地球上のほぼすべての生命が酸素を呼吸するのはなぜ？
世界中のあらゆる動物や人間が行う呼吸は、単純な行為のように思えるかもしれませんが、実際には、何十億年も前から続く、地球との静かな協力関係なのです。私たちが吸い込む酸素、この無色無臭のガスは、まさに地球の生命力そのものです。
しかし、酸素は地球上で最も豊富なガスではありません。実際には、窒素が地球の大気の約78%を占めています。では、なぜほとんどすべての生物は酸素を必要とするのでしょうか？その答えは、私たちの生物学的歴史と、私たちの惑星が信じられないほど長い時間をかけてどのように進化してきたかに関係しています。
酸素は、私たちの細胞にエネルギーを供給する燃料であり、地球上の生態系全体を維持する重要な要素です。このギャラリーをクリックして、酸素が地球上の生命にとってこれほど重要な存在となった経緯をご覧ください。
かつて大気のない惑星
地球の初期には、大気には遊離酸素が存在しませんでした。生命は無酸素環境で誕生し、微生物は二酸化炭素、水素、硫黄などの代替ガスを利用して、そのゆっくりとした原始的な代謝を維持していました。
微視的な錬金術師たちの台頭
小さな細菌が、太陽光を利用して水を分解し、副産物として酸素を放出する方法を開発しました。何百万年もの間、この光合成によって、地球の海と大気は酸素で満たされていました。
致命的な危機
酸素の突然の出現は、多くの古代の微生物にとって有毒でした。これは生命の大量絶滅につながりましたが、酸素の力を利用することができる新しい生命体の出現のきっかけにもなりました。
大酸化事件
およそ24億年前、大気中の酸素濃度が急上昇しました。これは、地球の化学的性質において最も劇的な変化のひとつであり、複雑な多細胞生物の出現への道を開きいたのです。
動物の進化
大気中の酸素の増加により、動物はより大きく成長し、複雑な器官を進化させ、神経系を発達させることができました。酸素は動き、記憶、社会的行動、環境認識に必要なエネルギー源を提供したのです。
巨大な生き物
動物や昆虫の進化は、地球の大気中の化学物質と密接に関連しています。石炭紀（3億5,900万～2億9,900万年前）のように酸素濃度が高かった時代には、巨大な昆虫や爬虫類が出現しました。その後、酸素濃度が低下すると、これらの巨大生物は姿を消しました。
反応性
酸素は生命に欠かせない物質ですが、非常に不安定な元素であり、他の物質と容易に反応します。例えば、薪が燃える様子を見ることで、酸素が実際にどれほどエネルギー反応性が高いかを実例として目にすることができます。
有機消費
人間は、他の有機物を消費してすべての栄養分とエネルギーを得る、従属栄養生物と呼ばれる特定の生物群に属しています。この過程は、成功するために酸素に大きく依存しています。
支配的な要素
酸素は、その比類なき効率性から、生命の理想的なパートナーとなりました。細胞は酸素を使って燃料を処理すると、他のどの代謝経路よりもはるかに多くのエネルギーを放出できます。
ミトコンドリア
私たちの細胞内には、ミトコンドリアと呼ばれる微細な構造物が、発電所のような役割を果たしています。ミトコンドリアは酸素を利用して一連の反応を起こし、その最終段階でエネルギーを生み出しています。これは、筋肉の動きから記憶力や免疫機能までの、あらゆる働きを支えています。
空気から生命を抽出する
哺乳類では、酸素は肺から体内に取り込まれ、肺胞と呼ばれる小さな袋に入り、そこから毛細血管に拡散します。赤血球は、体中に酸素を運び、指先から脳細胞に至るまでの組織が、生きて、機能するために必要なものを確実に受け取れるようにします。
酸素の運び手
赤血球には、酸素を正確に捕らえるタンパク質であるヘモグロビンが含まれています。血液が体中を循環するにつれて、ヘモグロビンは肺で酸素を取り込み、それを最も必要とする組織に運びます。
光合成
私たちが呼吸する酸素は、緑色植物や藻類によって生成されています。こうした生物は、太陽光を利用して水分子を分解し、酸素を放出することで、地球の呼吸可能な大気の基盤と、地球の生態系の原動力となっています。
森林伐採
森林が伐採されると、地球は最も重要な酸素源の一つを失います。樹木や植物は二酸化炭素を吸収し、酸素を放出するため、森林の広範囲にわたる伐採は、実際に大気中に存在する酸素の量を減少させてしまいます。
呼吸する惑星
アマゾン熱帯雨林は、その酸素生産量から「地球の肺」と広く認識されています。しかし、過去50年間で、熱帯雨林の約20%が破壊されてしまいました。
静かな管理
地球の酸素が豊富な大気は絶対的なものではありません。それは太陽光、水、そして光合成を行う生物の継続的な相互作用によって維持されています。植物が姿を消したら、数千年以内に酸素濃度が低下し、地球上のほとんどの生命が窒息死します。
微妙なバランス
酸素は反応性がありますが、地球の21%の濃度は理想的な割合です。動物を生かすには十分な濃度でありながら、自然発火を防ぐには十分な低濃度です。この繊細な大気のバランスは、何億年もの間、維持されてきました。
窒素だけでは不十分な理由
窒素は私たちが呼吸する空気の大部分を占めていますが、その分子構造は安定しすぎているため、完全に不活性なガスです。つまり、酸素のように他の物質と反応することはありません。呼吸に関与せず、細胞を生き続けさせるプロセスにおいて酸素の代わりになることもできません。
代替案
一部の微生物は、酸素の代わりに硫酸塩や硝酸塩などの化学物質を使用しますが、この代替物質ははるかに少ないエネルギーしか生成しません。このエネルギーの差が、動物や植物が酸素を好み（そして依存する）ように進化した理由なのです。
息切れ
息を止めたり、高地を訪れたりすると、体は酸素の大切さをすぐに教えてくれます。息切れ、めまい、疲労などはすべて、組織が燃料を欠乏しているために起こります。
臓器の織物
脳、心臓、腎臓、筋肉は安定した酸素供給なしでは機能できません。心臓停止時のような一時的な中断でも、回復不可能な損傷を引き起こす可能性があります。そのため、酸素の供給は人間の生存に不可欠なのです。
活性酸素の危険性
しかし、酸素の力にはリスクも伴います。細胞内ではDNA、タンパク質、膜を損傷する反応性の高い分子を生成する可能性があります。生物は、この有毒な副産物を中和するために、抗酸化物質（酵素やビタミンなど）を進化させました。
酸素を拒絶する
ロリシフェラの一部などの複数の微小動物は、酸素がまったく存在しない深海堆積物に生息しています。しかし、こうした微小動物は酸素をまったく使用せずに代謝を行うように適応しました。生命は、息もできないような場所でも、必ず生き残る方法を見つけることができるのです。
スイッチヒッター
一部の細菌（サルモネラ菌など）は、適応力があります。酸素を好みますが、必要に応じて酸素がなくても生き残ることができます。この代謝の柔軟性こそが、土壌から人間の腸まで、変化する環境の中で生き残る理由のひとつです。
有害な制限
塩素は酸素と同等のエネルギーを生成しますが、毒性が非常に高い物質です。この毒性はフッ素と同様で、化学的潜在能力にもかかわらず、生命を維持する元素として実用化できません。
爆発的な性質
フッ素は理論的には酸素よりも強力ですが、有機物質と接触すると激しく爆発する性質があるため、生物系で安全に使用するにはまったく不向きです。
気体の形態
ガスとして、酸素は膜を容易に透過するため、細胞が吸収しやすい性質があります。興味深いことに、酸素は液体になることができますが、それは-183°Cという極低温下でのみです。同様に-219°Cでは固体になります。
共有サイクル
植物は酸素を放出し、動物がそれを利用します。動物は二酸化炭素を吐き出し、植物がそれを吸収します。この酸素と炭素の循環は、すべての呼吸する生命を連続的な交換で結びつけています。これは、地球上のあらゆる生物種にまたがる、広大な生化学的な握手のようなものです。
すべての呼吸の奇跡
呼吸は、何億年にもわたる生化学的適応によって形作られた、まさに進化の驚異です。酸素を吸い込むことは、私たちを生き続けさせるだけではありません。それは私たちを植物、海、古代の微生物、そして私たちすべてを支えている大気と結びつけているのです。
出典：(Live Science)(The Conversation)(Britannica)(National Institutes of Health)(Khan Academy)
