Чому живі організми дихають саме киснем: пояснення вчених

Коли ми говоримо про щось життєво необхідне, ми вживаємо порівняння "потрібне, як кисень". І справді, цей хімічний елемент бере участь у життєдіяльності майже всіх живих організмів на планеті. Що може здаватись дивним, адже насправді кисень – дуже активна речовина, яка швидко вступає у бурхливу взаємодію з іншими елементами.

Відео дня

Але чому саме кисень обрала еволюція, щоби забезпечувати життєдіяльність всередині переважної більшості організмів? Видання LiveScience звернулось до учених за поясненням цього парадоксу.

Так, за словами Дональда Кенфілда, геобіолога з Університету Південної Данії, існують, ймовірно, тисячі видів метаболізму, або хімічних процесів, що підтримують життя, але "практично всі еукаріоти" (форми життя, клітини яких містять ядро) і безліч прокаріотів (форми життя, що не мають ядра), використовують кисень. В першу чергу йдеться про гетеротрофи – організми, які отримують поживні речовини та енергію, споживаючи інші органічні речовини. До гетеротрофів належить і людина. Однак не всі організми покладаються на таких тип живлення. Наприклад, "рослини отримують вуглець із CO2 у повітрі", уточнив Ден Міллс, постдокторант Мюнхенського університету.

В процесі життєдіяльності гетеротрофи розкладають органічні речовини у їжі, забираючи в них електрони. Ці електрони згодом передаються від одного ферменту до іншого у мембрані мітохондрій, створюючи невеликий струм, який перекачує протони через цей фізичний бар'єр. Враховуючи його високу електронегативність, кисень зазвичай служить кінцевою станцією в цьому електронно-транспортному ланцюзі, приймаючи електрони і захоплюючи два протони – так утворюється вода.

Цей процес, по суті, створює резервуар протонів, які потім перетікають через білковий канал у мембрані, що нагадує роботу крихітної електростанції. І, подібно до турбіни, білок синтезує енергію у формі аденозинтрифосфату (АТФ) під час свого обертання, пояснив у публічному виступі Нік Лейн, професор еволюційної біохімії в Університетському коледжі Лондона. Потім клітина може використовувати цю упаковану енергію або передавати її організму для виконання різних завдань.

Життя може використовувати багато інших акцепторів електронів, таких як сульфат, нітрат і залізо, але кисень є акцептором з найвищою енергією. "Відновлення кисню забезпечує найбільше вивільнення вільної енергії на перенесення електрона, за винятком відновлення фтору та хлору", – пояснили професор Вашингтонського університету Девід Кетлінг та його співавтори у статті, опублікованій у журналі Astrobiology.

Хлор і кисень можуть генерувати схожу кількість енергії. Фтор, безумовно, може дати більше енергії, ніж кисень, але "фтор [...] не є корисним як біологічний окислювач, оскільки викликає вибух при контакті з органічними речовинами", — пишуть вони у дослідженні. Отже, це точно не той газ, яким хочеться дихати.

Хлор і фтор також є отруйними, що підкреслює ще одну перевагу кисню. Аеробне дихання не виробляє жодних токсичних сполук, лише воду та вуглекислий газ. Однак реакційна здатність кисню може представляти проблему, якщо він накопичується в тканинах, ушкоджуючи клітинні компоненти, такі як ДНК та білки. Саме тому антиоксиданти в помірній кількості корисні для нашого здоров'я.

Кисень також набагато більш поширений, ніж фтор, хлор та безліч інших акцепторів електронів, що використовуються в інших формах дихання. Незважаючи на його схильність до утворення сполук з іншими атомами, величезна кількість кисню постійно виробляється у процесі фотосинтезу. Це дозволяє йому накопичуватися в атмосфері та розчинятися у воді, де він існує у формі легко доступній для життя. Крім того, як пояснили Кенфілд та Міллс, у газоподібному стані він легко транспортується через мембрани.

А як щодо азоту, який складає аж 78% атмосфери Землі? "Головна проблема азоту полягає в тому, що він складається з потрійних зв'язків. І його дуже, дуже важко розщепити", – пояснив Кенфілд. Азот є важливим компонентом багатьох біологічних сполук. Існують цілі групи організмів, які спеціалізуються на енергоємних процесах, необхідних для розриву міцних зв'язків азоту, щоб зробити його біодоступним, додав учений.

Унікальна користь кисню пояснюється квантовою фізикою. "Кисень у своєму нормальному основному стані може приймати електрони тільки в тому ж спіновому стані, а не у вигляді електронної пари, як це зазвичай буває у хімії. Отже, справжня фішка кисню полягає в тому, що він може накопичуватися до високих рівнів, не вступаючи в реакцію, але при цьому виділяє багато енергії (для перекачування протонів), коли йому постачають електрони по одному", – розповів Лейн в електронному листі Live Science.

Тому, схоже, кисень знаходиться в ідеальній позиції щодо співвідношення реакційної здатності та доступності. Він м'якший від галогенів, таких як хлор і фтор, і не має занадто міцних зв’язків, як азот. Але він набагато реакційніший, ніж інші акцептори електронів, такі як сульфат і нітрат. Кисень легко засвоюється, і він не утворює токсичних сполук, що вимагають подальшої переробки. Більше того, рослини виробляють величезну кількість цього хімічно активного газу в процесі фотосинтезу, що дозволяє нам використовувати його як паливо для власного організму.

Раніше OBOZ.UA розповідав про відкриття раніше невідомої органели живих клітин, яка може дати ключ до лікування хвороби Альцгеймера.

Підписуйтесь на канали OBOZ.UA в Telegram і Viber, щоб бути в курсі останніх подій.