ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับออกซิเจน

หายใจเข้า…หายใจออก อ่า ไชโยสำหรับออกซิเจนองค์ประกอบที่รักษาชีวิตให้มากบนโลกฮัมเพลง

องค์ประกอบหมายเลข 8 บนตารางธาตุขององค์ประกอบเป็นก๊าซที่ไม่มีสีที่คิดเป็น 21 เปอร์เซ็นต์ของบรรยากาศของโลก เพราะมันอยู่รอบ ๆ ออกซิเจนจึงง่ายต่อการยกเลิกเป็นหมองคล้ำและเฉื่อย ในความเป็นจริงมันเป็นปฏิกิริยาที่ไม่ได้เป็นโลหะมากที่สุด

โลกได้รับออกซิเจนมาประมาณ 2.3 พันล้านถึง 2.4 พันล้านปีและระดับเริ่มคืบคลานขึ้นอย่างน้อย 2.5 พันล้านปีก่อนการศึกษาที่ได้รับทุนสนับสนุนจากนาซ่า 2550- ไม่มีใครรู้ว่าทำไมก๊าซที่เป็นมิตรกับปอดนี้จึงกลายเป็นส่วนสำคัญของบรรยากาศ แต่เป็นไปได้ว่าการเปลี่ยนแปลงทางธรณีวิทยาบนโลกนำไปสู่ออกซิเจนที่เกิดจากสิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์ด้วยแสงที่ติดอยู่รอบ ๆ แทนที่จะถูกบริโภคในปฏิกิริยาทางธรณีวิทยา

เพียงแค่ข้อเท็จจริง

• จำนวนอะตอม (จำนวนโปรตอนในนิวเคลียส): 8
• สัญลักษณ์อะตอม (บนตารางธาตุขององค์ประกอบ): o
• น้ำหนักอะตอม (มวลเฉลี่ยของอะตอม): 15.9994
• ความหนาแน่น: 0.001429 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร
• เฟสที่อุณหภูมิห้อง: แก๊ส
• จุดหลอมเหลว: ลบ 361.82 องศาฟาเรนไฮต์ (ลบ 218.79 องศาเซลเซียส)
• จุดเดือด: ลบ 297.31 องศา F (ลบ 182.95 องศา C)
• จำนวนไอโซโทป (อะตอมขององค์ประกอบเดียวกันที่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน): 11; สามคอก
• ไอโซโทปที่พบมากที่สุด: O-16 (99.757 เปอร์เซ็นต์ความอุดมสมบูรณ์ตามธรรมชาติ)

ลมหายใจแห่งชีวิต

ออกซิเจนเป็นองค์ประกอบที่อุดมสมบูรณ์มากที่สุดเป็นอันดับสามในจักรวาลตามสิ่งอำนวยความสะดวกของ Thomas Jefferson National Accelerator- อย่างไรก็ตามปฏิกิริยาของมันทำให้มันค่อนข้างหายากในบรรยากาศของโลกต้น

ไซยาโนแบคทีเรียซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตที่ "หายใจ" โดยใช้การสังเคราะห์ด้วยแสงใช้ในคาร์บอนไดออกไซด์และออกซิเจนหายใจออกเช่นเดียวกับพืชสมัยใหม่ ไซยาโนแบคทีเรียมีแนวโน้มที่จะรับผิดชอบต่อออกซิเจนแรกในโลกซึ่งเป็นเหตุการณ์ที่รู้จักกันดีว่าเป็นเหตุการณ์ออกซิเดชันที่ยิ่งใหญ่

การสังเคราะห์ด้วยแสงโดยไซยาโนแบคทีเรียมีแนวโน้มอย่างต่อเนื่องก่อนที่จะมีระดับออกซิเจนในระดับที่สำคัญในชั้นบรรยากาศของโลก การศึกษาเดือนมีนาคม 2014 ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Geoscience พบว่าหินอายุ 2.95 พันล้านปีที่พบในแอฟริกาใต้มีออกไซด์ที่จะต้องใช้ออกซิเจนฟรีในรูปแบบ หินเหล่านี้เดิมอยู่ในทะเลตื้นโดยบอกว่าออกซิเจนจากการสังเคราะห์แสงเริ่มสะสมในสภาพแวดล้อมทางทะเลประมาณครึ่งพันล้านปีก่อนที่มันจะเริ่มสะสมในชั้นบรรยากาศประมาณ 2.5 พันล้านปีก่อน

ชีวิตในวันนี้ขึ้นอยู่กับออกซิเจนอย่างมาก แต่การสะสมครั้งแรกขององค์ประกอบนี้ในชั้นบรรยากาศนั้นไม่มีอะไรสั้น ๆ จากภัยพิบัติ บรรยากาศใหม่ทำให้เกิดการสูญพันธุ์ของ anaerobes จำนวนมากซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตที่ไม่ต้องการออกซิเจน Anaerobes ที่ไม่สามารถปรับตัวหรืออยู่รอดได้ในที่ที่มีออกซิเจนเสียชีวิตในโลกใหม่นี้ -Infographic: บรรยากาศของโลกจากบนลงล่าง-

กรอไปข้างหน้า - ไปข้างหน้า มนุษย์คนแรกที่หมึกมีออกซิเจนเป็นองค์ประกอบอยู่ในปี 1608 เมื่อนักประดิษฐ์ชาวดัตช์คอร์เนเลียสเดบเบลรายงานว่าการให้ความร้อนของเครื่องใช้เกลือ (โพแทสเซียมไนเตรต) ปล่อยก๊าซราชสมาคมเคมี(RSC) ตัวตนของก๊าซนั้นยังคงเป็นปริศนาจนถึงปี 1770 เมื่อนักเคมีสามคนมาบรรจบกันในการค้นพบมากหรือน้อยในเวลาเดียวกัน นักเคมีชาวอังกฤษและนักบวชโจเซฟ Priestly แยกออกซิเจนโดยการส่องแสงแดดบน Mercuric ออกไซด์และเก็บก๊าซจากปฏิกิริยา เขาตั้งข้อสังเกตว่าเทียนที่เผาผลาญอย่างสดใสในก๊าซนี้ตาม RSC ขอบคุณบทบาทของออกซิเจนในการเผาไหม้

นักบวชตีพิมพ์ผลการวิจัยของเขาในปี 1774 ตีคาร์ลวิลเฮล์มสตีลนักวิทยาศาสตร์ชาวสวิสซึ่งได้แยกออกซิเจนในปี 1771 และเขียนเกี่ยวกับเรื่องนี้ แต่ไม่ได้ตีพิมพ์งาน ผู้ค้นพบคนที่สามของออกซิเจนคือ Antoine-Laurent de Lavoisier นักเคมีชาวฝรั่งเศสที่ให้ชื่อเป็นชื่อ คำนี้มาจาก "oxy" และ "ยีน" กรีกหมายถึง "การขึ้นรูปกรด"

ออกซิเจนมีอิเล็กตรอนทั้งหมดแปดตัว - วงโคจรสองวงโคจรของนิวเคลียสในเปลือกด้านในของอะตอมและวงโคจรหกวงในเปลือกนอกสุด เปลือกนอกสุดสามารถเก็บอิเล็กตรอนได้ทั้งหมดแปดอิเล็กตรอนซึ่งอธิบายถึงแนวโน้มของออกซิเจนที่จะทำปฏิกิริยากับองค์ประกอบอื่น ๆ : เปลือกนอกของมันไม่สมบูรณ์และอิเล็กตรอนจึงมีอิสระสำหรับการถ่าย (และการให้)

ใครจะรู้?

• ในฐานะก๊าซออกซิเจนมีความชัดเจน แต่เป็นของเหลวมันเป็นสีน้ำเงินอ่อน
• หากคุณเคยสงสัยว่าการว่ายน้ำในสระออกซิเจนเหลวจะเป็นอย่างไรคำตอบคือ: หนาวมากมากจากข้อมูลของ Carl Zorn จาก Thomas Jefferson National Accelerator- ออกซิเจนจะต้องลงไปที่ลบ 297.3 F (ลบ 183.0 C) ให้เป็นของเหลวดังนั้น Frostbite จะเป็นปัญหา
• ออกซิเจนน้อยเกินไปเป็นปัญหา มากเกินไป การหายใจออกซิเจน 80 เปอร์เซ็นต์เป็นเวลานานกว่า 12 ชั่วโมงทำให้เกิดการหายใจทางเดินหายใจและในที่สุดก็อาจทำให้เกิดการสะสมของเหลวหรืออาการบวมน้ำจากข้อมูลของมหาวิทยาลัยฟลอริดาและ บริษัท Air Products-
• ออกซิเจนเป็นคุกกี้ที่ยาก: การศึกษา 2012 ที่ตีพิมพ์ในวารสารจดหมายทบทวนทางกายภาพพบได้มากกว่าโมเลกุลออกซิเจน (O2) สามารถอยู่รอดได้แรงกดดันสูงกว่าความดันบรรยากาศ 19 ล้านเท่า
• ระดับต่ำสุดของออกซิเจนที่เคยบันทึกไว้ในเลือดมนุษย์ถูกวัดใกล้กับยอดเขาเอเวอเรสต์ในปี 2552 นักปีนเขามีระดับออกซิเจนในหลอดเลือดโดยเฉลี่ย 3.28 กิโลกรัม เปรียบเทียบกับค่าปกติที่ 12 ถึง 14 กิโลกรัมและคำว่า "เขตความตาย" นั้นมีเหตุผลมากมาย ผลการวิจัยถูกตีพิมพ์ในไฟล์วารสารการแพทย์นิวอิงแลนด์-
• ขอบคุณพระเจ้าสำหรับบรรยากาศของออกซิเจน 21 เปอร์เซ็นต์ ประมาณ 300 ล้านปีที่แล้วเมื่อระดับออกซิเจนถึง 35 เปอร์เซ็นต์แมลงสามารถเติบโตได้มากขึ้น: คิดว่าแมลงปอกับปีกของเหยี่ยว-

งานวิจัยปัจจุบัน

ออกซิเจนก่อตัวขึ้นในหัวใจของดวงดาวโดยมีการผสมผสานของนิวเคลียสคาร์บอน -12 และนิวเคลียสฮีเลียม -4 (หรือที่รู้จักกันในชื่ออนุภาคอัลฟ่า) อย่างไรก็ตามเมื่อไม่นานมานี้นักวิทยาศาสตร์สามารถมองเข้าไปในนิวเคลียสของออกซิเจนและคลี่คลายโครงสร้างของมัน

ในเดือนมีนาคม 2014 นักฟิสิกส์มหาวิทยาลัยแห่งรัฐนอร์ ธ แคโรไลน่าคณบดีลีและเพื่อนร่วมงานของเขารายงานว่าพวกเขาคิดว่าโครงสร้างนิวเคลียร์ของออกซิเจน -16 ซึ่งเป็นไอโซโทปที่พบมากที่สุดของออกซิเจนในสถานะพื้นดิน (รัฐที่อิเล็กตรอนทั้งหมดอยู่ในระดับพลังงานต่ำที่สุด)

ทำไมสิ่งนี้จึงมีความสำคัญ? เพื่อให้เข้าใจว่านิวเคลียสก่อตัวเป็นดาวฤกษ์ตั้งแต่คาร์บอนไปจนถึงออกซิเจนไปจนถึงองค์ประกอบที่หนักกว่า - คือการเข้าใจว่าการสร้างบล็อกของจักรวาลรวมกันอย่างไร ลีและทีมงานของเขาค้นพบว่านิวเคลียสของโมเลกุลคาร์บอน -12 ที่มีโปรตอนหกตัวและนิวตรอนหกตัวนั้นทำจากสามกลุ่มอนุภาคแต่ละกลุ่มมีโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัว หากคาร์บอน -12 มีกลุ่มอัลฟ่าที่เรียกว่าสามกลุ่มนักวิจัยให้เหตุผลว่าออกซิเจน -16 มีแนวโน้มที่จะมีสี่เนื่องจากมีโปรตอนแปดตัวและนิวตรอนแปดตัว

การใช้การจำลองซูเปอร์คอมพิวเตอร์และตาข่ายตัวเลขนักวิจัยสามารถดูได้ว่าอนุภาคในนิวเคลียสออกซิเจน 16 จะจัดเรียงตัวเองอย่างไร พวกเขาพบว่าในสถานะพื้นดินของออกซิเจน -16 มีกลุ่มอัลฟ่าสี่กลุ่มจัดเรียงอย่างเรียบร้อยในเตตเฮดตรอน

“ กลุ่มอัลฟ่าเหล่านี้เป็นเหมือนทรงกลมเล็ก ๆ น้อย ๆ ของอนุภาคทั้งสี่นี้หรือนิวเคลียสเหล่านี้และทรงกลมฟัซซี่เหล่านี้ชอบสัมผัสกันโดยการมีปฏิสัมพันธ์กับพื้นผิวบางอย่าง” ลีบอกกับวิทยาศาสตร์การใช้ชีวิต การกำหนดค่า Tetrahedron ช่วยให้พวกเขาได้รับดีและสบาย

แต่มีความลึกลับควอนตัมอื่นที่รอการคลี่คลาย สถานะภาคพื้นดินของออกซิเจน 16 และรัฐที่ตื่นเต้นครั้งแรกมีคุณสมบัติที่ผิดปกติ พวกเขาทั้งสองมีการหมุนเหมือนกัน - ค่าที่ระบุว่าอนุภาคหมุนได้อย่างไร พวกเขาทั้งสองยังมีความเท่าเทียมกันในเชิงบวกซึ่งเป็นวิธีการบ่งชี้ความสมมาตร ลองนึกภาพการกลับด้านซ้ายและขวาในจักรวาลทั้งหมด แต่ต้องเก็บอนุภาค subatomic ไว้ในรูปร่างเดียวกัน อนุภาคที่มีความเท่าเทียมกันในเชิงบวกจะสามารถมองเข้าไปในจักรวาลกระจกนี้และมองว่าตัวเองเป็นพวกเขา อนุภาคที่มีความเท่าเทียมกันเชิงลบจะต้องพลิก-ฟล็อปเพื่อไม่ให้มันจบลงด้วยการอ่านข้อความในกระจก

“ ความลึกลับคือสาเหตุที่สองรัฐที่ต่ำที่สุดของออกซิเจน -16 มีการหมุนเป็นศูนย์และความเท่าเทียมกันในเชิงบวก” ลีกล่าวเนื่องจากรัฐต่างกัน

การจำลองให้คำตอบ: ในสภาวะที่ตื่นเต้นออกซิเจน -16 จัดเรียงนิวเคลียสของมันให้ดูเหมือนสถานะพื้นดินเล็กน้อย แทนที่จะจัดให้มีการจัดเรียง tetrahedral อนุภาคอัลฟ่าจัดเรียงตัวเองในระนาบสี่เหลี่ยมจัตุรัสหรือใกล้สี่เหลี่ยมจัตุรัส

“ โครงสร้างที่แท้จริงของพวกเขานั้นแตกต่างกัน” ลีกล่าว การกำหนดค่าที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิงอธิบายว่าการหมุนและความเท่าเทียมกันจะยังคงเหมือนเดิมได้อย่างไร - นิวเคลียสใช้เส้นทางที่แตกต่างกันไปสู่ผลลัพธ์เดียวกัน

ยังคงมีปฏิสัมพันธ์ควอนตัมมากขึ้นในนิวเคลียสออกซิเจน 16 เพื่อแยกออก Lee กล่าวและรายละเอียดที่ละเอียดยิ่งขึ้นเพื่อค้นพบ

“ จริง ๆ แล้วมีสิ่งที่น่าสนใจมากมายที่เกิดขึ้นภายในสิ่งเล็ก ๆ น้อย ๆ เช่นนิวเคลียส” เขากล่าว "และมีเรื่องราวที่ได้รับการบอกเล่าเกี่ยวกับวิธีที่พวกเขากำลังทำอยู่ตอนนี้เราเริ่มที่จะสามารถพูดได้"

งานของลีมองว่าการเกิดของออกซิเจนในดวงดาว อีกสายหนึ่งของการวิจัยออกซิเจนมุ่งเน้นไปที่บทบาทขององค์ประกอบในชีวิตบนโลก ไม่นานหลังจากเหตุการณ์ออกซิเดชันครั้งใหญ่เมื่อประมาณ 2.4 พันล้านปีก่อนระดับออกซิเจนอาจถึงหรือเกินระดับของวันนี้ก่อนที่จะล่ม Daniel Mills ผู้สมัครระดับปริญญาเอกของ Nordic Center for Earth Evolution ที่ University of Southern Denmark กล่าว ชีวิตสัตว์ไม่ได้ปรากฏขึ้นจนกระทั่งในภายหลังโดยมีสัตว์ที่ง่ายที่สุดปรากฏขึ้นเมื่อประมาณ 600 ล้านปีก่อน

แม้จะมีทฤษฎีที่ว่าการเพิ่มขึ้นของออกซิเจนปูทางไปสู่การดำรงอยู่ของสัตว์ แต่เรื่องราวก็ดูเหมือนจะซับซ้อนมากขึ้น สัตว์ไม่ปรากฏในช่วงแรกที่มีการชนกันอย่างมีนัยสำคัญครั้งแรกในระดับออกซิเจนของโลกเมื่อ 2.4 พันล้านปีก่อน และในเดือนกุมภาพันธ์ 2014 มิลส์และเพื่อนร่วมงานของเขารายงานในวารสาร PNASฟองน้ำสมัยใหม่นั้นยังสามารถหายใจกินและเติบโตในระดับออกซิเจน 0.5 เปอร์เซ็นต์ถึง 4 เปอร์เซ็นต์ของสิ่งที่พบในชั้นบรรยากาศของโลกในปัจจุบัน ฟองน้ำเป็นสัตว์ที่มีชีวิตที่คล้ายกันมากที่สุดสำหรับสัตว์ตัวแรกในโลกมิลส์บอกกับวิทยาศาสตร์การมีชีวิต

การค้นพบว่าฟองน้ำไม่จำเป็นต้องมีออกซิเจนสูงเพื่อมีชีวิตอยู่ชี้ให้เห็นว่ามีสิ่งอื่นที่มีส่วนทำให้ชีวิตสัตว์ครั้งแรกเพิ่มขึ้น - แม้ว่าออกซิเจนที่เพิ่มขึ้นอาจจำเป็นต้องมีความหลากหลายและระบบนิเวศที่เราเห็นในวันนี้มิลส์กล่าว แม้ในยุคปัจจุบันสัตว์เช่นหนอนไส้เดือนฝอยเจริญเติบโตในพื้นที่ออกซิเจนต่ำของมหาสมุทรเขากล่าวเสริม

“ มีวิวัฒนาการของสัตว์มากกว่าการจัดหาออกซิเจนที่เพียงพอ” มิลส์กล่าว

ทรัพยากรเพิ่มเติม

• กราฟิกแบบโต้ตอบที่สร้างโดยสถาบันการแพทย์ Howard Hughes ด้วยแสดงประวัติทางธรณีวิทยาของออกซิเจนเริ่มต้นประมาณ 3.8 พันล้านปีก่อน
• เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับสิ่งที่ประกอบขึ้นเป็นบรรยากาศของโลกวันนี้ทุกอย่างเกี่ยวกับความดันอากาศและปริมาณและสภาพอากาศที่ไซต์เด็กนี้โดยศูนย์วิจัยบรรยากาศแห่งชาติ

ติดตามวิทยาศาสตร์สด@livescience-Facebook-Google+-