為何地球上多數生物都依賴氧氣生存？

地球大氣中氮氣佔比高達78%，但為何絕大多數生物卻選擇以氧氣作為生命之源？氧氣常被視為生機與活力的象徵，但實際上它是極具活性的化學元素。從燃燒木頭的日常經驗中，我們就能親眼見證氧氣的強烈反應特性。

南丹麥大學地球生物學家唐納德·坎菲爾德指出，自然界可能存在數千種維持生命的代謝方式，但「幾乎所有真核生物」（細胞含細胞核的生物）和大量原核生物（無細胞核的生物）都選擇利用氧氣。這類生物主要屬於異營生物，包括人類在內，透過攝取其他有機物獲取營養和能量。

異營生物分解食物中的有機物質時，會剝離電子。這些電子在粒線體膜上的酶之間傳遞，形成微小電流推動質子穿越屏障。由於氧氣具有高電負性，它通常成為電子傳遞鏈的最終站，接收電子並結合兩個質子形成水分子。

這個過程猶如建造微型水力發電廠——質子蓄積後透過膜蛋白通道湧出，如同渦輪機般的蛋白質在旋轉時合成三磷酸腺苷（ATP）能量。倫敦大學學院演化生物化學教授尼克·連恩解釋，細胞可立即使用這些封裝好的能量，或將其輸送至全身各處。

雖然生物也能利用硫酸鹽、硝酸鹽或鐵等其他電子受體，但氧氣提供的能量效率最高。華盛頓大學大衛·卡特林教授團隊在《天體生物學》期刊的研究指出：「除氟和氯外，氧還原反應能釋放最大自由能。」但氟與有機物接觸會引發爆炸，氯氣則具有毒性，相較之下氧氣代謝僅產生無毒的水和二氧化碳。

氧氣的另一優勢在於其豐富性。儘管容易與其他原子結合，光合作用持續產出大量氧氣，使其能在大氣中累積並溶入水域。坎菲爾德解釋：「作為氣體，氧氣能輕鬆穿越生物膜進行運輸。」

至於佔大氣78%的氮氣為何不被廣泛利用？坎菲爾德說明關鍵在於氮分子間的三鍵結構：「斷裂這些強力鍵結需要極高能量。」雖然氮是許多生物分子的重要成分，但只有特定微生物能執行這種高耗能過程。

氧氣的獨特價值根源於量子物理特性——基態氧原子只能逐個接收同向自旋的電子。連恩教授強調：「氧氣的巧妙之處在於，它能高濃度蓄積卻保持穩定，但當電子逐個輸入時，又能釋放大量能量驅動質子泵。」

這種特性使氧氣在活性與可用性間取得完美平衡：比鹵素溫和，不像氮鍵結過強，卻比硫酸鹽等受體更具反應性。加上植物透過光合作用持續供應，這個活潑分子遂成為驅動生命引擎的最佳選擇。