Почему почти вся жизнь дышит кислородом?
Азот составляет около 78% земной атмосферы. Так почему же большинство форм жизни дышит именно кислородом**? Ответ кроется в химии и эволюции. Хотя азота вокруг нас гораздо больше, он не так хорошо подходит для поддержания жизни, как его сосед по таблице Менделеева.
Азот: Стабильный, но бесполезный для дыхания?
Основная причина — стабильность молекулы азота (N₂). Атомы в ней связаны очень прочной тройной связью. Чтобы разорвать эту связь и использовать азот в химических реакциях, требуется огромное количество энергии. Большинству живых организмов это просто не под силу. Поэтому они не могут использовать атмосферный азот для дыхания, то есть для извлечения энергии из пищи. Да, азот важен для жизни, например, для построения белков и ДНК. Однако для этого существуют другие механизмы его усвоения, не связанные с дыханием.
Преимущество кислорода: Энергия и реактивность
Молекула кислорода (O₂) имеет двойную связь. Она менее прочная, чем тройная связь азота. Это делает кислород гораздо более реактивным. Он охотно участвует в химических реакциях, особенно в окислении. Именно эта особенность делает **кислород** идеальным кандидатом для клеточного дыхания. В процессе дыхания организмы расщепляют молекулы пищи, например, глюкозу. При этом высвобождаются электроны. Кислород выступает конечным акцептором (приемником) этих электронов. Эта реакция высвобождает много энергии. Эта энергия запасается в виде молекул АТФ – универсальной энергетической “валюты” клетки. Таким образом, использование кислорода позволяет извлекать максимум энергии из пищи.
Эволюционный поворот: Как кислород стал незаменимым
Но так было не всегда. Ранняя жизнь на Земле была анаэробной. То есть она существовала без кислорода. Около 2,4 миллиарда лет назад произошло Великое кислородное событие. Цианобактерии начали активно производить кислород в процессе фотосинтеза. Атмосфера стала насыщаться этим газом. Для многих тогдашних форм жизни кислород был ядом. Однако некоторые организмы смогли адаптироваться. Они выработали механизмы использования кислорода для получения энергии. Это дало им огромное преимущество. Аэробное (кислородное) дыхание оказалось гораздо эффективнее анаэробных процессов. Со временем большинство сложных форм жизни перешло именно на него.
Есть ли альтернативы кислороду?
Да, некоторые микроорганизмы и сегодня живут без кислорода. Они используют другие молекулы в качестве конечных акцепторов электронов. Например, сульфаты, нитраты или ионы железа. Однако ни один из этих процессов не дает столько энергии, сколько дыхание с участием кислорода. Поэтому сложные, многоклеточные организмы почти всецело зависят от него. Им требуется много энергии для поддержания жизнедеятельности.
Обратная сторона медали: Опасности кислорода
Высокая реактивность кислорода имеет и обратную сторону. Он может повреждать клетки, вызывая окислительный стресс. В ходе реакций с участием **кислорода** образуются активные формы кислорода (АФК). Эти молекулы могут атаковать белки, липиды и ДНК. Поэтому у организмов, дышащих кислородом, есть защитные системы. Антиоксиданты нейтрализуют АФК, снижая их вредное воздействие. Это своего рода плата за высокую эффективность кислородного дыхания.
Таким образом, несмотря на изобилие азота, именно химические свойства кислорода и ход эволюции сделали его главным газом для дыхания почти всей жизни на Земле. Его способность эффективно высвобождать энергию из пищи стала решающим фактором.