¿Por qué la mayoría de los organismos vivos se han adaptado para respirar oxígeno y no cualquier otro elemento?

Porque LEO se vuelve GER. Dejame explicar.

El oxígeno tiene una atracción poderosa para los electrones, que se llama electronegatividad. Esto le da al oxígeno la capacidad de extraer electrones de casi cualquier otro átomo si los necesita. Los químicos dicen que el oxígeno es “infeliz” si no tiene una carga completa de electrones en sus capas de valencia, por lo que reacciona con otros átomos o moléculas que retienen sus electrones con menos energía, quitándoles sus electrones. La clave aquí es que cuando los enlaces de una molécula de “combustible” se rompen, la energía contenida en estos enlaces químicos se libera.

Figura 1: Tabla periódica con electronegatividad listada para cada elemento (números azules grandes). El oxígeno se enumera hacia la esquina superior derecha y, en 3.5, tiene la segunda electronegatividad más alta de cualquier elemento.

Lo que el cuadro anterior nos dice es que, en una competencia por electrones, el oxígeno ganará casi todo el tiempo, incluso si eso significa romper enlaces químicos entre otros átomos.

Los combustibles utilizados por los sistemas biológicos tienen muchos electrones y retienen la energía potencial en los enlaces químicos formados por sus electrones. El oxígeno no puede esperar para sacar estos electrones, liberando la energía en combustibles biológicos como la glucosa. Los enlaces con hidrógeno son uno de los más débiles en términos de retención de sus electrones. Los combustibles como la glucosa, otros azúcares y grasas tienen hidrógeno en abundancia. A medida que el oxígeno reacciona con estos combustibles en una célula (usando una matriz compleja de enzimas, orgánulos y cofactores, pero eso es un tema para otro día), quita los electrones energéticos de la molécula de combustible, esencialmente oxidando (o “quemando” “) eso. La energía que se libera durante este proceso de combustión biológica lento, impulsado enzimáticamente, es capturada por moléculas como el ATP, que actúa como la moneda de energía para la célula. El ATP se usa para alimentar casi todo en la célula, incluida la síntesis de moléculas (ADN, proteínas, lípidos, etc.), el movimiento (por ejemplo, el movimiento de las fibras de actina contra la miosina que causa el movimiento muscular), el transporte de moléculas (por ejemplo, moléculas a través de la membrana celular; sodio y cloruro dentro y fuera de las neuronas para crear impulsos nerviosos) y almacenamiento de energía como el glucógeno y la gluconeogénesis. Una advertencia: las plantas tienen una fuente de energía que no se obtiene de moléculas reducidas, sino de ciertas longitudes de onda de luz y se utiliza principalmente para sintetizar glucosa.

La oxidación no biológica también libera energía

Vemos lo mismo en la naturaleza con petróleo, madera, hierro, aluminio y muchos otros. Donde la madera se quema en presencia de oxígeno, y la energía se libera en forma de plasma caliente y calor, o fuego. Todos los productos derivados del petróleo son solo cadenas de carbono que tienen enlaces solo con átomos de hidrógeno. Al igual que en nuestros cuerpos, los enlaces con estos hidrógenos contienen una gran cantidad de energía potencial. Entonces, cuando hay oxígeno presente, puede arder (u oxidarse rápidamente), liberando calor.

El hierro y el aluminio se oxidan. El hierro se oxida cuando entra en contacto con el oxígeno. El nombre químico del óxido es óxido de hierro III. Contrariamente a la creencia popular, el aluminio se oxida … rápidamente. Más rápido que el hierro. Tan rápidamente que el brillo opaco que asociamos con el aluminio es una capa de óxido de aluminio. Esta capa tiene solo 4 nm de espesor (nm significa nanómetros, o billonésimas de metro). El metal se oxida tan rápido que la capa de “óxido” protege al aluminio debajo de él de la exposición al oxígeno.

Volver a LEO va GER

Entonces, LEO significa Lose Electrons = Oxidation. GER significa Gain Electrons = Reduction. En los sistemas biológicos, la energía se almacena reduciendo moléculas para crear glucosa, lípidos y grasas; y la oxidación se usa para eliminar la energía almacenada de la glucosa, los lípidos y las grasas para crear una molécula que se convierte en la moneda de energía de la célula, con mayor frecuencia ATP. Entonces, el oxígeno se usa para robar electrones de las moléculas de combustible (LEO; oxidación), y en el proceso reduce (GER) el oxígeno, generalmente al agua. Tenga en cuenta que para que tenga lugar la oxidación, otra molécula debe liberar electrones al oxígeno, por lo que la oxidación de una molécula significa la reducción concomitante de otra. El objetivo de estas reacciones químicas es que a medida que la molécula de combustible se oxida, se libera energía y luego se captura, con mayor frecuencia por ATP, en una compleja serie de reacciones entre muchas enzimas y sustratos. Entonces, a nivel celular, necesitamos oxígeno para crear una molécula energética que pueda usarse fácilmente para impulsar reacciones químicas en toda la célula. La forma en que la hemoglobina en los glóbulos rojos transmite oxígeno de los pulmones a las células debe ser objeto de otra publicación.

Para ver cómo se usa la glucosa y la fosforilación para alimentar las células, vea mi respuesta de Mark Cross a ¿Qué es la fosforilación a nivel de sustrato? ¿Cuáles son algunos ejemplos?

NOTA: Samuel ha proporcionado una excelente respuesta para la otra parte de la pregunta sobre qué seres vivos no requieren oxígeno.

No tengo una respuesta completa, pero aquí hay una parcial. En los primeros días de la vida en la tierra no había oxígeno libre. No hay O2 en la atmósfera o disuelto en el océano. De hecho, los océanos eran marrones con hierro disuelto (no óxido de hierro, óxido, sino hierro, que es ligeramente soluble en agua). Solo las formas de vida de una sola célula estaban en la tierra en este momento. Luego surgió un nuevo tipo de vida unicelular: las algas fotosintéticas. Estas algas produjeron el primer oxígeno libre en la tierra, y fue una catástrofe ambiental que resultó en las primeras extinciones masivas globales. El oxígeno gaseoso, O2, es un compuesto extremadamente agresivo y reactivo. Los seres vivos en la tierra en ese momento no estaban adaptados a un entorno que contuviera este gas nocivo. Muchos de ellos rápidamente comenzaron a extinguirse. Los océanos también cambiaron dramáticamente cuando el oxígeno libre reaccionó con el hierro disuelto. El óxido de hierro no es soluble en agua, por lo que el óxido se precipitó de los océanos, creando depósitos con bandas en el fondo del mar: más óxido precipitó en el verano cuando las algas estaban más activas y menos en el invierno, por lo que realmente puede contar el paso de los años en estas formaciones de hierro en bandas que se encuentran en todo el mundo y son parcialmente responsables de que Detroit se convierta en la ciudad del motor (porque Detroit está estratégicamente ubicado cerca de las ricas formaciones de hierro en bandas que se extraen para fabricar acero). Las algas tuvieron un enorme éxito a expensas de muchas otras formas de vida. Los océanos finalmente se aclararon y se volvieron azules después de que todo el hierro disuelto se oxidara y precipitara al fondo del océano. Después de eso, el oxígeno producido por las algas comenzó a concentrarse en la atmósfera y a disolverse en el agua de los océanos porque el oxígeno ya no se consumía por reacción con el hierro en los océanos. A medida que aumentaron las concentraciones de oxígeno libre, eventualmente surgieron nuevas formas de vida que no solo podían sobrevivir en un ambiente rico en oxígeno, sino que también podían aprovechar el oxígeno libre para producir energía a través de procesos metabólicos.

El resto es historia.

El oxígeno es especialmente adecuado para proporcionar energía a grandes formas de vida. Es uno de los oxidantes más efectivos en la tabla periódica (de ahí el término) y puede aceptar dos enlaces, a diferencia del flúor y sus amigos. La digestión de los alimentos es el proceso de quemarlos de manera controlada para liberar la energía química, y generalmente se necesita algún tipo de oxidante para hacerlo.

Si bien hay más de una forma de lograr esa oxidación, el oxígeno es tan útil que es muy probable que una especie exótica desarrolle la capacidad de procesarla, si es que está presente en su entorno, incluso si no son formas de vida basadas en carbono . Y, muchos de nuestros procesos químicos dependen de ello.

Tendría que recrear artificialmente a un humano desde los átomos hacia arriba para que no use oxígeno. Aparte de los otros elementos presentes en la atmósfera, hay oxígeno libre presente.

Para un ejemplo muy cercano a realista de diferentes formas de habitantes vivos, los planes, por ejemplo, inhalan dióxido de carbono para su existencia.

Animales existentes sin oxígeno.

Los animales, llamados Loriciferans debido a su capa protectora, o lorica , fueron descubiertos por un equipo dirigido por Roberto Danovaro de la Universidad Politécnica de Marche en Ancona, Italia. Los animales estaban presentes en el mar Mediterráneo.

Se encontraron tres especies de criaturas, que tienen solo un milímetro de largo y se asemejan a medusas encerradas en conchas, a 2.2 millas (3.5 km) bajo el agua en el fondo del océano, a 124 millas (200 km) de la costa de Creta, en un área casi sin oxígeno .

Las células de la criatura aparentemente carecen de mitocondrias, los orgánulos que usan oxígeno para alimentar una célula. En cambio, son ricos en lo que parecen ser hidrogenosomas, orgánulos que pueden hacer un trabajo similar en entornos anaeróbicos (o libres de oxígeno). El hallazgo podría ayudar a los científicos a comprender cómo podría haber sido la vida en los primeros océanos de la Tierra, que también tenían muy poco oxígeno.

Entonces, posiblemente hay seres vivos que pueden existir sin un oxidante común como el oxígeno.

Los organismos vivos se han adaptado para “respirar” muchos otros elementos. Hay organismos que viven exclusivamente en ambientes sin oxígeno; de hecho, el oxígeno es venenoso para ellos. Se llaman “anaerobios”, y su metabolismo depende de una amplia gama de elementos que actúan como aceptores de electrones pero no son oxígeno, como azufre, hierro, mercurio y más.

También hay muchos organismos que respiran dióxido de carbono y producen oxígeno como producto de desecho. Se llaman “plantas”.

Esta es una muy buena pregunta. Uno pensaría que dado que el nitrógeno es mucho más abundante en la atmósfera y mucho menos reactivo que el oxígeno, sería la opción lógica para la respiración celular. Necesitamos ver esto a través de una perspectiva evolutiva para darle sentido. Hace miles de millones de años, el oxígeno comenzó a acumularse en la atmósfera, que era literalmente venenoso para los organismos anaerobios que habitaban la Tierra. Los organismos que, por casualidad, tenían mutaciones que les permitían usar oxígeno tenían una gran ventaja evolutiva y una frecuencia aumentada. A través de millones de generaciones de selección, los organismos se volvieron predominantemente aeróbicos, lo que sabemos hoy, por supuesto.

Aunque enormemente simplificado, estoy seguro, creo que la evolución es la fuerza impulsora del papel del oxígeno en la respiración celular. No conozco ninguna razón bioquímica de por qué el nitrógeno u otro gas serían físicamente incapaces de conducir la respiración celular, ¡pero sería curioso si alguien lo sabe!

En realidad, si bien la mayoría de los organismos que pensamos usan oxígeno en la respiración, hay muchos organismos unicelulares que respiran sin oxígeno. La respiración anaerobia (respiración sin oxígeno), la fermentación y la metanogénesis son formas de respiración que se producen sin oxígeno. Un grupo de organismos, conocido como anaerobios obligados (que significa ‘restringido a vivir sin aire’), no puede exponerse a niveles normales de oxígeno. Para sobrevivir, deben vivir con seguridad fuera del alcance del oxígeno, ya sea en el intestino de un animal, enterrado en lodo o debajo de un volcán bajo el agua.

La respiración anaeróbica se parece mucho a la respiración celular con la que estamos familiarizados: la glucólisis, el ciclo de Krebs, el ETC uno, con una diferencia importante. Al final de la cadena de transporte de electrones, el aceptor final de electrones no es oxígeno. Por ejemplo, en muchas bacterias y arqueas que habitan los pantanos, los sulfatos reemplazan al oxígeno. Esto produce sulfuro de hidrógeno, que contribuye al mal olor de las zonas pantanosas. La metanogénesis utiliza dióxido de carbono o ácido acético para reemplazar el oxígeno como el receptor de electrones final, produciendo metano. Los metanógenos pueden descomponer la celulosa, lo que los hace populares en el tracto digestivo de las vacas (que producen alrededor de 250 litros de metano por día).

La fermentación es otro proceso respiratorio que evita el oxígeno. Dos variaciones comunes son la fermentación de ácido láctico (que es responsable de los dolores musculares) y la fermentación alcohólica (que, como lo adivinó, produce alcohol). El primer paso de la fermentación es el mismo que el de la respiración aeróbica y anaeróbica: la glucólisis. Posteriormente, las variaciones de la fermentación se ramifican y convierten NADH en NAD + mientras producen sus respectivos productos.

Respuesta corta:
1: Hubo abundancia del elemento después de que las Cianobacterias evolucionaron para sintetizar carbohidratos a partir de CO2.
2: el oxígeno es un poderoso oxidante.

El final de la respiración celular necesita un elemento que pueda aceptar los electrones que ayudan a producir energía para la célula.
Sin un elemento que pueda eliminar los electrones, la respiración celular se detiene y la célula muere por falta de energía.

Hay organismos que usan otros elementos además del oxígeno como oxidante, como SO4 ^ -2, NO3 ^ -, azufre y fumuratos. Pero estos elementos son menos efectivos para aceptar electrones.

Una respuesta un poco más profunda:

(Crédito de la imagen: Wikipedia Commons)

Esta es una imagen de una mitcondria. El orgánulo que produce energía (trifosfato de adenosina o ATP para abreviar) para la célula.

(Crédito de la imagen: Pearson Education)

Y esta es una imagen de cómo se hace esa energía.
El ATP está hecho por un gradiente de protones (H +). Cuando los protones pasan del espacio intermembrana a la matriz mitocondrial a través de la ATP-sintasa. ATP está hecho.

La única forma de construir este gradiente de protones es mediante electrones “potentes” donados de NADH y FADH2 a la membrana mitocondrial interna. Estas electronas hacen que varias proteínas de membrana bombeen protones al espacio intermembrana, por lo que la ATP-sintasa puede continuar produciendo ATP

Ahora aquí está el pateador. Estos electrones potentes deben eliminarse después de haber sido utilizados. Y es por eso que necesitamos un oxidante (algo que pueda aceptar electrones).

Ahora el oxígeno obtuvo su nombre de ser un oxidante fuerte. Y afortunadamente hay mucho de eso. Solo necesitamos respirar O2. O2 irá a las mitocondrias y aceptará las electronas de la membrana mitocondrial interna en el proceso, algunas protones también se unirán a la fiesta. Así obtenemos H2O (agua) como producto.

Si equilibramos la ecuación se verá así:
4 (H +) + O2 + 4 (e-) -> 2 (H2O)

El dióxido de carbono exhalado es un subproducto del proceso de respiración celular, al igual que el agua. En este proceso, se produce energía en las mitocondrias de las células. Esta energía es nuestra “fuerza vital” física. Tanto el oxígeno como la glucosa son necesarios para esto. La glucosa contiene carbono. De ahí proviene el carbono del dióxido de carbono. La glucosa más oxígeno produce dióxido de carbono, agua y energía. Cuando este proceso se detiene, la célula muere.
John Blackhawk, playa de Umina
Los alimentos y bebidas que comemos se pueden dividir en compuestos de carbono, uno de los más simples es la glucosa (C6H12O6). Cuando eso reacciona con el oxígeno (O2) en las células, produce dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). C6H12O6 más 6O2 proporciona 6CO2 más 6H2O más energía. Usamos la energía y el dióxido de carbono se exhala como gas.
Howard Clark, Ryde
Como otras cosas en la vida, respirar no es tan simple. Lo que respiramos está lejos del oxígeno puro, pero aproximadamente en volumen, 78% de nitrógeno, 21% de oxígeno, 0,965% de argón y 0,04% de dióxido de carbono (más algo de helio, agua y otros gases). Los gases permanentes en el aire que exhalamos son aproximadamente 78 por ciento de nitrógeno, 15 a 18 por ciento de oxígeno (retenemos solo una pequeña cantidad), 4 a 5 por ciento de dióxido de carbono y 0,96 por ciento de argón, el CO2, por supuesto, es utilizado por las plantas durante la fotosíntesis
John Moir, Mollymook
Carbohidratos.
Matt Wormald, Bahía neutral
Los árboles y las plantas emiten dióxido de carbono cuando respiran, y cuando mueren y se pudren. Inhalamos oxígeno y algo de este dióxido de carbono. Cuando exhalamos, exhalamos menos oxígeno pero más dióxido de carbono del que inhalamos.
Paul Roberts, Lago Cathie
El carbono que exhalamos como dióxido de carbono proviene del carbono en los alimentos que comemos. Los carbohidratos, las grasas y las proteínas que consumimos y digerimos eventualmente se convierten en glucosa a través de varias vías bioquímicas diferentes en el cuerpo (C6H12O6). La molécula de glucosa se combina con oxígeno en las células del cuerpo en una reacción química llamada “oxidación celular”. Esta reacción química es exotérmica, es decir, produce la energía química que se necesita para impulsar todas las demás reacciones químicas y funciones de una célula. Los productos finales de la oxidación de la glucosa son dióxido de carbono y agua. El dióxido de carbono se disuelve en la sangre, se transporta a los pulmones por la circulación y se exhala.

Bueno, si define un ser vivo como solo animales y humanos, se equivocaría, ¡las plantas también son seres vivos! Y las plantas no necesitan oxígeno para vivir, sobreviven con dióxido de carbono (que satisface sus “otros gases”).

Recientemente, en 2010, los científicos descubrieron que algunos de los primeros animales multicelulares no necesitaban oxígeno, los encontraron en el fondo del océano (la cuenca de L’Atalante del Océano Mediterráneo). Lo interesante es que se descubrió que no tenían mitocondria , que es el orgánulo en animales que ayuda a procesar el oxígeno para alimentar la célula. Tienen lo que parecen ser hidrogenosomas, que actúan como mitocondrias pero sin oxígeno. Muy interesante.

Las bacterias anaerobias son bacterias que tampoco sobreviven con el oxígeno.

Entonces, en general, hay animales y organismos que sobreviven sin oxígeno, nada del tamaño de cerdos o humanos, pero animales de todos modos. La pregunta sobre por qué tantos organismos usan oxígeno en lugar de otros gases es una pregunta completamente diferente e interesante.

ScienceShot: animales que viven sin oxígeno

Eso no es completamente cierto. Hay bacterias anaerobias que viven en áreas sin oxígeno y otros extremófilos que viven del azufre. Los aerobios usan oxígeno que es altamente reactivo pero no tan corrosivo como la mayoría de los halógenos. El oxígeno es uno de los elementos más comunes en la Tierra y es muy reactivo pero templado un poco en comparación con los halógenos como el flúor y el cloro, por lo que la vida puede usarlo sin ser destruido rápidamente por él. No hay otro elemento en su punto óptimo de ser un gas reactivo. El nitrógeno en el elemento número 7 es un gas pero no lo suficientemente reactivo como para hacer mucho. El azufre en el lugar justo debajo del oxígeno es un sólido en STP y también menos reactivo que el oxígeno.

Solo hay unos pocos gases elementales. Los gases nobles y el nitrógeno son demasiado pasivos. El hidrógeno tampoco se ajusta a la factura. Los halógenos son demasiado reactivos. Al igual que la cama del bebé oso, el oxígeno es perfecto.

El metabolismo de todas las formas de vida aeróbicas se basa en el ciclo de Krebs, una serie de reacciones químicas que descomponen los alimentos en energía y bloques de construcción para la construcción celular. Se requiere una entrada constante de oxígeno para estas reacciones. Ciclo del ácido cítrico – Wikipedia

La respiración anaeróbica es utilizada por algunas formas de vida bacterianas, como las levaduras, y también puede producir un metabolismo funcional en ausencia de oxígeno, pero es menos eficiente.

En realidad, quedan algunos microorganismos de los primeros días de la Tierra, microorganismos que respiran CO2 y liberan oxígeno. Ver cianobacterias

Es solo gracias a organismos como estos que la Tierra incluso TIENE una atmósfera rica en oxígeno.

El oxígeno tiene una reacción beneficiosa con el carbono que es fuertemente exotérmica, lo que te ayuda a mantenerte caliente y acelerar la acción enzimática. También tiene la propiedad inusual de que el óxido de hidrógeno es líquido a temperaturas que consideramos normales y también altamente polares, lo que también promueve reacciones orgánicas. Puede haber otras formas de vida que no requieren oxígeno, pero están totalmente fuera de la experiencia humana.

Muchos organismos vivos son plantas y producen más oxígeno del que consumen. Otros son bacterias, algunas de las cuales no usan oxígeno.

Lo que parece haber sucedido fue primero el dominio de un tipo de fotosíntesis que producía oxígeno. Luego, una adaptación masiva de varios organismos a esta nueva atmósfera.

Lo único que ningún organismo ha desarrollado para respirar, y es teóricamente posible, es el gas de cloro (el oxígeno sería mortal para él). Pero como no hay ninguno en este planeta, es por eso.

Es incorrecto, hay organismos que se adaptaron para respirar dióxido de carbono y nitrógeno, y otros.

Probablemente hay algunos que se adaptaron para respirar muchos gases raros, pero no lo sabrías porque se habrían extinguido si no hubiera una alimentación suficiente. Los que se adaptaron, vivieron, los que no, no.

El oxígeno es necesario para la combustión lenta (oxidación) del combustible (alimento) de nuestros cuerpos. Este fue también el caso de nuestras especies ancestrales, y el rasgo se ha transmitido desde entonces.