Tại sao hầu hết sự sống trên trái đất đều hít thở oxy?

Oxy từ lâu đã được xem là biểu tượng của sự sống, là nguồn dưỡng khí thiết yếu, tuy nhiên nó cũng là một nguyên tố có tính phản ứng rất cao. Minh chứng rõ ràng nhất là khi một khúc gỗ cháy, chính oxy hỗ trợ quá trình đốt cháy mạnh mẽ đó. Vậy tại sao rất nhiều sinh vật lại dựa vào một nguyên tố dễ phản ứng như vậy?

Theo giáo sư Donald Canfield, nhà địa sinh học tại Đại học Nam Đan Mạch, dù có thể tồn tại hàng ngàn kiểu trao đổi chất và phản ứng hóa học khác nhau để duy trì sự sống, nhưng “hầu như tất cả sinh vật nhân chuẩn” – các sinh vật có tế bào chứa nhân như con người – và một số lượng lớn sinh vật nhân sơ – không có nhân tế bào – đều sử dụng oxy.

Canfield chủ yếu đề cập đến sinh vật dị dưỡng, bao gồm con người, là những sinh vật lấy năng lượng và dinh dưỡng bằng cách tiêu thụ các hợp chất hữu cơ khác. Tuy nhiên, không phải tất cả sinh vật đều làm như vậy. Dan Mills, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Munich, cho biết thực vật chẳng hạn, lấy carbon từ khí CO₂ trong không khí thay vì tiêu thụ sinh vật khác.

Ảnh: Gett.

Đối với sinh vật dị dưỡng, oxy đóng vai trò then chốt trong quá trình phân giải chất hữu cơ, bằng cách tiếp nhận các electron được tước ra từ các phân tử thực phẩm. Những electron này được chuyền từ enzyme này sang enzyme khác trong màng ty thể, tạo ra một dòng điện nhỏ để bơm các proton qua màng. Oxy, nhờ độ âm điện cao, thường là điểm đến cuối cùng trong chuỗi truyền electron này – nó tiếp nhận các electron và kết hợp với hai proton để tạo thành nước.

Giáo sư Nick Lane tại University College London giải thích, chính sự chênh lệch proton tạo ra một nguồn năng lượng tương tự như đập thủy điện. Khi các proton quay trở lại màng thông qua một kênh protein, giống như tuabin, năng lượng được tổng hợp dưới dạng phân tử adenosine triphosphate (ATP). Đây chính là nguồn “nhiên liệu” mà tế bào sử dụng để hoạt động hoặc cung cấp cho toàn bộ cơ thể.

Mặc dù có thể sử dụng các chất nhận electron khác như sunfat, nitrat hoặc sắt, oxy là chất mang lại hiệu quả năng lượng cao nhất. Theo giáo sư David Catling của Đại học Washington, việc oxy bị khử tạo ra năng lượng giải phóng tự do lớn nhất trong số các chất nhận electron phổ biến – chỉ đứng sau flo và clo.

Tuy nhiên, flo không thể được dùng làm khí hô hấp vì nó phản ứng mãnh liệt đến mức tạo ra vụ nổ khi tiếp xúc với các chất hữu cơ. Clo cũng độc hại, và cả hai chất này đều không thích hợp để hỗ trợ sự sống. Trong khi đó, oxy lại nổi bật nhờ tính ổn định tương đối và không tạo ra hợp chất độc hại sau phản ứng – chỉ có nước và carbon dioxide được thải ra sau hô hấp hiếu khí.

Dù vậy, khả năng phản ứng của oxy cũng có mặt trái. Nếu tích tụ quá nhiều trong mô, oxy có thể phá hủy DNA và protein của tế bào. Đây chính là lý do các chất chống oxy hóa ở mức độ hợp lý lại có lợi cho sức khỏe.

Oxy không chỉ ít độc hơn mà còn dồi dào hơn nhiều so với flo, clo hay các chất nhận electron khác. Một lượng lớn oxy được tạo ra liên tục nhờ quá trình quang hợp của thực vật. Dưới dạng khí, oxy dễ dàng hòa tan trong nước và xuyên qua màng tế bào, giúp sự sống dễ dàng tiếp cận và sử dụng.

Vậy tại sao nitơ, loại khí phổ biến nhất trong khí quyển, lại không được sử dụng phổ biến? Giáo sư Canfield lý giải rằng nitơ có liên kết ba – một loại liên kết cực kỳ bền và khó phá vỡ. Một số nhóm sinh vật chuyên biệt có thể phá vỡ các liên kết này để biến nitơ thành dạng có thể hấp thụ sinh học, nhưng quá trình này tiêu tốn nhiều năng lượng và không hiệu quả bằng việc sử dụng oxy.

Tính hữu ích độc đáo của oxy còn bắt nguồn từ vật lý lượng tử. Oxy ở trạng thái cơ bản chỉ có thể tiếp nhận các electron ở cùng trạng thái spin – không phải là một cặp electron như trong phản ứng thông thường. Điều này cho phép oxy tích tụ trong môi trường mà không phản ứng quá sớm, nhưng một khi tiếp nhận electron từng cái một, nó giải phóng năng lượng lớn giúp bơm proton hiệu quả, theo giáo sư Lane.

Cuối cùng, oxy nằm ở vị trí đặc biệt – vừa dễ tiếp cận, vừa đủ ổn định để tồn tại mà không phản ứng ngay lập tức, nhưng vẫn đủ mạnh để tạo ra năng lượng dồi dào khi cần thiết. Nhẹ hơn các halogen như flo và clo, không liên kết quá bền như nitơ, oxy chính là lựa chọn tối ưu cho sự sống trên Trái Đất. Thực vật tạo ra nó mỗi ngày, và các sinh vật khác – trong đó có con người – sử dụng nó để tiếp tục vòng tuần hoàn của sự sống.