كتب – باسل يوسف:
نعتقد أن الأكسجين هو مصدر الحياة، وقوتها، ونسمة هواء نقي. لكنه في الواقع عنصر شديد التفاعل. فلماذا إذن تتنفس العديد من الكائنات الحية الأكسجين؟
يقول دونالد كانفيلد، عالم الأحياء الجيولوجية في جامعة جنوب الدنمارك، إن هناك على الأرجح آلاف من أنواع عمليات الأيض، أو العمليات الكيميائية التي تحافظ على الحياة، ولكن “جميع حقيقيات النوى تقريبًا” (أشكال الحياة التي تحتوي خلاياها على نواة) ومجموعة كبيرة من بدائيات النوى (أشكال الحياة التي تفتقر إلى نواة)، تستخدم الأكسجين.
يتحدث كانفيلد بشكل أساسي عن الكائنات غيرية التغذية – وهي كائنات حية، بما في ذلك البشر، تحصل على مغذياتها وطاقتها من خلال استهلاك مواد عضوية أخرى. لا تفعل جميع الكائنات الحية ذلك حصريًا. على سبيل المثال، يقول دان ميلز، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة ميونيخ: “تحصل النباتات على الكربون من ثاني أكسيد الكربون في الهواء”.
تُحلل الكائنات غيرية التغذية المادة العضوية في الغذاء عن طريق نزع الإلكترونات منها. تنتقل هذه الإلكترونات من إنزيم إلى آخر في غشاء الميتوكوندريا، مولدةً تيارًا كهربائيًا صغيرًا يضخ البروتونات عبر هذا الحاجز. ونظرًا لارتفاع سالبية الأكسجين الكهربية، فإنه عادةً ما يكون المحطة الأخيرة في سلسلة نقل الإلكترونات هذه، حيث يستقبل الإلكترونات ويلتقط بروتونين لتكوين الماء.
تُنشئ هذه العملية خزانًا من البروتونات التي تتدفق بعد ذلك عبر قناة بروتينية في الغشاء، مثل سد كهرومائي صغير. وكما هو الحال في التوربينات، يُنتج البروتين الطاقة على شكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) أثناء دورانه، كما أوضح نيك لين، أستاذ الكيمياء الحيوية التطورية في كلية لندن الجامعية. يمكن للخلية بعد ذلك استخدام هذه الطاقة المُجمّعة أو إرسالها إلى الجسم للقيام بمهامها.
يمكن للحياة استخدام العديد من مُستقبلات الإلكترونات الأخرى – مثل الكبريتات والنترات والحديد – ولكن الأكسجين هو أعلى مُستقبل طاقة متاح.
أوضح ديفيد كاتلينج، الأستاذ بجامعة واشنطن، وزملاؤه في دراسة نُشرت في مجلة علم الأحياء الفلكية: “يُوفر اختزال الأكسجين أكبر إطلاق للطاقة الحرة لكل عملية نقل إلكترون، باستثناء اختزال الفلور والكلور”.
يمكن للكلور والأكسجين توليد كميات متشابهة من الطاقة. بالتأكيد، يُمكن للفلور أن يُوفر طاقة أكبر من الأكسجين، لكن “الفلور عديم الفائدة كمؤكسد بيولوجي لأنه يُحدث انفجارًا عند ملامسته المواد العضوية”، كما كتبوا في الدراسة. هذا ليس غازًا يُنصح باستنشاقه.
يُعد الكلور والفلور سامين أيضًا، ما يُبرز فائدة أخرى للأكسجين. لا يُنتج التنفس الهوائي أي مركبات سامة، فقط الماء وثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك، يُمكن أن تُسبب تفاعلية الأكسجين مشكلة إذا تراكم في الأنسجة، حيث يُمكن أن يُلحق الضرر بمكونات خلوية مثل الحمض النووي والبروتينات. لهذا السبب، تُعتبر مضادات الأكسدة، باعتدال، مفيدة لصحتنا.
الأكسجين أكثر وفرةً بكثير من الفلور والكلور، أو من مُستقبلات الإلكترونات العديدة المستخدمة في أشكال التنفس الأخرى. على الرغم من ميله لتكوين مركبات مع ذرات أخرى، إلا أن كمية وفيرة منه تُنتج باستمرار عبر عملية التمثيل الضوئي. هذا يُمكّنه من التراكم في الغلاف الجوي والذوبان في الماء، حيث يكون متاحًا بسهولة للحياة. ولأنه غاز، يسهل انتقاله عبر الأغشية، كما أوضح كانفيلد وميلز.
إذا كان الأمر يتعلق بالوفرة، لماذا لا نستخدم النيتروجين، الذي يُشكل 78% من الغلاف الجوي للأرض؟
قال كانفيلد: “تكمن المشكلة الرئيسية في النيتروجين في أنه ثلاثي الروابط، ويصعب كسره”.
وأضاف كانفيلد أن النيتروجين مُكوّن مهم في العديد من المركبات البيولوجية، وهناك مجموعات كاملة من الكائنات الحية تتخصص في العمليات كثيفة الطاقة اللازمة لكسر روابط النيتروجين القوية لجعله متاحًا حيويًا.
تعود فائدة الأكسجين الفريدة إلى فيزياء الكم. لا يستقبل الأكسجين في حالته الأرضية العادية إلا الإلكترونات في نفس حالة الدوران، وليس كزوج إلكتروني، وهو المعيار السائد في الكيمياء.
قال لين: “السر الحقيقي للأكسجين هو قدرته على التراكم إلى مستويات عالية دون تفاعل، ولكنه يُطلق الكثير من الطاقة (لضخ البروتونات) عند تزويده بالإلكترونات واحدًا تلو الآخر”.
يبدو أن الأكسجين يتمتع بمستوى مثالي من التفاعلية والتوافر. فهو أخف من الهالوجينات مثل الكلور والفلور، ولا يرتبط بها بقوة كبيرة، مثل النيتروجين. ولكنه أكثر تفاعلية بكثير من مستقبلات الإلكترونات الأخرى، مثل الكبريتات والنترات.
يسهل الحصول على الأكسجين، ولا يُنتج مركبات سامة تتطلب معالجة إضافية. علاوة على ذلك، تُنتج النباتات كميات وفيرة من هذا الغاز التفاعلي من خلال عملية التمثيل الضوئي، ما يُمكّننا من استخدامه لتغذية أجسامنا.
المصدر: Live Science
اقرأ أيضا:
