Nous considérons l’oxygène comme la vie, la subsistance, une bouffée littérale d’air frais. Mais c’est en fait un élément très réactif. Quiconque est brûlé un journal a été témoin de cela de première main. Alors pourquoi tant de formes de vie respirent l’oxygène?
Il existe probablement des milliers de types de métabolismes ou de processus chimiques qui maintiennent la vie, dit Donald Canfieldgéobiologiste à l’Université du sud du Danemark, mais « pratiquement toutes les eucaryotes » (formes de vie dont les cellules contiennent un noyau) et un vaste tableau de procaryotes (les formes de vie qui n’ont pas de noyau), utilisent l’oxygène.
Canfield parle principalement des hétérotrophes – les organismes, y compris les humains, qui obtiennent leurs nutriments et leur énergie en consommant d’autres matières organiques. Tous les organismes ne le font pas exclusivement. Par exemple, « les plantes tirent leur carbone du CO2 dans les airs », a déclaré Dan Millschercheur postdoctoral à l’Université de Munich.
Les hétérotrophes décomposent la matière organique dans les aliments en enlevant des électrons. Ceux-ci sont passés d’une enzyme à une autre dans la membrane des mitochondries, générant un petit courant qui pompe des protons à travers cette barrière. Et compte tenu de sa haute électronégativité, l’oxygène sert généralement de station finale à ce sujet chaîne de transport d’électronsaccepter les électrons et ramasser deux protons pour former l’eau.
Le processus crée essentiellement un réservoir de protons qui inondent ensuite à travers un canal protéique dans la membrane comme un minuscule barrage hydroélectrique. Et, comme une turbine, la protéine synthétise l’énergie sous forme d’adénosine triphosphate (ATP) comme il tourne, expliquée Nick Laneprofesseur de biochimie évolutive à l’University College de Londres, dans un présentation publique. La cellule peut ensuite utiliser cette énergie emballée ou l’envoyer dans le corps pour faire des choses.
La vie peut utiliser beaucoup Autres accepteurs d’électrons – comme le sulfate, le nitrate et le fer – mais l’oxygène est l’accepteur la plus énergique disponible.
« La réduction de l’oxygène offre la plus grande libération d’énergie libre par transfert d’électrons, à l’exception de la réduction du fluor et du chlore », professeur de l’Université de Washington David Catling et ses co-auteurs ont expliqué dans un papier Publié dans la revue Astrobiologie.
Le chlore et l’oxygène peuvent générer des quantités d’énergie similaires. Le fluor pourrait certainement fournir plus d’énergie que l’oxygène, mais « le fluor est (…) inutile comme un oxydant biologique car il génère une explosion au contact de la matière organique », ont-ils écrit dans l’étude. Ce n’est pas un gaz que vous voudriez respirer.
Le chlore et le fluor sont également toxiques, ce qui met en évidence un autre avantage de l’oxygène. La respiration aérobie ne produit pas de composés toxiques, juste de l’eau et du dioxyde de carbone. Cependant, la réactivité de l’oxygène peut être un problème si elle s’accumule dans les tissus, où elle peut endommager les composants cellulaires comme l’ADN et les protéines. C’est pourquoi antioxydants, avec modérationsont bons pour notre santé.
L’oxygène est également beaucoup plus abondant que le fluor, le chlore ou la myriade d’accepteurs d’électrons utilisés dans d’autres formes de respiration. Malgré sa propension à la formation de composés avec d’autres atomes, une grande quantité d’oxygène est constamment produite via photosynthèse. Cela lui permet de s’accumuler dans l’atmosphère et de se dissoudre dans l’eau, où il est facilement accessible à la vie. Et, en tant que gaz, il est facile de transporter à travers les membranes, a expliqué Canfield et Mills.
En parlant d’abondance, pourquoi ne pas utiliser d’azote, qui représente 78% de l’atmosphère de la Terre?
« Le principal problème d’azote est qu’il est triple lié », a déclaré Canfield. « Et c’est très, très difficile à casser. »
L’azote est une composante importante de nombreux composés biologiques, et il existe des groupes entiers d’organismes qui se spécialisent dans les processus à forte intensité énergétique nécessaires pour briser les liaisons fortes de l’azote pour la rendre biodisponible, a déclaré Canfield.
L’utilité unique d’oxygène se résume à physique quantique. L’oxygène dans son état fondamental normal ne peut accepter les électrons que dans le même état de spin, et non comme une paire d’électrons, qui est la monnaie habituelle de chimie.
« Donc, la véritable astuce pour l’oxygène est qu’elle peut s’accumuler à des niveaux élevés sans réagir, mais libère beaucoup d’énergie (pour pomper les protons) lorsqu’il est nourri d’électrons un à la fois », a déclaré Lane à Live Science dans un e-mail.
Il semble donc que l’oxygène se trouve dans un endroit idéal de réactivité et de disponibilité. C’est plus doux que halogènes comme le chlore et le fluor, et il n’est pas trop fortement, comme l’azote. Mais c’est beaucoup plus réactif que les autres accepteurs d’électrons, comme le sulfate et le nitrate.
L’oxygène est facile à acquérir et ne génère pas de composés toxiques qui nécessitent un traitement ultérieur. De plus, les plantes produisent de grandes quantités de ce gaz réactif par la photosynthèse, nous permettant de l’utiliser pour alimenter notre propre corps.
