Fakta o kyslíku

Díky kyslíku je dnes na Zemi život takový, jak jej známe. Je to bezbarvý plyn a tvoří 21 procent zemské atmosféry. Protože je všude kolem, snadno bychom si mysleli, že je nudný a inertní; ve skutečnosti je jedním z nejreaktivnějších nekovových prvků (fluor ho trumfne). Na Zemi se objevil asi před 2,3 až 2,4 miliardami let a podle studie z r. 2007 financované NASA se jeho hladiny začaly šplhat k současným koncentracím nejméně před 2,5 miliardami let. Je možné, že to bylo už dříve, protože v Indii se našla hornina stará 3 miliardy let, která musela vzniknout za přítomnosti kyslíku. Nikdo přesně neví, proč se tento plyn stal významnou součástí atmosféry, ale je možné, že to způsobily geologické změny na Zemi. První organizmy kyslík nepotřebovaly, ba dokonce byl pro ně jedovatý, jakmile se ale objevily fotosyntetizující organismy, stoupal obsah kyslíku v ovzduší a život se mu musel přizpůsobit.

• Symbol v periodické tabulce prvků: O
• Atomové číslo (počet protonů v jádru): 8
• Atomová hmotnost (průměrná hmotnost atomu): 15.9994
• Fáze při pokojové teplotě: plyn
• Bod tání: -218,79 ^oC
• Bod varu: -182,95 ^oC
• Počet izotopů (atomy stejného prvku s různým počtem neutronů): 11; z toho pouze tři stabilní
• Nejčastější izotop: ¹⁶O (99.76 %)

Dech života

Kyslík je třetím nejhojnějším prvkem ve vesmíru. V rané zemské atmosféře jej však jeho reaktivita učinila relativně vzácným. Za první kyslík na Zemi, událost známou jako „Velká oxidační událost“, pravděpodobně zodpovídají sinice, organismy, které žijí pomocí fotosyntézy. Při ní pohlcují oxid uhličitý a vydechují kyslík. Studie z března 2014 publikovaná v časopise Nature Geoscience zjistila, že již 2,95 miliardy let staré horniny nalezené v Jižní Africe obsahují oxidy, které ke svému vzniku vyžadovaly volný kyslík. Tyto horniny byly původně v mělkých mořích, což naznačuje, že kyslík z fotosyntézy se poprvé začal hromadit v mořském prostředí asi půl miliardy let předtím, než se začal hromadit v atmosféře (asi před 2,5 miliardami let). Dnes život do značné míry na kyslíku závisí, ale růst jeho přítomnosti v atmosféře znamenal katastrofu. Nová atmosféra způsobila masové vymírání anaerobů, což jsou organismy žijící bez kyslíku. Anaeroby, které se nedokázaly přizpůsobit nebo přežít v tomto novém světě, vymřely. 

Co o kyslíku víme 

První informace o existenci kyslíku jako prvku se objevila v roce 1608, kdy nizozemský vynálezce Cornelius Drebbel oznámil, že ohříváním ledku (dusičnanu draselného) se uvolnil neznámý plyn. Identita tohoto plynu zůstala záhadou až do sedmé dekády 17. století, kdy ji odhalili tři chemici víceméně současně. Anglický chemik a duchovní Joseph Priestly izoloval kyslík tím, že svítil slunečním světlem na oxid rtuťnatý a jímal plyn z reakce. Poznamenal, že v tomto plynu svíčka hořela jasněji (díky roli kyslíku při spalování). Priestly publikoval své poznatky v roce 1774 a předešel tak švýcarského vědce Carla Wilhelma Steela, který ve skutečnosti izoloval kyslík v roce 1771, ale svůj objev nezveřejnil. Třetím objevitelem kyslíku byl Antoine-Laurent de Lavoisier, francouzský chemik, který dal novému prvku jméno. Slovo pochází z řeckých „oxy“ a „gen“, což znamená „tvořící kyseliny“.

Kyslík má celkem osm elektronů – dva obíhají jádro ve vnitřní slupce atomu a šest na nejvzdálenější slupce. Nejvzdálenější plášť však může obsahovat celkem osm elektronů, což vysvětluje tendenci kyslíku reagovat s jinými prvky: jeho vnější plášť je neúplný a další elektrony mohou být přijímány (nebo stávající elektrony sdíleny s jiným prvkem).

• Jako plyn je kyslík bezbarvý, jako tekutina je světle modrý. Aby zkapalněl, musí dosáhnout teploty mínus 183,0 ^oC, takže v bazénu kapalného kyslíku byste si nezaplavali.
• Příliš málo kyslíku je problém, ale příliš mnoho také: dýchání 80 % kyslíku po dobu delší než 12 hodin dráždí dýchací cesty a může nakonec způsobit smrtící edém (otok), hromadění tekutin v plicích.
• Kyslík je „pevný“: molekula kyslíku O₂ může přežít tlak 19 milionkrát vyšší než je atmosférický tlak.
• Nejnižší hladiny kyslíku, jaké kdy byly zaznamenány v lidské krvi, byly naměřeny poblíž vrcholu Mount Everestu v roce 2009. Horolezci měli v průměru hladinu arteriálního kyslíku 3,28 kilopascalů. Porovnejte to s normální hodnotou 12 až 14 kilopascalů a horolezecký termín „zóna smrti“ vám dá smysl.
• Dnes je v atmosféře 21 procent kyslíku. Asi před 300 miliony let, kdy hladina kyslíku dosáhla 35 procent, byl hmyz schopen vyrůst do supervelkých rozměrů. Představte si vážku s rozpětím křídel jestřába!

Současný výzkum

Kyslík se tvoří v srdcích hvězd, fúzí jádra uhlíku ¹²C a jádra helia ⁴He (také známého jako alfa částice). Teprve nedávno však vědci dokázali nahlédnout do jádra kyslíku a rozluštit jeho strukturu.

V březnu 2014 fyzik Dean Lee a jeho kolegové ze státní univerzity North Carolina oznámili, že odhalili jadernou strukturu kyslíku ¹⁶O, nejběžnějšího izotopu kyslíku, v jeho základním stavu (stav, ve kterém jsou všechny elektrony na nejnižší možné energetické hladině) a v prvním excitovaném stavu. Proč by nám na takové věci mělo záležet? Protože chceme pochopit, jak se spojují samotné stavební kameny vesmíru, jak se jádra prvků tvoří ve hvězdách - od uhlíku po kyslík a pak až k těžkým prvkům. Lee a jeho tým původně zjistili, že jádro molekuly uhlíku ¹²C se šesti protony a šesti neutrony je ve skutečnosti tvořeno třemi shluky částic, každý se dvěma protony a dvěma neutrony. Pokud má uhlík 12 tři alfa klastry, vědci usoudili, že kyslík ¹⁶O bude mít pravděpodobně čtyři, vzhledem k tomu, že má osm protonů a osm neutronů.

Pomocí simulací na superpočítačích vědci zjišťovali, jak jsou částice v jádru kyslíku 16 uspořádané. Zjistili, že v základním stavu kyslíku 16 jsou skutečně čtyři alfa klastry, uspořádané úhledně v tetraedru (čtyřstěnu). „Tyto alfa klastry jsou něco jako malé fuzzy koule těchto čtyř částic (nukleonů) a tyto fuzzy koule se rády dotýkají navzájem nějakou interakcí na povrchu,“ řekl Lee. Konfigurace čtyřstěnu je pro ně „pohodlná“.

Na odhalení čekala další kvantová záhada

Základní stav kyslíku 16 a první excitovaný stav sdílejí neobvyklý rys. Oba mají stejný spin (to si můžeme představit jako rotaci). Oba mají také pozitivní paritu, způsob indikace symetrie. (Představte si, že v celém vesmíru zaměníte levou a pravou stranu, ale subatomární částice necháte ve stejném tvaru. Částice s pozitivní paritou by se v takovém vesmíru viděly tak, jak jsou. Částice se zápornou paritou by vypadaly jako řádek textu čtený v zrcadle.) „Záhadou bylo, proč nejnižší dva stavy kyslíku 16 mají stejný nulový spin a stejnou pozitivní paritu,“ řekl Lee. Simulace opět poskytly odpověď: v excitovaném stavu kyslík 16 přeskupuje své jádro, takže místo čtyřstěnného uspořádání se alfa částice uspořádají ve čtvercové nebo téměř čtvercové rovině. „Jejich základní vnitřní struktury byly jiné,“ řekl Lee. To vysvětluje, proč spin a parita mohly zůstat stejné - jádra tvoří stejný výsledek různým způsobem.

Co způsobil kyslík na Zemi

Leeova práce odhaluje zrození kyslíku ve hvězdách; další linie výzkumu kyslíku se zaměřuje na roli tohoto prvku pro život na Zemi. Již krátce po Velké oxidační události před 2,4 miliardami let mohly hladiny kyslíku dosáhnout nebo překročit dnešní úrovně. Živočichové se ukázali až mnohem později, nejjednodušší zvířata se objevila asi před 600 miliony let. Po příčinách pátrá Daniel Mills, doktorand v  Nordic Center for Earth Evolution (Severské centrum pro evoluci Země) na Univerzitě v jižním Dánsku.

Navzdory teoriím, že vzestup kyslíku vydláždil cestu pro existenci zvířat, se příběh zdá být mnohem složitější. V únoru 2014 Mills a jeho kolegové uvedli v časopise PNAS, že i dnešní mořské houby mohou stále dýchat, jíst a dokonce růst v hladinách 0,5 až 4 % dnešní úrovně kyslíku. Houby jsou pravděpodobně nejvíce podobné prvním živočichům na Zemi. Zjištění, že houby nepotřebují k životu mnoho kyslíku, naznačuje, že k vzestupu prvního zvířecího života přispělo něco jiného - i když kyslík mohl být nezbytný k dosažení rozmanitosti a ekosystémů, které vidíme dnes, řekl Mills. Dokonce i v moderní době se některým živočichům, jako jsou hlístice a červi, daří v oblastech oceánu s nízkým obsahem kyslíku. „Pro evoluci zvířat je zjevně potřeba víc než jen dostatečný přísun kyslíku,“ řekl Mills. 

Interaktivní grafika vytvořená Lékařským institutem Howarda Hughese také ukazuje geologickou historii kyslíku, která začala asi před 3,8 miliardami let.

Zdroj: Stephanie Pappas, Fakta o | kyslíku Živá věda (livescience.com)