Чому живі істоти використовують саме кисень для дихання: думки науковців.

Коли ми обговорюємо щось вкрай важливе, часто використовуємо вислів "необхідне, як повітря". І це не випадково, адже цей хімічний елемент є ключовим для існування практично всіх живих істот на Землі. Це може виглядати незвично, оскільки кисень є дуже активною речовиною, що швидко реагує з іншими елементами.

Проте чому еволюція зупинилася на кисні як основному елементі для підтримки життя у більшості організмів? Видання LiveScience звернулося до науковців, щоб отримати роз'яснення цього цікавого питання.

Згідно з думкою Дональда Кенфілда, геобіолога з Університету Південної Данії, ймовірно, існує безліч тисяч видів метаболізму або хімічних процесів, які забезпечують існування життя. Проте, як зазначає вчений, "практично всі еукаріоти" (організми з клітинами, що мають ядро) та численні прокаріоти (організми без ядра) покладаються на кисень. Основну роль тут відіграють гетеротрофи — організми, що отримують необхідні поживні речовини та енергію через споживання інших органічних форм життя. Серед гетеротрофів є й людина. Проте не всі живі істоти залежать від цього типу живлення. Наприклад, "рослини здобувають вуглець з CO2, що міститься в атмосфері", зауважив Ден Міллс, постдокторант з Мюнхенського університету.

Під час своєї життєвої діяльності гетеротрофи розкладають органічні сполуки, що містяться в їжі, вилучаючи з них електрони. Ці електрони передаються через ряд ферментів у мембрані мітохондрій, що генерує невеличкий струм, який сприяє перекачуванню протонів через цю мембрану. Завдяки своїй значній електронегативності, кисень зазвичай виступає як кінцевий акцептор електронів у цьому електронно-транспортному ланцюзі, приймаючи електрони та захоплюючи два протони, в результаті чого утворюється вода.

Цей процес фактично формує резервуар протонів, які згодом проходять через білковий канал у мембрані, що нагадує функціонування міні-електростанції. Як і турбіна, білок генерує енергію у вигляді аденозинтрифосфату (АТФ) під час свого обертання, зазначив Нік Лейн, професор еволюційної біохімії в Лондонському університетському коледжі, під час свого виступу. Клітина має можливість використовувати цю накопичену енергію або передавати її організму для виконання різних функцій.

Життя здатне використовувати різноманітні електронні акцептори, зокрема сульфат, нітрат і залізо, проте кисень є найбільш енергетично вигідним з них. "Відновлення кисню забезпечує максимальне вивільнення вільної енергії при перенесенні електрона, за винятком процесів відновлення фтору та хлору", - зазначили професор Девід Кетлінг з Вашингтонського університету та його колеги у статті, опублікованій в журналі Astrobiology.

Хлор і кисень здатні виробляти подібну кількість енергії. Хоча фтор, безсумнівно, забезпечує більший енергетичний вихід у порівнянні з киснем, його небезпечні властивості роблять його непридатним для використання в біологічних процесах. Як зазначають дослідники, "фтор [...] викликає вибухи при взаємодії з органічними речовинами", тому цей газ навряд чи бажаний для дихання.

Хлор і фтор також є токсичними речовинами, що підкреслює ще одну перевагу кисню. Аеробне дихання не створює жодних небезпечних сполук, а лише вуглекислий газ і воду. Проте висока реакційна здатність кисню може стати проблемою, якщо він накопичується в тканинах, завдаючи шкоди клітинним елементам, таким як ДНК та білки. Це пояснює, чому антиоксиданти в помірних дозах є корисними для нашого здоров'я.

Кисень є значно поширенішим елементом у природі, ніж фтор, хлор та багато інших електронних акцепторів, які застосовуються в різних формах дихання. Хоча він має тенденцію до утворення сполук з іншими атомами, величезна кількість кисню безперервно утворюється під час фотосинтезу. Це дає можливість кисню накопичуватися в атмосфері та розчинятися у воді, де він стає доступним для живих організмів. Як зазначили Кенфілд і Міллс, у газоподібному вигляді кисень легко проходить через мембрани, що забезпечує його ефективне транспортування.

А як щодо азоту, який займає вражаючі 78% атмосфери Землі? "Основна проблема з азотом полягає в його потрійних зв'язках, які дуже важко розірвати", - зазначив Кенфілд. Азот є ключовим елементом у багатьох біологічних сполуках. Існують цілі категорії організмів, що спеціалізуються на енергозатратних процесах, необхідних для руйнування цих міцних зв'язків, що робить азот доступним для живих організмів, додав вчений.

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.

Отже, видається, що кисень займає оптимальну позицію в контексті реакційної здатності та доступності. Він є менш агресивним у порівнянні з такими галогенами, як хлор і фтор, і не формує надто міцних зв'язків, як це робить азот. Проте, його реакційна активність значно перевищує активність інших електронних акцепторів, таких як сульфат або нітрат. Кисень також легко засвоюється організмом і не викликає утворення токсичних сполук, які потребують додаткової обробки. Більше того, рослини вивільняють величезні обсяги цього активного газу під час фотосинтезу, що дозволяє нам використовувати його як джерело енергії для нашого організму.

Раніше на OBOZ.UA було повідомлено про виявлення нової органели в живих клітинах, що може стати важливим кроком у лікуванні хвороби Альцгеймера.