Kyslíková odysea

Díky hodné princezně Marušce všichni víme, že sůl je nade všechno koření a že bez soli není života. Jako biolog i jako rodič vyprávějící pohádky se pod to můžu podepsat. A teď si představte, že jednou budu muset dcerce přiznat, že hlavní složkou soli, bráno na váhu, je chlor. Ten chlor, který lijeme do špinavých záchodů a který za první světové války zabil desetitisíce vojáků. Nepochybuji o tom, že malý vehikul mých a manželčiných sobeckých genů to bude považovat za zarážející poznatek.

To víš, odpovím nejspíš, všechno je otázkou míry, přesně jak říká maminka při solení polévky. Říkal to koneckonců už velký Paracelsus. Jedovatost látek je vždy otázkou množství. Zatímco smrtelná dávka kyanidu je čtvrt gramu, u chloridu sodného je to čtvrt kila. Do některých látek bychom dokonce to, že mohou být jedovaté, ani neřekli. Třeba takový kyslík. Ten kyslík, který je nezbytnou součástí vzduchu a bez nějž pro nás není života. A ejhle. Ve skutečnosti jde o nejzákeřnější jed v dějinách planety. Bez nadsázky. Jestliže chlor měl před stoletím na svědomí řádově desítky tisíc mrtvých, kyslík před dvěma a půl miliardou let téměř vyhladil většinu života na Zemi.

Kyslík je třetí nejpočetnější prvek ve vesmíru a jeden z nejvýznamnějších prvků biogenních. Třebaže intuitivně tušíme, že v oceánu je ho víc než dost, to, že tvoří pětinu atmosféry ve své nevázané podobě O₂, rozhodně není samozřejmé. Kyslík je totiž prvek nesmírně reaktivní a ochotně se slučuje v podstatě s čímkoli. Není náhodou, že pro tvůrce hypotézy Gaia, Angličana Jamese Lovelocka, byla přítomnost volného kyslíku v atmosféře jednou z několika významných indicií toho, že existuje cosi jako globální ekosystém. Otázkou tedy bylo, kde se tam neustále bere, respektive kde se tam vzal kdysi dávno. Odpověď je malá, zelená a nenápadná.

Skutečná doba jedová

Kyslík mají na svědomí sinice, mezi bakteriemi první a jediná skupina, která zhruba před třemi miliardami let vymyslela oxygenní fotosyntézu, tj. děj, při němž se za pomoci sluneční energie získávají elektrony z molekul vody a jako vedlejší produkt vzniká plynný kyslík. Existují i jiné fototrofní bakterie, ty ale využívají méně efektivní a primitivnější fotosyntézu anoxygenní, při níž jako zdroj elektronů neslouží voda, ale typicky sloučeniny síry, hlavně sulfan. Na celkové primární produkci se anoxygenní fotosyntéza podílí pouhým jedním procentem. Vraťme se ale k fotosyntéze oxygenní. Protože sinice, jak známo, daly v evoluci vznik chloroplastům rostlin a řas, vytvářejí všechny tyto organismy při fotosyntéze kyslík. Stojí přitom za zmínku, že ačkoliv mořské a oceánské sinice a řasy netvoří ani půl procenta celkové biomasy všech fototrofů, na svědomí mají téměř polovinu veškeré primární produkce.

Na začátku nic nenasvědčovalo tomu, že metabolický odpad jedné z mnoha skupin prokaryot v podobě molekul vysoce reaktivního plynu by měl časem vést k jednomu z nejmasovějších vymírání v historii Země. Kyslík totiž okamžitě oxidoval rozpuštěné soli železa, kterých je v oceánské vodě přehršel, nebo skončil zabudován v organické hmotě. Trvalo to stamiliony let, ale nakonec byla jeho produkce tak vysoká, že už nebylo co oxidovat a kam ho dávat. Klasický nerudovský problém se vyřešil jednoduše: kyslík začal unikat do atmosféry. Následovala apokalypsa.

Většina organismů v době před dvěma a půl miliardou let byla striktně anaerobní, protože s volným kyslíkem nebylo kde se setkat. Jenže najednou ho bylo všude plno. Zatímco ve vodním prostředí je koncentrace kyslíku zpravidla něco kolem 350 mikromolů na litr, koncentrace v atmosféře (při dnešních 21 %) je zhruba třicetkrát vyšší. Jako by někdo z atmosféry udělal obří plynovou komoru. Vše, co se nedokázalo s toxicitou kyslíku vyrovnat, vymřelo. Náhrobním kamenem pro tyto neúspěšné se staly nové, dosud neexistující formy nerostů, zpravidla v podobě hydrátů a oxidů − tvrdí se, že změna atmosféry měla za následek vznik takřka poloviny dnes známých minerálů. Pro ty, kteří přežili, však kyslík otevřel dveře do světa netušených evolučních možností. Takzvaná velká kyslíková katastrofa pohnula výhybkou a zcela změnila směr evoluce.

Efektivní spalování

Jádrem energetického metabolismu všech živých bytostí jsou redoxní reakce neboli to, že zatímco jedna látka elektrony odevzdává, a tím se oxiduje, druhá je přijímá, a tím se redukuje. Při takovém chemickém „zatápění pod kotlem“ obvykle vzniká energie, kterou je možno využít. Schopnost organismů provádět oxidačně-redukční procesy závisí na něčem, čemu se říká redoxní potenciál. Vtip je v tom, že kyslík má nejvyšší redoxní potenciál široko daleko. Jinými slovy, kyslík skvěle přijímá elektrony, redukuje se, a funguje tak jako báječné oxidační činidlo. Praktickým důsledkem je skutečnost, že kyslík je z energetického hlediska nejvhodnějším příjemcem (neboli akceptorem) elektronů při redoxních reakcích. A tím nejdůležitějším systémem redoxních reakcí je bezesporu aerobní respirace.

Při ní, zjednodušeně řečeno, se za pomoci kyslíku spálí energeticky bohatá látka, čímž získáme energii. Pointou je, že kyslík umožňuje „natáhnout“ proces hoření tak, abychom ze spalovaného paliva vyždímali maximální možné množství energie − té, která by při nedokonalé a rychlé oxidaci jen tak zbůhdarma vylétla do prostoru. Rozdíl v získané energii za pomoci kyslíku či bez něj je enormní a pro jednoduché organismy kyslík znamenal první zelenou na cestě ke stavbě složitých mnohobuněčných těl. Kyslík jako konečný příjemce elektronů je natolik efektivní, že i fakultativně anaerobní bakterie, jako například E. coli žijící v našich střevech, při jeho přítomnosti přepínají svůj metabolismus tak, aby elektrony v redoxních reakcích přednostně směřovaly právě na něj.

Nakonec tedy došlo k tomu, že tělu vlastní, leč ve své čisté podobě přesto cizorodý prvek dokázaly organismy spoutat, využít jeho unikátní chemické vlastnosti a učinit z něj svého služebníka. Nebylo a není to ovšem zadarmo. V průběhu evoluce jsme si my všichni, kteří s kyslíkem přijdeme do styku, museli pořídit speciální výbavu v podobě řady ochranných enzymů. Naše buňky disponují strážnými anděly s dlouhými děsivými názvy (např. superoxid dismutáza), kteří každou vteřinou odstraňují toxické formy kyslíku, jako jsou superoxidy, peroxidy či hydroxylové radikály. Ty by totiž bez dozoru napáchaly pěknou paseku. O kyslíku beze zbytku platí známé oxidační rčení, že je to dobrý sluha, ale zlý pán.

Jarní úklid se blíží. Až sundáte gumové rukavice, postavíte mop do kouta a budete vyhánět dusivý zápach chlorových sloučenin dokořán otevřeným oknem, až se s rozkoší nadechnete čistého chladného vzduchu přesyceného vůní vzrůstající trávy, uvědomte si, že vše na světě má svůj příběh. Má ho i kyslík, bez nějž by dnes nebylo života − přestože byly doby, kdy nosil jenom smrt.