Didysis O – ir kas pirmas jį panaudojo? Mokslo populiarinimo konkursas

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 pakrantėj, 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 pasibaigus resursams galiausiai užgęstame.

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 – kad 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 išlaikyti svetimus elektronus iš kitų atomų ar molekulių, o susijungimo metu išsiskiria daug energijos. Tai taip pat tai yra gausiausias elementas iš visų Žemėje, sudarantis apie pusę Žemės plutos svorio bei 86 procentus vandenynų svorio (vandens bei mineralų molekulėse). Dažniausiai dabartinėje atmosferoje 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 pasitelkiant deguonį konstruojamos ATP molekulės, dar vadinamos ląstelių energijos valiuta, kuriomis sukuriama šiluma bei palaikoma organų bei raumenų veikla. Kitais žodžiais tariant, 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 lauke.

Prieš tris 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. Planetoje 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. Šiandien 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 žiedinėmis molekulėmis porfirinais panaudojus fotonų energiją, ląstelės pradėjo gamintis energiją (ATP) bei sau reikiamas medžiagas. Šio proceso metu, kaip šalutinis produktas susidaro dujos – deguonis. Kitais žodžiais tariant, 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.

Šis išradimas vos nesunaikino visos tuomet egzistavusios gyvybės. Dabar šis įvykis vadinamas 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.

Mitochondrijos itin svarbios mūsų – žmonių – bei kitų gyvūnų evoliucijai. Dėl energijos našumo ląstelės galėjo leisti vykdyti sudėtingesnes ir įvairesnes ląstelių funkcijas – judėjimą, metabolinius procesus, šviesos, garso, dirgiklių sensoriką. 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, kad didesnis deguonies kiekis Mezozojaus eroje lėmė dinozaurų dydį, nes išlaikyti didesnį kūną reikia daugiau energijos, kurios įmanoma gauti kvėpuojant gausesniu deguonies kiekiu.

Neodarvinizmas teigia, kad 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. O mes, žmonės, nesame individų piramidės viršūnėje – bet kartu egzistuojanti gyvybė Žemėje, glaudžiai tarpusavyje susijusi ir persipynusi.