氧元素是个激进分子,一个独行侠,一个伺机制造混乱的叛逆者。充足的氧气赋予我们活力,但这是有代价的。作为一种资源,氧气的使用成本不低,需要严格的控制措施以限制它的损害。
氧作为元素周期表中的第8号元素,不该因其火爆的脾气而受到非难,这不过是它的构造所决定的。每个氧原子有6个电子可以与其他原子里的电子相互作用。两个氧原子可以配对共享它们的电子,形成一个稳定的分子:O2。这是地球上最常见的氧元素形式,一种无色无味的气体,占空气的20%多一点。但这两个原子的结合方式让这个分子很不寻常。围绕在两个氧原子最外围的12个电子,有些会两两配对,但每个原子上还会留下一个独立电子。
具有未配对电子的分子称为自由基(radical)。虽然这个名字最初源于拉丁语“radix”,意思是“根”,但在化学理论的演变中,它的意思发生了一些改变,它更现代的定义往往和“不稳定”或“极端”联系在一起。电子讨厌单独存在,它们会想尽办法去寻找伴侣,甚至会从其他分子中诱拐电子。有些自由基相比同类而言还算稳定;有一些碰到别的物质,就迫不及待地与之发生反应;还有些在夺取电子的时候,对夺取的分子挑三拣四,具有选择性。具有两个未配对电子的分子称为双自由基,它们通常具有很强的反应活性而很难被分离出来进行保存或观察。氧气(O2)算是一种相对稳定的双自由基,这意味着我们可以安全地被它包围,而不会自燃。但双自由基氧气仍然具有足够的活性,能够与食物结合从而为我们提供能量,与染料和色素结合让它们褪色,与金属结合导致它们生锈。
只有通过光合作用,这种活性元素才能在我们的大气中如此丰富。如果没有植物、细菌和藻类补充供我们呼吸的氧气,那么很久以前,大气中所有的氧气就会与地球上其他元素发生反应,地球上的生命就会走上一条完全不同的演化之路。
动物和植物依靠呼吸作用,让氧气和葡萄糖在体内发生反应并释放能量。但物极必反——大量氧气通过肺被吸入体内,如果任其自由漫步,会造成极大的破坏。氧气需要被引导到特定的位置——线粒体,在那里,一系列酶控制着复杂的化学反应,管理着氧气,让它的化学能量缓慢地释放。
护送氧气小心翼翼地进入线粒体,这个过程非常重要。对氧气来说,最危险的是分子里的一个未配对电子得到了一个电子伙伴。通过获得一个多余的电子,氧变成了“超氧化物”——字面意思就是“虽然还是氧,但获得了额外的能量”——正如很多漫画告诉你的,“能力越大,责任越大”。
通过与水反应,超氧化物可以产生一系列的活性氧(ROS)。活性氧是至关重要的,它们对身体有着非常特殊的作用,比如在细胞之间传递信号,保持体内环境稳定。我们的免疫系统产生了大量的活性氧,用以摧毁入侵的微生物。另外,依赖氧气的生物也必须保护自己不受自身创造出的物质的伤害,为了防止免疫系统过度反应,需要相互制衡。用来破坏细菌的超氧化物可不能破坏身体需要的东西。活性氧的高反应性会破坏脂肪、蛋白质、细胞膜甚至DNA,所以酶必须在体内巡逻,消灭掉失控的活性氧,并修复受损的生物分子。总之,依赖这种活性分子提供能量对我们来说是一把双刃剑。