Chciałbym dzisiaj podywagować krótko na temat tlenu – kluczowego pierwiastka w aspekcie naszego bytowania na Ziemi oraz ogólnie rzecz biorąc – ŻYCIA.
Jeżeli spojrzymy na układ okresowy, uwagę zwraca to, że tlen ma drugą najwyższą elektroujemność w układzie okresowym – zaraz po fluorze. Ta cecha jest kluczowa – gdyż napędza tlen do poszukiwania innych pierwiastków od których będzie on mógł oderwać 2 elektrony i w rezultacie stać się teoretycznie neonem. Z czego jednak wynika ta wysoka elektroujemność? Ano właśnie z faktu, że tlenowi do oktetu brakują tylko dwa elektrony (wie, że jest blisko osiągnięcia celu, dlatego bardzo mocno mu na tym zależy) oraz z tego, że tlen posiada 6 elektronów walencyjnych (czyli tych którym szczególnie zależy na osiągnięciu reguły oktetu) na 8 wszystkich elektronów. Możemy więc powiedzieć, że w przypadku tlenu 6/8 elektronów bardzo chętnie przyjęłoby dodatkowe elektrony, co w rezultacie sprawia że tlen jest bardzo reaktywny. Wiemy już z czego wynika reaktywność tlenu – z jego wysokiej elektroujemności będącej następstwem położenia w układzie okresowym. Przejdźmy do omówienia kluczowych ról tego pierwiastka w życiu na Ziemi.
1. Źródło energii – proces utleniania związków organicznych.
Tlen jest kluczowym pierwiastkiem w aspekcie naszego bytowania na tej planecie. Każdy dobrze wie, że w wyniku utlenienia glukozy w procesie oddychania komórkowego powstaje energia, co przedstawia poniższe, bardzo uproszczone równanie reakcji:
C6H12O6 + 6O2 => 6CO2 + 6H2O + energia
Dzięki tej energii, która jest dystrybuowana w postaci ATP możliwa jest większość procesów życiowych prowadzonych przez nasze organizmy. Oczywiście sam proces oddychania składa się z takich elementów jak: glikoliza, cykl Krebsa i łańcuch oddechowy, ale nie będziemy się w nie zagłębiać (chociaż można by wyciągnąć ciekawe wnioski analizując te poszczególne procesy). Jeżeli spojrzymy na proces oddychania z energetycznego punktu widzenia, to wyciągniemy pewien bardzo podstawowy, a zarazem ciekawy wniosek – tlen umożliwia rozkład związków organicznych które są wysokoenergetyczne na związki nieorganiczne, które są niskoenergetyczne z jednoczesnym uwolnieniem zakumulowanej w tych związkach energii. Jest to wspaniałe zjawisko i proces, który rozpędził spiralę życia na naszej planecie i pozwolił na tak gwałtowny jego rozwój. Pytanie, dlaczego pierwotne organizmy wybrały akurat TLEN do roli utleniacza swoich związków organicznych? Zrobiły to z dwóch podstawowych przyczyn:
- tlen ma drugą najwyższą elektroujemność w układzie okresowym
- jest go dużo i jest gazem, przez co może być łatwo dystrybuowany w ekosystemie
Energia potrzebna do życia może być pozyskiwana również w procesie utleniania lipidów i białek, a także wielu innych związków organicznych, jednak kluczowym procesem jest i tak utlenianie glukozy.
Warto byłoby podywagować na temat utleniaczy na innych planetach. Czy tylko tlen może być wykorzystywany jako główny utleniacz? Ależ oczywiście, że nie. Nie trudno sobie wyobrazić, że są planety bogate w życie na których formę utleniacza pełni fluor (F), bądź chlor (Cl). Wtedy taki proces oddychania (utleniania) moglibyśmy nazwać fluorowaniem i mógłby on wyglądać następująco:
Oczywiście jest to tylko wodza mojej fantazji, a w procesie tym zakładamy że związek organiczny oparty będzie na architekturze węgla. Jednakże, życie które wytworzyłoby się na podstawie procesu fluorowania mogłoby wyglądać i przeprowadzać procesy fizjologiczne diametralnie inne od tych ziemskich.
Jeżeli jednak mielibyśmy odpowiedzieć sobie na pytanie: “Jaki pierwiastek dominuje na innych planetach jako główny utleniacz?” – odpowiem: prawdopodobnie tlen (O2). Dlaczego? Otóż tlen ma potencjalną przewagę nad fluorem i chlorem w takiej postaci, że może jednorazowo przyjąć dwa elektrony, co daje mu większą wydajność w procesie utleniania. Z drugiej strony tlen jest bezpieczniejszym utleniaczem niż fluor. Fluor ma najwyższą elektroujemność w układzie okresowym co sprawia, że potencjalne organizmy wykorzystujące ten pierwiastek jako utleniacz byłyby bardzo narażone na skutki uboczne działania fluoru na te organizmy, czyli niekontrolowane utlenianie ich komórek i tkanek – a w rezultacie – dużą podatność na mutacje i śmierć.
Tlen posiada jeszcze jedną przewagę względem fluoru – otóż w wyniku jego redukcji powstaje woda, która jest cząsteczką o bardzo niskiej energii i która jest preferowana jako produkt wielu reakcji. Woda poza tym z uwagi na obecność wiązań wodorowych może łatwiej występować w postaci ciekłej, niż fluorowodór – produkt redukcji fluoru.
Fajnie podywagować o życiu na innych planetach. Przejdźmy jednak do omówienia negatywnych ról tlenu w biosferze.
2. Naturalny niszczyciel materii.
O ile tlen jest kluczowym utleniaczem na naszej planecie pozwalającym uwalniać energię zmagazynowaną w postaci związków organicznych, to istnieją również negatywne aspekty jego działania na organizmy żywe. Tlen utlenia wszystko co się da – nie interesuje go, czy jest to glukoza w naszych mitochondriach, czy nasze błony komórkowe. Jego egoistycznym celem jest oderwać od napotkanego związku chemicznego dwa elektrony, co powoduje że:
- Tlen jest jedną z przyczyn starzenia się naszego organizmu, co wyraża tzw. wolnorodnikowa teoria starzenia się.
Zakłada ona, że w naszym organizmie powstają tzw. reaktywne formy tlenu (ROS: ang- reactive oxygen species), które posiadają jeden niesparowany elektron, co czyni je bardzo reaktywnymi i powoduje, że uszkadzają: błony komórkowe, białka, lipidy a także samo DNA komórki. Głównym źródłem wolnych rodników jest w naszym organizmie rozregulowany łańcuch oddechowy, czyli jeden z etapów oddychania komórkowego, a najważniejszymi wolnymi rodnikami są:
O2•− – anionorodnik ponadtlenkowy, powstający wskutek przyjęcia przez cząsteczkę tlenu tylko jednego elektronu (zamiast dwóch).
HO2• – rodnik wodoronadtlenkowy,
HO• – rodnik hydroksylowy, jeden z najbardziej reaktywnych rodników
Owe rodniki atakując wszystkie możliwe struktury komórkowe, powodują ich niszczenie i degradację. Szczególnie niebezpieczne jest zaatakowanie przez wolne rodniki nici DNA,
Może to powodować mutacje materiału genetycznego i powodować, że powstałe wskutek podziału komórki wykażą błędy względem ich oryginału, co z jednej strony przyczynia się do starzenia organizmu, a z drugiej może prowadzić do zmian nowotworowych. Innymi chorobami do których powstania mogą przyczyniają się ROS są: miażdżyca, nadciśnienie, jaskra, choroba Alzheimera, itd.
Oczywiście nasz organizm nie jest bezbronny wobec wolnych rodników czyhających na bezbronne komórki. Istnieją tzw. antyoksydanty, czyli związki chemiczne które są utleniane przez reaktywne formy tlenu zamiast wspomnianych składników komórkowych, chroniąc te przed degradacją. Przykładem naturalnych antyoksydantów jest: witamina C, czy też witamina A. Temat antyoksydantów zasługuje zresztą na osobny artykuł, gdyż jest bardzo rozległy i ciekawy. Widzimy więc, że przebywanie w atmosferze tlenu nie pozostaje bez wpływu na nasz organizm – tlen nas powoli utlenia, przyśpieszając proces starzenia się i jednocześnie zwiększając ryzyko zachorowania na wiele chorób.
- Tlen stopniowo niszczy nie tylko Nas, ale i każdą materię z którą ma kontakt.
Tak naprawdę każdy pierwiastek, związek chemiczny i materiał z którym ma kontakt tlen – prędzej czy później ulega utlenieniu.
Dlatego też konstrukcje stalowe pozostawione długi czas na działanie tlenu ulegają stopniowemu utlenieniu, czyli po prostu rdzewieniu.
Jest to jeden z najbardziej niekorzystnych dla Nas skutków niszczycielskiego działania tlenu, ponieważ stal jest jednym z najważniejszych materiałów w przemyśle budowlanym i samochodowym. Straty związane z rdzewieniem liczone są w miliardach dolarów rocznie.
Tlen powoduje również psucie się produktów żywnościowych wskutek ich powolnego utleniania.
Dobrym tego przykładem jest jełczenie masła czy oleju roślinnego. Oczywiście w procesach tych główną rolę odgrywają odpowiednie bakterie, ale sam tlen również powoduje psucie się produktów żywnościowych i to dosłownie – WSZYSTKICH.
Tlen powoduje również utlenianie się barwników,
które pod jego wpływem ulegają stopniowemu rozkładowi, a w rezultacie przedmioty powoli blakną!. Oczywiście, duże znaczenie w tym procesie ma także promieniowanie UV i następująca w jego skutek fotodegradacja pigmentu.
Reasumując, rola tlenu w życiu na Ziemi jest kluczowa. Pierwiastek ten umożliwia nam oddychanie komórkowe i pozwala uwalniać energię ze związków organicznych. Z drugiej jednak strony płacimy za to ogromną cenę, bo z jednej strony tlen stopniowo niszczy nie tylko nasze organizmy, ale także każdą materię znajdującą się na tej planecie.
Pozdrawiam,
Łukasz Lijewski – AKADEMIA CHEMII
Wszelkie prawa zastrzeżone!!!
Zamieszczanie jakichkolwiek fragmentów tego artykułu w innych publikacjach i stronach internetowych bez zgody autora jest zabronione.