Почему почти вся жизнь на Земле дышит кислородом

Кислород — это не просто газ, без которого мы не можем прожить и нескольких минут. Это высокореактивный элемент, способный разрушать молекулы и вызывать окислительные реакции. Но почему именно он стал основой дыхания для подавляющего большинства живых организмов?

Дыхание — это процесс, при котором клетки извлекают энергию из органических веществ, передавая электроны по цепи ферментов. Кислород выступает конечным акцептором этих электронов, соединяясь с ними и образуя воду. По словам биохимика Ника Лейна из Университетского колледжа Лондона, этот механизм напоминает миниатюрную гидроэлектростанцию: поток протонов через мембрану митохондрий генерирует энергию в форме АТФ — универсальной «энерговалюты» клетки.

«Восстановление кислорода дает наибольший выброс свободной энергии на один перенос электрона, за исключением фтора и хлора», — отмечают исследователи в журнале Astrobiology.

Однако фтор и хлор слишком агрессивны. Фтор взрывается при контакте с органическими веществами, а хлор ядовит. Кислород же, несмотря на свою реакционность, безопасен в умеренных количествах и не образует токсичных побочных продуктов.

Азот составляет 78% атмосферы Земли, но его тройная связь делает его крайне инертным. Разрушить эту связь энергетически затратно, поэтому лишь немногие бактерии (например, азотфиксирующие) способны превращать азот в биодоступные формы.

• Кислород — легко транспортируется через мембраны.
• Азот — требует сложных ферментов для усвоения.
• Фтор и хлор — слишком опасны для живых систем.

Уникальность кислорода объясняется его электронной конфигурацией. В основном состоянии он принимает электроны по одному, а не парами, что позволяет клеткам эффективно контролировать процесс окисления. Как поясняет Дональд Кэнфилд, геобиолог из Университета Южной Дании, это делает кислород идеальным балансом между реакционной способностью и стабильностью.

Без фотосинтеза кислород быстро связался бы с другими элементами. Цианобактерии, появившиеся около 2,4 млрд лет назад, запустили «кислородную революцию», изменив состав атмосферы. Сегодня растения и водоросли ежегодно производят около 330 млрд тонн кислорода, поддерживая его концентрацию на уровне 21%.

1. Цианобактерии — первые фотосинтетики.
2. Растения — главные поставщики O₂.
3. Океаны — источник 50% атмосферного кислорода.

Некоторые организмы, такие как сульфатредуцирующие бактерии, используют вместо кислорода серу или железо. Однако эти процессы менее эффективны: например, при восстановлении сульфата выделяется в 10 раз меньше энергии, чем при аэробном дыхании. Это подтверждают исследования микробов в черных курильщиках на дне океана.

Кислород остается оптимальным выбором для сложных многоклеточных организмов. Его доступность, безопасность и энергоэффективность сделали его основой жизни на Земле. И если где-то во Вселенной существует иная биохимия, она должна преодолеть те же физико-химические ограничения.