个废物，只会坏事。所以神经元只会慢慢衰退到人老死，如果你没有被其他原因提前干掉。这样端粒的作用就被排除了。 化学反应要考察实质。呼吸作用的进程，是氧先与催化中心（叫做细胞色素酶综合体）的铁硫簇反应，从铁离子中夺取一个电子，形成超氧自由基。这个中间产物的强氧化性形成很高的化学势，拉动糖失去电子，完成反应。这个通路不畅时（有好几种原因），超氧自由基在它那头堆积，就容易发生泄漏。从这个过程容易看出毒性是谁的。糖本身，其中间产物和终产物都没有这类问题。 细胞有氧呼吸能力跟不上需求时，会无氧呼吸，将葡萄糖分解为乳酸，获取较少的能量。乳酸毒性明确，就是登山之后让你肌肉酸痛的物质。如果你的身体常规采用无氧呼吸，我们就可以说有机物-葡萄糖也有毒性。然而并不是这样。无氧呼吸只是人体细胞出此下策的应急补充。如果主要用这个很快就毒死了。 “胚胎发育过程即进化史“这个论断，对神经系统来说特别准确。神经系统的轴突发育、导向、定位都是在胚胎发育期进行的，受那个阶段复杂的化学信号引导。神经元都是一锤子买卖，在这个阶段架好，用一辈子。因为成体内无法进行大规模架线工作。这个工作可以看成是浓缩成化学信号的神经系统进化史舞台剧，只能在系统还没上线的时候排演完，形成一个标准网络。出生之后的微调，以及中枢神经系统的上线工作-成熟，是靠另外两种机制实现的。一个是在微观局部增加连接，即增加树突形成的突触。这就像网络干线搭好了，每台电脑只需要往干线插座里插水晶头，不需要大工程。另一个机制是靠做减法。大脑成熟要靠死掉一大批神经元。出生时架的那些线是造了一个通用设备，就像一个大理石粗胚，功能并没有充分精确化。要把它变成一颗好用的脑子，一座传神的雕像，得凿掉很多冗余部分和碎片，才会形成精细的形状和准确的功能。看过它是怎么进化和工作的，就明白成熟后增加新的神经元没有意义了。 氧气的重要来源：树 以极限而论，当然植物的繁殖高峰长得多，几百年的大树同样开花结果。植物和动物的代谢方案差得很远，最核心的原因就是植物的先祖发明了叶绿素。这个东西实在太逆天，所以植物不需要运动，不需要神经，不需要智力。餐风饮露加炼丹（水，二氧化碳，矿物质），过的是神仙日子。 光合作用不是氧化作用，它的废物才是氧气。呼吸作用是在光合作用之前发明的，植物同样有呼吸作用。动物的问题是，它不能像植物那样，用最简单充裕的小分子加上太阳光，就给自己制造呼吸作用的燃料和身体构件。它需要向其它生命抢夺。所以动物很复杂，而且竞争和环境压力让它变得越来越复杂。从能量代谢角度来看，这都是被逼出来的。一个系统复杂了，容错性就低。所以动物的身体代谢强度很高（因为运动、感觉、智力这些东西都是耗能大户），保质期很短。一旦繁殖的任务达成，复杂的系统就倾向于迅速崩解。 一个具体例子是植物如何缓和我提到的线粒体工作损耗问题。Sequoia（北美红桧）是有名的长寿植物。它的细胞团中有生长中心（实际上很多植物都有，红桧是个极端例子）。这个部分的细胞平时代谢活动极低，几乎是惰性状态。只在需要时（比如补充损伤和分化新枝干）激活，长了该长的细胞，然后又回归惰性。这种策略让植物的长期抗氧化能力强得多，而且不会有癌症之类的麻烦。动物有没有类似机制？其实是有的，就是干细胞。但是动物的复杂性使得干细胞只能解决局部问题，全局仍然无解。比如神经细胞就不能补充，所以没有这个机制，神经元都是全程高能耗到死。 系统复杂性的问题也很好理解，大树被病害枯掉一片枝叶甚至一半的根，抛弃掉就行了，剩余部分继续存活，甚至能把丢掉的补回来。因为植物的方案太简单，局部只需复制粘贴。动物，你的肾枯掉还能玩吗？关键位置一小片神经细胞出问题，比如视网膜，你就瞎了，然后就死了。 所以说，氧气其实多我们人类来说其实却是是一种“毒气”，但知道了，能怎么办呢？还是要呼吸呀！ |
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