1 августа 1774 года экспериментально был открыт молекулярный кислород.
Сегодня каждый первоклассник знает, что без оксигена ( лат. оxygenium - кислород) жизнь любого живого существа на Земле невозможна. Кислород является обязательным элементом в составе углеводов, ДНК, РНК и прочего.
Кислород – самый распространенный химический элемент с формулой О2 в земной коре. На его долю в виде различных соединений, главным образом, силикатов, приходится около 45 % массы твёрдой земной коры: кислород в своём составе содержат более 1500 её соединений.
Огромное количество связанного кислорода — 85,82 % (по массе) присутствует в водах Мирового океана.
В атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % по объёму и 23,10 % по массе (около 1015 тонн).
Отсюда неудивительно, что связь его с другими химическими элементами - самая элементарная.
Первые сведения о кислороде стали известны в Европе из китайских рукописей 8 века. Но только в начале 16 века Леонардо да Винчи опубликовал данные о кислороде, глубоко исследовав химию элемента. Но тогда он еще не знал, что кислород – элемент.
Официально считается, что кислород открыл английский химик Джозеф Пристли. Это случилось 246 лет назад 1 августа 1774 года. Учёный провёл опыт, достигнув разложения оксида ртути в герметично закрытом сосуде путём направления солнечных лучей на это соединение через мощную линзу.
Однако Пристли сначала не понял, что открыл новое простое вещество. Он посчитал, что выделил одну из составных частей воздуха и назвал этот газ «дефлогистированным воздухом». Своим открытием Пристли поделился с выдающимся французским химиком Антуаном Лавуазье, который в свою очередь установил, что кислород является составной частью воздуха, кислот и содержится во многих веществах.
Оказалось, что ещё раньше, в 1771 году, кислород получил шведский химик Карл Шееле, прокаливая селитру с серной кислотой и затем разложив получившийся оксид азота. Этот газ учёный «назвал «огненным воздухом». Описав свой опыт в изданной им в 1777 году книге, Шееле также поделился открытием с Лавуазье.
А Лавуазье, используя информацию обоих учёных, смог окончательно разобраться в природе полученного газа.
Таким образом, первооткрывателями молекулярного кислорода по праву можно назвать всех троих учёных. Но датой открытия молекулярного кислорода всё же принято считать 1 августа 1774 года.
До появления первых фотосинтезирующих микробов в архее (3,5 млрд. л.н.) в атмосфере его практически не было. Свободный кислород в больших количествах начал появляться в протерозое (3—2,3 млрд. л.н.) в результате глобальных атмосферных изменений.
Первый миллиард лет практически весь кислород, выделяемый микробами, поглощался растворённым в океанах в больших количествах железом и концентрировался в железистых кварцитах (джеспилитах). Впоследствии они образовали крупнейшие в мире железорудные месторождения (Криворожское месторождение, Курская магнитная аномалия). 3—2,7 млрд. лет назад кислород начал выделяться в атмосферу и 1,7 млрд. лет назад достиг 10 % от нынешнего уровня.
Надо сказать, что появление кислорода на Земле явилось крупнейшей экологической катастрофой для существовавшей тогда анаэробной формы жизни, биохимия которой сильно отличается от аэробной. Наличие большого количества растворённого и свободного кислорода в океанах и атмосфере (результат деятельности морских сине-зеленых водорослей) привело к вымиранию большинства видов анаэробных организмов, остальные же были вынуждены приспосабливаться под кислородную атмосферу. Тем не менее, клеточное дыхание с помощью кислорода позволило аэробным организмам производить гораздо больше АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты), чем анаэробным, сделав их доминирующими.
Источник энергии и яда
Немногие знают, что чистый кислород опасен. Его в небольших дозах применяют в медицине, но если дышать им долго, можно отравиться. Лабораторные мыши и хомячки, к примеру, живут в нем всего несколько дней. В воздухе же, которым мы дышим, кислорода чуть больше 20%.
Почему же для живых существ необходимо совсем небольшое количество этого газа? Дело в том, что О2 – мощнейший окислитель, перед ним не может устоять практически ни одно вещество. А людям и всем животным (даже грибам и большинству бактерий) нужна энергия, чтобы жить. Получается, что для этого мы должны окислять те или иные питательные вещества, буквально сжигая их, как дрова в каминной топке.
Этот процесс протекает в каждой клетке организма, где для него имеются специальные «энергетические станции» – митохондрии. Именно туда, в конечном итоге, разложенное до молекул, попадает все, что мы съели. В них и происходит окисление.
Такой способ получения энергии – аэробный - в несколько раз эффективнее, чем без кислорода.
Из 140 литров кислорода, которые мы вдыхаем за день из воздуха, почти все уходит на получение энергии. Почти – но не все. Примерно 1% тратится на производство, как ни грустно слышать, яда. Дело в том, что во время полезной деятельности кислорода образуются и опасные вещества, так называемые «активные формы кислорода» - ядовитые свободные радикалы и перекись водорода.
Недавно ученые нашли объяснение этому природному подвоху. Свободные радикалы и перекись водорода при помощи особого белка-фермента образуются на внешней поверхности клеток, с их помощью наш организм уничтожает бактерии, попавшие в кровь. Если учесть, что радикал гидроксида по своей ядовитости соперничает с хлоркой, то получается очень разумная придумка.
Однако не весь яд оказывается за пределами клеток. Он образуется и в тех самых «энергетических станциях», митохондриях. В них же имеется своя собственная ДНК, которую и повреждают активные формы кислорода. И вот дальше становится понятно до грустности: работа энергетических станций разлаживается, ДНК повреждена, начинается старение…
На грани баланса
К счастью, природа позаботилась о том, чтобы нейтрализовать активные формы кислорода. За миллиарды лет аэробной жизни наши клетки научились балансировать: О2 не должно быть слишком много или слишком мало: и то, и другое провоцирует образование яда. Поэтому митохондрии умеют «выгонять» лишний кислород, а также «дышать» так, чтобы он не мог образовать те самые свободные радикалы. Более того, в арсенале нашего организма есть вещества, справляющиеся со свободными радикалами.
Например, ферменты-антиоксиданты, превращающие их в более безобидную перекись водорода и просто кислород. Другие ферменты тут же берут в оборот перекись водорода, и превращают её в воду.
Вся эта многоступенчатая защита со временем начинает давать сбои. Сначала ученые думали, что с годами ферменты-защитники слабеют от активных форм кислорода. Но оказалось, что они по-прежнему бодры и активны, однако по законам физики какие-то свободные радикалы все равно минуют многоступенчатую защиту и начинают разрушать ДНК.
Можно ли поддержать свою природную защиту от ядовитых радикалов? Оказывается - можно. Ведь чем дольше живут в среднем те или иные животные, тем лучше отточена их защита. Чем интенсивнее обмен веществ у того или иного вида, тем эффективнее его представители справляются со свободными радикалами. Соответственно, первая помощь себе изнутри – вести активный образ жизни, помогая нашим клеткам справляться с ядовитым кислородом и не позволяя, таким образом, обмену веществ замедлиться с возрастом.
Весьма полезна для этого, например, поездка в горы высотой не менее 1500 м. над уровнем моря: чем выше, тем меньше в воздухе кислорода, и жители равнины, попав в горы, начинают чаще дышать, им трудно двигаться – организм пытается компенсировать нехватку кислорода. Через две недели жизни в горах наш организм начинает приспосабливаться. Повышается уровень гемоглобина (белок крови, который разносит кислород из легких во все ткани), а клетки учатся использовать О2 экономичнее. Возможно, это одна из причин того, что среди горцев Гималаев, Памира, Тибета, Кавказа много долгожителей. И даже если мы попадём в горы только раз в год во время отпуска - получим те же самые выгодные изменения.
Конечно, можно научиться вдыхать много кислорода или, наоборот, мало, с помощью дыхательных техник. Но по большому счету организм все равно будет поддерживать количество О2, попадающего в клетку, на оптимальном для себя и своей нагрузки уровне.
И тот самый 1%, в любом случае, будет уходить на производство яда.
Поэтому ученые посчитали, что действеннее зайти с другой стороны: оставить в покое количество кислорода и усилить клеточную защиту от его активных форм. Помощь окажут антиоксиданты, но такие, которые смогут проникать внутрь митохондрий и обезвреживать яд именно там. Возможно, уже через несколько лет подобные антиоксиданты можно будет принимать, как нынешние витамины А, В, Е и С.
Интересно, что случится, если на пять секунд на Земле исчезнет кислород?
Животные и люди способны задерживать дыхание более чем на 30 секунд, поэтому при дыхании никто бы ничего не заметил. А вот сама Земля изменилась бы: мы увидели бы разрушение всех бетонных построек, поскольку именно кислород не дает данному материалу превратиться в пыль.
Не повезло бы людям, загорающим на пляже: без озонового слоя, который мгновенно бы разрушился, тела отдыхающих покрылись бы ожогами. А планета нагрелась бы так, что выйти на улицу было бы невозможно.
Кислород поддерживает наше внутреннее давление, поэтому в случае его исчезновения у живых созданий лопнуло бы внутреннее ухо. Это сравнимо с погружением на 2 км. под воду: уши не выдержат такую нагрузку.
Поскольку именно кислород поддерживает огонь, машины, работающие на топливе, остановятся. Летящие самолеты начнут падать. Небо вмиг потемнеет, так как солнечному свету не будет от чего отражаться.
И самое страшное – разрушение земной коры, которая на 45% состоит из кислорода. Люди с многочисленными ожогами и разорванным внутренним ухом будут падать в бездну на фоне черного неба.
Жить в наше время на Земле и не дышать кислородом, казалось бы, совершенно невозможно. Однако не дышать кислородом, оказывается, очень даже реально, и таких организмов на планете много. Жизнь без кислорода существует в виде различных проявлений: дрожжи, водоросли, анаэробные бациллы (возбудители бутулизма, столбняка), гельминты-сосальщики и другое.
Но для нас людей и большинства земных организмов, чистота воздуха и количество О2 в нём – вопрос крайне принципиальный. Судя по всему, от количества кислорода в наших организмах зависит напрямую качество нашей жизни. Особенно - при активной жизнедеятельности, например, занятиях спортом: у вас на ногах может быть самая лучшая обувь для бега, на теле – самая оптимальная функциональная одежда, но все это будет абсолютно ни к чему, когда у вас закончится кислород.
Ольга Якунина
заведующая выставочным отделом Музея геологии Центральной Сибири
