Gdy kilka lat temu naukowcy ogłosili, że podawanie czystego tlenu pacjentom może im bardziej szkodzić niż pomagać, wielu lekarzy przyjęło to z niedowierzaniem. Takie postępowanie było częścią powszechnej praktyki w nagłych wypadkach, gdy do karetki lub szpitala trafiała osoba nieprzytomna czy niedotleniona. „Czysty tlen pojawiający się nagle w płucach sprawia, że oddech pacjenta przyśpiesza. Wówczas z krwi bardzo szybko usuwany jest dwutlenek węgla, na co organizm reaguje, zwężając naczynia krwionośne prowadzące m.in. do serca czy mózgu” – wyjaśniał dr Steve Iscoe z kanadyjskiego Queen’s University.
Paradoksalnie więc podanie tlenu powoduje, że ważne dla życia narządy stają się jeszcze bardziej niedotlenione! Podobne sprzeczności pojawiają się co chwila, gdy bliżej przyglądamy się temu, co ten życiodajny gaz robi w naszym organizmie. Trzeba bowiem pamiętać, że tlen – jak sama nazwa wskazuje – lubi utleniać, czyli łączyć się z innymi pierwiastkami czy związkami chemicznymi, z reguły je uszkadzając. Pod jego wpływem żelazo zmienia się w rdzę, drewno czy węgiel płoną, a nasze komórki nieubłaganie stają się coraz mniej sprawne. Tlen, bez którego nie możemy żyć, jest też jednym z naszych największych wrogów. Ba, w przeszłości potrafił doprowadzać do katastrof biologicznych, które zmieniały ziemską przyrodę nie do poznania.
Śmierć beztlenowcom!
Cofnijmy się w czasie do początków Ziemi, 4,5 mld lat temu. Przez wiele setek milionów lat jej atmosfera była całkowicie pozbawiona tlenu. Pierwsze organizmy żywe w ogóle go nie potrzebowały – uzyskiwały energię beztlenowo, podobnie jak wiele współczesnych bakterii. Dopiero ok. 2,7 mld lat temu pojawiły się jednokomórkowe sinice, które opanowały sztukę fotosyntezy i zaczęły produkować tlen, trafiający do atmosfery. 300 mln lat później było go tak dużo, że stał się śmiertelnie niebezpieczny dla beztlenowców. Doszło wtedy do tzw. katastrofy tlenowej, która zmiotła z powierzchni Ziemi większość istniejących wówczas organizmów. Te, które przeżyły, musiały dobrze się schować przed trucizną.
21% tlenu zawiera dziś powietrze i krew zdrowego człowieka
Jednak ta sama trucizna napędziła ewolucję. Dzięki tlenowi komórki mogły uzyskać z pokarmu więcej energii niż przedtem. Mogły szybciej rosnąć i poruszać się. Tlenowy metabolizm pozwolił na powstanie istot bardziej skomplikowanych niż bakterie. Z drugiej strony niszczący wpływ tlenu na tkanki sprawił, że organizmy zaczęły się przed nim bronić: wytwarzać śluz, a przede wszystkim – łączyć siły. Gdyby nie tlen, nigdy nie powstałyby stworzenia wielokomórkowe, a więc i ludzie. Zmiany poziomu tego gazu w atmosferze zawsze wywierały ogromny wpływ na rozwój życia.
Ok. 543 mln lat temu na Ziemi nagle pojawiło się mnóstwo skomplikowanych stworzeń, pokrytych pancerzami, kolcami itd. Należały do nich chociażby trylobity – pełzające po morskim dnie stawonogi o segmentowanej budowie. Ta nagła eksplozja życia, od której zaczyna się okres zwany kambrem, zbiega się w czasie z kolejnym wzrostem zawartości tlenu w atmosferze. Możliwe, że pancerze po części miały chronić właśnie przed tym gazem.
Co ciekawe, kiedyś było go znacznie więcej niż dziś. W okresie karbonu, ok. 300 mln lat temu, atmosfera zawierała aż 35 proc. tlenu. To wtedy żyły gigantyczne stawonogi – pajęczaki z rodziny Megaranea, które rozmiarami przypominały sporego psa (rozstaw ich nóg sięgał pół metra!) czy ważki Meganeura o rozpiętości skrzydeł sięgającej 75 cm i tułowiu trzycentymetrowej grubości.
Przeciek w elektrowni
Wróćmy do współczesnych czasów. Atmosfera zawiera 21 proc. tlenu, przed którym chroni nas nasza skóra i błony śluzowe – pokrywające je wydzieliny mają między innymi taką właśnie funkcję. Płuca i układ krwionośny potrafią pobierać i dostarczać wszystkim tkankom ten gaz, by mogły sprawnie działać. Na czym więc polega problem z niszczącym działaniem tlenu? Kluczowym elementem są tutaj mitochondria – części składowe komórki, porównywane często do elektrowni. Produkują one energię biologiczną w procesach utleniania, ale jednocześnie emitują „zanieczyszczenia”, czyli wolne rodniki. Te bardzo reaktywne związki chemiczne uszkadzają różne części komórki – w tym same mitochondria – które stają się jeszcze mniej szczelne… Wielokrotnie dowiedziono, że źle funkcjonujące „komórkowe elektrownie” prowadzą do chorób, których objawy przypominają szybkie starzenie się. Im komórka jest bardziej aktywna i narażona na stres, tym szybciej dochodzi do uszkodzenia zawartych w niej mitochondriów.
Oczywiście zużyte komórki często są wymieniane na nowe, ale nie każdy narząd można naprawić w ten sposób – dotyczy to szczególnie mózgu, dla którego taki „remont” na większą skalę mógłby być zabójczy. Dlatego naukowcy twierdzą, że homo sapiens nie jest w stanie żyć dłużej niż 120–130 lat, bo maksymalnie tyle wynosi czas funkcjonowania naszych „elektrowni”. „Gołąb żyje 35 lat, ale szczur, który ma taką samą masę ciała i tempo metabolizmu, przeżywa zaledwie 3–4 lata. Większość tej dziesięciokrotnej różnicy tłumaczymy różnym stopniem wyciekania wolnych rodników z mitochondriów. Gdybyśmy mogli wyhamować ten proces, mielibyśmy duże szanse na dłuższe i zdrowsze życie” – mówi dr Nick Lane, autor książki „Tlen. Cząsteczka, która stworzyła świat”. Niestety, nikt nadal nie ma na to dobrego sposobu. Uwaga na przeciwutleniacze Od wolnych rodników nie sposób uciec: są skutkiem ubocznym działania mitochondriów, docierają do nas z pokarmem i powstają wskutek działania promieniowania jonizującego czy ultrafioletowego. Organizmy żywe borykają się z nimi od samego początku swego istnienia. Nic dziwnego, że mają kilka systemów obronnych.
Zaliczamy do nich tzw. przeciwutleniacze, czyli substancje likwidujące wolne rodniki. Należą do nich chociażby dobrze znane witaminy C i E. Nic dziwnego, że są one nadal uważane za eliksir młodości i uniwersalne lekarstwo na miażdżycę czy raka – choroby związane z uszkodzeniami wywoływanymi przez wolne rodniki. Jednak kolejne badania wykazują, że duże dawki witamin nie tylko nie chronią przed chorobami, ale mogą wręcz im sprzyjać! „Większość miłośników przeciwutleniaczy nie ma pojęcia o tym, że ich organizmy same potrafią je produkować. Jeśli zażywamy duże dawki witamin, hamujemy tę produkcję i w efekcie stajemy się bardziej bezbronni” – wyjaśnia dr Lane. Poszukiwania lepszych środków zabezpieczających nas przed wolnymi rodnikami trwają.
Dotlenianie pod kontrolą
Podobnie wygląda kwestia dostarczania tlenu pacjentom, którzy mogą go potrzebować. Specjaliści od intensywnej terapii radzą, by zamiast czystego gazu podawać go wraz z domieszką dwutlenku węgla (wtedy chorym nie grozi skurcz naczyń krwionośnych) czy nawet wodoru (ten z kolei zmniejsza uszkodzenia, które powstają pod wpływem stężonego tlenu w płucach). Pojawiają się nawet pomysły na dotlenianie dożylne. Naukowcy chcą w tym celu wykorzystać mikroskopijne pęcherzyki zbudowane z lipidów, wypełnione tlenem.
„Po podaniu ich we wlewie dożylnym moglibyśmy w ciągu sekund przywrócić właściwy poziom natlenowania krwi. W ten sposób możemy zyskać nawet 15–30 minut, pozwalających nam na uratowanie pacjenta, który przestał oddychać np. wskutek zablokowania dróg oddechowych” – wyjaśnia John Kheir, kardiolog z Boston Children’s Hospital. Jak sam przyznaje, do prac nad takim rozwiązaniem przystąpił po tym, gdy umarła jedna z jego młodych pacjentek. Wystąpił u niej silny krwotok do płuc i zmarła, zanim lekarze podłączyli ją do sztucznego płucoserca. Być może za kilka lat, gdy „dożylny tlen” zostanie dopracowany i przetestowany, takich chorych będzie można uratować, a lekarze zyskają lepszą kontrolę nad życiodajną trucizną.