گجت نیوز آخرین اخبار تکنولوژی، علم و خودرو 
چرا زندگی بدون اکسیژن امکان‌پذیر نیست؟ با وجود فراوانی نیتروژن، اکسیژن کلید تنفس است. مزایای انرژی، واکنش‌پذیری مناسب و تولید غیرسمی را در این مطلب علمی بخوانید.
تصور کنید که در جهانی زندگی می‌کنید که 78 درصد از جو آن را نیتروژن تشکیل می‌دهد. با این حال، وقتی صحبت از نفس کشیدن به میان می‌آید، تقریباً تمام موجودات زنده روی زمین به اکسیژن نیاز دارند. این موضوع کمی عجیب به نظر می‌رسد، درست است؟ اکسیژن عنصری بسیار واکنش‌پذیر است؛ فقط کافی است به سوختن چوب نگاه کنید تا متوجه این موضوع شوید. پس چرا این همه موجود زنده برای بقا به آن وابسته هستند؟
به گفته دونالد کانفیلد، زمین‌شناس زیستی در دانشگاه جنوب دانمارک، احتمالا هزاران نوع متابولیسم یا فرآیندهای شیمیایی که حیات را حفظ می‌کنند، وجود دارد، اما تقریبا تمام یوکاریوت‌ها (موجودات زنده‌ای که سلول‌هایشان دارای هسته است) و طیف وسیعی از پروکاریوت‌ها (موجودات زنده‌ای که هسته ندارند) از اکسیژن استفاده می‌کنند.
امکان‌پذیر نبودن زندگی بدون اکسیژن
کانفیلد در درجه اول در مورد هتروتروف‌ها صحبت می‌کند. ارگانیسم‌هایی از جمله انسان که مواد مغذی و انرژی خود را با مصرف سایر مواد آلی به دست می‌آورند. البته همه موجودات زنده منحصراً این کار را انجام نمی‌دهند. برای مثال، دن میلز، محقق فوق دکترا در دانشگاه مونیخ، می‌گوید: گیاهان کربن خود را از CO2 موجود در هوا دریافت می‌کنند.
مزیت پرانرژی اکسیژن: سوخت‌رسانی به موتور حیات
هتروتروف‌ها مواد آلی موجود در غذا را با جدا کردن الکترون‌ها از آن‌ها تجزیه می‌کنند. این الکترون‌ها در غشای میتوکندری از یک آنزیم به آنزیم دیگر منتقل می‌شوند و جریان کوچکی ایجاد می‌کنند که پروتون‌ها را از این سد عبور می‌دهد. اکسیژن، با الکترونگاتیویته بالای خود، معمولا ایستگاه نهایی در این زنجیره انتقال الکترون است، الکترون‌ها را می‌پذیرد و با جذب دو پروتون، آب تشکیل می‌دهد.
به طور خلاصه، این فرآیند یک مخزن از پروتون‌ها ایجاد می‌کند که سپس مانند یک سد هیدروالکتریک کوچک از طریق یک کانال پروتئینی در غشا سرازیر می‌شوند. نیک لین، استاد بیوشیمی تکاملی در دانشگاه کالج لندن، در یک ارائه عمومی توضیح داد که این پروتئین، مانند یک توربین، با چرخش خود انرژی را در قالب آدنوزین تری فسفات (ATP) سنتز می‌کند. سپس سلول می‌تواند از این انرژی بسته‌بندی شده استفاده کند یا آن را برای انجام فعالیت‌های مختلف به سراسر بدن ارسال کند.
اکسیژن، بالاترین پذیرنده انرژی است
حیات می‌تواند از بسیاری از پذیرنده‌های الکترون دیگر (مانند سولفات، نیترات و آهن) استفاده کند، اما اکسیژن بالاترین پذیرنده انرژی موجود است. دیوید کاتلینگ، استاد دانشگاه واشنگتن و همکارانش در مقاله‌ای که در مجله Astrobiology منتشر شده است، توضیح دادند: کاهش اکسیژن، به جز کاهش فلوئور و کلر، بزرگترین رهایش انرژی آزاد را در هر انتقال الکترون فراهم می‌کند.
کلر و اکسیژن می‌توانند مقادیر مشابهی از انرژی تولید کنند. فلوئور مطمئنا می‌تواند انرژی بیشتری نسبت به اکسیژن فراهم کند، اما آن‌ها در این مطالعه نوشتند: فلوئور به دلیل ایجاد انفجار در تماس با مواد آلی، به عنوان یک اکسید کننده بیولوژیکی بی‌فایده است. این گازی نیست که بخواهید تنفس کنید.
- کشف اکسیژن تاریک در اعماق اقیانوس دانشمندان را به چالش کشید
- دریافت ویتامین از هوا ؛ تئوری جذاب دانشمندان
- ذخایر اکسیژن در آبهای محلول زمین به شکل ترسناکی در حال کاهش است
کلر و فلوئور نیز سمی هستند که یکی دیگر از مزایای اکسیژن را برجسته می‌کند. تنفس هوازی هیچ ترکیب سمی تولید نمی‌کند، فقط آب و دی اکسید کربن. با این حال، واکنش‌پذیری اکسیژن می‌تواند در صورت تجمع در بافت‌ها مشکل‌ساز شود، جایی که می‌تواند به اجزای سلولی مانند DNA و پروتئین‌ها آسیب برساند. به همین دلیل است که آنتی‌اکسیدان‌ها، در حد اعتدال، برای سلامتی ما مفید هستند.
نقطه تعادل واکنش‌پذیری و فراوانی: چرا نیتروژن جایگزین مناسبی نیست؟
اکسیژن همچنین بسیار فراوان‌تر از فلوئور، کلر یا بی‌شمار پذیرنده‌های الکترون مورد استفاده در سایر اشکال تنفس است. علیرغم تمایل آن به تشکیل ترکیبات با سایر اتم‌ها، مقدار زیادی اکسیژن به طور مداوم از طریق فتوسنتز تولید می‌شود. این امر باعث می‌شود که در جو تجمع یابد و در آب حل شود، جایی که به راحتی در دسترس حیات قرار دارد. کانفیلد و میلز توضیح دادند که اکسیژن به عنوان یک گاز، به راحتی از غشاها عبور می‌کند.
امکان‌پذیر نبودن زندگی بدون اکسیژن
صحبت از فراوانی شد، چرا از نیتروژن استفاده نمی‌کنیم که 78 درصد از جو زمین را تشکیل می‌دهد؟ کانفیلد گفت: مشکل اصلی نیتروژن این است که پیوند سه‌گانه دارد و شکستن آن بسیار، بسیار دشوار است. نیتروژن جزء مهم بسیاری از ترکیبات بیولوژیکی است و گروه‌های کاملی از موجودات زنده وجود دارند که در فرآیندهای پرانرژی مورد نیاز برای شکستن پیوندهای قوی نیتروژن و در دسترس قرار دادن آن برای موجودات زنده تخصص دارند.
فیزیک کوانتومی و تولید غیرسمی: دلایل برتری اکسیژن
کاربرد منحصر به فرد اکسیژن به فیزیک کوانتومی برمی‌گردد. اکسیژن در حالت پایه طبیعی خود فقط می‌تواند الکترون‌ها را در همان حالت اسپین بپذیرد، نه به صورت جفت الکترون که واحد معمول شیمی است. نیک لین در ایمیلی به لایو ساینس گفت: بنابراین، ترفند واقعی اکسیژن این است که می‌تواند بدون واکنش نشان دادن به سطوح بالا برسد، اما وقتی الکترون‌ها به صورت تکی به آن داده می‌شوند، انرژی زیادی (برای پمپ کردن پروتون‌ها) آزاد می‌کند.
به نظر می‌رسد اکسیژن در نقطه تعادل مناسبی از واکنش‌پذیری و در دسترس بودن قرار دارد. ملایم‌تر از هالوژن‌هایی مانند کلر و فلوئور است و مانند نیتروژن پیوند محکمی ندارد. اما بسیار واکنش‌پذیرتر از سایر پذیرنده‌های الکترون، مانند سولفات و نیترات است.
اکسیژن به راحتی قابل دسترسی است و ترکیبات سمی تولید نمی‌کند که نیاز به پردازش بیشتر داشته باشند. علاوه بر این، گیاهان مقادیر زیادی از این گاز واکنش‌پذیر را از طریق فتوسنتز تولید می‌کنند و به ما امکان می‌دهند از آن برای سوخت‌رسانی به بدن خود استفاده کنیم.