Vzduch je symbolem klidu, meditace a života samotného. Celý život jste neměli jediný důvod myslet si něco jiného. Jenže plyn, který vám právě plní plíce, je mimořádně žíravý a toxický a jednou už vyhladil většinu života na této planetě. Prvek číslo osm: kyslík.
Atomová chamtivost aneb nejagresivnější lovec elektronů
Jestli je kyslík opravdu tak agresivní, proč na něm život postavil skoro celé své fungování? V periodické tabulce je prvků spousta, tak proč ze všech možností zvítězil zrovna tenhle? Rozhoduje vlastnost, které se říká elektronegativita. Zjednodušeně jde o atomovou chamtivost, o hlad po elektronech.
Kyslíku chybějí ve vnější elektronové vrstvě dva elektrony do zaplněné osmičky a on se je zoufale snaží získat. Nečeká, až mu je někdo nabídne. Doslova je rve ostatním atomům z ruky, trhá vazby mezi molekulami, jen aby se k jejich elektronům dostal. Chemický vysavač bez vypínače.
Proč evoluce nesáhla po fluoru
Kyslík přitom není nejsilnější, co příroda nabízí. Fluor je ještě mnohem agresivnější, je nejelektronegativnějším prvkem vůbec a přitahuje elektrony nesrovnatelně silněji. Jestli evoluci šlo o výkon, proč nesáhla po něčem silnějším?
Protože fluor je příliš divoký na to, aby se dal zkrotit. Reaguje prakticky se vším, čeho se dotkne, dokáže zapálit i vodu a navíc ho je ve vesmíru poměrně málo, zatímco kyslík patří k nejhojnějším prvkům vůbec. Kyslík je špičkové závodní palivo, fluor je palivo, které vám roztaví motor dřív, než otočíte klíčkem.
Kyslík leží přesně na hranici, kterou život potřebuje. Je dost stabilní, aby se mohl hromadit v atmosféře a byl vůbec k dispozici, a zároveň dost reaktivní, aby uvolnil obrovské množství energie. A jakmile biologické procesy tenhle oheň zkrotí a udrží pod kontrolou, získají nevídaný výkon.
Dvě molekuly ATP, nebo dvaatřicet?
Jak velký? Stačí se podívat do vlastních buněk. Když zpracovávají glukózu bez kyslíku, tedy anaerobní fermentací, získají žalostně málo: dvě molekuly ATP. ATP je základní energetická měna buňky, něco jako miniaturní nabitá baterie.
Průběh vypadá takhle. Glukóza se ještě mimo mitochondrii štěpí na dva pyruváty. Pyruvát je tříuhlíkatý produkt, ve kterém zůstává velká část původní energie, a právě při tomto prvním štěpení vzniknou ony dvě molekuly ATP. Zároveň se z glukózy odebírají elektrony, které přebírají přenašeče zvané NAD+. Prázdný NAD+ se naložením elektronů mění na NADH. Představte si elektrony jako beton a NAD+ jako prázdné stavební kolečko.
Pyruváty potom vstupují do mitochondrie a do Krebsova cyklu. Při těch reakcích se uvolňuje oxid uhličitý, který vydechujete, vzniká malé množství ATP a hlavně se odebírají další elektrony. Ty znovu nabírá NAD+, takže se uvnitř mitochondrie hromadí další a další naložená kolečka. Hlavní výroba energie teprve přichází.
Kyslík na konci dýchacího řetězce
NADH dopraví elektrony k dýchacímu řetězci, tedy k sérii bílkovinných komplexů zabudovaných ve vnitřní membráně mitochondrie. NADH odevzdá elektrony prvnímu komplexu a sám se změní zpátky na NAD+. Kolečko se vyprázdní a může se vrátit pro další náklad. První komplex předá elektrony druhému, ten dalšímu a tak pořád dál. Cestou elektrony postupně ztrácejí energii a komplexy ji využívají k přečerpávání protonů z vnitřku mitochondrie na druhou stranu membrány.
Co se ale stane s elektronem na úplném konci řetězce? Někdo ho musí převzít. A tady přichází kyslík. Je konečným příjemcem elektronů: spojí se s předaným elektronem a s protonem, tedy jádrem vodíku, a vznikne voda, kterou vydechujete jako vodní páru.
Právě tím udržuje konec řetězce průchodný. Bez kyslíku by poslední komplex neměl komu elektron předat, zůstal by plný a postupně by se ucpal celý řetězec, až by NADH nemělo kam elektrony odevzdat na jeho začátku. NADH by se v buňce hromadilo a došla by zásoba prázdných koleček NAD+, bez kterých se glukóza zpracovávat nedá. Kyslík tedy NADH nečistí přímo, přebírá elektron na opačném konci řetězce a tím umožňuje, aby se NADH na začátku pořád měnilo zpátky na NAD+.
A ty přečerpané protony? Chtějí se dostat zpátky a jediná cesta vede přes enzym zvaný ATP syntáza. Proud protonů ji pohání a ona vyrábí většinu buněčného ATP. Bez kyslíku se elektrony nemají kam přesunout, řetězec se zastaví a zbude jen anaerobní fermentace se dvěma molekulami ATP. S kyslíkem vytěží aerobní metabolismus zhruba dvaatřicet molekul ATP. Starší učebnice uváděly čísla vyšší, kolem šestatřiceti.
Energie, která zaplatila svaly i mozek
Právě tady se z chemie stává obrovská evoluční výhoda. Ze stejného jídla vytáhne buňka s kyslíkem zhruba patnáctkrát až šestnáctkrát víc energie. Nezmění se vnitřní mechanismus buňky, změní se jeho efektivita. A teprve levný metabolismus si může dovolit něco drahého.
Anaerobní život měl rozpočet sotva na to, aby zůstal jednobuněčným slizem, který na začátku vyplivlo moře. S kyslíkem bylo najednou z čeho zaplatit složité svaly, rychlý pohyb, dravost a hlavně obří, energeticky nenasytné mozky. Lidský mozek spotřebuje zhruba pětinu energie celého těla, přestože tvoří jen asi dvě procenta jeho hmotnosti. Lidské vědomí doslova běží na chemické chamtivosti kyslíku, který je dokonale vyladěným motorem pro složitý život.
Velká oxidační událost: jed, který si život vyrobil sám
Vraťme se hodně zpátky, do dob, kdy v atmosféře nebyl téměř žádný kyslík. Obloha měla podle rekonstrukcí spíš oranžový nádech a veškerý život byl anaerobní. Biliony jednobuněčných organismů si spokojeně vegetovaly ve světě bez kyslíku.
Pak se vyvinuly sinice, skuteční průkopníci fotosyntézy. Přišly na to, jak ze slunečního světla a oxidu uhličitého stavět vlastní těla a získávat energii, a jako odpad chrlily kyslík. Tahle strategie měla nevídaný úspěch. Sinice se množily a svými výfukovými plyny postupně zaplavily oceány i atmosféru.
Pro zbytek tehdejšího života to byl jed. Protože se kyslík tak zoufale snaží krást elektrony, rozbíjel dávným mikrobům buněčné mechanismy, trhal jim membrány a poškozoval primitivní DNA. Antioxidační obranu tehdy neměl nikdo. Nebyl to pro ně vzduch, byla to dezinfekce.
Zhruba před 2,4 miliardy let tak nastala brutální proměna atmosféry i klimatu, které říkáme velká oxidační událost a která bývá řazena mezi největší vymírání v dějinách planety. Katastrofa způsobená žravým plynem, který si nový život vyrobil sám a pak jím zaplavil svět. Odpadní produkt jednoho způsobu získávání energie vyhubil většinu života na Zemi.
Volné radikály: cena za výkonné palivo
I když se život kyslík nakonec naučil využívat a evoluce se mu přizpůsobila, úplně si na něj nezvykl. Tatáž dravá reaktivita dodnes vytváří přímo ve vašich mitochondriích volné radikály, tedy reaktivní formy kyslíku. Při výrobě energie se malá část kyslíku vymkne kontrole. Odhady se pohybují řádově v desetinách až jednotkách procenta a starší, často citovaná čísla dnešní měření spíš snižují. Uniklý kyslík pak začne řádit: naráží do dalších částí buňky, krade elektrony bílkovinám a poškozuje DNA.
Podle rozšířené hypotézy se takové poškození hromadí desítky let a podílí se na buněčném stárnutí. Zjednodušeně řečeno rezavíte zevnitř, a to je cena za obchod s tak výkonným palivem. Vaše tělo pohání řízený žár. Prvek, který vdechnete asi dvacetitisíckrát denně, je ve skutečnosti neviditelný oheň.
Flogiston, ohnivý vzduch a myš pod sklenicí
Neviditelný je dobré slovo. Kyslík není vidět, nemá barvu ani zápach a většinu času ho vůbec nevnímáte. Jak jsme tedy vůbec zjistili, že existuje? Většinu lidských dějin jsme o něm netušili.
Ještě v sedmdesátých letech 18. století vědě kralovala teorie flogistonu, dogma své doby. Lidé věřili, že se při hoření uvolňuje mytická nehmotná látka zvaná flogiston. Dřevo podle nich hořelo, protože ho bylo plné, a hořet přestalo ve chvíli, kdy byl flogistonem nasycen i okolní vzduch a další už nedokázal přijmout. Zní to trochu jako alchymie, jenže v té době neexistoval mechanismus, jak takovou představu zpochybnit.
První, kdo dogma narušil, byl švédský lékárník Carl Wilhelm Scheele. Na přelomu let 1771 a 1772 kyslík izoloval a nazval ho „ohnivým vzduchem“, protože v něm plameny hořely oslnivě jasně. Jeho rukopis ale roky ležel u nakladatele, takže hlavní zásluhy dějiny připsaly anglickému duchovnímu a přírodovědci Josephu Priestleymu, který svůj objev z roku 1774 zveřejnil dřív.
Priestleyho pokus byl jednoduchý a geniální. Pomocí dvanáctipalcové skleněné čočky soustředil ostré sluneční světlo na červený oxid rtuťnatý v nádobě s kapalnou rtutí. Teplo rozbilo chemické vazby, z červeného prášku se začal uvolňovat záhadný bezbarvý plyn a Priestley ho zachytil do sklenice a vložil dovnitř myš. Ta nejenže přežila, ona viditelně okřála a vydržela zhruba dvakrát déle, než by vydržela ve sklenici s běžným vzduchem.
A co uděláte, když právě objevíte neznámý plyn a myš po něm ožije? Samozřejmě že ho vyzkoušíte na sobě. Priestley plyn vdechl skleněnou trubičkou a později napsal, že cítil v hrudi zvláštní lehkost a úlevu.
Jak může tentýž plyn způsobit masové vymírání, ničit buňky a přitom vám po nadechnutí udělat dobře? Mozek je nenasytný spotřebitel kyslíku, a když mu ho dodáte v čisté podobě, buněčné motory se na krátkou dobu rozjedou naplno a přibude energie i bdělosti. Kdyby ale Priestley pokračoval, dostala by ho toxicita. Delší dýchání čistého kyslíku poškozuje plicní tkáň a při zvýšeném tlaku se přidává i otrava centrální nervové soustavy.
Největší ironie? Priestley provedl jeden z nejvýznamnějších chemických objevů svého století, ale vůbec nedokázal přijmout, co vlastně objevil. Flogistonu se nevzdal a nový plyn dál označoval jako „odflogistonovaný vzduch“. Podle něj šlo o obyčejný vzduch zbavený veškerého flogistonu, o jakousi prázdnou houbu, která ho může nasávat z hořících předmětů a dýchajících myší. Koukal pravdě do očí a stejně ji neviděl.
Váhy, které zabily flogiston
Rozhodla večeře v Paříži. V roce 1774 Priestley cestoval po Evropě a zavítal do francouzské akademie věd. U stolu proti němu seděl francouzský šlechtic a chemik Antoine Lavoisier a Priestley mu nadšeně popsal celý cyklus: oxid rtuťnatý, čočku, okřálé myši. Lavoisier poslouchal, vrátil se do laboratoře a experiment zopakoval.
Udělal ale jednu věc, kterou Priestley nikdy neudělal. Všechno zvážil. Použil zatavené skleněné baňky a zvážil celý uzavřený systém před zahřátím kovu i po něm. Celková hmotnost se nezměnila ani o gram. Když pak baňku otevřel, vzduch se do ní nahrnul, a když nakonec zvážil samotný spálený kov, zjistil, že kov je těžší.
To byla pro flogiston rána z milosti. Kdyby kov při hoření uvolňoval do vzduchu nějakou látku, musel by zbytek být lehčí. Lavoisier ukázal pravý opak. Kov při hoření těžkne. Rez, dech v plicích, dřevo v krbu, za tím vším stojí stejný mechanismus: kov nic neztrácí, bere si ze vzduchu skutečný plyn a přidává ho do své vlastní struktury.
Lavoisier si tak uvědomil zásadní věc. Vzduch není jeden prvek, ale směs několika plynů, a Priestleyho záhadný plyn je právě ta účinná složka, která umožňuje hoření. Pojmenoval ho oxygen, z řeckých výrazů oxys jako kyselý a genes neboli tvořit. To jméno tedy znamená kyselinotvorný a odtud pochází i český název kyslík. Flogiston byl mrtvý a na jeho místě se rodila moderní chemie.
Oba muži přitom nakonec přišli o všechno. Priestley, který svůj objev zveřejnil jako první, Lavoisierovu práci bez váhání odmítl a mrtvou teorii bránil až do konce života. Stal se z něj vědecký vyvrhel, a poté co mu dav vypálil dům, utekl do Ameriky. Lavoisier dopadl ještě hůř. Nebyl jen vědec, byl také velmi bohatý šlechtic a výběrčí daní. Během jakobínského teroru ho zatkli a revoluční tribunál ho v roce 1794 poslal pod gilotinu. Matematik Joseph-Louis Lagrange k tomu poznamenal, že utrhnout tu hlavu trvalo okamžik, ale sto let možná nebude stačit, aby se zrodila další taková.
Čas oxygenace: kyslík jako úzké hrdlo složitého života
Kyslík možná neurčuje pouze to, jak život funguje. Může rozhodovat i o tom, jestli vůbec dostane šanci stát se složitým. Astrobiologové mluví o takzvaném čase oxygenace, tedy o době, kterou kamenná planeta potřebuje k vytvoření dýchatelné atmosféry.
Zemi to podle publikovaných odhadů trvalo zhruba 3,9 miliardy let neustálého chrlení bakteriálních výfukových plynů, než nashromáždila dost atmosférického kyslíku pro složitý mnohobuněčný život. Takřka čtyři miliardy let jen na přípravu vzduchu, to jsou zhruba dvě pětiny z přibližně desetimiliardové životnosti našeho Slunce na hlavní posloupnosti.
Až se tedy příště budete divit, proč jsme dosud nenašli složitý mimozemský život, nedívejte se jen na planety. Dívejte se i na hvězdy. Planeta obíhající kolem hvězdy, která je jen o něco teplejší a svítí kratší dobu než ta naše, nemusí dostat dost času. Hvězda zemře dřív, než se atmosféra planety stihne naplnit kyslíkem. Kyslík jako univerzální úzké hrdlo složitého života, jeden z velkých filtrů.
Závěr
Kyslík není látka, která kdysi bývala jedem a pak jím být přestala. Jedem je pořád. Týž plyn, který před miliardami let ničil buňky pradávných mikrobů a málem sprovodil život ze světa, nakonec umožnil vznik života složitého. Postavil svaly, zaplatil rychlý pohyb, vybudoval velké, po energii hladové mozky schopné myslet. Mozky, které vynalezly moderní chemii a nakonec dokázaly objevit i samotný kyslík. Priestley se jím nadchl a připravil se kvůli němu o vědeckou pověst, vy kvůli němu právě teď stárnete. Pořád tatáž molekula, pořád tatáž chamtivost a hlad.
A celé miliardy let se přitom zdánlivě neděje nic. Jednobuněčné organismy jen tiše chrlí toxický odpadní plyn, než z planety vytvoří místo, kde se dá dýchat.
