Dlaczego prawie wszystkie organizmy na Ziemi oddychają tlenem?

Istnieją prawdopodobnie tysiące rodzajów metabolizmów, procesów chemicznych, które podtrzymują życie - uważa prof. Donald Canfield, geobiolog z Uniwersytetu Południowej Danii. Istnieje jednak jeden typ metabolizmu, który łączy "praktycznie wszystkie eukarioty" (formy życia, których komórki zawierają jądro, np. ludzie) oraz prokarioty (które nie posiadają jądra komórkowego). Wszystkie one oddychają tlenem. Dlaczego?

Donald Canfield mówi głównie o heterotrofach. Są to organizmy, które pozyskują substancje odżywcze i energię, konsumując inną materię organiczną. Nie wszystkie organizmy stosują wyłącznie tę metodę. Przykładowo "rośliny pobierają węgiel z CO² z powietrza" - wyjaśnia dr Dan Mills z Uniwersytetu Ludwika i Maksymiliana w Monachium.

Heterotrofy rozkładają materię organiczną z pożywienia, pozbawiając jej elektronów. Są one przekazywane z jednego enzymu do kolejnego w błonie mitochondrialnej, generując niewielki prąd elektryczny, który pompuje protony przez tę barierę. Z kolei tlen, dzięki swojej elektroujemności, zwykle wkracza na ostatnim etapie tego łańcucha transportowania elektronów, przyjmując elektrony i pobierając dwa protony, aby utworzyć wodę.

Proces ten zasadniczo tworzy zbiornik protonów, które następnie zalewają kanał białkowy w błonie niczym mała zapora hydroelektryczna. I podobnie jak w turbinie białko syntetyzuje energię w postaci adenozynotrifosforanu (ATP) podczas wirowania - wyjaśnia prof. biochemii ewolucyjnej Nick Lane z University College London. Komórka korzysta z tej spakowanej energii lub wysyła ją do innych partii ciała.

Organizmy żywe mogą korzystać z wielu innych akceptorów elektronów (cząsteczek, atomów lub jonów przyjmujących elektrony, protony itd.), takich jak siarczany, azotany i żelazo. To jednak tlen jest najbardziej wydajnym akceptorem, zdolnym przyjąć największe ładunki energii.

"Redukcja tlenu zapewnia największe uwolnienie swobodnej energii na transfer elektronu - z wyjątkiem redukcji fluoru i chloru" - wyjaśniają prof. David Catling z University of Washington oraz współautorzy badania opublikowanego w "Astrobiology".

Chlor i tlen mogą generować podobne ilości energii. Fluor może co prawda dostarczać więcej energii, ale według autorów badania jest on "bezużyteczny jako utleniacz biologiczny, ponieważ generuje eksplozję przy kontakcie z materią organiczną". Nie jest to więc gaz, którym chcielibyśmy oddychać. Ponadto chlor i fluor są trujące, co znów przemawia na korzyść tlenu.

Oddychanie tlenowe nie produkuje żadnych trujących substancji, a jedynie wodę i dwutlenek węgla. Reaktywność tlenu może być jednak problemem, jeśli gromadzi się on w tkankach, gdzie może uszkodzić składniki komórkowe, takie jak DNA i białka. Dlatego właśnie antyoksydanty (przeciwutleniacze) w umiarkowanych ilościach są dobre dla naszego zdrowia.

Tlen jest ponadto znacznie szerzej dostępny niż fluor, chlor i wiele innych akceptorów elektronów używanych w innych formach oddychania. Pomimo jego skłonności do wchodzenia w reakcje z innymi atomami, ogromne ilości tlenu są nieustannie produkowane przez fotosyntezę. Umożliwia to gromadzenie się tlenu w atmosferze i w wodzie, skąd pobierają go organizmy żywe. A ponieważ jest on gazem, łatwo transportuje się przez membrany.

Łatwo dostępny gaz to również azot, który stanowi 78% powietrza. Dlaczego więc nie oddychamy azotem? "Główny problem z azotem polega na tym, że ma potrójne wiązanie i bardzo trudno go rozbić" - wyjaśnia Canfield. Azot jest ważnym składnikiem wielu substancji biologicznych i istnieją całe grupy organizmów, które specjalizują się w wysokoenergetycznych procesach wymaganych do rozbicia silnych wiązań azotu i uczynienia go biodostępnym.

Unikalne właściwości tlenu ujawniają się na poziomie fizyki kwantowej. W swoim stanie podstawowym tlen może przyjmować elektrony jedynie w tym samym stanie spinowym, a nie jako parę elektronów. "Prawdziwa sztuczka polega na tym, że tlen może gromadzić się w dużych ilościach bez reagowania, ale wypuszcza mnóstwo energii (do pomp protonowych), gdy jest karmiony elektronami po jednym na raz" - wyjaśnia Lane.

Podsumowując, wygląda na to, że tlen osiąga złoty środek między reaktywnością a dostępnością. Jest łagodniejszy niż halogeny, takie jak chlor i fluor, i nie tworzy tak silnych wiązań, jak azot. Jest też bardziej reaktywny niż inne akceptory elektronów, takie jak siarczany i azotany. Ponadto nie jest toksyczny i pozostaje bardzo łatwo dostępny dzięki fotosyntezie. Nic więc dziwnego, że większość żywych istot na Ziemi w toku ewolucji oparła swój metabolizm właśnie na nim.

***

Bądź na bieżąco i zostań jednym z 87 tys. obserwujących nasz fanpage - polub GeekWeek na Facebooku i komentuj tam nasze artykuły!