Bedste svar
En analogi. En levende organisme, det være sig bakterier eller en enkelt celle-amoeba / paramecium, eller et kompleks, plante eller dyr, har henholdsvis prokaryote og eukaryote celler. De nedbryder alle energikilder. Bakterier, prokaryoter og eukaryoter kan opnå dette via anaerob respiration uden O2 som reduktionskilde. Oxygen fungerer som en magnet, der trækker elektroner fra metabolismen af glukose gennem Krebs-cyklussen. Disse elektroner hjælper med at danne den ekstra fosfatbinding, der omdanner ADP (adenosindiphosphat) til ATP (adenosintriphosphat). Kemiske bindinger handler om elektroner. Elektroner danner bindingerne mellem elementerne. Når disse bindinger dannes, bevares energi, en endoterm rxn, og bevarer potentialet til at bryde og genfrigive den lagrede energi. Når energien frigøres via disse afskårne elektronbindinger, er den en eksoterm rxn, hvorimod vand og CO2 er biprodukter. Al denne kemi forekommer i levende vævsceller. I dyreceller forbruges eller reduceres glucose, lactose og andet sukker via iltkemiske veje. Andre reduktionsmidler som svovl bruges hovedsageligt af former for bakterier.
Et andet eksempel på frigivelse af elektronbindinger ved anvendelse af ilt er forbrændingen af kulstof-kulstofbindinger i sukker, træ, kul, oliebiprodukter osv. I virkeligheden er brydningen af kulstofbindinger af sukker inden i cellerne en form for forbrænding, en kontrolleret forbrænding, hvis du vil. Bare at sige.
Svar
Mobil respiration er ikke nødvendig. Fermentering er meget mere alsidig, fordi den ikke er afhængig af tilstedeværelsen af ilt. Der er forskellige typer åndedræt, afhængigt af hvad der er elektronacceptoren. I dag er iltbaseret åndedræt mest almindelig, fordi ilt er næsten allestedsnærværende. Åndedræt er nyttig, fordi det giver meget mere udbytte fra nedbrydning af sukker, end gæring giver. Åndedræt er langt fra nødvendigt, men når ilt er til stede, er det den foretrukne metaboliske vej.
Åndedræt sammenlignes ofte med fotosyntese, fordi de under de moderne, oxiske forhold samarbejder tæt. Uden fotosyntese ville der ikke være nogen kilde til brint, og uden respiration ville fotosyntese forbruge alt CO2, så der ville ikke være nogen kilde til kulstof. For at se hvad der virkelig er vigtigst, skal vi se på evolutionen for at se, hvad der var oprindelsen til de to.
Der er to almindelige overbevisninger om det tidlige liv: at det startede omkring hydrotermiske åbninger, og at den første ilt blev produceret af cyanobakterier. Begge disse overbevisninger er sandsynligvis forkerte. Før der var ilt i atmosfæren, var energimetabolismen slet ikke noget problem. Brintet, der strømmede ud af den indre jord, fyldte havene med brint. Kombinationen af brint og CO2 ud over fosfat var den vigtigste kilde til glykolyse og energi (ved dannelse af metan). Og i kombination med ammoniak, der fyldte havene, var kilderne til RNA også på plads. Selvom brint (og CO2) kom gennem ventilationskanaler, kunne liv snarere stamme i nærheden af en fosfatkilde.
Oxygen blev sandsynligvis oprindeligt skabt ved tab af brint til rummet. Når vand deles i den øvre atmosfære, skaber brintab ilt. Dette var en reel udfordring for livet, fordi ilt ødelagde brintet. Åndedræt var løsningen på dette problem. Behovet for fotosyntese kom først, da iltniveauet blev stort nok til at ødelægge for meget af brintet.
Misforståelsen om, at det var cyanobakterier, der producerede den første frie ilt for omkring 2,3 milliarder år siden, er baseret på en undervurdering af brintstab i rummet som iltkilde. I dag ved vi, at 3 kg brint går tabt i rummet hvert sekund. Med den hastighed ville der have været behov for 1,4 milliarder år for at fylde atmosfæren med ilt, så det er tydeligt, at dette ikke er den eneste kilde til atmosfærisk ilt. I 1970erne var der nogle forskere, der hævdede, at brintabet er 5-10 gange mindre.
Tanken om, at fotosyntese må have været den vigtigste iltkilde, blev historisk også meget populær. Et problem med denne idé er, at der ikke var behov for det på det tidspunkt, hvor ilt begyndte at dukke op i atmosfæren. Før frit ilt var der nok frit brint til livet.
Uden nogen naturlig grund til det foreslog James Lovelock i samarbejde med Lynn Margulis en anden, teleogisk forklaring. Efter deres opfattelse kontrollerede Gaia evolution og fik cyanobakterier til at skabe ilt, hvilket 1 milliard år senere resulterede i en stigning i iltniveauet, der gjorde flercellede liv til en foretrukken løsning. Denne forklaring er derfor ikke baseret på et øjeblikkeligt behov, men en mulighed i den fjerne fremtid. Aristoteles brugte teleologi som en måde at forklare, hvad der var nødvendigt, når det endelige mål var at skabe mennesker. En anden måde at se dette på er, at Lovelock / Margulis-forklaringen er holistisk, mens min er reduktionistisk.Margulis kritiserede reduktionisme, fordi den udelukkende er baseret på lovene i fysik og kemi. Efter min opfattelse er det forud for denne opfattelse, at der ikke er behov for magiske kræfter for at forstå evolution, kun de (neo-) darwinistiske mekanismer.
Et andet problem med fotosyntese før atmosfærisk ilt er UV-stråling. Kun de øverste vandlag havde nok tilgængeligt lys, men før ozonlaget blev oprettet, var der her for meget skadelig UV-stråling.
Selvom der ikke var behov for en brintkilde, var lys en nyttig energikilde. . Men at bruge energien i lys er meget lettere end at bruge den som en brintkilde. Den første fotoaktivitet blev derfor brugt lige som en ekstra energikilde til at drive metaboliske reaktioner, og den var baseret på membranøs rhodopsin. Denne mekanisme udviklede sig ikke af nødvendighed, men som en opportunistisk ekstra energikilde.
Der er flere andre grunde til, at brintab er en meget bedre idé for en iltkilde. Det meste af det frie ilt er blevet brugt til at oxidere kulstof, nitrogen, svovl og jern. Hvis alt ilt var blevet produceret ved fotosyntese, så skulle der have været spor af denne produktion ikke kun de sidste 500 millioner år, men de sidste 2 milliarder år. Men olie- og kulindskud er alle fra de sidste 500 millioner år. Og der er kun en nettoproduktion af ilt, når det organiske materiale begraves.
Mængden af oxideret jern viser, at ilt, der udgør mindst 200 gange den nuværende atmosfære, er produceret, mens mængden af kul og olie er meget mindre. Det er vist, at mindst 1/5 af havene er forsvundet på grund af brintab, hvilket svarer til næsten 300 gange den nuværende iltatmosfære. Det betyder, at brintabet til rummet har været meget højere end i dag. Det er ret logisk. Så længe iltniveauet i atmosfæren blev holdt på et lavt niveau (\%), var det atomare iltlag i stratosfæren meget tyndere end det er i dag. Dermed kunne brintet, der blev produceret ved at dele vand i ionosfæren, passere frit til rummet.
Åndedræt er opportunistisk. Det er skabt for at forbedre organismernes energiproduktionseffektivitet. De længste og mest komplekse elektrontransportkæder giver det højeste energiudbytte. Fotosyntese er drevet af et behov for brint. Udbyttet er lavere jo længere og mere komplekse elektrontransportkæderne er. Fotosyntese tilpasset en ny elektrondonor, når den med lavere reduktionspotentiale blev utilgængelig på grund af oxidation.
De oxiderede former for svovl (S) blev tilgængelige, når ilt oxiderede den reducerede variant (H2S). På lignende måde blev oxideret jern successivt tilgængeligt. Dermed kunne både respiration og fotosyntese bygges successivt, men respiration først. Selv i dag kan vi i oxidativ respiration se, hvordan jern engang var terminalpunktet. I dag er det en mellemfase. De mekanismer, der bruges i åndedræt, blev arvet af fotosyntetiserende organismer.
I dag er det meget let at finde eksempler på respiratoriske organismer, fordi næsten alle organismer, der findes under oxiske forhold, responderer. Det inkluderer alle dyr, men også alle planter. Fotosyntese er det vigtigste stofskifte i løbet af dagen, men har slet ingen effekt i løbet af nætterne.
De enkelte rumorganismer, der eksisterede før de første eukaryoter, dvs. før 2,7 milliarder år siden, har været antaget at være forskellige typer bakterier. Hypoteser har hævdet, at bakterien med det mest komplekse energimetabolisme, cyanobakterierne, opstod så tidligt som for 2,7 milliarder år siden. Og der er hævdet, at enklere organismer er 3,6 milliarder år gamle bakterier. Men disse organismer var snarere forløberne til eukaryoter, RNA-verdens “karyon”. Bakterier blev skabt meget senere af eukaryoter, da de skabte både stationære og pendlende organeller. Nogle af sidstnævnte blev bakterier, da deres vært uddøde. Jeg har vist mere detaljeret, hvordan overgangen fra RNA-verdenen til eukaryoter fandt sted.