چرا تقریباً تمام موجودات زنده اکسیژن تنفس می‌کنند؟

ما اکسیژن را هم‌معنی با حیات و هوای تازه می‌دانیم؛ اما در واقع، اکسیژن عنصری بسیار واکنش‌پذیر است. هر کسی که یک تکه چوب را سوزانده باشد، این موضوع را از نزدیک تجربه کرده است. پس چرا این‌همه موجود زنده اکسیژن تنفس می‌کنند؟

به گفته‌ی دونالد کنفیلد، زمین‌زیست‌شناس دانشگاه جنوب دانمارک، احتمالاً هزاران نوع متابولیسم (فرایندهای شیمیایی که حیات را حفظ می‌کنند) در طبیعت وجود دارد، اما تقریباً تمام یوکاریوت‌ها (موجوداتی که سلول‌هایشان هسته دارند) و بخش بزرگی از پروکاریوت‌ها (موجوداتی که فاقد هسته هستند) اکسیژن مصرف می‌کنند.

به گزارش زومیت، کنفیلد در درجه‌ی اول به هتروتروف‌ها اشاره می‌کند؛ موجوداتی که مانند انسان برای دریافت مواد مغذی و انرژی، مواد آلی دیگر را مصرف می‌کنند. البته، همه‌ی موجودات این کار را به‌طور انحصاری انجام نمی‌دهند. برای مثال، دن میلز، پژوهشگر پسادکتری در دانشگاه مونیخ، می‌گوید:‌«گیاهان کربن مورد نیاز خود را از کربن‌دی‌اکسید موجود در هوا می‌گیرند.»

هتروتروف‌ها مواد آلی موجود در غذا را با جداکردن الکترون‌ها از آن تجزیه می‌کنند. این الکترون‌ها در غشای میتوکندری از یک آنزیم به آنزیم دیگر منتقل می‌شوند و جریانی کوچک ایجاد می‌کنند که پروتون‌ها را از این غشا عبور می‌دهد. به دلیل الکترونگاتیویته‌ی بالای اکسیژن، این عنصر معمولاً آخرین ایستگاه در زنجیره‌ی انتقال الکترون است و با دریافت الکترون‌ها و دو پروتون، مولکول آب تشکیل می‌دهد.

فرایند یادشده در واقع یک مخزن از پروتون‌ها ایجاد می‌کند که سپس از طریق یک کانال پروتئینی در غشا، مانند یک سد آبی بسیار کوچک، به جریان می‌افتند و درست مانند یک توربین، این پروتئین هنگام چرخش، انرژی را به شکل آدنوزین تری‌فسفات (ATP) سنتز می‌کند. یک لین، استاد بیوشیمی تکاملی در کالج دانشگاهی لندن، این فرایند را در یک ارائه‌ی عمومی توضیح داده است. سلول سپس می‌تواند از این بسته‌ی انرژی استفاده کند یا آن را به سایر قسمت‌های بدن ارسال کند.

حیات می‌تواند از پذیرنده‌های الکترون دیگری مانند سولفات، نیترات و آهن نیز استفاده کند؛ اما اکسیژن بیش‌ترین انرژی آزادشده را در واکنش‌های تنفسی فراهم می‌کند. دیوید کتینگ، استاد دانشگاه واشنگتن و همکارانش در مقاله‌ای که در ژورنال اخترزیست‌شناسی (Astrobiology) منتشر شد، توضیح دادند:

 

کاهش اکسیژن بزرگ‌ترین آزادسازی انرژی به ازای انتقال هر الکترون را به استثنای کاهش فلوئور و کلر ایجاد می‌کند.

کلر و اکسیژن می‌توانند مقادیر مشابهی از انرژی تولید کنند. فلوئور حتی می‌تواند بیش از اکسیژن انرژی فراهم کند، اما محققان در مطالعه‌ی خود نوشتند: فلوئور به‌عنوان یک اکسیدکننده‌ی زیستی کاملاً بی‌فایده است، زیرا در برخورد با مواد آلی، باعث انفجار می‌شود. این اصلاً گازی نیست که بخواهید آن را تنفس کنید!

علاوه بر این، کلر و فلوئور هر دو سمی هستند که همین ویژگی تأییدی بر مزایای اکسیژن است. نفس هوازی تنها آب و دی‌اکسید کربن تولید می‌کند و هیچ ترکیب سمی به جا نمی‌گذارد. البته، واکنش‌پذیری بالای اکسیژن می‌تواند در صورت تجمع در بافت‌ها مشکل‌ساز شود، زیرا به اجزای سلولی مانند DNA و پروتئین‌ها آسیب می‌رساند. به همین دلیل است که آنتی‌اکسیدان‌ها، در حد متعادل، برای سلامتی مفید هستند.

اکسیژن بسیار فراوان‌تر از فلوئور، کلر یا سایر پذیرنده‌های الکترون مورد استفاده در تنفس است. با وجود تمایل زیاد آن به ترکیب با سایر اتم‌ها، مقادیر زیادی اکسیژن از طریق فتوسنتز تولید می‌شود. این موضوع به اکسیژن امکان می‌دهد که در جو انباشته و در آب حل شود، جایی که به‌راحتی در دسترس حیات قرار می‌گیرد.

علاوه بر این، اکسیژن به‌عنوان یک گاز، به‌راحتی از طریق غشاها منتقل می‌شود. کنفیلد و میلز در این مورد توضیح دادند که این ویژگی آن را به یک پذیرنده‌ی الکترون ایده‌آل تبدیل می‌کند.

پس چرا نیتروژن را تنفس نمی‌کنیم؟ اگر بحث بر سر فراوانی است، چرا از نیتروژن استفاده نمی‌کنیم که ۷۸ درصد از جو زمین را تشکیل می‌دهد؟ بر اساس توضیحات کنفلید، مشکل اصلی نیتروژن این است که پیوند سه‌گانه دارد و شکستن آن بسیار بسیار دشوار است.

نیتروژن بخش مهمی از ترکیبات زیستی است و گروه‌های خاصی از موجودات زنده به‌طور ویژه در فرایندهای پرانرژی موردنیاز برای شکستن این پیوندهای قوی و تبدیل نیتروژن به ترکیبات در دسترس زیستی نقش دارند. ویژگی منحصربه‌فرد اکسیژن به فیزیک کوانتومی مربوط می‌شود. در حالت عادی، اکسیژن فقط می‌تواند الکترون‌هایی را بپذیرد که در یک حالت چرخشی (اسپین) مشابه قرار دارند، نه به‌صورت یک جفت الکترون که در شیمی معمولاً رایج است. به گفته‌ی نیک لین:

 

نکته‌ی جالب درباره‌ی اکسیژن این است که می‌تواند بدون واکنش، در سطح بالایی انباشته شود، اما هنگامی که الکترون‌ها را یکی‌یکی دریافت کند، مقدار زیادی انرژی آزاد می‌کند.

اکسیژن دقیقا در نقطه‌ی تعادل بین واکنش‌پذیری و در دسترس بودن قرار دارد. چرا که از هالوژن‌هایی مثل کلر و فلوئور ملایم‌تر است و مانند نیتروژن بیش از حد پایدار و غیرقابل استفاده نیست؛ اما نسبت به سایر پذیرنده‌های الکترون مانند سولفات و نیترات، بسیار واکنش‌پذیرتر است.

علاوه بر این، اکسیژن به‌راحتی قابل‌دستیابی است و ترکیبات سمی که نیاز به پردازش بیشتر دارند تولید نمی‌کند و مهم‌تر از همه، گیاهان مقدار زیادی از این گاز واکنش‌پذیر را از طریق فتوسنتز تولید می‌کنند که به ما امکان می‌دهد از آن برای تأمین انرژی بدن خود استفاده کنیم.