Interessante Geschichte | 78 % der Erde besteht aus Stickstoff. Warum können Menschen zum Überleben nur Sauerstoff aufnehmen?

Die Atmosphäre besteht zu 78 % aus Stickstoff und nur zu 21 % aus Sauerstoff. Warum also entwickelten sich Tiere dahingehend, dass sie Sauerstoff atmen, obwohl ein größerer Bedarf an Stickstoff bestand? Manche Bäume binden Stickstoff über ihre Wurzeln, aber gibt es Tiere, die auf Stickstoff angewiesen sind?

Wir alle (Menschen, Tiere und Pflanzen) sind auf Stickstoff angewiesen, da jedes Protein Stickstoff als einen seiner Bausteine ​​enthält.

Der Mensch gewinnt Stickstoff aus pflanzlichen und/oder tierischen Quellen, um Proteine ​​herzustellen. Selbst Pflanzen (und Bakterien), die Stickstoff fixieren können, können Stickstoff aus der Luft nicht direkt zum Aufbau von Proteinen verwenden, sondern nutzen ihn in Form von Ammoniak oder als Nitrate.

Warum Sauerstoff? Sauerstoff kann in einer exothermen Reaktion mit Kohlenhydraten reagieren und so Energie liefern. Stickstoff zeigt keine ähnliche Reaktion.

Stickstoff ist eine ziemlich inerte Chemikalie (er reagiert zwar, aber nicht so stark wie Sauerstoff – weshalb er in der Atmosphäre ziemlich stabil ist, während Sauerstoff durch Photosynthese ständig regeneriert werden muss).

Und was noch interessanter ist: Könnte sich Leben unter Verwendung von Chlor als Oxidationsmittel gebildet haben? Um Chlor aus Natriumchlorid oder anderen Chloriden herzustellen, wäre eine ganz andere Art der Photosynthese erforderlich. Wenn es jedoch eine solche Photosynthese gegeben hätte, wäre es nicht unwahrscheinlich, dass sich einige Lebensformen so entwickelt haben könnten, dass sie Energie gewinnen, indem sie den Photosyntheseprozess mit Hilfe von freiem Chlor umkehren, so wie Tiere heute den sauerstoffbasierten Photosyntheseprozess von Pflanzen umkehren.

Es gibt Mikroorganismen, die Stickstoff verwerten können (sie sind für die Stickstofffixierungsfähigkeit von Pflanzen wie Bohnen verantwortlich). Aber wie oben erwähnt (die chemische Formel für Stickstoff) ist N2-Gas weniger reaktiv. Das Aufbrechen der N-N-Bindung erfordert mehr Energie.

Lebewesen gewinnen Energie aus chemischen Reaktionen, die mit der Übertragung von Elektronen verbunden sind, sogenannten Redoxreaktionen. Als Elektronendonatoren können verschiedene Substanzen verwendet werden, und als Elektronenakzeptoren können verschiedene Substanzen verwendet werden.

Bei Tieren ist O2 ein Elektronenakzeptor. Einige Organismen können Nitrat (NO3), Nitrit (NO2), Sulfat (SO4), Kohlendioxid und Eisen(III) als Elektronenakzeptoren verwenden.

Ich bin mir nicht sicher, warum wir uns im Laufe der Evolution so entwickelt haben, dass wir Sauerstoff verwenden. Ich vermute jedoch, dass es etwas mit der relativen Häufigkeit von Dingen wie O2, Glukose und Wasser und dem Energieverbrauch am Ende zu tun hat, da nicht alle Redoxreaktionen die gleiche Menge an Energie produzieren.

Hier ist eine lustige kleine Tatsache. Pro Gewicht enthalten Chocolate Chip Cookies mehr Energie als TNT. Das scheint nicht richtig zu sein, denn ich kann kein Auto mit einem Schokoladenkeks in die Luft jagen, selbst wenn ich es mit einem Feuerzeug anzünde. Der Unterschied zwischen beiden hängt mit der Geschwindigkeit zusammen, mit der Energie freigesetzt wird. Und ich vermute, dass einige chemische Reaktionen für manche Organismen Energie zu schnell oder zu langsam freisetzen.

Das wahre Geheimnis besteht darin, dass Sauerstoff die wichtigste chemische Energiequelle ist, die luftatmende Organismen nutzen möchten.

Aus der Sicht eines Physikochemikers (ich habe wenig Wissen und keine Fachkenntnisse in Physiologie oder Medizin):

Sauerstoff ist eine Chemikalie mit sehr hoher Energie. Stickstoff ist eine Chemikalie mit sehr geringer Energie.

Der derzeit in der Erdatmosphäre vorhandene Sauerstoff ist ein biogenes Gas. Dies ist ein Überschuss aus 2 Milliarden Jahren Photosynthese: Sonnenenergie + Wasser + Kohlendioxid (oder Bicarbonat-Ionen aus dem Ozean) -> Kohlenhydrate + Sauerstoff + chemische Energie. Die chemische Energie wird zwischen Kohlenhydraten und Sauerstoff verteilt. Der Großteil davon muss sauerstoffabhängig sein, da man die meiste Energie aus dem anaeroben (ohne Sauerstoff) Abbau von Kohlenhydraten gewinnen kann.

Kohlenhydrate -> Graphit + Wasser

Wenn Sauerstoff vorhanden ist, stehen nur etwa 15 % der Energie zur Verfügung

Kohlenhydrate + Sauerstoff -> Kohlendioxid + Wasser.

Stickstoff ist nicht nur reaktionsträge, ihm fehlt auch die chemische Energie. Daher ist die einzige Energie, die für eine Reaktion mit Stickstoff zur Verfügung steht, die chemische Energie der anderen Reaktanten.

Alle Lebewesen benötigen Stickstoff in anderen Formen als Baustein für Proteine, die für ihre Funktion von zentraler Bedeutung sind. Der Grund für den „niedrigen chemischen Energiebedarf“ liegt darin, dass stickstofffixierende Organismen normalerweise (wenn nicht immer) in symbiotischen Beziehungen mit anderen Organismen leben: „Ich werde meinen Stickstoffbedarf durch die Chemie des atmosphärischen Stickstoffs decken und außerdem für mein weiteres Überleben und meine Vermehrung sorgen, wenn du meinen Energiebedarf decken kannst.“

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