ВРАГ, ПОМОЩНИК И ДРУГ

В интервью «ГА» известный российский ученый, доктор физико-математических наук, профессор Артем ОГАНОВ рассказывает о чрезвычайно важной и неоднозначной роли кислорода в истории Земли и жизни на ней.

- Г-н Оганов, выступая на презентации вашей книги в Ереване, вы кратко коснулись и вопроса кислорода. Думаю, люди, далекие от химической науки, узнали об этом очень распространенном химическом элементе много неожиданного и интересного. Пожалуйста, расскажите об этом подробнее.

- История кислорода действительно очень интересная. Если 92% всех атомов во Вселенной – атомы водорода, то на Земле картина другая. Кислород – самый распространенный элемент на нашей планете, но в большинстве случаев атомы кислорода находятся в связанном состоянии. Это прежде всего горные породы и минералы - силикаты, оксиды, карбонаты и другие кислородсодержащие соединения. Присутствие свободного кислорода в атмосфере Земли - это особенность нашей планеты, атмосфера которой уникальна и резко отличается от атмосфер других известных нам планет. На 78% она состоит из азота и на 21% из кислорода, а оставшийся 1% - это аргон, углекислый газ, водяной пар и незначительные примеси других газов. Для сравнения приведу пример наиболее близких к нам планет Солнечной системы, имеющих практически такой же химический состав, как Земля. Марс - меньше Земли, Венера имеет примерно такую же массу и размер, как Земля, но атмосферы этих планет на 97 % состоят из углекислого газа и на 3 % из азота. При этом у Марса как у маленькой планеты атмосфера низкоплотная, а у Венеры – почти в 100 раз более плотная, чем у Земли.

- А почему планеты, у которых так много схожего с Землей, имеют атмосферы, сильно отличающиеся от нашей по плотности и химическому составу?

- Кислород образовался в атмосфере Земли благодаря появлению цианобактерий. Тогда начался сложный химический процесс фотосинтеза, в результате которого образуется кислород. Позднее кислород стали выделять и растения.

- То есть кислород появился не сразу? После Большого взрыва во Вселенной не было кислорода?

- Даже после возникновения жизни на Земле свободный кислород появился не сразу – поначалу он присутствовал в виде соединений. Жизнь на нашей планете возникла примерно 4 миллиарда лет назад, а кислород в свободном виде появился только примерно 2,2 миллиарда лет назад. То есть жизнь возникла достаточно быстро после образования нашей планеты - через полмиллиарда лет. Первыми появились микроорганизмы, эволюция которых привела к появлению цианобактерий, а вот они в результате фотосинтеза стали выбрасывать кислород в атмосферу.

- То есть самим цианобактериям кислород не был нужен?

- Нет. Он для них продукт жизнедеятельности. Как я уже говорил, кислород выбрасывался в атмосферу, в которой, видимо, присутствовали такие газы, как метан, угарный газ и другие. Они вступали в реакцию с кислородом, и в результате исчезали и кислород, и эти газы. В какой-то момент вся атмосфера Земли оказалась окисленной и ни угарного газа, ни метана в ней не осталось. Тогда кислород, который выбрасывали цианобактерии, стал окислять вещества суши и океана. А в океане было растворено большое количество двухвалентного железа, которое окислялось кислородом и переходило в трехвалентную форму, которая гораздо менее растворимая. Тогда и появились гигантские отложения железистых соединений, такие как Курская магнитная аномалия и многие другие, возникшие как раз в этот период, примерно 2-2,5 миллиарда лет назад.

А потом, когда окислять уже было нечего, кислород стал накапливаться в атмосфере в свободном виде. Причем для большинства живых форм кислород, по-видимому, был токсичен.

- То есть кислород - не обязательное условие жизни?

- Абсолютно нет. Первые формы жизни на Земле прекрасно существовали без кислорода почти 2 миллиарда лет, более того, он был для них ядом. Поэтому, когда кислород появился, он уничтожил большую часть живых организмов, произошло глобальное вымирание.

- Из-за окисления?

- Да. Потому что кислород окисляет органику и, если живая клетка не выделяет специальных веществ – антиоксидантов, то она просто погибает в кислородной среде. Оказавшись в кислородной среде, живым организмам пришлось либо исчезнуть, либо выработать систему антиоксидантной защиты, либо локализоваться в тех нишах, где они не контактируют с кислородом. Речь идет об анаэробных организмах, которые, если так можно выразиться, боятся кислорода, и такие организмы существуют до сих пор. С появлением кислорода, вероятно, связано и возникновение многоклеточных организмов, в которых влиянию кислорода были подвержены в основном поверхностные клетки. В ходе эволюции некоторые формы жизни стали использовать кислород как источник энергии, и мы являемся их прямыми потомками.

- То есть кислород все же сыграл важную роль в развитии жизни?

- Он сыграл огромную роль. Взаимодействуя с органикой, окисляя ее, кислород производит большое количество энергии, и это стало важным эволюционным преимуществом для тех форм жизни, которые смогли приспособиться к кислородной среде и научились использовать окислительные свойства кислорода для получения энергии. Стали появляться многоклеточные организмы - предшественники человечества.

- Но если кислород сильный окислитель, оказывающий опасное воздействие на живой организм, то почему некоторым больным дают кислород?

- Это делается для того, чтобы поддержать дыхание, а дыхание нам нужно только с одной целью – для производства энергии. Когда человек дышит, его кровь насыщается кислородом, который потом разносится по клеткам, где окисляет питательные вещества, и в этом процессе вырабатывается энергия, используемая для всех происходящих в организме процессов. А если человек перестает дышать, у него пропадает единственный источник энергии, и организм умирает. То есть хотя изначально кислород был врагом живого, эволюция оказалась настолько изобретательной, что поставила себе на службу своего врага. Кислород стал необходимым условием жизни многих организмов.

- Но все-таки процесс окисления остается опасным…

- Если процесс окисления в наших клетках протекает без сбоев, то образуются молекулы воды и углекислого газа. И то, и другое – безобидные вещества. Но если сбой происходит, то этот процесс может остановиться на промежуточной стадии, а продуктами неполного окисления станут активные формы кислорода. Это очень агрессивные вещества, воздействие которых приводит к повреждению клеток, в частности, их митохондрий, мембран и даже молекулы ДНК, и тогда происходит мутация. Повреждение клеток – причина старения, а в итоге и гибели организма. Конечно, происходящие в нашем организме окислительные процессы – не единственная, но очень важная причина старения. Поэтому кислородная теория старения очень популярна.

- То есть роль кислорода неоднозначна?

- Сначала он был врагом жизни, потом стал помощником и даже нашим неразлучным другом, но побочные эффекты от этой дружбы мы ощущаем каждый день, становясь старше и дряхлее. Сейчас наука исследует процесс старения. Считается, что прием антиоксидантов может замедлить этот процесс. И хотя в каждой клетке нашего организма существует очень сложная и многократно выстроенная линия антиоксидантной защиты, которая достаточно эффективна, все же она не на 100% защищает нас от негативных последствий процесса окисления. Негативное воздействие на клетки все равно происходит, повреждения накапливаются, и мы стареем.

Роль кислорода действительно очень неоднозначна. Его возникновение в атмосфере Земли не только резко изменило процесс эволюции жизни и стало причиной массового вымирания живых организмов. Как я уже говорил, благодаря кислороду на Земле возникли гигантские железорудные месторождения, изменился минералогический состав нашей планеты. Если бы в атмосфере Земли не было кислорода, многие известные нам минералы, особенно, так называемые, минералы зоны окисления, не образовались бы. Вот такой непростой элемент кислород. Благодаря ему на нашей планете возникли уникальные условия, способствующие появлению сложных форм жизни и человечества, но в результате влияния окислительных процессов, вызванных кислородом, мы стареем и в конце концов умираем.