Paras vastaus
Analogia. Elävällä organismilla, olipa se bakteeri tai yksittäinen solu amöba / paramecium, tai kompleksilla, kasveilla tai eläimillä, on vastaavasti prokaryoottiset ja eukaryoottiset solut. Ne kaikki hajottavat energialähteitä. Bakteerit, prokaryootit ja eukaryootit voivat saavuttaa tämän anaerobisen hengityksen kautta ilman O2: ta pelkistyslähteenä. Happi toimii magneettina, joka vetää elektroneja glukoosin metaboliasta Krebsin syklin läpi. Nämä elektronit auttavat muodostamaan ylimääräisen fosfaattisidoksen, joka muuntaa ADP: n (adenosiinidifosfaatti) ATP: ksi (adenosiinitrifosfaatti). Kemialliset sidokset koskevat elektroneja. Elektronit muodostavat sidokset elementtien välillä. Kun nämä sidokset muodostuvat, energia säilyy, endoterminen rxn ja säilyttää mahdollisuuden rikkoa ja vapauttaa varastoitua energiaa uudelleen. Kun energia vapautuu näiden irrotettujen elektronisidosten kautta, se on eksoterminen rxn, kun taas vesi ja CO2 ovat sivutuotteita. Kaikki tämä kemia tapahtuu elävissä kudossoluissa. Eläinsoluissa glukoosi, laktoosi ja muut sokerit kuluvat tai vähenevät hapen kemiallisilla reiteillä. Muita pelkistimiä, kuten rikkiä, käytetään pääasiassa bakteerimuotojen avulla. Itse asiassa sokerien hiilisidosten hajoaminen soluissa on palamisen muoto, hallittu palaminen, jos haluat. Pelkkä sanominen.
Vastaa
Soluhengitys ei ole välttämätöntä. Käyminen on paljon monipuolisempaa, koska se ei ole riippuvainen hapen läsnäolosta. Hengitystä on erilaisia, riippuen siitä, mikä on elektronin vastaanottaja. Nykyään happipohjainen hengitys on yleisintä, koska happea on lähes kaikkialla. Hengitys on hyödyllistä, koska se antaa paljon enemmän tuottoa sokerin hajoamisesta kuin käyminen antaa. Hengitys ei ole kaukana välttämättömästä, mutta kun happea on läsnä, se on ensisijainen aineenvaihduntareitti. Ilman fotosynteesiä ei olisi vedyn lähdettä, ja ilman hengitystä fotosynteesi kuluttaisi kaiken CO2: n, joten ei olisi mitään hiilen lähdettä. Jos haluat nähdä, mikä on todella tärkeintä, meidän tulisi tarkastella evoluutiota ja nähdä, mikä oli näiden kahden alkuperä.
Varhaisesta elämästä on kaksi yleistä uskomusta: että se alkoi hydrotermisten tuuletusaukkojen ympärillä ja että ensimmäinen happi tuotettiin syanobakteereilla. Molemmat uskomukset ovat todennäköisesti väärät. Ennen kuin ilmakehässä oli happea, energian aineenvaihdunta ei ollut ollenkaan ongelma. Sisämaasta virtaava vety täytti valtameret vedyllä. Vedyn ja CO2: n yhdistelmä fosfaatin lisäksi oli tärkein glykolyysin ja energian lähde (muodostamalla metaania). Ja yhdessä ammoniakin kanssa, joka täytti valtameret, myös RNA: n lähteet olivat paikallaan. Vaikka vety (ja CO2) tuli tuuletusaukkojen kautta, elämä olisi voinut syntyä pikemminkin fosfaattilähteen läheisyydessä. Kun vesi jakautuu ilmakehän yläosaan, vedyn menetys luo happea. Tämä oli todellinen haaste elämään, koska happi tuhosi vetyä. Hengitys oli ratkaisu tähän ongelmaan. Tarve fotosynteesille tuli vasta, kun happitaso nousi riittävän suureksi tuhoamaan liikaa vetyä.
Väärinkäsitys, että syanobakteerit tuottivat ensimmäisen vapaan hapen noin 2,3 miljardia vuotta sitten, perustuu vedyn menetys avaruuteen hapen lähteenä. Tänään tiedämme, että 3 kg vetyä menetetään avaruuteen sekunnissa. Tällä nopeudella olisi tarvittu 1,4 miljardia vuotta täyttämään ilmakehä hapella, joten on ilmeistä, että tämä ei ole ainoa ilmakehän hapen lähde. 1970-luvulla jotkut tutkijat väittivät, että vetyhäviö on 5-10 kertaa pienempi.
Ajatus siitä, että fotosynteesin on täytynyt olla tärkein hapen lähde, tuli myös historiallisesti hyvin suosittua. Tämän ajatuksen ongelmana on, että sille ei ollut tarvetta silloin, kun happi alkoi ilmestyä ilmakehään. Ennen vapaata happea oli tarpeeksi vapaata vetyä elämään.
Ilman mitään luonnollista syytä siihen James Lovelock ehdotti yhteistyössä Lynn Marguliksen kanssa uutta, teleogogista selitystä. Heidän mielestään Gaia hallitsi evoluutiota ja sai syanobakteerit luomaan happea, mikä miljardi vuotta myöhemmin johti happitason nousuun, mikä teki monisoluisesta elämästä edullisen ratkaisun. Siksi tämä selitys ei perustu välittömään tarpeeseen, vaan mahdollisuuteen lähitulevaisuudessa. Aristoteles käytti teleologiaa keinona selittää sitä, mikä oli välttämätöntä, kun lopullinen tavoite oli luoda ihmisiä. Toinen tapa tarkastella tätä on, että Lovelock / Margulis-selitys on kokonaisvaltainen, kun taas minun on reduktiivinen.Margulis kritisoi redukcionismia, koska se perustuu kokonaan fysiikan ja kemian lakeihin. Mielestäni tämä on tämän näkemyksen lähtökohta, että evoluution ymmärtämiseen ei tarvita maagisia voimia, vain (neo-) darwinilaiset mekanismit.
Toinen ongelma fotosynteesissä ennen ilmakehän happea on UV-säteily. Vain ylemmissä vesikerroksissa oli riittävästi valoa, mutta ennen otsonikerroksen muodostumista siellä oli liikaa haitallista UV-säteilyä.
Vaikka vetylähdettä ei tarvinnutkaan, valo oli hyödyllinen energialähde . Mutta energian käyttö valossa on paljon helpompaa kuin käyttää sitä vedyn lähteenä. Siksi ensimmäistä valotoimintaa käytettiin vain ylimääräisenä energialähteenä aineenvaihduntareaktioiden ajamiseksi, ja se perustui membraaniseen rodopsiiniin. Tämä mekanismi ei kehittynyt välttämättömyyden, vaan opportunistisen lisäenergian lähteenä.
Vetyhäviö on monia muita syitä, mikä on paljon parempi idea hapen lähteeksi. Suurin osa vapaasta hapesta on käytetty hiilen, typen, rikin ja raudan hapettamiseen. Jos kaikki happi olisi tuotettu fotosynteesillä, tuotannosta olisi pitänyt olla jälkiä paitsi edellisiltä 500 miljoonalta vuodelta myös viimeisiltä 2 miljardilta vuodelta. Mutta öljy- ja kivihiiliesiintymät ovat kaikki viimeisten 500 miljoonan vuoden ajalta. Ja hapen nettotuotanto on vain, kun orgaaninen materiaali haudataan.
Hapetetun raudan määrä osoittaa, että happea on tuotettu vähintään 200 kertaa nykyisessä ilmakehässä, kun taas hiilen ja öljyä on paljon vähemmän. On osoitettu, että ainakin 1/5 valtameristä on kadonnut vedyn menetyksen vuoksi, mikä on lähes 300 kertaa nykyinen happi-ilmakehä. Tämä tarkoittaa, että vedyn hävikki avaruuteen on ollut paljon suurempi kuin tänään. Se on varsin loogista. Niin kauan kuin happipitoisuus ilmakehässä pidettiin alhaisella tasolla (\%), stratosfäärin atomihappikerros oli paljon ohuempi kuin nykyään. Siten vety, joka on muodostunut hajottamalla vettä ionosfäärissä, voi siirtyä vapaasti avaruuteen.
Hengitys on opportunistista. Se on luotu parantamaan organismien energiantuotannon tehokkuutta. Pisin ja monimutkaisin elektronikuljetusketju tuottaa korkeimman energiantuoton. Fotosynteesiä ohjaa vedyn tarve. Saanto on sitä pienempi, mitä pidemmät ja monimutkaisemmat elektronien siirtoketjut ovat. Fotosynteesi mukautui uuteen elektronidonoriin, kun pienemmän pelkistyspotentiaalin omaava ei ollut käytettävissä hapettumisen vuoksi.
Rikin (S) hapettuneet muodot tulivat saataville, kun happi hapetti pelkistetyn variantin (H2S). Samalla tavalla hapetettua rautaa tuli peräkkäin saataville. Siten sekä hengitys että fotosynteesi voitaisiin rakentaa peräkkäin, mutta ensin hengitys. Vielä nykyäänkin voimme nähdä oksidatiivisessa hengityksessä kuinka rauta oli kerran päätepiste. Nykyään se on välivaihe. Hengityksessä käytettävät mekanismit ovat perineet fotosynteesiviltä organismeilta.
Nykyään on hyvin helppo löytää esimerkkejä hengittävistä organismeista, koska melkein kaikki hapettomissa oloissa olevat organismit hengittävät. Se sisältää kaikki eläimet, mutta myös kaikki kasvit. Fotosynteesi on tärkein aineenvaihdunta päivällä, mutta sillä ei ole lainkaan vaikutusta öisin.
Yksittäisosasto-organismien, jotka olivat olemassa ennen ensimmäisiä eukaryooteja eli ennen 2,7 miljardia vuotta sitten, on uskottu olevan erilaisia bakteerityypit. Hypoteesien mukaan bakteeri, jolla on monimutkaisin energia-aineenvaihdunta, syanobakteerit, on syntynyt jo 2,7 miljardia vuotta sitten. Yksinkertaisempien organismien on väitetty olevan 3,6 miljardia vuotta vanhoja bakteereja. Mutta nämä organismit olivat pikemminkin eukaryoottien, RNA-maailman ”karyonin”, esiasteita. Bakteerit syntyivät paljon myöhemmin, eukaryoottien toimesta, kun ne loivat sekä paikallaan että työmatkalla olevat organellit. Jotkut jälkimmäisistä tulivat bakteereiksi, kun heidän isäntänsä kuoli sukupuuttoon. Olen osoittanut yksityiskohtaisemmin, kuinka siirtyminen RNA-maailmasta eukaryooteihin tapahtui.