Największa katastrofa sinic

12 sierpnia 2018
Blog szalonych naukowców

Ostatnio dużo słyszy się o sinicach, czyli cyjanobakteriach, jednokomórkowych glonach, które zakwitły w wodach Bałtyku. O ile stanowi on rzeczywiste zagrożenie dla kąpiących się, jest niczym wobec dawnej największej katastrofy spowodowanej przez sinice.

Życie narodziło się prawdopodobnie w okresie pierwszego pół miliarda lat po powstaniu Ziemi (kiedyś o tym pisałem). Jednokomórkowce początkowo zamieszkiwały okolice zasadowych kominów hydrotermalnych, z biegiem czasu zajmowały coraz rozleglejsze nisze pradawnych oceanów. Badania skał wskazują, że między 2,5 a 2 mld lat temu zaszło kolejne ważne wydarzenie, co więcej, wydaje się, że spowodowało je życie.

Już długo wcześniej, przynajmniej 3 mld lat temu, pojawiły się organizmy czerpiące energię w nowy sposób. Organizm taki pobiera energię ze światła słonecznego. Posiada specjalne barwniki, zdolne przyjąć kwant energii świetlnej (czyli foton) i przekazać energię dalej. Najgorzej nadaje się do tego światło zielone, dlatego też promienie świetlne tej barwy są odbijane i organizm wydaje się nam zielony. Tak jak sinice (widać to właśnie w czasie zakwitów).

Energia świetlna przekształca się w chemiczną. Złożone kompleksy białkowe przenoszą dalej elektrony – z definicji zachodzą reakcje utleniania-redukcji. Redukuje się wodór z wszechobecnej w środowisku cząsteczki wody. W procesie bierze udział uniwersalny przenośnik zredukowanego wodoru – chemicy lubią umieszczać wodór na metalach, jednak organizm z ich braku musi użyć czegoś znacznie bardziej skomplikowanego (w liceum uwielbiałem tę nazwę – powtórzmy ją szybko i z pamięci) – dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego, w tym wypadku w formie ufosforylowanej (po ludzku NADPH). To tzw. faza jasna. Następnie następuje faza ciemna, w której NADPH redukuje dwutlenek węgla i redukuje go, przyłączając go do cząsteczki cukru. Potem to już żonglerka związków organicznych z grupą karbonylową i licznymi hydroksylowymi, aż do czegoś, co się nadaje do przechowywania energii i spalania, kiedy będzie potrzeba. W sumie zwie się to fotosyntezą.

A więc sinica pobiera wodę i dwutlenek węgla, produkując związki organiczne. To nie wszystko. Reakcja redukcji nie może nigdy zachodzić sama – zawsze towarzyszy jej utlenianie. Redukcja wodoru z cząsteczki wody wiąże się z utlenianiem – w jego efekcie powstaje bardzo toksyczny gaz.

Rozpatrzmy atom z 6. grupy głównej (czyli inaczej 16.) układu okresowego. Ma on sześć elektronów na zewnętrznej powłoce (walencyjnej): dwa na orbitalu s i cztery na orbitalach p (s2p4). Wedle tego, czego uczą w szkole, potrzebuje on dwóch elektronów, by uzyskać oktet elektronowy, stabilny, symetryczny stan o niskiej energii, bez niesparowanych elektronów. W rzeczywistości sprawy nie mają się tak prosto. Nie każdą cząsteczkę da się przedstawić adekwatnie wzorem Lewisa, którego uczą w liceach.

I jeszcze jedno: w szkole orbital przedstawiają często jako taki balon, w którym przebywają elektrony. Ściślej mówi się o funkcji falowej, której kwadrat modułu wyznacza prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w danym elemencie przestrzeni, jednak nam wystarczy przyjąć, że chodzi o tę część przestrzeni, gdzie prawdopodobieństwo znalezienia cząstki jest największe. Spójrzmy na poniższy rysunek.Po bokach mamy wolne atomy. Elektrony zaznaczone są jako żółte strzałki. Zawsze zajmują one orbitale tak, by energia była najmniejsza. Na rysunku im orbital (kolorowe kwadraty) leży niżej, tym ma niższą energię. A więc dwa elektrony siedzą na orbitalu s (jeden orbital mieści dwa elektrony o przeciwnych spinach, dlatego pierwsza strzałka skierowana jest w górę, a druga w dół) – na rysunku zielonym. Są zawsze trzy orbitale p (co wynika z możliwych wartości liczb kwantowych, to temat na inną dyskusję) – na rysunku niebieskie – i leżą na nich cztery elektrony. Zawsze łatwiej wleźć na wolny orbital, niż upakowywać się na drugiego (jeśli mają one taką samą energię) – trzy pierwsze elektrony z tej czwórki zajmują każdy z trzech orbitali p (mają one taką samą energię, dlatego są na tym samym poziomie na rysunku), ostatni musi się wpakować na drugiego do jednego z orbitali już częściowo zajętych.

To teraz zbliżmy do siebie dwa atomy. Orbitale będą się przenikać (funkcje będą się dodawać). Tylko że orbitale nie giną – z dodawania ich otrzymujemy tyle, ile było wcześniej. Ale nowe orbitale mogą mieć odmienne właściwości. Z nakładania się dwóch orbitali s uzyskujemy dwa orbitale σ (ten typ orbitalu powstaje z czołowego nakładania się orbitali atomowych) – jeden o energii trochę mniejszej niż wyjściowe (wiążący, ciemnozielony) i o energii większej niż orbitale s (antywiążący, jasnozielony). Elektrony zajmują je oba – sumarycznie potrzeba do tego większej niż wyjściowa energii, gdyż różnica między energią orbitalu atomowego i wiążącego jest mniejsza niż między energią antywiążącego i atomowego. O wiązaniu zazwyczaj mówić można, jeśli są dwa elektrony więcej na orbitalach wiążących niż antywiążących – wtedy całkowita energia takiego układu jest mniejsza i ma on szansę się ostać. Dlatego w szkole uczą, że całkowicie zajęte orbitale s nie uczestniczą w tworzeniu wiązania.

A orbitale p (niebieskie)? Dwa razy po cztery elektrony wyjściowych atomów to razem osiem do rozparcelowania. Ale orbitale p różnią się orientacją przestrzenną i nie wszystkie mogą nakładać się czołowo – część styka się jedynie bokami, tworząc orbitale π (szare i pomarańczowe). Efekt widać na obrazku. Na orbitalach wiążących sześć elektronów, na antywiążacych dwa – w efekcie mówimy o podwójnym wiązaniu i mamy zysk energetyczny. Cząsteczko, trwaj. Ale chwileczkę.

Zwróćmy uwagę na antywiążące orbitale π. Siedzą na nich dwa elektrony, bo orbitale mają taką samą energię (fizycy mówią brzydko o zdegenerowaniu) i elektrony lądują na obu, by uniknąć tłoku. A więc mamy dwa niesparowane elektrony. Cząsteczkę o niesparowanym elektronie nazywamy zwykle wolnym rodnikiem (tak, to ten szkodliwy syf, którego każą nam unikać, a najlepiej przyjmować wymiatacze wolnych rodników). Wolnym elektron prędzej czy później się z czymś paruje, wywołując kolejną reakcję chemiczną, często gwałtowną. Szczególnie lubią w tym wypadku utleniać nienasycone kwasy tłuszczowe (nasycone zresztą też ujdą, patrz: jełczenie masła) i DNA (wywołują mutacje, powodując często choroby nowotworowe, a jeszcze częściej śmierć komórki).

A więc mamy atmosferę zatrutą wysoce reaktywnym gazem. Zapewne doszło wtedy do wielkiego wymierania, ale część organizmów dała sobie radę. Istniała nawet specjalna grupa bakterii, która wykorzystywała trujący gaz do przemian chemicznych w swych komórkach, dla nich stał się on niezbędny do życia. A co się stało z trującym gazem wyprodukowanym przez sinice? Nic, cały czas jest obecny w atmosferze i stanowi więcej niż jej piątą część. Cały czas niszczy komórki naszego ciała, ale dzięki sojuszowi z tamtymi pradawnymi bakteriami, które go okiełznały, odległymi przodkami naszych mitochondriów, i nam zapewnia on życie. To tlen.

Ilustracje:

  • zakwit sinic w Bałtyku sprzed 8 lat, ESA, Wikimedia Commons, na licencji Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 IGO
  • orbitale cząsteczki tlenu – ilustracja wykonana przez autora

Bibliografia

  • Hazen RM: Historia Ziemi. Od gwiezdnego pyłu do żyjącej planety. Prószyński i S-ka, Warszawa 2014
  • Ward P: Hipoteza Medei. Czy życie na Ziemi zmierza do samounicestwienia? Prószyński i S-ka, Warszawa 2010