Quang hợp và hô hấp

Quang hợp chia nước thành O2 tự do và cố định CO2 thành đường theo chu trình Calvin.

Trong tự nhiên, ôxy tự do được sinh ra từ việc phân giải nước trong quá trình quang hợp ôxy dưới tác động của ánh sáng. Theo một vài ước tính, tảo lục và cyanobacteria trong các môi trường biển cung cấp khoảng 70% ôxy tự do được tạo ra trên Trái Đất và phần còn lại là từ thực vật trên đất liền.[45] Các tính toán khác về sự đóng góp từ đại dương vào ôxy trong khí quyển cao hơn, trong khi một vài ước tính thì thấp hơn, đề xuất rằng các đại dương tạo ra khoảng 45% ôxy trong khí quyển mỗi năm.[46]

Công thức tính đơn giản từ quá trình quang hợp là:[47]

6 CO2 + 6 H2O + photons → C6H12O6 + 6 O2

Tiến hóa ôxy Photolytic xảy ra trong màng thylakoid của các sinh vật quang hợp và cần năng lượng của 4 photon.[lower-alpha 2] Mặc dù trải qua nhiều công đoạn, nhưng kết quả là tạo thành sự chênh lệch proton qua màng thylakoid, nó được sử dụng để tổng hợp ATP qua photophosphorylation.[48] Phân tử O2 còn lại sau khi ôxy hóa phân tử nước được giải phóng vào khí quyển.[lower-alpha 3]

Phân tử O2 là cần thiết cho việc hô hấp của tế bào trong tất cả các sinh vật hiếu khí. Ôxy được sử dụng trong mitochondria để giúp tạo ra adenosine triphosphate (ATP) trong quá trình phosphoryl hóa ôxy hóa. Phản ứng của hô hấp hiếu khí là quá trình ngược lại với quang hợp::

C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 2880 kJ·mol−1

Ở động vật có xương sống, O2 khuếch tán qua các màng trong phổi và đi vào các tế bào máu đỏ. Hemoglobin kết hợp với O2, làm thay đổi màu sắc của nó từ đỏ thẩm sang đỏ tươi[28] (CO2 được giải phóng từ phần khác của hemoglobin tua hiệu ứng Bohr). Các động vật khác sử dụng hemocyanin (Mollusca và một số arthropoda) hoặc hemerythrin (nhện và tôm hùm).[44] Một lít máu có thể hòa tan 200 cm3 O2.[44]

Các loại ôxy phản ứng như ion superoxit (O−2) và hydrogen peroxit (H2O2), là các sản phẩm phụ nguy hiểm của ôxy sử dụng trong sinh vật.[44] Tuy nhiên, các bộ phận của hệ miễn dịch của các sinh vật bậc cao, tạo ra peroxide, superoxide, và ôxy nguyên tử để phá hủy các vi sinh vật xâm nhập. Loại ôxy phản ứng cũng có vai trò quan trọng trong phản ứng siêu nhạy cảm của thực vật chống lại các tác nhân gây bệnh.[48]

Một người trưởng thành hít 1,8-2,4 gam chất ôxy mỗi phút.[49] Lượng này tương đương 6 triệu tấn ôxy được hít vào do con người mỗi năm.[lower-alpha 4]

Hàm lượng trong cơ thể

Áp suất riêng phần của ôxy trong cơ thể người (PO2)

Đơn vị	Áp suất khí phế nang phổi	Ôxy động mạch	Khí máu tĩnh mạch
kPa	14,2	11[50]-13[50]	4.0[50]-5.3[50]
mmHg	107	75[51]-100[51]	30[52]-40[52]

Áp suất riêng phần của ôxy tự do trong cơ thể của động vật có xương sống còn sống là cao nhất trong hệ hô hấp, và giảm dọc theo hệ động mạch, mô ngoại vi và hệ tĩnh mạch..[53]

Tạo nên khí quyển

O2 tạo nên khí quyển Trái Đất: 1) O2 không được tạo ra; 2) O2 được tạo ra, nhưng bị hấp thụ trong đại dương và đá dưới đáy biển; 3) O2 bắt đầu hình thành ở dạng khí thoát ra khỏi đại dương, nhưng được hấp thụ trong các bề mặt đất và hình thành tầng ôzôn; 4–5) O2 lắng đọng dưới biển đầy và tích tục ở dạng khí trong khí quyển

Khí ôxy tự do hầu như không tồn tại trong khí quyển Trái Đất trước khi archaea và vi khuẩn tiến hóa, có lẽ vào khoảng 3,5 tỉ năm trước. Ôxy tự do xuất hiện đầu tiên với một lượng lớn trong suốt đại cổ sinh (giữa 3,0 và 2,3 tỉ năm trước).[54] Trong 1 tỉ năm đầu, bất kỳ dạng ôxy tự do được sinh ra từ các sinh vật này đã kết hợp với sắt hòa tan trong các đại dương để hình thành nên các tầng sắt tạo dãi. Khi ôxy này chìm xuống trở nên bảo hòa, ôxy tự do bắt đầu thoát ra ở dạng khí từ các đại dương cách nay 3–2,7 tỉ năm, đạt đến 10% với mức như hiện nay vào khoảng 1,7 tỉ năm trước.[54][55]

Sự có mặt của một lượng lớn ôxy hòa tan và ôxy tự do trong các đại dương và trong khí quyển có thể đã thúc đẩy các sinh vật yếm khí đang sống đến bờ vực tuyệt chủng trong suốt thảm họa Ôxy cách nay khoảng 2,4 tỉ năm. Tuy nhiên, việc hô hấp của tế bào sử dụng O2 cho phép các sinh vật hiếu khí tạo ra nhiều ATP hơn sinh vật yếm khí, giúp cho sinh vật hiếu khí chiếm phần lớn trong sinh quyển Trái Đất.[56]

Từ khi bắt đầu kỷ Cambri cách nay 540 triệu năm, hàm O2 dao động trong khoảng 15% và 30% theo thể tích.[57] Càng về cuối kỷ Cacbon (300 triệu năm trước) mức O2 khí quyển đạt đến giá trị lớn nhất chiếm 35% thể tích,[57] điều này đã góp phần làm cho côn trùng và lưỡng cư có kích thước lớn vào thời điểm đó.[58] Hoạt động của con người như đốt 7 tỉ tấn nhiên liệu hóa thạch mỗi năm đã có ảnh hưởng rất ít đến hàm lượng ôxy tự do trong khí quyển.[22] Với tốc độ quang hợp hiện nay, có thể sẽ mất khoảng 2.000 năm để tạo ra toàn bộ O2 trong khí quyển hiện tại.[59]