Азотът съставлява около 78% от земната атмосфера, така че защо повечето форми на живот дишат кислород?
Кислородът е много реактивен елемент, така че защо толкова много форми на живот го дишат? (Снимка: Дейв Китсън чрез Getty Images)
Мислим за кислорода като за живот, храна, буквално глътка свеж въздух. Но всъщност той е много реактивен елемент. Всеки, който е горил дърва, е бил свидетел на това от първа ръка. И така, защо толкова много форми на живот дишат кислород?
Вероятно има хиляди видове метаболизми или химични процеси, които поддържат живота, каза Доналд Канфийлд, геобиолог от Университета на Южна Дания, но „почти всички еукариоти“ (форми на живот, чиито клетки съдържат ядро) и огромен брой прокариоти (форми на живот, които нямат ядро) използват кислород.
Канфийлд говори предимно за хетеротрофи – организми, включително хората, които получават хранителните си вещества и енергия, като консумират друга органична материя. Не всички организми правят това. Например, „растенията получават въглерода си от CO2 във въздуха“, каза Дан Милс, постдокторант в Университета в Мюнхен.
Хетеротрофите разграждат органичната материя в храната, като отнемат електрони от нея. Те се предават от един ензим към друг в мембраната на митохондриите, генерирайки малък ток, който изпомпва протони през тази бариера. И предвид високата си електроотрицателност, кислородът обикновено служи като крайна станция в тази електрон-транспортна верига, приемайки електроните и поемайки два протона, за да образува вода.
Процесът по същество създава резервоар от протони, които след това преминават през протеинов канал в мембраната като малка водноелектрическа централа. И подобно на турбина, протеинът синтезира енергия под формата на аденозин трифосфат (АТФ), докато се върти, обясни Ник Лейн, професор по еволюционна биохимия в University College London, в публична презентация. След това клетката може да използва тази опакована енергия или да я изпрати в тялото, за да прави неща.
Животът може да използва много други акцептори на електрони - като сулфат, нитрат и желязо - но кислородът е най-енергийно наличният акцептор.
„Редукцията на кислорода осигурява най-голямото освобождаване на свободна енергия на електронен трансфер, с изключение на редукцията на флуор и хлор“, обясниха професор Дейвид Катлинг от Университета на Вашингтон и неговите съавтори в статия, публикувана в списание Astrobiology.
Хлорът и кислородът могат да генерират подобни количества енергия. Флуорът със сигурност би могъл да осигури повече енергия от кислорода, но „флуорът е [...] безполезен като биологичен окислител, защото генерира експлозия при контакт с органична материя“, пишат те в проучването. Това не е газ, който бихте искали да дишате.
Хлорът и флуорът също са отровни, което подчертава друго предимство на кислорода. Аеробното дишане не произвежда никакви токсични съединения, а само вода и въглероден диоксид. Реактивността на кислорода обаче може да бъде проблем, ако се натрупа в тъканите, където може да увреди клетъчни компоненти като ДНК и протеини. Ето защо антиоксидантите, в умерени количества, са полезни за нашето здраве.
Кислородът е и много по-изобилен от флуора, хлора или безбройните акцептори на електрони, използвани в други форми на дишане. Въпреки склонността си да образува съединения с други атоми, чрез фотосинтеза постоянно се произвежда голямо количество кислород. Това му позволява да се натрупва в атмосферата и да се разтваря във вода, където е лесно достъпен за живот. И като газ, той лесно се транспортира през мембраните, обясниха Канфийлд и Милс.
Като стана дума за изобилие, защо да не използваме азот, който съставлява 78% от земната атмосфера?
„Основният проблем с азота е, че е тройно свързан“, каза Канфийлд. „И е много, много трудно да се разкъса.“
Азотът е важен компонент на много биологични съединения и има цели групи организми, които са специализирани в енергоемките процеси, необходими за разкъсване на силните връзки на азота, за да стане той биодостъпен, добави Канфийлд.
Уникалната полезност на кислорода се свежда до квантовата физика. Кислородът в нормалното си основно състояние може да приема само електрони в същото спиново състояние, а не като електронна двойка, което е обичайната валута в химията.
„Истинският трик на кислорода е, че той може да се натрупва до високи нива, без да реагира, но освобождава много енергия (за изпомпване на протони), когато му се подават електрони един по един“, каза Лейн пред Live Science в имейл.
Изглежда, че кислородът се намира в идеалната точка на реактивност и наличност. Той е по-мек от халогените като хлор и флуор и не е свързан твърде силно, като азота. Но е много по-реактивен от други акцептори на електрони, като сулфат и нитрат.
Кислородът е лесен за получаване и не генерира токсични съединения, които изискват допълнителна обработка. Нещо повече, растенията произвеждат големи количества от този реактивен газ чрез фотосинтеза, което ни позволява да го използваме за захранване на собствените си тела.
Източник за статията
Мислим за кислорода като за живот, храна, буквално глътка свеж въздух. Но всъщност той е много реактивен елемент. Всеки, който е горил дърва, е бил свидетел на това от първа ръка. И така, защо толкова много форми на живот дишат кислород?
Вероятно има хиляди видове метаболизми или химични процеси, които поддържат живота, каза Доналд Канфийлд, геобиолог от Университета на Южна Дания, но „почти всички еукариоти“ (форми на живот, чиито клетки съдържат ядро) и огромен брой прокариоти (форми на живот, които нямат ядро) използват кислород.
Канфийлд говори предимно за хетеротрофи – организми, включително хората, които получават хранителните си вещества и енергия, като консумират друга органична материя. Не всички организми правят това. Например, „растенията получават въглерода си от CO2 във въздуха“, каза Дан Милс, постдокторант в Университета в Мюнхен.
Хетеротрофите разграждат органичната материя в храната, като отнемат електрони от нея. Те се предават от един ензим към друг в мембраната на митохондриите, генерирайки малък ток, който изпомпва протони през тази бариера. И предвид високата си електроотрицателност, кислородът обикновено служи като крайна станция в тази електрон-транспортна верига, приемайки електроните и поемайки два протона, за да образува вода.
Процесът по същество създава резервоар от протони, които след това преминават през протеинов канал в мембраната като малка водноелектрическа централа. И подобно на турбина, протеинът синтезира енергия под формата на аденозин трифосфат (АТФ), докато се върти, обясни Ник Лейн, професор по еволюционна биохимия в University College London, в публична презентация. След това клетката може да използва тази опакована енергия или да я изпрати в тялото, за да прави неща.
Животът може да използва много други акцептори на електрони - като сулфат, нитрат и желязо - но кислородът е най-енергийно наличният акцептор.
„Редукцията на кислорода осигурява най-голямото освобождаване на свободна енергия на електронен трансфер, с изключение на редукцията на флуор и хлор“, обясниха професор Дейвид Катлинг от Университета на Вашингтон и неговите съавтори в статия, публикувана в списание Astrobiology.
Хлорът и кислородът могат да генерират подобни количества енергия. Флуорът със сигурност би могъл да осигури повече енергия от кислорода, но „флуорът е [...] безполезен като биологичен окислител, защото генерира експлозия при контакт с органична материя“, пишат те в проучването. Това не е газ, който бихте искали да дишате.
Хлорът и флуорът също са отровни, което подчертава друго предимство на кислорода. Аеробното дишане не произвежда никакви токсични съединения, а само вода и въглероден диоксид. Реактивността на кислорода обаче може да бъде проблем, ако се натрупа в тъканите, където може да увреди клетъчни компоненти като ДНК и протеини. Ето защо антиоксидантите, в умерени количества, са полезни за нашето здраве.
Кислородът е и много по-изобилен от флуора, хлора или безбройните акцептори на електрони, използвани в други форми на дишане. Въпреки склонността си да образува съединения с други атоми, чрез фотосинтеза постоянно се произвежда голямо количество кислород. Това му позволява да се натрупва в атмосферата и да се разтваря във вода, където е лесно достъпен за живот. И като газ, той лесно се транспортира през мембраните, обясниха Канфийлд и Милс.
Като стана дума за изобилие, защо да не използваме азот, който съставлява 78% от земната атмосфера?
„Основният проблем с азота е, че е тройно свързан“, каза Канфийлд. „И е много, много трудно да се разкъса.“
Азотът е важен компонент на много биологични съединения и има цели групи организми, които са специализирани в енергоемките процеси, необходими за разкъсване на силните връзки на азота, за да стане той биодостъпен, добави Канфийлд.
Уникалната полезност на кислорода се свежда до квантовата физика. Кислородът в нормалното си основно състояние може да приема само електрони в същото спиново състояние, а не като електронна двойка, което е обичайната валута в химията.
„Истинският трик на кислорода е, че той може да се натрупва до високи нива, без да реагира, но освобождава много енергия (за изпомпване на протони), когато му се подават електрони един по един“, каза Лейн пред Live Science в имейл.
Изглежда, че кислородът се намира в идеалната точка на реактивност и наличност. Той е по-мек от халогените като хлор и флуор и не е свързан твърде силно, като азота. Но е много по-реактивен от други акцептори на електрони, като сулфат и нитрат.
Кислородът е лесен за получаване и не генерира токсични съединения, които изискват допълнителна обработка. Нещо повече, растенията произвеждат големи количества от този реактивен газ чрез фотосинтеза, което ни позволява да го използваме за захранване на собствените си тела.
Tags:
Наука