¿Por qué no usa nitrógeno, que constituye el 78 % de la atmósfera terrestre?
Pensamos en el oxígeno como vida, sustento, literalmente como un soplo de aire fresco. Pero en realidad es un elemento muy reactivo. Cualquiera que haya quemado un tronco lo ha presenciado de primera mano. Entonces, ¿Por qué tantas formas de vida respiran oxígeno?
Probablemente existen miles de tipos de metabolismos o procesos químicos que mantienen la vida, dijo Donald Canfield, geobiólogo de la Universidad del Sur de Dinamarca, pero "prácticamente todos los eucariotas" (formas de vida cuyas células contienen un núcleo) y una amplia gama de procariotas (formas de vida que carecen de núcleo) utilizan oxígeno.
Canfield se refiere principalmente a los heterótrofos: organismos, incluidos los humanos, que obtienen sus nutrientes y energía consumiendo otra materia orgánica. No todos los organismos hacen esto exclusivamente. Por ejemplo, "las plantas obtienen su carbono del CO2 del aire", explicó Dan Mills, investigador postdoctoral de la Universidad de Múnich.
Los heterótrofos descomponen la materia orgánica de los alimentos extrayendo electrones. Estos se transmiten de una enzima a otra en la membrana mitocondrial, generando una pequeña corriente que bombea protones a través de esta barrera. Y dada su alta electronegatividad, el oxígeno generalmente sirve como la estación final en esta cadena de transporte de electrones, aceptando los electrones y recogiendo dos protones para formar agua.
El proceso crea esencialmente un reservorio de protones que luego fluyen a través de un canal de proteína en la membrana como una pequeña presa hidroeléctrica. Y, como una turbina, la proteína sintetiza energía en forma de trifosfato de adenosina (ATP) mientras gira, explicó Nick Lane, profesor de bioquímica evolutiva del University College de Londres, en una presentación pública. La célula puede entonces usar esta energía almacenada o enviarla al cuerpo para realizar actividades.
La vida puede utilizar muchos otros aceptores de electrones, como sulfato, nitrato y hierro, pero el oxígeno es el aceptor de mayor energía disponible.
Imagen: Oxígeno en el océano. Crédito: Klemens Hocke, Institute of Applied Physics, University of Bern
"La reducción de oxígeno proporciona la mayor liberación de energía libre por transferencia de electrones, excepto la reducción de flúor y cloro", explicaron el profesor de la Universidad de Washington David Catling y sus coautores en un artículo publicado en la revista Astrobiology.
El cloro y el oxígeno pueden generar cantidades similares de energía. El flúor, sin duda, podría proporcionar más energía que el oxígeno, pero "el flúor es inútil como oxidante biológico porque genera una explosión al entrar en contacto con materia orgánica", escribieron en el estudio. Ese no es un gas que uno querría respirar.
El cloro y el flúor también son tóxicos, lo que destaca otro beneficio del oxígeno. La respiración aeróbica no produce compuestos tóxicos, solo agua y dióxido de carbono. Sin embargo, la reactividad del oxígeno puede ser un problema si se acumula en los tejidos, donde puede dañar componentes celulares como el ADN y las proteínas. Por eso, los antioxidantes, en moderación, son buenos para la salud.
El oxígeno también es mucho más abundante que el flúor, el cloro o los innumerables aceptores de electrones utilizados en otras formas de respiración. A pesar de su propensión a formar compuestos con otros átomos, se produce constantemente una abundante cantidad de oxígeno mediante la fotosíntesisfotosíntesis. Esto le permite acumularse en la atmósfera y disolverse en el agua, donde está fácilmente disponible para la vida. Y, como gas, es fácil de transportar a través de las membranas, explicaron Canfield y Mills.
Hablando de abundancia, ¿Por qué no usar nitrógeno, que constituye el 78 % de la atmósfera terrestre?
"El principal problema del nitrógeno es su triple enlace", dijo Canfield. "Y es muy difícil de descomponer".
El nitrógeno es un componente importante de muchos compuestos biológicos y hay grupos enteros de organismos que se especializan en los procesos de alto consumo energético necesarios para romper los fuertes enlaces del nitrógeno y hacerlo biodisponible, dijo Canfield.
La utilidad única del oxígeno se basa en la física cuántica. En su estado fundamental, el oxígeno solo puede aceptar electrones en el mismo estado de espín, no como un par de electrones, que es el criterio habitual en química.
"El verdadero truco del oxígeno es que puede acumularse en altos niveles sin reaccionar, pero libera mucha energía (para bombear protones) cuando se le suministran electrones uno a uno", explicó Lane.
Así pues, parece que el oxígeno se encuentra en un punto óptimo de reactividad y disponibilidad. Es más suave que halógenos como el cloro y el flúor, y no presenta una unión tan fuerte como el nitrógeno. Sin embargo, es mucho más reactivo que otros aceptores de electrones, como el sulfato y el nitrato.
El oxígeno es fácil de adquirir y no genera compuestos tóxicos que requieran mayor procesamiento. Además, las plantas producen grandes cantidades de este gas reactivo mediante la fotosíntesis, lo que nos permite usarlo como combustible para nuestro propio cuerpo.
