Miért az oxigén?
Valószínűleg több ezer különböző anyagcsere-folyamat létezik, de „gyakorlatilag minden eukarióta” (sejtmaggal rendelkező élőlény) és számos prokarióta (sejtmag nélküli élőlény) oxigént használ.
A heterotróf szervezetek, beleértve az embereket is, tápanyagaikat és energiájukat más szerves anyagok elfogyasztásából nyerik. Nem minden szervezet működik kizárólag így. Például a növények a szén-dioxidból nyerik a szenet.
Az energiatermelés folyamata
A heterotróf élőlények a táplálékban lévő szerves anyagokat bontják le úgy, hogy elektronokat vonnak el tőlük. Ezek az elektronok egyik enzimről a másikra kerülnek a mitokondrium membránjában, közben kis áramot generálva, amely protonokat pumpál át ezen a membránon. Az oxigén – nagy elektronegativitása miatt – általában a végállomásként szolgál: elfogadja az elektronokat, majd két protont vesz fel, hogy vizet képezzen.
A folyamat lényegében egy proton-tározót hoz létre. Ez a protonáramlás egy fehérjecsatornán keresztül történik, hasonlóan egy apró vízerőmű működéséhez. Ahogy a fehérje forog, adenozin-trifoszfátot (ATP) – a sejt energiaforrását – szintetizál. A sejt az így tárolt energiát vagy saját feladatai elvégzésére használja, vagy továbbítja a test többi részébe, hogy más funkciókat lásson el.
Miért nem más elemek?
Az élet többféle elektron-akceptort használhat, mint például szulfátot, nitrátot vagy vasat, de az oxigén a rendelkezésre álló legnagyobb energiájú akceptor.
„Az oxigén redukciója biztosítja a legnagyobb szabad energiafelszabadulást elektronátmenetenként, kivéve a fluor és a klór redukcióját” – magyarázta egy tanulmányban a Washingtoni Egyetem professzora.
A klór és az oxigén hasonló energiamennyiséget tud generálni. A fluor még nagyobb energiát szabadíthatna fel, mint az oxigén, de „a fluor használhatatlan biológiai oxidánsként, mert robbanást idéz elő szerves anyaggal érintkezve.” Ez nem egy olyan gáz, amit jó ötlet lenne belélegezni.
Az oxigén előnyei
A klór és a fluor mérgező, ezért egyértelműen az oxigén a legjobb választás. Az aerob légzés nem termel mérgező vegyületeket, csak vizet és szén-dioxidot. Az oxigén reaktivitása ugyanakkor problémát jelenthet, ha felhalmozódik a szövetekben, ahol károsíthatja a sejtes alkotóelemeket, például a DNS-t és a fehérjéket. Ezért vannak jó hatással egészségünkre az antioxidánsok.
Az oxigén sokkal bőségesebben elérhető, mint a fluor, a klór vagy számos más elektron-akceptor. Annak ellenére, hogy hajlamos vegyületeket képezni más atomokkal, a fotoszintézis folyamatosan termeli nagy mennyiségben. Ez lehetővé teszi, hogy felhalmozódjon a légkörben és feloldódjon a vízben, ahol könnyen hozzáférhető az élet számára. Ráadásul gázként könnyen átjuthat a membránokon.
Miért nem a nitrogén?
Ha a bőség az alapfeltétel, akkor miért nem a nitrogént használjuk, amely a Föld légkörének 78%-át teszi ki?
„A fő probléma a nitrogénnel az, hogy molekuláiban háromszoros kötés található. Ezt nagyon, nagyon nehéz feltörni.”
A nitrogén fontos összetevője sok biológiai vegyületnek, és léteznek olyan szervezetek, amelyek a nitrogén erős kötéseinek feltörésére specializálódtak. Ez az energiaigényes folyamat teszi a nitrogént biológiailag hozzáférhetővé.
Az oxigén egyedülálló hasznossága elektronszerkezetéből ered. Normál alapállapotban az oxigén csak azonos spin-állapotú elektronokat fogadhat be, nem pedig elektronpárokat.
„Az oxigén igazi különlegessége az, hogy magas szinteken halmozódhat fel anélkül, hogy reagálna, de rengeteg energiát szabadít fel (a protonok pumpálásához), amikor egyenként táplálják bele az elektronokat.”
Úgy tűnik tehát, hogy az oxigén a reaktivitás és a rendelkezésre állás tökéletes egyensúlyát testesíti meg. Kevésbé veszélyes, mint a klór és a fluor, kevésbé kötött, mint a nitrogén, de sokkal reaktívabb, mint például a szulfát vagy a nitrát.
Az oxigén könnyen elérhető, nem hoz létre mérgező vegyületeket, amelyek további feldolgozást igényelnének, és a fotoszintézis révén folyamatosan termelődik belőle bőségesen. Ennek köszönhetően az élet alapvető üzemanyagává vált.
