Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Kyslík v karbonu

Odpověď na každou otázku
 |  4. 10. 2012
 |  Vesmír 91, 557, 2012/10

Jestliže v karbonu bylo v atmosféře až 35 % kyslíku, pak zelená fotosyntéza (klasická C3) mohla mít potíže s odbouráváním glykolátu – ledaže by obsah CO2 v atmosféře byl nějakých 30 až 40 %. To opravdu karbonští obratlovci dokázali žít v atmosféře s tak vysokým obsahem CO2?

J. Jelínek

Při normálním atmosférickém tlaku 101 kPa (při hladině moře) je ve vzduchu parciální1) (poměrný) tlak kyslíku pO2 asi 21 kPa (v plicních sklípcích trochu méně, asi 13 kPa) a parciální tlak oxidu uhličitého pCO2 0,04 kPa. V plicních sklípcích se rychle ustavuje parciální tlak pCO2 kolem 5,3 až 6,5 kPa, který je optimální klidovou hodnotou a spolu s vodou tvoří kritickou konstantu, pod kterou nesmí poklesnout ani atmosférický tlak, ani tlak čistého kyslíku z dýchací masky v letadle. Když se zvýší množství CO2 ve vzduchu, a tudíž i jeho parciální tlak, ztíží se jeho uvolňování z hemoglobinu v červených krvinkách a odstraňování z plic.

Proč? Hnací silou odstraňování CO2 je především rozdíl parciálních tlaků CO2 v plicních sklípcích (vyšší) a ve vdechovaném vzduchu (nižší). Vzroste-li atmosférický pCO2, jeho uvolňování z krve v plících klesá a vydechování CO2 se zpomaluje. Už při prvním výdechu se ve vzduchu pCO2 (při klidovém basálním metabolismu těla) zvyšuje z 0,04 až na 4,2 kPa, tj. až stonásobně. Kdybychom opakovaně dýchali do pytlíku, zpočátku splasklého, už po několika nádeších by se spotřeboval veškerý kyslík a „atmosférický“ pCO2 v pytlíku by dosáhl hodnoty kolem 20 kPa. Za tohoto stavu rychle roste kyselost krve a pH klesá ze 7,4 pod 7,35, právě díky nevydýchanému CO2 a kyselině uhličité. Při této tzv. hyperkapnii (respirační acidóze) nejen chybí kyslík, ale roste ionizovaný vápník v krvi a tkáních, nastupuje mdloba a posléze člověk (resp. kanárek v dole nebo škrcená Desdemona) umírá.

Kdyby měla být podle čtenářova dotazu v některých obdobích karbonu (angl. Carboniferous) při vysokém O2 současně zvýšena objemová koncentrace CO2 až nad 30 % (nad 30 kPa), byl by to stav neslučitelný se životem.  A to platí zcela jistě pro vyšší a možná i nižší obratlovce a asi i pro mnohé bezobratlé s hemolymfou a přenosovými bílkovinami podobnými hemoglobinu.

CO2 se sice používá v boji proti hmyzím škůdcům hlavně ve skladech, ale jeho krátkodobá účinnost je velmi malá. Musí být aplikován v koncentracích nad 40 % po dobu dnů až týdnů. Miliony let zvýšený pCO2 by asi mnohé druhy nepřežily. Ale to jim zřejmě nehrozilo. Podle dostupných údajů o složení atmosféry v karbonu, pO2 mohl být sice občas 32 až 35 kPa (9510518 – NCBI), ale pCO2 byl jen 3krát až 4krát vyšší než dnes. Rostliny (přesličky, plavuně apod.) také mohly být už vybaveny C4 fotosyntézou (ISBN 978-0-387-22069-7 a Vesmír 91, 146, 2012/3), tj. mohly lépe využít CO2 pro bouřlivou fotosyntézu a snížit jeho parciální tlak ve vzduchu. Ale především se značné množství CO2 fixovalo jako uhličitany ve schránkách ohromného počtu jedno- i mnohobuněčných mořských bezobratlých (dírkonošci, mřížovci, měkkýši), tvořily se oceánské sedimenty, které později na mnoha místech litosféry vystoupily tektonickými a erozními procesy na povrch a dnes je známe jako rozsáhlé vápencové útvary (např. bílé Doverské útesy na březích kanálu La Manche).

U rostlin s C3 fotosyntézou, které fixují CO2 ve formě tříuhlíkatých molekul, začíná tento proces poměrně pomalou katalýzou dvou reakcí řízených jedním enzymem s přezdívkou Rubisco (ribulosa-1,5-bisfosfát karboxylasa/oxygenasa). Rubisco (kterého vzhledem k jeho lenosti musí být hodně, a proto tvoří až 40 % ze všech bílkovin v listech) katalyzuje dvě reakce, přičemž předešleme, že když jedna roste, ta druhá klesá. První reakcí je karbonylace, která vede ve svém důsledku k fixaci a dalšímu využití CO2 v chloroplastech. Druhou reakcí je oxygenace, buněčné dýchání (fotorespirace), která generuje fosfoglykolát (a kyselinu 3-fosfoglycerovou, 3-PGA). Glykolát může být metabolizován jen mimo chloroplasty fotorespiračními procesy v organelách – peroxizomech a mitochondriích. Peroxizomy obsahují enzym glykolát-oxydázu, která tento glykolát, produkovaný při fotorespiraci, dále transformuje až na aminokyselinu glycin. Poměr obou reakcí katalyzovaných Rubiscem závisí mj. na poměru CO2 a O2 v atmosféře. Když roste pO2, v důsledku vyšší fotosyntézy a CO2 se svižně váže do uhličitanů, převažuje oxygenace a roste tvorba glykolátu. To může vést k zmnožení zpracovatelů – peroxizomů a mitochondrií (Chem. listy 99, 455, 2005).

Pokud jde o kyslík, spekuluje se, že jeho vyšší hodnoty kdysi umožnily nejen velká těla bezobratlých, ale i rozvoj pohybových schopností budoucích savců. Vápencové sedimenty, vznik fosilních depot uhlíku (uhlí, ropa) a buněčná plasticita mohou být pěkným příkladem komplexní regulace důsledků zvýšené fotosyntézy a alespoň částečně vysvětlují, proč se živočichové v průběhu věků nemuseli obávat nadbytku CO2. Takže ani karbonské obří vážky by neměly mít s vyšší hladinou CO2 nějaký zvláštní problém. Ještě dodejme, že se i v karbonu dařilo malým až miniaturním hmyzím druhům a že se na pozdější likvidaci létajících megaforem zřejmě podíleli i obratně létající ptáci, jimž nestačili hmyzí obři ve vzduchu včas uniknout.

Poznámky

1) Parciální tlak je podíl na celkovém tlaku směsi plynů, který vyvozuje jeho jedna složka. Celkový tlak směsi plynů, jakou je atmosféra nebo vzduch v plicních sklípcích, je roven součtu parciálních tlaků všech složek. V chemii a fyziologii platí, že rychlost reakcí určité složky plynové směsi, např. O2 nebo CO2 s enzymy, hemoglobinem apod., je závislá na jejím parciálním tlaku, a nikoliv na tlaku celkovém nebo na koncentraci ve směsi (Daltonův zákon parciálních tlaků). Tyto reakce mohou být urychleny enzymaticky. Např. karboanhydrázy katalyzují reverzibilní přeměnu oxidu uhličitého CO2 a vody H2O na kyselinu uhličitou H2CO3 a zrychlují tvorbu „sodovky“ až 10 000 krát.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Chemie

O autorech

František Vyskočil

J. Jelínek

Doporučujeme

Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné