活性氧物质
氧气是一种可以帮助我们获取能量的有用物质。呼吸的目的就是为了吸取氧气，以便进行反应产生能量。除了少数的厌氧菌之外，地球上的生物几乎全都是利用氧气取得能量。氧气是生物生存不可或缺的要素。氧气经过反应之后，最终会形成水，但氧分子转换为水分子的过程中，会有一瞬间处于反应性极强的状态，这是进行化学反应时的必然现象。这种高反应性的氧称为活性氧物质。
氧会形成反应性强的状态。
自由基除了氧气之外，还有一类氧化作用很强的化学分子称为自由基。实际上活性氧、活性氧物质、基（radical）、自由基等名词各有不同的定义。去除居家霉斑时使用的漂白水（除霉剂），或是自来水、游泳池消毒时添加的次氯酸都属于自由基的一种。人体内也有自由基，可以想像成体内也有类似杀霉菌漂白水的物质。
自由基的反应性极强。 生物以巧妙的方式利用自由基。例如白血球和巨噬细胞就能产生大量的自由基，消化吞噬进入细胞内的异物（入侵人体的病毒、细菌，或是癌细胞等）。使用细胞内的自由基杀死吃进来的细菌。清除浴室墙壁上的霉菌时，喷上消毒水之后可以观察到霉斑渐渐消失。白血球细胞中发生的也是类似的反应。白血球的杀菌作用与自由基有关。
自由基造成的损伤
既然自由基可以杀死细菌，如果作用在自己体内的细胞，也会引起各式各样的细胞损伤。比较知名的例子包括细胞膜成分中的正常脂质发生过氧化反应造成的损伤，或是蛋白质或核酸（DNA或RNA）遭到变性分解等。除了直接的损伤之外，有许多情况下物质与自由基反应后，会形成另一种作用更强的物质，引发二次伤害。有非常多疾病或癌症的产生，或是老化，都和自由基有很深的关系。除霉清洁剂接触皮肤，或是误食时，会造成很严重的伤害，各位想像在人体中也会发生类似的反应就可以知道其严重性了。
自由基作用在自己身上会引起各式各样的损伤。
各位应该知道放射线会引起遗传物质的异常吧。原因就是细胞内的氧被放射线转换为自由基，自由基造成遗传物质变性。农药中毒（巴拉松中毒）是因为巴拉松在肺脏中和氧气反应，产生大量自由基，引起重度的肺脏损伤。即使没有接触放射线或巴拉松中毒，生物只要使用氧气就一定会产生自由基，有理论认为这些自由基是造成老化或细胞癌化的原因。
自由基与老化和癌化有关。
自由基对生物危害的防御机制：使用氧气必定会产生自由基。生物虽然具备自由基的防御机制，但各部位的能力强弱有别。用火作为譬喻，如果把燃烧的柴火当作氧气，那么喷出的火星就是自由基。
呼吸困难的时候会给予氧气作为治疗。但是长时间使用高浓度的氧气反而会造成肺部损伤。人类如果持续呼吸百分之百的氧气，只要几天肺脏就会完全丧失功能。因为高浓度氧气会产生大量自由基，伤害肺组织。因此，如果必须长期使用人工呼吸器时，要尽量避免高浓度的氧气。
呼吸百分之百的氧气，形成的自由基会造成肺部损伤。
脂质通常很容易受到自由基影响而被氧化，氧化后的脂质称为过氧化脂质。细胞膜由脂质构成，如果其中的脂质变成过氧化脂质，细胞膜的构造会很容易被破坏，使得细胞整体受损，引起器官损伤。过氧化脂质也会进入血液，造成血管病变和其他器官的损伤。
对自由基的防御机制
然而，生物也不会完全放任自由基产生危害，生物体内具有完善的自由基防御机制。第一种机制是抑制自由基产生，第二种机制可捕捉产生出来的自由基，然后让自由基变安定，第三种则是修复已经造成的损伤。
生物具有对自由基防御机制。
捕捉自由基使其变得安定的主要方式是使用还原剂（也就是抗氧化剂）。最著名的是过氧化氢酶（将过氧化氢分解为水和氧）、过氧化物歧化酶（去除过氧化物的活性，简称SOD）等酵素，维生素C和维生素E也具有还原剂的作用。除了还原剂之外，血液中的血红素、胆红素、尿酸、白蛋白等物质也能够去除自由基。红酒中含的多酚类物质也具有还原作用，因此理论上来说，红酒可以抑制自由基的损伤，预防癌症或老化。但也不可以武断地光凭这一点就下结论认为只要喝红酒就能长寿。