Śmierdzące oceany

2 września 2018
Blog szalonych naukowców

Ostatnio pisaliśmy sporo [1][2] o sinicach. A więc swego czasu sinice wytworzyły znaczne ilości tlenu uwolnionego do atmosfery. Jak wynika z budowy chemicznej cząsteczki tlenu, jest to gaz bardzo reaktywny, z tego zaś wynika jego znaczna toksyczność. Ale utlenia on nie tylko nasze lipidy i DNA.

Geolodzy badający dawne, prekambryjskie skały zwrócili uwagę na pasmowate formacje skalne bogate w żelazo, zwane z angielska banded iron formation (BIF), po polsku niekiedy wstęgowymi rudami żelazistymi. Jakieś 1,9-1,8 mld lat temu przestały się one z jakichś względów tworzyć. Postuluje się ich związek z wcześniejszym wzrostem ilości tlenu w atmosferze. Po pierwsze, tlen nasila erozję. Dalej – w BIF występują jony żelaza na II stopniu utlenienia (Fe2+). Jony te w obecności tlenu są nietrwałe i utleniają się do jonów Fe3+ (bardzo prosta reakcja polegająca na odebraniu z jonu żelaza jeszcze jednego elektronu). Pozostawiony w atmosferze tlenowej roztwór soli żelaza (II) powoli utlenia się, co widać – robi się żółty, bo taki jest kolor rozpuszczonego w wodzie Fe3+.

A więc skała wietrzeje, żelazo i siarczany trafiają do wody. Całe żelazo nie zdąży utlenić się w atmosferze. Do wody trafiają więc też jony Fe2+. I utleniają się powoli. Wykorzystując niewielką ilość rozpuszczonego w wodzie tlenu. Siarczany trafiają tam natomiast na pewną grupę bakterii – redukujących siarczany (sulphate reducting bacteria, SRB). Redukują je one ponownie do siarkowodoru – H2S. Tak, to ten gaz o zapachu zgniłych jaj. Rozpuszczony w wodzie tworzy kwas siarkowodorowy. Tak więc tworzy nam się trucizna. Co więcej, nie ma tlenu. Wielki cuchnący siarkowodorem ocean opisał Donald Canfield, dlatego też mówi się o oceanie Canfielda.

Brakuje też azotu, również dzięki drobnoustrojom. Generalnie dostępnego w obfitości N2 większość organizmów żywych nie przyswaja. Potrafi natomiast wiązać amoniak NH3. Człowiek też. Niestety.

Azot buduje m.in. innymi białka. Kiedy ktoś się naspożywa mięsa czy innego bogatobiałkowego produktu, trzeba coś z tym nadmiarem zrobić, bo białka organizm ludzki nie magazynuje. Białko trawione jest do aminokwasów, posiadających grupę kwasową i zasadową – w tym wypadku aminową. Specjalne aminotransferazy potrafią żonglować grupami aminowymi, przenosząc je na różne aminokwasy, aż w końcu powstaje glutaminian (tak, ten rzekomo straszny związek dodawany do produktów pokarmowych, wzmacniacz smaku, w rzeczywistości obecny w każdym pokarmie białkowym). Enzym dehydrogenaza glutaminianowa przy pomocy NAD+ lub NADP+ (dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy, nośnik wodoru służący w reakcjach utleniania-redukcji; był już wspominany w linkowanym wyżej wpisie) odrywa amoniak i tworzy α-ketoglutaran. Tak się człowiek pozbywa azotu (to tylko część znacznie bardziej złożonych procesów, o których może innym razem).

To teraz coś z kinetyki chemicznej: na poziomie molekularnym każda reakcja chemiczna jest odwracalna. W którą stronę zachodzi, zależy od tego, jak każdy proces fizyczny, od zmian entropii, dokładniej w tym przypadku od funkcji uwzględniającej zmiany entropii układu i otoczenia, czyli entalpii swobodnej (i o niej już pisaliśmy). Ta ostatnia zależy od stężeń reagentów – w niektórych warunkach przez wprowadzenie do środowiska reakcji nadmiaru produktu można wymusić odwrócenie kierunku przebiegu reakcji. Dotyczy to także enzymów – nie wpływają one na równowagę reakcji, przyspieszają jej zachodzenie w obie strony. Człowiek poddany działaniu amoniaku (miałem to wątpliwe szczęście się kiedyś zainhalować, dosłownie czuje się swoje drogi oddechowe), pomijając kwestie równowagi kwasowo-zasadowej, po prostu zaczyna amoniak wiązać. Tym samym enzymem, który zazwyczaj służy pozbawianiu się nadmiaru azotu. Niestety dość szybko wyczerpuje się w ten sposób α-ketoglutaran będący jednym z metabolitów, kluczowym w metabolizmie komórki cyklu Krebsa – i metabolizm siada. Dlatego amoniak też jest trucizną. Ponadto nadmiar glutaminianu uszkadza neurony.

Mniejsza o to. Jak widać, do przyswajania azotu postaci amoniaku potrzebny jest enzym. Enzym ten zawiera żelazo. Jony Fe2+, które się nie utleniły, w oceanie Canfielda leżą związane z siarczkami w złożach. W efekcie życie nie może się rozwijać. Dobrze się mają zielone i purpurowe bakterie siarkowe zasiedlające wybrzeża. Jednak przez miliony lat mamy wielkie, puste, śmierdzące głębiny oceanu. Właściwie przez miliard lat.

Ilustracja: Wstęgowe formacje żelaziste sprzed 2,1 miliarda lat, z Ameryki Północnej. André Karwath, Wikimedia Commons na licencji Creative Commons 2.5

Bibliografia

  • Canfield DE: A new model for Proterozoic ocean chemistry. Nature 1998; 396: 450-453
  • Hazen RM: Historia Ziemi. Od gwiezdnego pyłu do żyjącej planety. Prószyński i S-ka, Warszawa 2014
  • Poulton SW, Fralick PW, Canfield DE. The transition to a sulphidic ocean 1.84 billion years ago. Nature 2004; 431: 173-177
  • Ward P: Hipoteza Medei. Czy życie na Ziemi zmierza do samounicestwienia? Prószyński i S-ka, Warszawa 2010