Znaczenie tlenu dla organizmów żywych

Tlen, wyprodukowany przez organizmy fotosyntetyzujące, jest pobierany z atmosfery przez wszystkie organizmy żywe, a następnie wykorzystywany w procesie oddychania komórkowego, spalania i butwienia. Jest też niezbędny w wielu procesach przemysłowych oraz w celu spalania paliw. Produktem ubocznym tych reakcji jest dwutlenek węgla, uwalniany z powrotem do atmosfery, z której jest pobierany przez rośliny i zamieniany z powrotem w tlen w procesie fotosyntezy – w ten sposób obieg tlenu w przyrodzie się zamyka.

Tlen jest niezbędnym składnikiem w wielu procesach:

Respiracja/oddychanie zewnętrzne

Wymiana gazowa między otoczeniem a organizmem żywym to respiracja (oddychanie zewnętrzne). W trakcie tego procesu powietrze dostaje się do pęcherzyków płucnych. W ich ściankach z kolei znajdują się naczynia włosowate, przez które przepływa krew. Czerwone krwinki krwi (erytrocyty), wiążące dzięki zawartej w nich hemoglobinie cząsteczki tlenu, przenikają przez mikrokanaliki w ściankach naczyń włosowatych. Taka utleniona krew płynie dalej tętnicami, rozchodząc się do coraz dalszych partii organizmu. W naczyniach włosowatych, doprowadzających krew do najdalszych komórek, erytrocyty „gubią” cząsteczki tlenu, które „wciskane” są do kanalików w ściankach naczyń, skąd trafiają już do przestrzeni śródkomórkowej. W ten sposób każda komórka powinna mieć pod dostatkiem tlenu, jednak pobiera go tylko tyle, ile potrzebuje.

RzShqiMt90Tqo

Ilustracja przedstawia Wymiana gazów pomiędzy ścianą pęcherzyka płucnego a ścianą naczynia włosowatego. Na ilustracji po prawej stronie jest fragment czerwonej kuli - to czerwona krwinka. Po jej lewej stronie jest krew, osocze, następnie rząd komórek - śródbłonek (nabłonek) naczynia włosowatego. Po jego lewej stronie jest rząd komórek - to nabłonek oddechowy. Pomiędzy błoną i śródbłonkiem znajduje się błona podstawna. Po lewej stronie nabłonka oddechowego jest warstwa płynu zawierającego surfaktant. Po lewej stronie tej warstwy jest powietrze pęcherzykowe. Pomiędzy nabłonkiem oddechowym a śródbłonkiem zaznaczono dyfuzję. Po stronie śródbłonka jest zapis: ${\mathrm{C}\mathrm{O}}_2$ 6,34 kPa. Od napisu prowadzi strzałka do napisu: ${\mathrm{C}\mathrm{O}}_{}$ 5,32 kPa po stronie powietrza pęcherzykowego. Od napisu umieszczonego po stronie powietrza pęcherzykowego O indeks dolny 2 14,63 kPa prowadzi strzałka do napisu O indeks dolny 2 5,32 kPa po stronie krwinki czerwonej.

Oddychanie komórkowe

Oddychanie komórkoweoddychanie komórkoweOddychanie komórkowe to wielostopniowy biochemiczny proces utleniania związków organicznych, związany z wytwarzaniem energii użytecznej metabolicznie. Proces ten przebiega w każdej żywej komórce. Utlenianie cukru – glukozy – w obecności tlenu zapisujemy w ten sposób:

Uwolniona energia pojawia się częściowo w postaci związku wysokoenergetycznego – ATP –  wykorzystanego do przeprowadzania niezbędnych reakcji chemicznych, które zachodzą w komórce, lub do poruszania organizmu, np. w tkance mięśniowej.

Do podtrzymywania spalania

RV6ZlDyg8aU6C1

Na zdjęciu jest żółty płomień.

Spalanie to egzotermiczna reakcja chemiczna przebiegająca między utleniaczem a materiałem palnym lub paliwem. Powszechnie dostępnym utleniaczem gazowym jest tlen zawarty w powietrzu. W przemyśle do podtrzymywania procesu spalania zwykle stosowane jest powietrze. Jednak coraz częściej wykorzystuje się technologie zakładające spalanie w atmosferze wzbogaconej w tlen. Głównym atutem takiego rozwiązania jest zmniejszenie zużycia paliwa. Jego oszczędność może być jeszcze większa, jeśli z komory spalania zostanie całkowicie usunięty azot. Wzbogacanie tlenem to wydajna i niedroga technologia, która umożliwia usprawnienie spalania w piecach wszystkich typów. Obecność tlenu poprawia spalanie wszystkich paliw, zapewniając lepszą kontrolę tego procesu, wyższą stabilność pieca i niższy poziom emisji. Zwiększanie stężenia tlenu w powietrzu, poprzez dodawanie względnie czystego tlenu, powoduje wzrost temperatur płomienia, poprawę transferu ciepła i ogólne zwiększenie wydajności spalania.

Wietrzenie skał i utlenianie metali

Wietrzenie skał to proces geologiczny, który prowadzi do rozpadu i rozkładu skał litych i przekształcania ich w skały luźne. Wyróżniamy trzy główne typy wietrzenia skał: fizyczne, biologiczne i chemiczne.

Wietrzenie fizyczne prowadzi do rozpadu skały bez zmiany jej składu chemicznego.

Wietrzenie biologiczne to rozpad i rozkład skały pod wpływem bezpośredniego lub pośredniego działania organizmów żywych.

Wietrzenie chemiczne z kolei prowadzi do rozkładu skały wraz ze zmianą składu chemicznego minerałów, z których zbudowana jest skała. Jednym z jego rodzajów jest utlenianie (oksydacja) minerałów, np. utlenienie magnetytu (${\text{Fe}}_3{\text{O}}_4$) do hematytu (${\text{Fe}}_2{\text{O}}_3$).

R1FQdGLRGgsoF

Zdjęcie przedstawia pomarańczowo-brązową powierzchnię z żółtymi dodatkami.

Butwienie

To proces rozkładu w glebie materii organicznej, pochodzącej głównie ze szczątków roślinnych i w niewielkim stopniu zwierzęcych. Prowadzi do mineralizacji większości wyjściowego materiału (np. celulozy, lignin). W przeciwieństwie do gnicia, następującego w warunkach beztlenowych (anaerobowych), butwienie zachodzi w warunkach tlenowych (aerobowych) przy obecności saprotroficznych bakterii i grzybów.

R1SHriy4XgrEc

Zdjęcie przedstawia liście leżące na ziemi. Są jesienne, brązowe, suche.

Palniki acetylenowo‑tlenowe

R1Tgah8Zw5yK81

Zdjęcie przedstawia młodego mężczyznę w stroju roboczym. Mężczyzna przecina rurę palnikiem. Z palnika wydobywają się iskry, dlatego mężczyzna ma założone ciemne okulary.

Palnik acetylenowo‑tlenowy to urządzenie techniczne do spawania i cięcia metali. Wysoka temperatura osiągana jest w wyniku spalania mieszaniny acetylenu (etynu) i tlenu, uchodzących z dyszy palnika. Gazy przechowywane są osobno w wysokociśnieniowych butlach, skąd są transportowane za pomocą gumowych węży do palnika. Reakcja, która w nim zachodzi, to spalanie całkowite acetylenu:

Możliwa do osiągnięcia wartość temperatury w wyniku tej reakcji sięga 2400‑3100°C.

Medycyna

Czysty tlen podawany jest poszkodowanym w pożarach. Używają go też himalaiści na dużych wysokościach, gdzie powietrze jest tak rozrzedzone, że oddychanie nim nie dostarcza wystarczającej ilości tlenu. Tlen medyczny to pierwiastek o bardzo wysokim stężeniu i czystości (przynajmniej 99,4%).

RJ2OO53pGHIBC

Na zdjęciu jest inkubator, w środku którego leży niemowlę. Inkubator ma przeszkloną komorę. Po bokach są otwory.

W wyższym ciśnieniu niż atmosferyczne, tlen z łatwością przenika do tkanek i płynów fizjologicznych człowieka, wspomagając leczenie napotkanych stanów zapalnych i zwiększając liczbę komórek macierzystych w krwiobiegu. Tlen, podany np. w komorze hiperbarycznej, ma właściwości wspierające system odpornościowy, wspomaga funkcjonowanie serca i pracę układu nerwowego oraz zwiększa ogólną wydolność organizmu. Należy jednak uważać podczas jego dawkowania. Niewłaściwie podany może być szkodliwy.

Ciekawostka

Innym przykładem medycznego wykorzystania tlenu jest tzw. tlenoterapia. Tlenoterapia to procedura polegająca na dostarczaniu organizmowi dodatkowej porcji tlenu. Jak dobrze wiemy, wszystkie komórki organizmu tego potrzebują nieustannie. Wśród nich to przede wszystkim neurony są szczególnie wrażliwe na niedotlenienie. Taka sytuacja wpływa ujemnie na pracę mózgu. Kiedy za mało tlenu dostaje się do układu nerwowego, czujemy się senni, ospali, tracimy koncentrację i nastrój.

Optymalna ilość tlenu, dostarczana do mózgu, wiąże się z lepszą koncentracją i nastrojem. Przerwanie dostarczania tlenu do mózgu na ok. 5 minut prowadzi do nieodwracalnych zmian, a następnie do śmierci. Tlenoterapię wykorzystuje się w leczeniu chorób i stanów, w których dochodzi do niedotlenienia tkanek. Terapia ta od pewnego czasu „wyszła” poza mury jednostek medycznych i trafiła do tzw. barów tlenowych, czyli miejsc, gdzie sprzedaje się tlen do użytku rekreacyjnego. W Polsce jest to jeszcze mało popularne, tymczasem w Japonii, Stanach Zjednoczonych czy Europie Zachodniej spotyka się takie bary m.in. w siłowniach, spa, restauracjach czy klubach.

R4Ov7D8a8G41I

Zdjęcie przedstawia wnętrze baru. Przy pulpicie w barze siedzi dwóch młodych mężczyzn. Pod nosem mają cienkie rurki.

Lekarze stosują tlenoterapię w przypadku konkretnie zdiagnozowanych schorzeń, m.in. w zatruciu tlenkiem węgla(II), w niedotlenieniu tkanek, w leczeniu zgorzeli gazowej, w terapii nowotworów, w stwardnieniu rozsianym oraz niektórych chorobach płuc. Oddychanie wysokimi stężeniami tlenu przez dłuższy czas lub stężeniach bliskich i wyższych niż 50% może mieć działania niepożądane: zapalenie tchawicy i oskrzeli, zapadnięcie płuca wskutek wypłukiwania azotu z pęcherzyków płucnych, upośledzenie czynności rzęsek w drogach oddechowych czy ostre uszkodzenie płuc z wytworzeniem błon szklistych.

Mieszanki oddechowe dla nurków i astronautów

Płetwonurkowie, podczas nurkowania na dużych głębokościach, narażają się na ryzyko tzw. narkozy azotowej i choroby dekompresyjnej. Obie dolegliwości spowodowane są zwiększonym stężeniem azotu w ludzkim organizmie, jaki nurkowie wdychają razem z tlenem w powietrzu. Aby temu przeciwdziałać, podczas technicznych nurkowań (czyli głębiej niż 40‑50 m) wykorzystuje się tzw. mieszanki oddechowe, które eliminują azot. Jest on wówczas zastępowany np. helem lub neonem. Z butlami napełnionymi gazem, o składzie zbliżonym do składu powietrza atmosferycznego, można nurkować maksymalnie do głębokości 50 m, ponieważ w powietrzu znajduje się:

1. azot – który pod zwiększonym ciśnieniem parcjalnym działa narkotycznie na nasz organizm;

2. tlen – który, działając pod zwiększonym ciśnieniem parcjalnym, prowadzi do tzw. zatrucia tlenowego.

3. Alternatywą dla powietrza, używaną do oddychania w czasie nurkowania, jest nitrox. Składa się z tych samych gazów co powietrze, jednak w innych proporcjach – zawiera mniej azotu, a więcej tlenu. Proporcje te dobierane są do konkretnego typu nurkowania.

Zwiększenie ilości tlenu w mieszaninie oddechowej powoduje:

• zwiększenie maksymalnej dozwolonej głębokości nurkowania;

• zmniejszenie zmęczenia nurka.

Natomiast zmniejszenie zawartości azotu powoduje:

• zmniejszenie ryzyka wystąpienia choroby dekompresyjnej;

• zmniejszenie ryzyka wystąpienia narkozy azotowej;

• wydłużenie limitów bezdekompresyjnych.

Formalnie nitrox może być sporządzony w trzech odmianach:

• nitrox hipooksyczny – będący mieszanką uboższą w tlen w stosunku do powietrza (poniżej ok. 21%);

• nitrox normooksyczny – jako techniczna nazwa powietrza, z zawartością tlenu ok. 21%;

• nitrox hiperoksyczny – o procentowej zawartości tlenu wyższej niż w powietrzu atmosferycznym.

Ponadto w ramach nitroksu hiperoksycznego spotyka się tzw. „nitrox zimny” – o zawartości tlenu do 40% – i „nitrox gorący” – o zawartości tlenu powyżej 40%. W praktyce nurkowej używany jest wyłącznie nitrox hiperoksyczny. Ze względu na większą zawartość tlenu w mieszaninie, występuje zwiększone ryzyko wystąpienia zatrucia tlenem.

R15qJPCwVdBs9

Zdjęcie przedstawia nurków szykujących się do wskoczenia do wody z łodzi. Po lewej i prawej stronie ciała mają przymocowane podłużne żółte butle. Na plecach mają butle z tlenem. W oddali widać brzeg porośnięty palmami.

Reaktywne formy tlenu

Życiodajny tlen ma również drugie oblicze. W procesie przetwarzania na energię, ok. 5% jego cząsteczek zupełnie wymyka się spod kontroli i uwalnia w postaci reaktywnych form tlenu. Wydaje się, że nie jest to wiele, ale naukowcy obliczyli, że w ciągu 75 lat życia wdychamy średnio ok. 19 ton tlenu, więc niemal tona tlenu zamienia się w reaktywne formy tlenu! Każdy atom tlenu ma na swojej ostatniej powłoce elektronowej parzystą liczbę elektronów. Zdarza się jednak, że jeden elektron gdzieś się gubi (np. w procesie przemiany tlenu w mitochondriach) i w atomie pojawia się „wyrwa”. Traci on wtedy równowagę i zaczyna gwałtownie poszukiwać brakującego elektronu. Zaczyna więc poszukiwania cząstki, która wypełni brakującą przestrzeń. Tak koło się zamyka. Reaktywna forma tlenu szuka pary dla swojego samotnego elektronu w atomach dowolnych substancji. Nie musi to być atom tlenu – zadowoli się także np. elektronem z cząsteczki białka. Takie grasowanie reaktywnych form tlenu w komórkach ciała stopniowo niszczy ich strukturę (np. uszkadza błony komórkowe, DNA), przyspiesza ich śmierć, a w konsekwencji niszczy zdrowie całego organizmu.

Proces powstawania reaktywnych form tlenu przyspiesza chociażby palenie papierosów, silny czy długotrwały stres, wdychanie spalin wraz z powietrzem, długie opalanie się, a nawet forsowny trening. Ostatnie stwierdzenie może być dla nas zaskakujące, bo przecież lekarze przekonują nas, że sport to zdrowie, jednak w czasie intensywnego wysiłku znacznemu przyspieszeniu ulega przemiana materii. A szybszy metabolizm to szybsze przetwarzanie tlenu i glukozy w energię, czego efektem ubocznym jest zwiększona produkcja reaktywnych form tlenu.

Reaktywne formy tlenu docierają do naszego organizmu również z zewnątrz, np. z pożywieniem. Znajdują się bowiem m.in. w wędzonych, smażonych czy grillowanych produktach.

R8jpz7gGwqN5x

Na zdjęciu znajduje się taca z jedzeniem. Jest na niej koszyk z frytkami oraz dodatki - ketchup, musztarda i majonez. W tle w szklance jest woda z cytryną.

Reaktywna forma tlenu niszczy wszystko, co napotka na swojej drodze. Sięgając po elektrony, często atakuje DNA. W ten sposób zmienia strukturę naszego kodu genetycznego, a to z kolei powoduje mutacje DNA. Zmutowane komórki zaczynają się mnożyć jak oszalałe, co może przyczynić się do rozwoju nowotworu.

Reaktywne formy tlenu przyczyniają się:

• w mózgu – do demencji starczej, choroby Alzheimera, choroby Parkinsona, udaru mózgu;

• w oczach – do zaćmy, zwyrodnienia plamki żółtej;

• na skórze – do łuszczycy, egzemy, raka, uszkodzenia włókien kolagenowych i elastynowych (czyli szybsze starzenie się skóry, a tym samym zmarszczki, wiotczenie skóry);

• w piersiach – do raka piersi;

• w płucach – do przewlekłej obturacyjnej choroby płuc, astmy, raka;

• w sercu i układzie krążenia – do nadciśnienia, miażdżycy, choroby wieńcowej, zawału serca, zaburzenia rytmu serca;

• w trzustce – do cukrzycy, przewlekłego stanu zapalnego trzustki, raka;

• w żołądku i dwunastnicy – do nieżytu żołądka, raka, wrzodów żołądka i dwunastnicy;

• w jelitach – do wrzodziejącego zapalenia jelita grubego, raka jelita grubego;

• w nerkach i w układzie moczowym – do niewydolności nerek, raka nerek, raka pęcherza moczowego;

• w układzie kostnym – do chorób zwyrodnieniowych stawów;

• w narządach płciowych – do raka jajników, raka macicy, raka jądra.

Na szczęście reaktywne formy nie są do końca czarnymi charakterami. Pełnią też kilka pożytecznych funkcji. Uczestniczą w tworzeniu niektórych enzymów i hormonów, utleniają substancje toksyczne, pomagając tym samym w pozbyciu się ich z organizmu. Osłabiają obce komórki, np. bakterie lub wirusy, ułatwiając leukocytom i makrofagom (czyli komórkom żernym układu odpornościowego) na ostateczne rozprawienie się z intruzem. Bez reaktywnych form tlenu nie mogłyby się toczyć istotne w zwalczaniu choroby procesy zapalne.

Zatrucie tlenowe

Zatrucie tlenowe to choroba atakująca płetwonurków, związana ze wzrostem ciśnienia parcjalnego tlenu, co w efekcie powoduje jego toksyczność. Ciśnienie parcjalneciśnienie parcjalneCiśnienie parcjalne tlenu osiąga niebezpieczny poziom już na głębokości 56 m, dlatego odradza się nurkowanie na powietrzu lub nitroksie na większej głębokości, w zależności od użytej mieszanki.

Zatrucie tlenem może wystąpić również przy mniejszym ciśnieniu parcjalnym. Zależy to jednak od organizmu nurka i długości okresu, w jakim wystawiony jest on na jego działanie.

Wyróżniamy dwie postacie zatrucia tlenowego:

1. zatrucie ostre; efekt Paula Berta – postać mózgowa. Taki rodzaj zatrucia może dotknąć nurków używających mieszanek oddechowych o zwiększonej ilości tlenu.

2. Zatrucie przewlekłe; efekt Lorrain Smitha – jest to postać płucna.

Zapewne nikt z nas nie wyobraża sobie życia bez tlenu. Daje on przede wszystkim biologiczny napęd każdej naszej komórce, bez którego nie mogłyby egzystować. Jako organizmy tlenowe, bez procesu respiracji nie przetrwaliśmy dłużej niż kilku minut. Tlen umożliwia procesy wietrzenia i butwienia, zapewniając domykanie cykli geologicznych i obieg materii. Usprawnia procesy przemysłowe i terapie lecznicze w medycynie.

Słownik

Bibliografia

Bartosz G., Druga twarz tlenu, Warszawa 2008, wyd. 2.

Chodań J., Grzesiuk W., Mirowski Z., Zarys gleboznawstwa i chemii rolnej, Warszawa 1984, s. 112.

Czakiert T., Nowak W., Spalanie w atmosferach modyfikowanych tlenem kierunkiem rozwoju dla kotłów CWF, Częstochowa 2008, online: http://elektroenergetyka.pl/upload/file/2008/10/elektroenergetyka_nr_08_10_e1.pdf, dostęp: 16.02.2021.

Ługowski M., Saczko J., Kulbacka J., Banaś T., Reaktywne formy tlenu i azotu, „Pol Merk Lek” 2011, t. 31, 185, s. 313.

Sroka J., Madeja Z., Udział reaktywnych form tlenu i reduktazy tiordoksyny w regulacji migracji komórek, „Postępy Biochemii” 2009, 5, 2.