Trong quá trình hô hấp tế bào, đặc biệt ở sinh vật nhân chuẩn (như con người, động vật, thực vật, nấm...) oxy đóng vai trò là chất nhận electron cuối cùng trong chuỗi vận chuyển electron tại ti thể - Ảnh: AI
Chúng ta thường xem oxy như biểu tượng của sự sống, là "luồng sinh khí" không thể thiếu trong từng hơi thở. Thế nhưng, về mặt hóa học, oxy lại là một nguyên tố có phản ứng mạnh, điều mà ai từng nhóm lửa, đốt củi đều có thể cảm nhận trực tiếp.
Oxy: Vừa là sự sống, vừa là mối đe dọa
Tính oxy hóa của oxy đủ để ăn mòn kim loại, phá hủy tế bào, và là nguyên nhân chính tạo ra các gốc tự do, tác nhân gây tổn thương DNA và lão hóa.
Vậy tại sao rất nhiều sinh vật, đặc biệt là sinh vật nhân chuẩn (eukaryote) như con người vẫn phụ thuộc vào oxy để sống?
"Có lẽ trong tự nhiên tồn tại hàng ngàn kiểu chuyển hóa năng lượng khác nhau, nhưng gần như tất cả các sinh vật nhân chuẩn và rất nhiều sinh vật nhân sơ (prokaryote) đều sử dụng oxy để sống", GS. Donald Canfield, chuyên gia địa sinh học tại Đại học Nam Đan Mạch cho biết.
Ở các sinh vật dị dưỡng, tức là lấy năng lượng bằng cách tiêu hóa vật chất hữu cơ khác (như người hoặc động vật), quá trình tạo năng lượng diễn ra trong ti thể của tế bào. Trong đó, các phân tử hữu cơ bị bẻ gãy, giải phóng electron, và các electron này được truyền qua chuỗi enzym trên màng ti thể.
Cuối chuỗi, oxy đóng vai trò "trạm cuối cùng" nhận electron, nhờ độ âm điện cao, và kết hợp với proton (H⁺) để tạo thành nước (H₂O). Quá trình này tạo ra một chênh lệch điện thế giống như xây dựng một "hồ chứa" proton bên ngoài màng. Khi proton tràn ngược vào qua một protein đặc biệt hoạt động như tuabin, nó quay và tạo ra ATP, "đồng tiền năng lượng" của tế bào.
ATP sau đó được sử dụng để điều hành mọi hoạt động trong cơ thể: từ co cơ, truyền tín hiệu thần kinh, tổng hợp protein đến duy trì cân bằng ion tế bào.
Vì sao không dùng nitơ hay khí khác?
Nitơ tuy dồi dào, nhưng rất ổn định và trơ về mặt hóa học, nó gần như không tham gia vào các chuỗi phản ứng sinh học để tạo năng lượng.
Trong khi đó, ngoài oxy, một số sinh vật kỵ khí (sống không cần oxy) có thể dùng các chất nhận electron khác như: sunfat (SO₄²⁻), nitrat (NO₃⁻), hay ion sắt (Fe³⁺). Tuy nhiên, tất cả các chất này đều cho ít năng lượng hơn nhiều so với oxy.
"Sự khử oxy (O₂) giải phóng năng lượng tự do cao nhất trên mỗi lần truyền electron, chỉ đứng sau fluor và chlor, vốn là các chất quá độc để sự sống sử dụng", GS. David Catling (Đại học Washington) chia sẻ trên tạp chí Astrobiology.
Do đó, oxy là lựa chọn lý tưởng nhất của sự sống, ít nhất là trên Trái đất.
Không phải sinh vật nào cũng thích oxy
Tuy oxy hiệu quả, không phải sinh vật nào cũng "ưa" nó. Một số vi khuẩn kỵ khí sống hoàn toàn không cần oxy, và thậm chí còn bị oxy giết chết do hệ thống bảo vệ khỏi oxy hoạt tính của chúng kém phát triển. Những sinh vật này thường sống ở môi trường yếm khí như đáy biển, lòng đất, hoặc ruột động vật.
Kể từ khi thực vật và vi khuẩn lam bắt đầu tạo ra oxy qua quang hợp cách đây hơn 2,5 tỉ năm, Trái đất đã chuyển dần sang một môi trường nhiều oxy, thúc đẩy các sinh vật hô hấp bằng oxy phát triển và chiếm ưu thế, mở đường cho sự sống đa bào và động vật phức tạp như chúng ta ngày nay.
Một câu hỏi rất thú vị được đặt ra là "Nếu có sự sống ngoài hành tinh, chúng có cần oxy không?". Câu trả lời là có thể có, cũng có thể không.
Theo các nhà sinh vật học vũ trụ, sự sống ngoài hành tinh có thể phát triển theo hướng sử dụng các chất nhận electron khác, tùy thuộc vào thành phần khí quyển của hành tinh đó.
Nhưng nếu hành tinh có điều kiện tương tự Trái đất, với nguồn oxy sẵn có, thì sinh vật thông minh sử dụng oxy sẽ có lợi thế tiến hóa vượt trội, vì đơn giản: oxy giúp tạo ra nhiều năng lượng hơn bất kỳ lựa chọn nào khác.
