Vodík, najjednoduchší a najrozšírenejší prvok vo vesmíre, zohráva kľúčovú úlohu pri formovaní Zeme. Napriek jeho dominantnosti vo vesmíre sa na našej planéte v čistej forme vyskytuje len zriedka. Vzhľadom k jeho reaktivite vytvára väzby s inými prvkami a preto je prítomný prevažne v zlúčeninách, poskytujúc priestor širokej škále materiálov a látok podieľajúcich sa na zložení Zeme. Hoci väčšina vodíka na Zemi pochádza z pozemských zdrojov, predpokladá sa, že časť vodíka vo forme vody a organických zlúčenín mohla byť na planétu dodaná kométami a asteroidmi v počiatočných fázach formovania slnečnej sústavy. [1]
Voda
Zdanlivo jednoduchá zlúčenina zložená z dvoch atómov vodíka a jedného atómu kyslíka, je nepochybne najvýznamnejšou zásobárňou vodíka na Zemi. Svetové oceány, moria, rieky, jazerá a podzemné vodonosné vrstvy, ktoré pokrývajú približne 71% povrchu Zeme, obsahujú obrovské množstvo vody, a teda aj obrovské množstvo vodíka. Okrem toho k celosvetovým zásobám prispieva aj vodná para v atmosfére a taktiež aj voda obsiahnutá v horninách a mineráloch. Nepretržitý pohyb vody v hydrosfére, biosfére a atmosfére Zeme, je poháňaný energiou zo Slnka pochádzajúcej z fúzie vodíkových jadier a gravitačnou silou vytvárajúc cyklus zodpovedný za redistribúciu vody po celej planéte ovplyvňujúc vývoj počasia, erózne procesy a udržiavanie suchozemských a vodných ekosystémov.
Jedinečné vlastnosti vody, ako sú jej vysoká tepelná kapacita, povrchové napätie a schopnosť rozpúšťať širokú škálu látok, sa vo veľkej miere pripisujú vodíkovým väzbám vytváraným medzi molekulami vody. [2] Sila a dynamika vodíkových väzieb zohráva kľúčovú úlohu aj pri určovaní fyzikálneho a chemického správania vody, počnúc jej anomáliou až po jej schopnosť pôsobiť ako univerzálne rozpúšťadlo.
Uhľovodíky
Organické zlúčeniny zložené z vodíka a uhlíka, sú ďalším významným zdrojom vodíka na Zemi. Tieto zlúčeniny vznikajú milióny rokov rozkladom rastlinného a živočíšneho materiálu za pôsobenia tepla a tlaku nadložných sedimentárnych vrstiev. Fosílne palivá ako uhlie, ropa a zemný plyn sú bohaté na uhľovodíky a ich spaľovaním sa uvoľňuje oxid uhličitý a získava energia potrebná pre rôzne oblasti každodenného života.
Biologická hmota
Všetky živé organizmy na Zemi, od najmenších mikróbov až po najväčšie rastliny a živočíchy, obsahujú vodík ako základnú zložku svojich biologických štruktúr. Neustály kolobeh vodíka v zemskej biosfére, ktorý umožňujú procesy ako fotosyntéza a dýchanie, zabezpečuje jeho neustálu výmenu medzi živými organizmami a ich prostredím. Kľúčovým mechanizmom pre prísun vodíka do biosféry je práve fotosyntéza [3] pri ktorej rastliny premieňajú oxid uhličitý a vodu na glukózu a kyslík. Počas tohto procesu dochádza k štiepeniu molekúl vody, pričom sa uvoľňujú elektróny a vodíkové katióny poháňajúce syntézu molekuly ATP, bunkového energetického platidla. [4]
Vodík sa v živých organizmoch podieľa aj na rôznych enzymatických reakciách. Mnohé enzýmy, ktoré sú biologickými katalyzátormi uľahčujúcimi chemické reakcie, sa pri efektívnom vykonávaní svojich funkcií spoliehajú na prenos atómov vodíka alebo na tvorbu dočasných vodíkových väzieb. Napríklad také hydrogenázy zohrávajú kľúčovú úlohu v metabolizme plynného vodíka, čo umožňuje určitým mikroorganizmom využívať vodík ako zdroj energie alebo ho produkovať ako vedľajší produkt. [5]
Geologické procesy a vnútro Zeme
Vodík zohráva svoju rolu nielen pri udržiavaní života na Zemi, ale formuje aj geologické procesy a zloženie vnútra planéty. V zemskom plášti sa vodík nachádza buď ako molekulárny vodík vznikajúci serpentinizáciou a rádiolýzou [6] alebo viazaný na minerály, ako sú napríklad serpentín, brucit, mastenec a chlorit, zohrávajúce kľúčovú úlohu pri prenose a recyklácii vody a iných zlúčenín medzi povrchom a vnútrom Zeme. [7] Taktiež sa predpokladá, že vodík by mohol byť prítomný aj v zemskom jadre vo forme Fe-hydridov. [8]
Na záver možno povedať, že prítomnosť vodíka na Zemi je dôkazom zložitej siete vzájomných prepojení, ktoré riadia zloženie, dynamiku a schopnosť našej planéty udržiavať život. Od rozľahlých oceánov až po najvnútornejšie hlbiny zemského jadra je vodík neoddeliteľnou súčasťou systémov, ktoré formovali náš svet a budú ovplyvňovať jeho budúcnosť. Prítomnosť vodíka na Zemi má hlboký vplyv na rôzne aspekty fungovania našej planéty a na našu schopnosť riešiť globálne výzvy. Voda, ktorá je zdrojom väčšiny vodíka, je nevyhnutná pre udržanie života, umožnenie chemických reakcií a reguláciu zemskej klímy. Uhľovodíky pochádzajúce z fosílnych palív boli pre ľudskú civilizáciu kľúčovým zdrojom energie, ktorý poháňal priemyselný a technologický pokrok. Okrem toho sa samotný molekulárny vodík stal sľubným nosičom čistej energie, ktorý má potenciál nahradiť fosílne palivá a zmierniť environmentálne problémy, ako je globálne otepľovanie a znečistenie ovzdušia.
[Marian Matejdes] z Ústavu anorganickej chémie SAVTento projekt získal finančné prostriedky z programu Európskej únie Horizont 2020 pre výskuma inovácií v rámci programu SASPRO 2 COFUND Marie Sklodowska-Curie č. 945478. (Podpora sa týka priamo vedeckej činnosti, nesúvisí s publikovaním tohto príspevku)
[1] S. Stierwalt. “How Did Water Get on Earth?” https://www.scientificamerican.com/article/how-did-water-get-on-earth/[2] F. Tabbutt, “Water: A Matrix of Life” Journal of Chemical Education, vol. 78, no. 5, p. 593.
[3] Matthew P. Johnson, “Photosynthesis” Essays in Biochemistry, vol. 60, no. 3, p. 255.
[4] M. Juhaszova et al., “ATP Synthase K+- and H+-Fluxes Drive ATP Synthesis and Enable Mitochondrial K+-“Uniporter” Function: I. Characterization of Ion Fluxes” Function, vol. 3, no. 2, p. zqab065, 2022.
[5] C. Schumann, J. Fernández Méndez, G. Berggren, and P. Lindblad, “Novel concepts and engineering strategies for heterologous expression of efficient hydrogenases in photosynthetic microorganisms” Frontiers in Microbiology, Review vol. 14, 2023.
[6] A. Hassanpouryouzband, M. Wilkinson, and R. S. Haszeldine, “Hydrogen energy futures – foraging or farming?” Chemical Society Reviews, vol. 53, no. 5, p. 2258, 2024.
[7] J. Tsuchiya, “Dense hydrous minerals under pressure” Nature Geoscience, vol. 17, no. 5, p. 374, 2024.
[8] S. Tagawa et al., “Experimental evidence for hydrogen incorporation into Earth’s core” Nature Communications, vol. 12, no. 1, p. 2588, 2021.