Artikkeli / Sampsa Korpela / 4.2.2020

Elämän perusedellytysten hienosäätö, osa 4: Happi ja hiilidioksidi

Elämän perusedellytyksiä käsittelevän artikkelisarjan viimeisessä osassa käsitellään kahden ilmakehän kaasun hienosäätöä. Happi ja hiilidioksidi yhdessä muiden elämän perusedellytysten kanssa muodostavat nerokkaan systeemin, joka mahdollistaa elävien organismien energiansaannin.

Lähes kaikki monimutkaiset eläin- ja ihmiskunnan organismit saavat energiansa kemiallisesta reaktiosta, jossa happi reagoi hiilen yhdisteiden kanssa tuottaen vettä ja hiilidioksidia. Kyseessä on oksidaatio eli hapettuminen, ja sitä tapahtuu kaiken aikaa soluissamme.

Hapettuminen on monimutkaisille organismeille kahdesta syystä ylivoimaisesti paras mahdollinen energiantuotannon muoto. Ensinnäkin happi on fluorin jälkeen kaikista alkuaineista toiseksi tehokkain vapauttamaan energiaa yhdistyessään muihin aineisiin. Koska fluorin monet kemiallisista reaktioista ovat huoneenlämmössä tuhoisan voimakkaita, happi on käytännössä tehokkain organismien energiantuotantoon soveltuva alkuaine.

Toiseksi, kuten ilmeni jo hiilen hienosäätöä käsittelevässä artikkelissa, hiilen yhdisteet ovat erinomaisia varastoimaan energiaa ja reagoivat sopivan herkästi hapen kanssa vapauttaen energiansa. Siten prosessi, joka tuottaa organismeille energiaa, vaikuttaa monelta osin optimaaliselta.

Hapen on liuettava veteen sopivan tehokkaasti

Hapen lisäksi vesi on elämän yksi perusedellyksistä (lue tästä veden hienosäädöstä), joten hapen ja veden saumaton yhteistyö elämän mahdollistajana on keskeistä. Hapen keskeisiin ominaisuuksiin kuuluvatkin liukenemisnopeus veteen sekä liukoisuus eli se, miten paljon tiettyyn vesimäärään voi liueta happea. Jos happi ei joko liukenisi veteen tai sen veden kanssa muodostama liuos olisi kemiallisesti epävakaa, se ei voisi olla elämän perusedellytys.

Keuhkoista happi imeytyy vesikerroksen kautta veren punasolujen hemoglobiineihin, jotka kuljettavat hapen soluihin. Soluun saapuessaan happi liukenee veteen, josta se diffuusiolla eli tasaisella sekoittumisella tulee solun käytettäväksi. Hapen liukoisuus ja liukenemisnopeus ovat siten keskeiset hapensaannin mahdollistajat. Ne ovatkin täsmälleen sopivat organismien energiantuotannon mahdollistamiseksi. Jos liukoisuus olisi alhaisempi tai liukeneminen tai diffuusio (jonka nopeus on suoraan sidoksissa liukenemisnopeuteen) hitaampaa, organismit eivät voisi saada vedestä happea tarpeeksi nopeasti.

Kuva: Veren punasolut sisältävät hemoglobiineja, joiden tehtävä on kuljettaa happea keuhkoista soluihin sekä hiilidioksidia takaisin soluista keuhkoihin.

Hapen liukoisuus veteen ja siten happimäärä, jota tiettyyn vesimäärään mahtuu, tippuu nopeasti veden lämpötilan noustessa. Hapen liukoisuus nollan celsiusasteen veteen on kaksikertainen verrattuna 30-asteiseen veteen ja nelinkertainen verrattuna 100-asteiseen veteen. Organismien hapen tarve puolestaan kaksinkertaistuu lämpötilan noustessa aina kymmenen asteen välein aineenvaihdunnan kiihtymisen vuoksi. Liukoisuuden kasvun ja happitarpeen nousun vuoksi monimutkaisen elämän mahdollistava ympäristön lämpötilan on oltava 0 ja 50 celsiusasteen välillä.

Toisaalta happi ei saisi myöskään olla paljon liukoisempaa. Hapen liukeneminen veteen saa aikaan ionisoidusta hapesta koostuvia vapaita happiradikaaleja, jotka ovat myrkyllisiä organismeille. Siten suuremman määrän liukeneminen veteen saisi aikaan suuremman määrän happiradikaaleja, mikä olisi organismeille vaarallista, jopa tappavaa. Samasta syystä myös liian suuri happipitoisuus hengitysilmassa on myrkyllistä: happea imeytyy niin nopeasti, että happiradikaaleja syntyy liikaa.

Palamisen hallitsemattomuus asettaa rajoitteita

Koska happi on herkästi reagoivaa, sen pitoisuus ilmakehässä ei saa nousta liian korkeaksi. Ilmakehässämme vallitseva 21 prosentin pitoisuus vaikuttaa olevan optimaalinen. Korkeampi happipitoisuus aiheuttaisi vaaroja: esimerkiksi metsäpalojen riski nousisi 70 prosentilla jokaista happiprosentin lisäystä kohden. Nykyinen ilmakehän happipitoisuus on tasolla, jossa riskien ja hyötyjen suhde on optimaalinen.

Ympäristön lämpötilan noustessa yli 50 celsiusasteen spontaanien tulipalojen määrä nousee huomattavasti. Tämä asettaa ylärajan hiileen perustuvan biosfäärin lämpötilalle. Hapen kemiallinen reaktio eli palaminen ei käynnisty normaalilämpötiloissa kovin helposti, mutta tuottaa käynnistyessään paljon lämpöä, jolloin sen pysäyttäminen on haastavaa.

Kuva: Maapallon keskilämpötilat ovat kohonneet ilmastonmuutoksen myötä. Yhtenä seurauksena ovat entistä herkemmin syttyvät ja vaikeammin pysäytettävät metsäpalot.

Ilmakehän ominaisuudet ovat juuri sopivalla tasolla

Organismien hapensaanti on riippuvainen ilman alhaisesta tiheydestä sekä viskositeetista eli sitkeydestä. Ilman tiheys on merenpinnan tasolla noin 1 gramma per litra ja viskositeetti on noin yksi viideskymmenesosa veden viskositeetista. Jos viskositeetti tai tiheys olisi merkittävästi korkeampi, ilmanvastus hengittäessä nousisi liian suureksi.

Ilmakehän paineen noustessa myös ilman tiheys nousee, ja noin kolminkertaisessa paineessa hapensaanti vaikeutuu niin, että hapenotto vie suuren osan energiasta. Tällöin raskas ja pitkäkestoinen työskentely käy mahdottomaksi.

On olemassa hyvin rajattu ilmakehän happipitoisuuden, lämpötilan ja ilmanpaineen yhdistelmä, jolla hapenotto on mahdollista. Vaikka ilmakehän koostumus näyttää olevan hienovaraisesti optimoitu, Dentonin mukaan ei kannata tehdä johtopäätöstä, että se olisi hienosäädetty. Ilmakehän ominaisuuksien voidaan katsoa aikojen saatossa hakeutuneen elämälle suotuisaan tasapainotilaan vähittäisen prosessin seurauksena.

Sen sijaan hienosäädön näkökulmasta merkittävää on, että tällä ilmakehän ominaisuuksien hyvin rajatulla monimutkaisen elämän mahdollistavalla alueella myös muut aiemmin mainitut elämän ylläpitämisen edellytykset täyttyvät – tulen palaminen on mahdollista ilman spontaanin syttymisen riskiä, hapen liukoisuus veteen on juuri sopiva ja hapen määrä ei ole myrkyllisen korkealla tasolla.

Hiilidioksidin ominaisuudet ovat erityislaatuiset

Energian tuottaminen hapettumisen kautta on mahdollista, koska kemiallisen reaktion tuotoksina syntyvät vesi ja hiilidioksidi ovat elimistölle vaarattomia ja niistä on helppo päästä eroon. Hiilidioksidin optimaalisia ominaisuuksia ovat reagoimattomuus ja kaasumaisuus normaalilämpötiloissa. Muihin yhdisteisiin vertaamalla havaitaan olevan hyvin poikkeuksellista, että hiilidioksidi ei ole esimerkiksi myrkyllistä, veteen liukenematonta, kiinteää tai voimakkaasta hapanta veteen liuenneena – suurimmalla osalla muista aineista on ainakin jokin näistä ominaisuuksista.

Kaasumaisuuden ansiosta hiilidioksidi poistuu vaivattomasti elimistöstä uloshengityksen kautta. Hapettumisen kautta ihminen tuottaa yhdessä päivässä lähes kilogramman hiilidioksidia. Jos sitä ei voisi hengittää kaasumaisena ulos, siitä eroon pääseminen olisi hyvin haastavaa – kilogramman jätettä poistaminen joka päivä elimistöstä olisi hyvin kuormittavaa.

Hiilidioksidi toimii myös hapettumiselle käänteisen prosessin eli kasvien fotosynteesin pääkomponenttina. Fotosynteesissä vesi ja hiilidioksidi muuttuvat auringon valon voimalla (valon hienosäädöstä voi lukea täältä) hapeksi ja hiilen yhdisteiksi. Nämä hiilen yhdisteet sisältävät lähes kaiken sen energian ja rakennusaineet, jota maapallon monimutkaiset eläin- ja ihmisorganismit tarvitsevat elääkseen.

Kuva: Kasvien fotosynteesi tuottaa valon, veden ja hiilidioksidin avulla happea ja glukoosia.

Hiilidioksidi säätelee kehon ja vesistöjen happamuutta

Veteen liuennut hiilidioksidi yhdistyy vähitellen vesimolekyylien kanssa muodostaen hiilihappoa (H2CO3), joka sitten jakautuu kahtia vetyioneiksi (H+) ja bikarbonaateiksi (HCO3-). Vetyionit ovat happoa, jonka liiallisia pitoisuuksia vastaan bikarbonaattien muodostama puskuri suojaa.

Kehon ollessa tasapainotilassa on veren pH-arvo 6,1 eli melko lähellä happamuudeltaan neutraalin veden pH-arvoa, joka on tasan 7. Ruuansulatuksen tai fyysisen ponnistuksen myötä vetyionien määrä saattaa nousta äkillisesti jopa kuolettavan korkeisiin lukemiin. Tällöin bikarbonaatit suojaavat kehoa äkilliseltä happamuuden nousulta yhdistyen kemiallisella reaktiolla happamuuden aiheuttajiin eli vetyioneihin.

Yhdistymisen tuloksena on hiilidioksidia ja vettä, jotka kulkeutuvat hengityksen mukana ulos kehosta. Prosessi on välittömän nopea. Se onkin käytännössä ainoa mahdollinen tapa, jolla keho voi suojautua nopeita happotasapainon vaihteluita vastaan tarpeeksi nopeasti ja tehokkaasti.

Alla olevassa kuvassa on havainnollistettu tarkemmin kehon aineenvaihdunnan prosessia. Hengityksen (respiration) mukana keho saa happea, joka reagoi kemiallisesti ravinnon (food) sisältämien hiilen yhdisteiden kanssa. Kemiallisen reaktion eli hapettumisen tuloksena syntyy energiaa, hiilidioksidia (CO2), vettä (H2O) sekä vetyioneja (H+), jotka ovat aineenvaihdunnan happoja (metabolic acids). Hiilidioksidi liukenee veteen ja osa siitä jakautuu bikarbonaateiksi (HCO3-) sekä vetyioneiksi (H+). Bikarbonaatit toimivat puskurina äkillisiä vetyionien määrän eli happamuuden nousuja vastaan yhdistymällä vetyioneihin, jolloin muodostuu hiilidioksidia ja vettä. Hiilidioksidi poistuu elimistöstä hengityksen kautta.

Kuva: Prosessikaavio aineenvaihdunnasta ja happamuuden säätelystä.

Hienosäädön näkökulmasta on merkittävää, että hiilidioksidilla on kaksoisrooli: hiilipohjaisen metabolismin lopputuotteesta eroon hankkiutuminen ja kehon happotasapainon säätely. Elävien organismien happotasapainon säätelyn lisäksi bikarbonaatti toimii happotasapainon säätelijän roolissa myös merten ja sisävesien happamuuden säätelijänä.

Yhteenveto

Kasvien, eläinten ja ihmisten energiantuotanto rakentuu käytännössä kolmen kemiallisen reaktion varaan. Ensimmäinen on hapettuminen, jossa hiilen yhdisteet reagoivat hapen kanssa. Prosessin ylijäämänä syntyy vettä ja hiilidioksidia. Toinen on fotosynteesi, jossa hapettumisen tuotteet eli vesi ja hiilidioksidi muuttuvat auringon valon voimalla hapeksi ja hiilen yhdisteiksi, jotka puolestaan toimivat eläinten ja ihmisten polttoaineena. Kolmas on bikarbonaatteihin perustuva happamuuden säätely, jossa ensin hapettumisesta syntynyt hiilidioksidi liukenee veteen synnyttäen vetyioneja ja bikarbonaatteja. Sen jälkeen bikarbonaatit sitovat itseensä ylimääräisiä vetyioneja pitäen yllä kehon sekä vesistöjen tasaista happamuutta. Prosessi rakentuu hienovaraisella tavalla viiden tässä artikkelisarjassa tarkastellun elämän perusedellytyksen eli veden, valon, hiilen, hapen ja hiilidioksidin varaan.

Denton esittää kuvauksen kuvitteellisesta pelistä, jossa tavoitteena on luoda elämän mahdollistava ekosysteemi. Pelaajan päätösprosessia hän kuvaa pääpiirteittäin seuraavanlaisesti.

Ensiksi pitää valita optimaalinen energian säilöjä, jollainen hiili on. Toiseksi tarvitaan elämän perusmatriisi, jollaisena toimii vesi. Kolmanneksi tarvitaan keino, jolla hiiltä saadaan levitettyä ympäri ekosysteemin. Ratkaisuna on sen sekoittaminen ilmaan, johon rooliin hiilidioksidi sopii optimaalisella tavalla. Hiilidioksidin optimaalisuuteen lukeutuvat myös sen ominaisuudet veteen sekoittuessa. Neljänneksi tarvitaan energian lähde, jollaisena toimii hiilen yhdisteiden hapettumisreaktio. Reaktion tuotteina on vettä ja hiilidioksidia, jotka poistuvat vaivattomalla tavalla kehosta ja joiden kautta hiili sekoittuu takaisin ekosysteemiin. Viidenneksi tarvitaan Auringon säteily, joka vaikuttaa optimoidulta fotosynteesin mahdollistamiseksi. Kuudenneksi tarvitaan ilmakehä, jossa elämän mahdollistavat prosessit voivat toteutua, ja jonka ominaisuudet ovat optimaalisella tavalla yhteensopivat muiden elämän perusedellytysten kanssa.

Kokonaisuutena vaikuttaa siis siltä, että tässä artikkelisarjassa käsiteltyjen elämän perusedellytysten eli vesi, valo, hiili, happi ja hiilidioksidi omaavat niin monia optimaalisia ja toisiaan täydellisesti tukevia ominaisuuksia, että niiden muodostama kokonaisuus vaikuttaa hienosäädetyltä. Elämän perusedellytyksiä tarkastelemalla voidaan siis saada tukea näkemykselle, että maailmankaikkeudellamme on suunnittelija.

Lähteet:

Denton, Michael (1998): Nature’s Destiny: How the Laws of Biology Reveal Purpose in the Universe. The Free Press, New York.

Artikkelikuva: Keacy11 @ Wikimediacommons (CC BY-SA 4.0)

Kuva 1: Mike Goad @ Flickr (CC0)

Kuva 2: Franziz Hauzer @ Flickr (CC BY-NC-ND 2.0)

Kuva 3: Minzinho @ Wikimediacommons (CC BY-SA 3.0)

Kuva 4: Michael Dentonin kirjasta Nature Destiny, s. 134

 

Ylös