Kviečiame skaityti trečiąjį 2024 m. mokslo populiarinimo konkurso darbą.
Daugiau apie šį mokslo populiarinimo konkursą skaitykite ČIA.

Kristina Zakutauskaitė

Atvirame ore – ne kvepalai, ne distiliavimo garai, jisai – bekvapis,
Tas oras mano gomury – per amžius, kaip aš jį myliu!
Nueisiu pamiškėn ant kranto ir atsidengsiu, liksiu nuogas,
Beprotiškai su oru trokštu susiliesti.
Mano paties kvėpsnio garas,
Aidai ir raibuliai, dūzgus šnabždėjimas, meilės šaknis, šilkinis siūlas,
šakumas ir virkščios,
Aš iškvepiu ir įkvepiu, manoji širdis plaka, keliauja oras, kraujas
plaučiais,
Kvepia žali labai ir sudžiūvę lapai, ir jūros krantas, ir tamsios uolos
parantėj, ir šienas daržinėj…

Walt Whitman, (iš a. k. vertė Marius Burokas ir Kasparas Pocius)

Prieš 2.5 milijardo metų gyvybės raidą transformavo du įvykiai: atmosferoje atsirado daug deguonies ir branduolio neturinčios ląstelės pradėjo jungtis į vieną tam, kad jį panaudotų. Tai žaibiškai pagreitino medžiagų apykaitą ir lėmė ląstelių organelių, kurios lemia kvėpavimą deguonimi susidarymą, bei sudėtingesnių, daugialąsčių organizmų vystymąsi. Šio proceso teorijos pavadinimas – endosimbiozė (endon – graikų kalboje reiškia viduje, o simbiozė – gyvenanti kartu). Simbiozės teorijos išvados liečia ne tik mūsų suvokimą apie biologiją, evoliuciją ir aplinką bet ir mūsų tarpusavio santykius tarp žmonių, gyvybės ir Žemės.

Uždengus žvakę ir miegantį žmogų dviem vienodo dydžio gaubtais per kelias minutes, priklausomai nuo gaubtų dydžio, užgestų kartu ir žvakė ir žmogaus gyvybė. Prižadu, kad eksperimento nedariau, ir tikiuosi niekas nesusigundys, tačiau tokia hipotetinė situacija – gan metaforiška. Žmogus, savo gyvybiniams procesams miego metu sunaudoja 80 W energijos – maždaug tiek, kiek paprasta žvakė. Mes taip pat tarsi žvakės per visą gyvenimą lėtai degame, kol galiausiai užgęstame pasibaigus resursams.

Ne sutapimas, jog žodis deguonis susijęs su žodžiu degti. Degimas – tai cheminė deguonies ir kuro reakcija, kurios metu išmetama daug energijos šilumos ir šviesos forma. Tačiau šis elementas dalyvauja ir kitose reakcijose – daug įvairių mineralų bei junginių susiformuoja susijungę su deguonimi. Dėl dalyvavimo rūgščių susidaryme taip pat buvo svarstoma deguonį pavadinti rūgštygamiu ar rūgštagamiu. Asmeniškai, jaučiuosi dėkinga Jonui Jablonskiui, pasiūliusiam šio elemento pavadinimą, jog lėktuvuose turime deguonies, o ne rūgštagamio kaukes.

Šio elemento unikalumas – jo savybė itin lengvai sukurti ryšius su kitais elementais. Deguonis, turi stiprų potraukį pritraukti ir laikytis svetimų elektronų iš kitų atomų ar molekulių, o susijungimo metu išsiskiria daug energijos. Tai taip pat gausiausias elementas iš visų Žemėje, sudarantis apie pusę Žemės plutos svorio bei 86 procentus vandenynų svorio (vandens bei mineralų molekulėse). Dažniausiai dabartinėje atomsferoje randama deguonies forma – diatominis molekulinis deguonis – O₂.

Taigi ir žvakei, ir žmogui reikalingas deguonis, tačiau žvakės liepsnoje deguonis tiesiogiai jungiasi su parafinu ir reakcijos metu sukuria šilumą bei šviesą. Tuo tarpu žmogaus kūne deguonies pagalba konstruojamos ATP molekulės, dar vadinamos ląstelių energijos valiuta, kurių pagalba sukuriama šiluma bei palaikoma organų ir raumenų veikla. Kitais žodžiais, žmogus kvėpuoja, o nedega. Tačiau deguonis lemia ir mirtį – ardo (oksiduoduoja) ir verčia senti kūno ląsteles. Nors degimas ir kvėpavimas turi panašumų, nuo paprastos cheminės degimo reakcijos iki ATP molekulių biologinėse ląstelėse – labai ilgas kelias, užtrukęs milijardus metų ir šiuo metu mums leidžiantis skaityti straipsnį internete ar eiti pabėgioti rajone.

Prieš 3 milijardus metų Žemės atmosfera nebuvo tokia jauki ir patogi vieta mums, aerobiniams (deguonimi besinaudojantiems) organizmams – joje beveik nebuvo deguonies, o pagrindinės dujos buvo anglies dioksidas,vandens garai, azotas, truputis metano, azoto bei dar keletas pavienių molekulių. Planetą dominavo prokariotai- nepriklausomai egzistuojančios ląstelės be branduolio, turinčios savyje DNR, gaminančios proteinus iš DNR instrukcijų, naudojant RNR molekules kaip tarpininkus. Energiją išgyvenimui šie vienaląsčiai organizmai gaudavo naudodami nitrato,sulfato, anglies dioksido ar kitas dujas bei fermentacijos procesus. Šiandieną tokius anaerobinius (deguonies nenaudojančius) organizmus galėtume rasti pelkėse, žemėje, po jūrų bei vandenynų nuosėdomis ar net savo virškinimo trakte – ten kur stinga deguonies.

Tuomet, maždaug prieš 2.5 milijardų metų mūsų planetos atmosferą transformavo netikėtas atradimas. Panaudojus vandenį, anglies dioksidą bei žiedinių molekulių porfirinų pagalba panaudojus fotonų energiją, ląstelės pradėjo gamintis energiją (ATP) bei sau reikiamas medžiagas.

Šio proceso metu, kaip šalutinis produktas susidaro dujos – deguonis. Kitais žodžiais prokariotai pradėjo fotosintetinti. Atmosfera tapo prisotinta deguonimi, žemė nusidažė daugybe spalvų – dėl drėgno oro bei oksidacijos surūdijo geležis, susidarė daug naujų mineralų, išsiskiriančių ryškiomis spalvomis.

Nauji mineralai susidarę deguoniui atsiradus atmosferoje, Gamtos Istorijos Muziejus, Viena, Austrija.

Šis išradimas vos nesunaikino visos tuomet egzistavusios gyvybės. Dabar šis įvykis didžiuoju deguonies susidarymo įvykiu. Dauguma tuo metu gyvenusių vienaląsčių neturėjo apsaugos nuo oksidacijos todėl pražuvo. Aerobinės bakterijos, pradėjusios naudoti deguonį ATP generavimui, išpopuliarėjo, be to deguonis pasirodė žymiai efektyvesnis elementas gaminantis ATP palyginus su fermentacijos procesų, ar kitų elementų panaudojimu.

Tuo laikotarpiu, vienai bakterijai apgaubus kitą, tarp jų susiformavo simbiotinis ryšys – vidinė bakterija teikė sistemai energiją per aerobinį kvėpavimą, o išorinė ląstelė – apsaugą ir maistines medžiagas. Tokia specializacija ženkliai padidino ląstelių efektyvumą- ypač energijos gamybos atžvilgiu. Ilgainiui šis abipusis naudingas ryšys lėmė šios sistemos atsparumą bei gyvybingumą ir vidinė bakterija tapo organele – mitochondrija, o abi ląstelės – viena sistema – eukariotine ląstele.

Ląstelinio kvėpavimo evoliucija (shmoop.com)

Mitochondrijos itin svarbios mūsų, žmonių, bei kitų gyvūnų evoliucijai. Dėl energijos našumo ląstelės galėjo leisti vykdyti sudėtingesnes ir įvairesnes ląstelių funkcijas – judėjimui, metaboliniams procesams, šviesos, garso, dirgiklių sensorikai. Įvairesnės funkcijos leido skirtingoms ląstelėms specializuotis ir jungtis į didesnes sistemas- iš pavienių ląstelių susidarė sambūriai. Vėliau pradėjo vystytis ir nervų, raumenų, jungiamosios, kaulų ląstelės, kurios leido susiformuoti judantiems
gyvūnams.

Per daugelį metų deguonies kiekis atmosferoje kito ir kartu keitė gyvybę Žemėje: nuo masinio išnykimo dėl deguonies atsiradimo iki vėlesnių masinių išnykimų dėl jo trūkumo, sukelto ugnikalnių išsiveržimų bei asteroidų smūgių. Dėl deguonies kito ir organizmų struktūra – atsirado mitochondrijos, vėliau celiuliozės ląstelės, iš kurių susideda medžiai, raumenų ląstelės, leidžiančios judėti gyvūnams. Manoma, jog didesnis deguonies kiekis Mezozojos eroje lėmė dinozaurų dydį, nes išlaikyti didesnį kūną reikia daugiau energijos, kurios įmanoma gauti kvėpuojant gausesniu deguonies kiekiu.

Neo darvinizmas teigia, jog vienintelis evoliucijos veiksnys – gamtos organizmų natūrali atranka, stiprinanti naudinguosius/pranašiuosius ir eliminuoja nenaudingus individo bruožus. Žmonių visuomenės ir ekonomikos modelis kartais grindžiamas tuo pačiu konkurencijos bei kovos principu. Deguonies kelias parodo, kokia nepakeičiama evoliucijos dalis yra bendradarbiavimas – ar endosimbiozės, ar medžiagų apykaitos būdu, tarp deguonį vartojančių bei deguonį išmetančių organizmų. Deguonis nėra visos gyvybės pagrindas – anaerobinės bakterijos bei kiti anaerobiniai organizmai vis dar klesti žemėje ir nežada trauktis – pragyvens ir mus. Mes, žmonės, nesame individų piramidės viršūnėje, bet kartu egzistuojanti gyvybė Žemėje, glaudžiai tarpusavyje susijusi ir persipynusi.

Šaltiniai:

CLAIRE, M. & CATLING, D. & ZAHNLE, K.. (2006). Biogeochemical
modelling of the rise in atmospheric oxygen. Geobiology. 4. 239 – 269.
10.1111/j.1472-4669.2006.00084.x.

Haskett, Dorothy Regan, “”On the Origin of Mitosing Cells” (1967), by
Lynn Sagan”. Embryo Project Encyclopedia ( 2014-04-15 ). ISSN: 1940-
5030 https://hdl.handle.net/10776/7820

The big O | New Scientist

Oxidizing and Reducing Agents – Chemistry LibreTexts

Symbiotic Earth: How Lynn Margulis rocked the boat and started a scientific
revolution. A film by John Feldman; script, John Feldman; producer, Susan Davies;

a Hummingbird Films production (documentary film). Oley, PA: Bullfrog Films. 2018.
OCLC 1032829183.

Gamtos istorijos muziejus, Viena, Austrija.