الأكسجين في الحياة

عنصر الأكسجين هو أساس الحياة وذلك بسبب استخدامات الأكسجين الهامة، الخواص الكيميائية للأكسجين هي سبب أهميته، فما أهم الصور الحيوية للأكسجين.

الخواص الكيميائية لعنصر لأكسجين

تنبع الأهمية الحيوية للأكسجين إلى الخواص الكيميائية له ، فإن تركيبته الذرية جعلته عامل أكسدة واحتراق. فهو عنصر لا فلزي يميل بشدة للسلب أي لاكتساب إلكترونين لإقامة روابط أيونية أو تساهمية. نشاطه لا يسمح له بالتواجد بصورة حرة في الطبيعة، وهذه الصفات جعلت منه عامل احتراق، لكن وعلى النقيض من ذلك، فهو مصدر للماء ووالد له.

حيث أنه في أثناء تفاعل احتراق الميثان تقوم أربع ذرات منه بمحاصرة جزيء الميثان. حيث تتولى ذرتي أكسجين نزع ذرات الهيدروجين الأربعة لتخليق الماء. بينما تعمل ذرتيه الأخريين بتقييد ذرة الكربون لتكوين غاز ثاني أكسيد الكربون المشتعل المحاط بكمية حرارة هائلة تؤدي لتأينه مع إطلاق فوتونات الضوء الزرقاء منتجا اللهيب الأزرق.

إن تلك الخواص الكيميائية للأكسجين تمنحه القدرة للتصرف على أنه نار ( ثاني أكسيد الكربون) تارة، وعلى التصرف على أنه ماء ( أول أكسيد الهيدروجين) تارة أخرى، مما يجعله قادرا على خلق توازن حيوي للتحكم بالطاقة من حيث إطلاقها وامتصاصها.

الأهمية الحيوية لعنصر الأكسجين

يمكن تلخيص أهم وظائف و استخدامات الأكسجين الحيوية التي يؤديها بالنقاط التالية:

• يلعب دورا رئيسيا في عمليات التنفس.
• يؤدي وظيفة فعالة في التمثيل الغذائي.
• له دور أساسي في إنتاج الطاقة.
• يستخدم في بناء الأنسجة الحيوية.
• يساهم في عملية البناء الضوئي، لأنه يدخل في تركيب CO2
• يعمل على إذابة المواد وتييسير تفاعلها، لأنه يدخل في تكوين الماء.
• يدخل في تخليق السكريات.
• يستخدم في بناء الأنزيمات التفاعلية، حيث أن الأكسجين يمنحها الفاعلية.
• يساهم في بناء الأحماض الدهنية، لذلك فهو ضروري في البنية الخلوية.
• يدخل في تكوين الفيتامينات.
• يبني الأحماض الأمينية والبروتينات.

صور الأكسجين الحيوية

للأكسجين صور كيميائية كثيرة، فهو يتفاعل مع معظم عناصر الجدول الدولي مكونا الأكاسيد،فيما عدا الغازات النبيلة، أما من الناحية الحيوية فإنه يدخل في تخليق الكثير من المركبات الحيوية، ومن أهمها:

غاز الأكسجين

هو عبارة عن ارتباط ذرة أكسجين برابطتين تساهمتين مع ذرة أخرى منه. وبما أن هذه الرابطة تتشكل بين ذرتين متماثلتين فإن الإلكترونات تبقى في المنتصف. مما يجعل الجزيء غير قطبي، لذا فهو شحيح الذوبان في الماء. يمثل غازه حوالي 21% من الغلاف الجوي، إلا أننا لا نشعر بوجوده لكونه عديم اللون والرائحة والطعم فهو لا يعلن عن وجوده من خلال إثارة أجهزة الاستقبال الحسية. لكننا نشعر به عند غيابه أو قد لا نشعر لأن غيابه يؤدي للموت السريع.

يعتبر هذا الغاز ذا أهمية حيوية كبرى لمعظم الكائنات، والتي تصنف على أنها هوائية التنفس. تلتقط الكائنات الهوائية غاز O2 بطريقتين: إما من خلال الهواء الجوي وبصورته الغازية، بحيث يلتقط من خلال الرئتين، أو من خلال الماء بصورته الذائبة من خلال الخياشيم أو الجلد. وبعض الكائنات تجمع بين الطريقتين كما في البرمائيات. بينما تصنف كائنات أخرى على أنها لاهوائية، فهي لا تحتاج له، بل أنه يعتبر ساما لها، بحيث تستغنى عنه وتستبدله بمكونات أخرى لإنتاج الطاقة.

الوظيفة الحيوية لغاز الأكسجين: التنفس

إنه الغاز الوحيد للتنفس، إذ لا يمكن للكائنات الحية استبداله بغاز آخر، على الرغم من أنه ليس الوحيد الذي يدخل إلى الرئتين. فالهواء المار عبر الرئة مماثل لتركيبة الغلاف الجوي، فهو يحتوي على 79% من النيتروجين، 20% من O2، مع وجود نسب متفاوتة من غازات متعددة. فالأنف وكذلك الفم لا يمتلكان أدوات ترشيح لفصل الغازات. تدخل جميع غازات الغلاف الجوي إلى الرئتين حتى تصل إلى الحويصلات الهوائية حيث يتم تبادل الغازات، ليتم التقاط الأكسجين من خلال الهيموجلوبين، بينما تخرج الغازات الأخرى أثناء الزفير.

لا يمكن للنيتروجين الدخول إلى مجرى الدم، فالنيتروجين غاز خامل إلى حد ما، كما أن تركيبته الكيميائية لا تميل للارتباط مع ذرة الحديد التي تتوسط الهيموجلوبين على عكس الأكسجين. لكن نجد أن هنالك غازا آخرا يشارك الأكسجين في قدرته على الارتباط مع الهيموجلوبين، بل يتفوق عليه بمئتي مرة، إنه غاز أول أكسيد الكربون الذي ينافس الأكسجين بشدة على الارتباط بهيموجلوبين ولا ينفك عنه، مسببا الاختناق. نسبة أول أكسيد الكربون في الغلاف الجوي الطبيعي تكاد تكون معدومة إلا أنها تترتفع في الأماكن الملوثة بعوادم المصانع.

رحلة الأكسجين في الجسم

يمر الأكسجين بعدة صور أثناء تواجده في الجسم، فهو يدخل بصورة غاز O2، ويخرج بصورة CO2:

في الرئتين

يدخل O2 من الغلاف الجوي إلى الرئتين بفعل قوة الضغط الفيزيائية، حيث أن الضغط في الغلاف الجوي مرتفع يدفع الأكسجين إلى داخل الرئتين حيث الضغط المنخفض. يساعد على انخفاض الضغط انقباض عضلة الحجاب الحاجز وعضلات الصدر.

في الدم

ينتقل O2 إلى الدم في الحويصلات الهوائية التي تتميز برقاقة جدرانها والتي تبلغ سماكة خلية أو خليتين، مما يسهل عبور الأكسجين من خلالها إضافة إلى حركتها الانقباضية والانبساطية. تنغمر الحويصلات الهوائية بالأوعية الدموية التي تغلفها، حيث أن جدران الحويصلة الهوائية مسترطبة بالدم.

الدم وسط مائي، وغاز O2 شحيح الذوبان فيه، لذا لا ينتقل عبر الدم بالذوبان المباشر فيه، بل يرتبط بخضاب الدم الهيموجلوبين من خلال ذرة الحديد التي تتأكسد معطية اللون الأحمر للدم.في العضلات

تحتوي الخلايا العضلية على بروتين مشابه للهيموجلوبين يعرف بالميوجلوبين موجود في سيتوبلازم، إلا أنه يحتوي على مجموعة هيم واحدة على عكس الهيموجلوبين الذي يحتوي أربع مجموعات هيم، حيث أن الميموجلوبين أكثر شراهة للأكسجين من الميوجلوبين، وهذه الخاصية تجعل الأكسجين ينتقل من خلايا الدم إلى خلايا الأنسجة والعضلات.

في الخلية

ينتقل الأكسجين من السيتوبلازم إلى الميتوكندريا، لكي يستخدم في عملية التنفس الخلوي، حيث يتم أكسدة الجلوكوز لإنتاج ATP.

غاز ثاني أكسيد كربون

غاز ثاني أكسيد الكربون عديم اللون والرائحة، كما أنه غير قابل للاشتعال، له قابلية معتدلة للذوبان في الماء منتجا البيكربونات HCO3. المتوقع أن يكون لثاني أكسيد الكربون ذائبية أعلى، حيث أن فرق السالبية بين الكربون والأكسجين كبير جدا. فالأكسجين يسحب الألكترونين إلى ناحيته، مما يفترض أن يكون مركبا قطبيا كالماء، لكن ولأن ذرة الكربون المركزية تتعرض لذات قوة الشد من كلا ذرتي الأكسجين المتناظرتين مما يؤدي للتعادل وإلغاء أثر السالبية المختلفة. لذا لا يمكن اعتبار ثاني أكسيد الكربون مركبا قطبيا ومع ذلك فهو أشد ذائبية من غاز الأكسجين.

صورة غاز ثاني أكسيد هي أكثر الصور شيوعا لتصريف الأكسجين من الأجسام الحيوية. ولا تكتمل دورة الأكسجين الحيوية إلا به، إذ يعتبر ناتجا لعملية التنفس ولا تستخدمه الكائنات عضوية التغذية إلا بالتدفئة. فهو مادة سامة ولا بد من تصريفه، لأن بقاءه في الدم يؤثر على امتصاص الأكسجين. بينما هو ضروري في تغذية وحياة الكائنات ذاتية التغذية، إذا يعتبر لها مصدرا رئيسيا للطاقة. فالكائنات ذاتية التغذية ليس بإمكانها استهلاك المواد الكربونية المعقدة. أي لا تستطيع هضمها وتحويلها وإنما تعتمد على مصدر كربوني بسيط وغير عضوي في صورة ثاني أكسيد الكربون.

البناء الضوئي

للأكسجين دور رئيسي في عملية البناء الضوئي، ولكن ليس في صورة غاز الأكسجين. وإنما في صورة ثاني غاز أكسيد الكربون، تثبيت غاز أكسيد الكربون في صورة سكر الجلوكوز يعتبر المصدر الأولي للطاقة العضوية، حيث من خلال ثاني أكسيد الكربون الجوي المثبت تنتقل للطاقة إلى جميع الكائنات.

الماء

إن الأهمية الحيوية لعنصر الأكسجين في مركبه الماء لا تقل أهمية عن مركب غاز الأكسجين. فإن كان الأكسجين أهم عنصر للحياة، فإن الماء أهم مركباته التي يخلقها والتي لا غنى لأي مخلوق حي عنه. وإن كانت بعض الكائنات الدقيقة لاهوائية التنفس، وبإمكانها التخلي عنه. فليس هنالك كائن حي بمقدروه العيش في معزل عن الماء، فالماء والحياة متلازمان، وحيثما وجد الماء وجدت الحياة.

يغطي الماء 70% من سطح الأرض، لذا فإنه المركب الأكثر شيوعا والأوفر تواجدا. في المقابل هذه النسبة لا تختلف كثيرا عن نظيرتها في المخلوقات الحية، حيث يشكل من 75%- 80% من حجم الخلية الحية. يمكن اعتبار الماء مركبا منظما، بحيث تنقسم المركبات الحيوية بحسبه إلى مركبات أليفة له تذوب فيه وتتأين، ومركبات نافرة منه. هذه الخاصية تعطي ترتيبا للأنسجة أثناء تخلقها، بحيث تتجه المركبات الأليفة باتجاه الخارج لتلامس الماء، بينما تتجه المركبات النافرة منه إلى الداخل. كذلك فإن الماء يوفر وسطا حيويا لتفاعل المواد واتصالها ببعضها.

الهيدروكسيد

هو أيون سالب شارد عن تفاعل الماء مع القاعدة، بحيث يرتبط الأكسجين مع ذرة هيدروجين واحدة بدلا عن ارتباطه بذرتي هيدروجين كما في الماء. مما يكسبه شحنة سالبة، يعتبر الهيدروكسيد أحد المجموعات الوظيفية الرئيسية في المركبات العضوية داخل الخلايا الحية. ويطلق عليه عند ارتباطه به بالهيدروكسيل، تمنح مجموعة الهيدروكسيل صفة القطبية للجزيئات العضوية وتمنكها من الدخول بالتفاعلات، حيث أن مجموعة الهيدروكسيل نشطة جدا، كذلك فإن مركبات الهيدروكسيل تدخل في تكوين البناء الهيكلي للأنسجة الحيوية.

الأكسجين عنصر مهم للحياة، حيث أن الخواص الكيميائية التي يمتلكها تؤهله لتشكيل عدة صور حيوية ذات استخدامات مهمة يؤدي من خلالها وظائف فعالة للكائنات الحية، ومن أهم تلك الصور: غاز الأكسجين، ثاني أكسيد الكربون، الماء.