Warum atmen wir keinen Stickstoff ein, wenn er den größten Teil der Luft ausmacht?

Tiere verwenden Sauerstoff als chemische Energiequelle, weil Sauerstoffgas mit vielen anderen Verbindungen reagieren kann, um Oxide zu bilden, die Energie freisetzen und spontan passieren.

Sowohl Kohlenstoff als auch Stickstoff können mit Sauerstoff zur Reaktion gebracht werden, aber ansonsten sind sie ziemlich inert. Von allen Gasen in der Luft, die zu über einem Bruchteil eines Prozents vorhanden sind, ist Sauerstoff das einzige, das wir zur Energiegewinnung nutzen können.

Wasserstoff (und Schwefel) sind beide mögliche Ersatzstoffe für Sauerstoff in der Rolle der Redox-Energiequelle, aber normalerweise ziemlich kleine Bestandteile unserer Umwelt. Auf einem anderen Planeten könnten sie die Grundlage des Biostoffwechsels sein.

Die Tatsache, dass Pflanzen Kohlendioxid verwenden können, um Kohlenstoff zu binden, ist natürlich ein anderer Fall von Biologie, die ein Gas aus der Luft verwendet. Es ist die bestimmende Qualität von Pflanzen!

Die Energetik der Verwendung von CO2 ist endotherm – sie erfordert Energiezufuhr. Sie müssen Sonnenlicht verwenden, um die Energie zu erhalten, um diese Energie zu nutzen, und es ist energetisch sehr kostspielig. Tiere können es sich leisten, sich zu bewegen und zu wachsen, weil sie Sauerstoff verbrauchen, während sie Pflanzen fressen.

Ich würde argumentieren, dass wir all diese Gase "atmen". Luft, die wir einatmen (auf Meereshöhe), besteht zu etwa 78 % aus N$_2$, 20,9 % O$_2$, 1 % Argon und kleinere Prozentsätze von CO$_2$, Neon, Methan usw. All diese Gase gehen also mit jedem Atemzug in die Lunge.

Wir nehmen bevorzugt Sauerstoff auf, weil wir Hämoglobin haben , um O zu binden$_2$. Wenn Hämoglobin den Sauerstoff bindet, stört es das Gleichgewicht und zieht mehr Sauerstoff durch die Alveolarmembran. Dies wird durch den Lungenkreislauf unterstützt, der das Blut abtransportiert. Hier ist eine Demo des Diffusionsprozesses.

Stickstoff ist viel weniger reaktiv als Sauerstoff. In der Tat, wenn ich meine lange zurückliegenden Chemiekurse nicht völlig vergessen habe, sind die meisten chemischen Reaktionen, an denen N2 beteiligt ist, energieaufwändig. So erhalten Sie Stickstoffverbindungen, die durch Blitze, in Automotoren und an anderen Orten entstehen, an denen viel Energie übrig bleibt.

Sauerstoffreaktionen, OTOH, erzeugen Energie. Sie könnten anstelle von Feuer denken: Die meisten organischen Stoffe brennen (wenn sie getrocknet sind), aber sie verbinden sich nur mit dem Sauerstoff in der Luft, nicht mit dem Stickstoff.

PS: In der Tat benötigen viele Stickstoffverbindungen so viel Energie, dass sie explosiv sind. Ammoniumnitrat, Nitroglycerin, Trinitrotoluol (TNT), sogar das Kaliumnitrat (Salpeter), das zur Herstellung von Schießpulver verwendet wird.

Die Bindung in Sauerstoffmolekülen ist hochenergetisch und bereit, eine energieliefernde Reaktion mit anderen Molekülen wie Zucker einzugehen.

Die Bindung in Stickstoff ist für uns nicht chemisch nützlich ... andere Organismen verwenden Energie, um Stickstoff zu "fixieren", um energiereiche Stickstoffverbindungen herzustellen, die wir verwenden können .

Den anderen Antworten scheint die Rolle von Sauerstoff bei der oxidativen Phosphorylierung zu fehlen, da wir als Organismus mit aerobem Stoffwechsel Sauerstoff für seine Elektronegativität verwenden. Grundsätzlich wird beim Abbau von Glukose Energie in Form freier Elektronen freigesetzt, diese werden zur Verwendung in der oxidativen Phosphorylierung „transportiert“, um neues ATP zu erzeugen, das unsere Hauptform der Energiespeicherung ist. Sauerstoff nimmt diese freien Elektronen im letzten Schritt der oxidativen Phosphorylierung bereitwillig auf und verbindet sich mit H+ zu H ₂ O. Siehe hier .

Ohne Sauerstoff würde es also zu einer Ansammlung von Elektronen kommen, die die oxidative Phosphorylierung stoppen und uns zwingen würde, Glukose auf die (weniger effiziente) anaerobe Weise abzubauen.

Diese Antwort besteht aus zwei Teilen, und mehrere Antworten haben einen oder beide Aspekte angesprochen, aber ich dachte, ich würde alles an einem Ort zusammenfassen.

1) Wir verwenden Sauerstoff für einen Zweck, für den Stickstoff chemisch unbrauchbar ist

2) Es gibt zwar einen anderen Zweck, für den wir Stickstoff verwenden möchten, aber es ist etwas, das sich nur schwer entwickeln lässt (nur Bakterien haben es geschafft), und wir können darauf verzichten.

Erläuterungen:
1) Wir verbrauchen Sauerstoff, weil unser Stoffwechsel ihn zur Energiegewinnung nutzt. Unser Stoffwechsel gewinnt chemische Energie aus dem Abbau komplexer Kohlenstoffmoleküle; dies geschieht nicht von selbst und Sie benötigen sehr reaktive Moleküle, um mit diesen komplexen Kohlenstoffmolekülen zu interagieren und sie abzubauen. Alle Organismen tun dies Schritt für Schritt, indem sie aufeinanderfolgende "Elektronenakzeptoren" verwenden, um im Grunde genommen Elektronen von immer einfacheren Molekülen abzustreifen und sie so zu zerlegen. Molekularer Sauerstoff ist das reaktivste Molekül und der gierigste Elektronenakzeptor da draußen und ermöglicht es Organismen, die ihn verwenden, die größtmögliche Energie aus einem bestimmten Kohlenhydrat herauszuholen. Deshalb ist die aerobe Atmung so nützlich, und dafür verwenden wir Sauerstoff. Molekularer Stickstoff hat völlig andere chemische Eigenschaften; es ist nicht so elektronegativ (dh gierig nach Elektronen) überhaupt. Es gibt andere Moleküle, die als Elektronenakzeptoren verwendet werden können und in verschiedenen Formen der anaeroben Atmung verwendet werden: Nitrat, Sulfat, Kohlendioxid ... aber molekularer Stickstoff gehört nicht dazu.

Für verschiedene Arten der anaeroben Atmung siehe:
https://en.wikipedia.org/wiki/Microbial_metabolism

2) Es GIBT einen Zweck, für den man molekularen Stickstoff verwenden könnte, nämlich ihn zum Aufbau stickstoffbasierter Moleküle zu verwenden, von denen unser Körper abhängig ist – wie DNA, RNA und Proteine, die im Grunde alles in einem lebenden Organismus tun. Kein Organismus nutzt hierfür molekularen Stickstoff als Quelle; Es ist viel einfacher, organische Stickstoffverbindungen wie Nitrate und Ammoniak zu verwenden. Es kann albern erscheinen, dass solche Verbindungen so einschränkend sind, wenn Stickstoff den größten Teil der Atmosphäre ausmacht! Dies ist weniger ein Problem für Fleischfresser, da wir unseren gesamten Stickstoffbedarf durch den Verzehr stickstoffgefüllter Tiere decken, aber es ist ein großes Problem für Pflanzen. Der Bedarf an solchen Verbindungen (und in geringerem Maße an Phosphaten) ist der Grund, warum die Landwirtschaft Düngemittel benötigt. Warum also können sehr, sehr wenige Organismen molekularen Stickstoff abbauen? Weil es ein sehr stabiles Molekül ist; wenn du' Wenn Sie sich mit Chemie beschäftigt haben, wissen Sie vielleicht, dass die beiden Stickstoffatome im Stickstoffmolekül durch eine Dreifachbindung verbunden sind, die sehr stark und schwer zu brechen ist. Dies kann ein wichtiger Grund sein, warum sich der Stoffwechsel zum Aufbrechen dieser Bindung nur in Bakterien entwickelt hat und alle Eukaryoten durch die Verwendung der Bakterien selbst (stickstofffixierende Pflanzen) stickstoffgefüllte Organismen (Fleischfresser, fleischfressende Pflanzen - das ist der Grund, warum sie re fleischfressend!) oder mit dem organischen Stickstoff auskommen, der dank stickstofffixierender Bakterien natürlicherweise im Boden vorkommt.

https://en.wikipedia.org/wiki/Stickstofffixierung

Übrigens nutzt der von Menschen hergestellte Dünger den Haber-Prozess, der molekularen Stickstoff in der Atmosphäre in Ammoniak umwandelt. Wenn Sie sich übrigens die Wikipedia-Seite ansehen, bekommen Sie eine Vorstellung davon, wie schwer es ist, diese dreifache Bindung zwischen den Katalysatoren und den hohen Temperaturen und Drücken zu brechen ... Aber durch diesen Prozess könnte man argumentieren, dass die Menschheit als ein Art "atmet" Stickstoff.

https://en.wikipedia.org/wiki/Haber_process

Also im Grunde, tl;dr:

1) wir müssen keinen Stickstoff atmen
2) wenn wir es täten, würde unser Körper es immer noch nicht tun, weil es wirklich schwer zu tun ist; kein Eukaryot tut es, außer vielleicht der Mensch selbst, aber nur durch Technologie.

Wie andere bereits betont haben, atmen wir atmosphärischen Stickstoff ein, aber wir können nichts Nützliches damit anfangen.

Das Problem ist, dass das dreifach gebundene N ₂ sehr reaktionsträge ist und fast alle Tiere und Pflanzen es nicht in etwas anderes umwandeln können. Menschen haben nicht die Fähigkeit, es zum Beispiel zu NH ₃ zu reduzieren , aber es wäre großartig, wenn wir es könnten.

Alle Lebensformen brauchen Stickstoff. Es ist zum Beispiel notwendig, Protein und DNA herzustellen. Es ist auch sehr reichlich. N ₂ macht etwa 78 Volumenprozent der Luft aus , aber es liegt in einer Form (N ₂ ) vor, die von den meisten Lebensformen nicht verwendet werden kann. Und darin liegt das Problem: Um den Luftstickstoff zu nutzen, muss er „fixiert“, dh in eine Form umgewandelt werden, die der „normalen“ Stoffwechselumwandlung zur Verfügung steht. Dies wird üblicherweise so verstanden, dass N ₂ in NH ₃ umgewandelt werden muss . Nur sehr wenige Lebensformen sind dazu in der Lage. Die "Fixierung" von N ₂ ist auch ein großes industrielles Problem.

Wie von Rozenn Keribin beschrieben , ist das Haber-Bosch- Verfahren, das Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelt wurde , das erste künstliche Verfahren zur erfolgreichen „Fixierung“ von N ₂ , das einen Metallkatalysator und hohen Druck verwendet, um die folgende Umwandlung zu erreichen:

N ₂ + 3 H ₂ → 2 NH ₃

Dieser Prozess bleibt heute die wichtigste industrielle Quelle von NH ₃ und ist eine „Hauptstütze“ der Düngemittelindustrie. Während des Ersten Weltkriegs war es auch eine NH ₃ -Quelle für die deutsche Munitionsproduktion. Für seine Arbeiten auf diesem Gebiet erhielt Haber 1918 den Nobelpreis für Chemie, eine (umstrittene) Ehrung, die sicherlich die Zeit überdauert hat.

Die biologische N ₂ -Fixierung ist eine erstaunliche Geschichte , und ich werde die Diskussion auf ein erstaunliches Enzym beschränken: Nitrogenase . Dieses Enzym katalysiert die ATP-abhängige Reduktion von N ₂ zu NH ₃

(Auf Leguminosen, die N ₂ auch durch eine symbiotische Beziehung mit Bakterien in Wurzelknöllchen „fixieren“ können, werde ich nicht eingehen, da ich darüber nicht genug weiß).

In der Natur ist [die] Fähigkeit, N ₂ zu fixieren , auf eine kleine, aber vielfältige Gruppe diazotropher Mikroorganismen beschränkt, die das Enzym Nitrogenase enthalten (Burgess & Lowe, 1996)

Eine Art von Nitrogenase (die Molybdän enthält) katalysiert die folgende Reaktion:

N ₂ + 8 H ⁺ + 8 e ^- + 16 ATP → 2 NH ₃ + H ₂ + 16 ADP + 16 P _i

Lassen Sie uns das hier analysieren: Das ist eine Acht-Elektronen-Reduktion, die 16 ATPs verbraucht, nur um aus einem N _{2 zwei NH 3} zu machen !

Nitrogenasen können je nach Metallgehalt in 3 allgemeine Typen eingeteilt werden: Molybdän-Nitrogenase, Vanadium-Nitrogenase und Nur-Eisen-Nitrogenase. (Alle Formen enthalten Eisen).

Die biologische Stickstofffixierung wurde von Martinus Beijerinck und Hermann Hellriegel entdeckt . Außerdem entdeckte Beijerinck, dass die Tabakmosaikkrankheit durch ein Virus verursacht wurde. Beide erhielten keinen Nobelpreis.

Ref

Bürger, B.K. & Lowe, DJ (1996) Mechanismus der Molybdän-Nitrogenase- Chem. Rev. 96 , 2983–3011

Grundsätzlich wird, wenn Luft unsere Alveolen füllt, durch den Diffusionsprozess nur Sauerstoff in der Luft in den Blutkreislauf aufgenommen, während die anderen Gase zusammen mit dem Abfall-CO2 ausgeatmet werden. Sie atmen also Stickstoff ein, aber er wird so wie er ist vom Körper ausgeatmet. Der gesamte Prozess des Atmungssystems wird hier mit Diagrammen erklärt.