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一株菠菜的誕生
2012/02/28 02:39
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文/黃郁棋

趁上班前釐清幾個概念,拿菠菜當比喻好了;每位廚師都知道,菠菜絕大多數是由「水」組成的,除了水以外還包括了些什麼呢?化學家會告訴你,剩下的成份是「碳、氧、氮、氫」。原子數目比大約是60個碳、40個氧、2個氮、100個氫。那麼,在前生物時期,菠菜是怎麼誕生的呢?

▲常見的菠菜。(圖/取自台中市后里國中)

在探討之前,我們必須先弄清楚一件事:這些材料是從哪來的。猜測碳是來自大氣層裡的二氧化碳(CO2)、氮來自泥土中的硝酸鹽(NO3-)、氫來自水(H2O);現在嘗試看看用這些東西來製造一個「乾菠菜」吧!

首先,60個個碳原子同時也帶來了120個氧原子(60x2)、硝酸鹽的部分也帶來了6個氧原子(3x2)、水則帶來了50個氧原子,總共出現了176個氧原子,但是我們製作菠菜只需要40個氧原子,多出了136個;該怎麼辦呢?試試看把多出來的氧原子還原成水吧!每個氧原子會需要兩個氫原子,所以總共需要272個氫原子。

根據熱力學第二定律,我們會發現自然界有一個「單行道」基本法則;如果你被迫為某件事情「倒轉作工」,包括嘗試用電解法從水分中抽出「氫」(向水提供電子是可以獲取氫的!因為氫是由一個帶正電荷的質子搭配環繞在外的一個電子組合而成,向水提供電子,可以讓電子與水分子解離時產生的質子結合形成氫原子),都是違反自然規律的事。但是若運用得當,遵行方向自然事件還會為你作功!

只不過氫該從何而來,這個問題還是他媽的沒有獲得解答啊!看來答案依舊環繞在「水」上。如何從水中獲取氫呢?若根據第二定律,誰來作工?答案是太陽。菠菜讓太陽作功,植物的葉綠素(chlorophyll)能夠利用「太陽能」從水中獲取氫,將氫提升到高能量階層;所以可別以為太陽能是多先進的技術啦!早在人類出現前就存在了。

同時,因為氫已經被拉到高能量階層的位置,它能夠輕易地將氧從二氧化碳與硝酸鹽中拉出來,自己取而代之。但是葉綠素不能自己作用,還必須與生物膜內的其他複雜分子結合才能執行工作。這在前生物期是不可能的。於是,我們必須找到下一個獲得氫的方式。

這時我們找到了下一個方式:向水提供電子!因為電子可以和水分子解離時所產生的質子結合而形成氫原子。

在純水中,平均每一千萬個水分子只有一個會解離,解離出帶正電的氫離子(H+)以及帶負電的氫氧離子(OH-);即便如此,一茶匙的水仍舊含有一千兆個質子與氫氧離子。若水中H+增加且OH-減少,則酸度增加(pH值縮小);反之則鹼度增加。

結論是,只要有「水」來提供或吸收質子,自由氫原子和電子就能夠相互交換。從字義上來解釋的話,一個物質得到電子(或氫)稱作還原(reduction),失去電子(或氫)則稱為氧化(oxidation),二者是互補的。當一個物質被還原,必定會有另外一個物質被氧化,才能供應所需的電子。

若用更常見的形容詞形容,則是「電子傳遞反應」。當電子傳遞時,電子施體(donor)讓可以傳遞的電子佔據了「高能階」的位置(想像一下為什麼會有氧化作用?因為電子被傳遞出去了),電子受體(acceptor)指的是「被還原之後」,電子則占據了低能階的位置。從施體到受體,彷彿從高處到低處,是個自然反應。

那麼,我們要如何在前生物期獲得電子呢?科學家找到好多個方法,這些方法稱為「生物合成還原反應」。其中很著名的說法是「利用亞鐵」(Fe2+)來獲得電子。由於前生物期的海洋擁有非常豐富的亞鐵,而亞鐵經過紫外線照射激發後,會釋放出一個電子;亞鐵變成帶有三個正電荷的三價鐵離子(Fe3+),釋出的電子則與水解離出的質子結合,形成氫原子。大膽估計,在前生物期生物所需要的氫原子,可能很大部分是這麼來的!

※本文是我讀克里斯坦.德.杜維(Christian de Duve)的《生物決定論》(VITAL DUST)讀書筆記,非常推薦大家看這本書,儘管物理化學生物早就在高中放棄了。這本書絕對能讓你重拾對生命誕生最基本的興趣!

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