Кислород является одним из самых распространенных химических элементов на Земле и входит в состав большинства природных соединений. В свободном состоянии он находится в атмосфере, где его содержится около 20%.
Кислород обладает крайне высокой реакционной способностью, поэтому подавляющее большинство природных минералов представляют собой соединения различных элементов с кислородом. Воздействие кислорода и его соединений является основной причиной коррозии искусственно создаваемых человеком материалов, используемых в технике и быту.
Наблюдается парадокс – высокое содержание свободного кислорода в атмосфере противоречит его высокой реакционной способности, поскольку в этом случае весь кислород воздуха должен был бы перейти в связанную форму, чего в действительности не наблюдается и содержание кислорода в воздухе является стабильным.
Для объяснения этого феномена была разработана биогенетическая теория происхождения атмосферного кислорода, согласно которой основным источником свободного кислорода является фотосинтез растений, которые поглощают из атмосферы углекислый газ и синтезируют из него простейшие углеводы. При этом солнечная энергия, улавливаемая хлорофиллом растений, расходуется на восстановление углерода из углекислоты, в результате чего образуется кислород.
Как было установлено геологическими исследованиями, на момент зарождения жизни на Земле атмосфера состояла главным образом из азота, аммиака, метана и сероводорода.
Отличался по химическому составу и первый океан, богатый легко окисляемыми химическими соединениями, поэтому первые бактерии для жизнедеятельности использовали хемосинтез, то есть процесс синтеза питательных веществ не за счет использования энергии солнечного света, а за счет энергии различных химических реакций. Такие микроорганизмы существуют и в настоящее время и обитают в средах, богатых легко окисляемым субстратом. По мере накопления биомассы в «первичном бульоне» молодой планеты происходило постепенное истощение легко окисляемых субстратов, что привело к появлению первых микроорганизмов, способных к фотосинтезу и менее зависимых от «сырьевой базы», что позволило им осваивать более широкую и разнообразную среду обитания. Такими первыми одноклеточными растениями были сине-зеленые водоросли, которые и в настоящее время составляют основную массу фитопланктона мирового океана, и, по оценкам специалистов, производят основную массу атмосферного кислорода.
Бурный рост сине-зеленых водорослей привел к качественным изменениям атмосферы и минерального состава горных пород древней Земли. Увеличение концентрации кислорода в атмосфере сделало возможным его использование живыми организмами для окисления органического субстрата в качестве альтернативного хемосинтезу и намного более эффективного источника энергии. Этот процесс мы и называем дыханием. Благодаря этому революционному прорыву в биохимии живых организмов стало возможным их разделение на растения и животный мир, животных - на «травоядных» и «плотоядных» и развитие современного типа биоценоза.
Допуск свободного кислорода во внутреннюю среду организма с одной стороны открыл богатейший источник энергии, а с другой - породил массу проблем контроля за процессами окисления. Дыхание в живых организмах, как и горение, является цепной реакцией и связано с образованием в качестве промежуточных соединений свободных радикалов. Свободные радикалы обладают крайне высокой реакционной способностью и могут оказывать повреждающее действие на любые химические соединения и любые клеточные структуры организма. Наиболее вредными радикалами в организме являются свободный атомарный кислород, супероксид, НО-радикал и соединение НО-радикала с окисью азота. Соединение НО-радикала с окисью азота наиболее активно повреждает ДНК, что лежит в основе генетических мутаций и злокачественных новообразований. Сходное явление наблюдается при облучении организма ионизирующей радиацией – происходит радиолиз воды с образованием свободных радикалов и повреждением клеточных структур, в том числе ДНК.
Существование живых организмов в химически агрессивной кислородной среде вынудило их в процессе эволюции развить различные механизмы защиты от ее повреждающего воздействия, которые принято называть антиоксидантными системами.