Почему живые организмы дышат именно кислородом: объяснение ученых

Когда мы говорим о чем-то жизненно необходимом, мы употребляем сравнение "нужно, как кислород". И действительно, этот химический элемент участвует в жизнедеятельности почти всех живых организмов на планете. Что может казаться странным, ведь на самом деле кислород – очень активное вещество, которое быстро вступает в бурное взаимодействие с другими элементами.

Но почему именно кислород выбрала эволюция, чтобы обеспечивать жизнедеятельность внутри подавляющего большинства организмов? Издание LiveScience обратилось к ученым за объяснением этого парадокса.

Так, по словам Дональда Кэнфилда, геобиолога из Университета Южной Дании, существуют, вероятно, тысячи видов метаболизма, или химических процессов, поддерживающих жизнь, но "практически все эукариоты" (формы жизни, клетки которых содержат ядро) и множество прокариот (формы жизни, не имеющие ядра), используют кислород. В первую очередь речь идет о гетеротрофах – организмах, которые получают питательные вещества и энергию, потребляя другие органические вещества. К гетеротрофам относится и человек. Однако не все организмы полагаются на такой тип питания. Например, "растения получают углерод из CO2 в воздухе", уточнил Дэн Миллс, постдокторант Мюнхенского университета.

В процессе жизнедеятельности гетеротрофы разлагают органические вещества в пище, забирая у них электроны. Эти электроны впоследствии передаются от одного фермента к другому в мембране митохондрий, создавая небольшой ток, который перекачивает протоны через этот физический барьер. Учитывая его высокую электроотрицательность, кислород обычно служит конечной станцией в этой электронно-транспортной цепи, принимая электроны и захватывая два протона – так образуется вода.

Этот процесс, по сути, создает резервуар протонов, которые затем перетекают через белковый канал в мембране, что напоминает работу крошечной электростанции. И, подобно турбине, белок синтезирует энергию в форме аденозинтрифосфата (АТФ) во время своего вращения, объяснил в публичном выступлении Ник Лейн, профессор эволюционной биохимии в Университетском колледже Лондона. Затем клетка может использовать эту упакованную энергию или передавать ее организму для выполнения различных задач.

Жизнь может использовать много других акцепторов электронов, таких как сульфат, нитрат и железо, но кислород является акцептором с самой высокой энергией. "Восстановление кислорода обеспечивает наибольшее высвобождение свободной энергии на перенос электрона, за исключением восстановления фтора и хлора", – объяснили профессор Вашингтонского университета Дэвид Кетлинг и его соавторы в статье, опубликованной в журнале Astrobiology.

Хлор и кислород могут генерировать похожее количество энергии. Фтор, безусловно, может дать больше энергии, чем кислород, но "фтор [...] не является полезным как биологический окислитель, поскольку вызывает взрыв при контакте с органическими веществами", — пишут они в исследовании. Так что, это точно не тот газ, которым хочется дышать.

Хлор и фтор также являются ядовитыми, что подчеркивает еще одно преимущество кислорода. Аэробное дыхание не производит никаких токсичных соединений, только воду и углекислый газ. Однако реакционная способность кислорода может представлять проблему, если он накапливается в тканях, повреждая клеточные компоненты, такие как ДНК и белки. Именно поэтому антиоксиданты в умеренном количестве полезны для нашего здоровья.

Кислород также гораздо более распространен, чем фтор, хлор и множество других акцепторов электронов, используемых в других формах дыхания. Несмотря на его склонность к образованию соединений с другими атомами, огромное количество кислорода постоянно вырабатывается в процессе фотосинтеза. Это позволяет ему накапливаться в атмосфере и растворяться в воде, где он существует в форме легко доступной для жизни. Кроме того, как объяснили Кенфилд и Миллс, в газообразном состоянии он легко транспортируется через мембраны.

А как насчет азота, который составляет аж 78% атмосферы Земли? "Главная проблема азота заключается в том, что он состоит из тройных связей. И его очень, очень трудно расщепить", – объяснил Кенфилд. Азот является важным компонентом многих биологических соединений. Существуют целые группы организмов, которые специализируются на энергоемких процессах, необходимых для разрыва прочных связей азота, чтобы сделать его биодоступным, добавил ученый.

Уникальная польза кислорода объясняется квантовой физикой. "Кислород в своем нормальном основном состоянии может принимать электроны только в том же спиновом состоянии, а не в виде электронной пары, как это обычно бывает в химии. Итак, настоящая фишка кислорода заключается в том, что он может накапливаться до высоких уровней, не вступая в реакцию, но при этом выделяет много энергии (для перекачки протонов), когда ему поставляют электроны по одному", – рассказал Лейн в электронном письме Live Science.

Поэтому, похоже, кислород находится в идеальной позиции по соотношению реакционной способности и доступности. Он мягче галогенов, таких как хлор и фтор, и не имеет слишком прочных связей, как азот. Но он намного более реакционноспособен, чем другие акцепторы электронов, такие как сульфат и нитрат. Кислород легко усваивается, и он не образует токсичных соединений, требующих дальнейшей переработки. Более того, растения производят огромное количество этого химически активного газа в процессе фотосинтеза, что позволяет нам использовать его в качестве топлива для собственного организма.

Ранее OBOZ.UA рассказывал об открытии ранее неизвестной органеллы живых клеток, которая может дать ключ к лечению болезни Альцгеймера.

Подписывайтесь на каналы OBOZ.UA в Telegram и Viber, чтобы быть в курсе последних событий.