Migliore risposta
Unanalogia. Un organismo vivente, sia esso un batterio o unameba / paramecio monocellulare, o un complesso, pianta o animale, possiede rispettivamente cellule procariotiche ed eucariotiche. Tutti analizzano le fonti di energia. I batteri, i procarioti e gli eucarioti possono ottenere questo risultato tramite la respirazione anaerobica, senza O2 come fonte di riduzione. Lossigeno agisce come un “magnete” attirando elettroni dal metabolismo del glucosio attraverso il ciclo di Krebs. Questi elettroni aiutano a formare il legame extra fosfato che converte lADP (adenosina difosfato) in ATP (adenosina trifosfato). I legami chimici riguardano esclusivamente gli elettroni. Gli elettroni formano i legami tra gli elementi. Quando questi legami si formano, lenergia viene conservata, un rxn endotermico, e mantiene il potenziale per rompere e rilasciare nuovamente lenergia immagazzinata. Quando lenergia viene rilasciata, attraverso questi legami elettronici recisi, è un rxn esotermico, mentre lacqua e la CO2 sono sottoprodotti. Tutta questa chimica avviene allinterno delle cellule dei tessuti viventi. Nelle cellule animali, il glucosio, il lattosio e altri zuccheri vengono consumati o ridotti dalle vie chimiche dellossigeno. Altri riduttori, come lo zolfo, sono utilizzati principalmente da forme di batteri.
Un altro esempio di rilascio di legami elettronici mediante ossigeno è la combustione di legami carbonio-carbonio in zuccheri, legno, carbone, sottoprodotti del petrolio, ecc In effetti, la rottura dei legami di carbonio degli zuccheri, allinterno delle cellule, è una forma di combustione, una combustione controllata se vuoi. Sto solo dicendo.
Risposta
La respirazione cellulare non è necessaria. La fermentazione è molto più versatile, perché non dipende dalla presenza di ossigeno. Esistono diversi tipi di respirazione, a seconda di quale sia laccettore di elettroni. Oggi la respirazione basata sullossigeno è più comune, perché lossigeno è quasi onnipresente. La respirazione è utile perché fornisce una resa dalla degradazione dello zucchero molto maggiore di quella fornita dalla fermentazione. La respirazione è tuttaltro che necessaria, ma quando lossigeno è presente, è la via metabolica preferita.
La respirazione è spesso paragonata alla fotosintesi, perché nelle moderne condizioni ossiche cooperano intimamente. Senza la fotosintesi non ci sarebbe alcuna fonte di idrogeno e senza la respirazione la fotosintesi consumerebbe tutta la CO2, quindi non ci sarebbe alcuna fonte di carbonio. Per vedere cosa è veramente più importante, dovremmo dare uno sguardo allevoluzione, per vedere qual è stata lorigine dei due.
Ci sono due convinzioni comuni sulla prima infanzia: che sia iniziata intorno alle prese daria idrotermali e che il primo ossigeno è stato prodotto dai cianobatteri. Entrambe queste convinzioni sono probabilmente sbagliate. Prima che ci fosse ossigeno nellatmosfera, il metabolismo energetico non era affatto un problema. Lidrogeno che usciva dalla terra interna riempiva gli oceani di idrogeno. La combinazione di idrogeno e CO2 oltre al fosfato è stata la principale fonte di glicolisi ed energia (formando metano). E in combinazione con lammoniaca, che riempiva gli oceani, erano presenti anche le fonti di RNA. Anche se lidrogeno (e la CO2) provenivano dalle prese daria, la vita avrebbe potuto piuttosto avere origine vicino a una fonte di fosfato.
Lossigeno è stato probabilmente inizialmente creato attraverso la perdita di idrogeno nello spazio. Quando lacqua viene scissa nellatmosfera superiore, la perdita di idrogeno crea ossigeno. Questa è stata una vera sfida per la vita, perché lossigeno ha distrutto lidrogeno. La respirazione era la soluzione a questo problema. La necessità della fotosintesi è arrivata solo quando il livello di ossigeno è diventato abbastanza grande da distruggere una quantità eccessiva di idrogeno.
Lincomprensione che siano stati i cianobatteri a produrre il primo ossigeno libero circa 2,3 miliardi di anni fa si basa su una sottostima di perdita di idrogeno nello spazio come fonte di ossigeno. Oggi sappiamo che 3 kg di idrogeno vengono persi nello spazio ogni secondo. Con quella velocità sarebbero stati necessari 1,4 miliardi di anni per riempire latmosfera di ossigeno, quindi è evidente che questa non è lunica fonte di ossigeno atmosferico. Negli anni 70 cerano alcuni scienziati che sostenevano che la perdita di idrogeno fosse 5-10 volte inferiore.
Anche lidea che la fotosintesi dovesse essere la principale fonte di ossigeno divenne storicamente molto popolare. Un problema con questa idea è che non ce nera bisogno nel momento in cui lossigeno ha iniziato ad apparire nellatmosfera. Prima dellossigeno libero cera abbastanza idrogeno libero per la vita.
Senza alcuna ragione naturale per questo, James Lovelock in collaborazione con Lynn Margulis propose unaltra spiegazione teleogogica. Dal loro punto di vista, Gaia ha controllato levoluzione e ha indotto i cianobatteri a creare ossigeno, che 1 miliardo di anni dopo ha portato a un aumento del livello di ossigeno che ha reso la vita multicellulare una soluzione preferita. Questa spiegazione non si basa quindi su una necessità immediata, ma su una possibilità in un lontano futuro. Aristotele usò la teleologia come un modo per spiegare ciò che era necessario quando lobiettivo finale era creare esseri umani. Un altro modo per vedere questo è che la spiegazione di Lovelock / Margulis è olistica, mentre la mia è riduttiva.Margulis ha criticato il riduzionismo perché si basa interamente sulle leggi della fisica e della chimica. A mio avviso, questo è il presupposto di questa visione, che non sono necessarie forze magiche per comprendere levoluzione, solo i meccanismi (neo) darwiniani.
Un altro problema con la fotosintesi prima dellossigeno atmosferico è la radiazione UV. Solo gli strati superiori dellacqua avevano abbastanza luce disponibile, ma prima che lo strato di ozono fosse creato qui cerano troppe radiazioni UV dannose.
Anche se non cera bisogno di una fonte di idrogeno, la luce era unutile fonte di energia . Ma usare lenergia alla luce è molto più facile che usarla come fonte di idrogeno. La prima fotoattività è stata quindi utilizzata solo come fonte di energia extra per guidare le reazioni metaboliche, ed era basata sulla rodopsina membranosa. Questo meccanismo si è evoluto non per necessità, ma come fonte di energia supplementare opportunistica.
Ci sono molti altri motivi per cui la perdita di idrogeno è unidea molto migliore per una fonte di ossigeno. La maggior parte dellossigeno libero è stato utilizzato per ossidare carbonio, azoto, zolfo e ferro. Se tutto lossigeno fosse stato prodotto dalla fotosintesi, allora avrebbero dovuto esserci tracce di questa produzione non solo negli ultimi 500 milioni di anni, ma negli ultimi 2 miliardi di anni. Ma i giacimenti di petrolio e carbone provengono tutti dagli ultimi 500 milioni di anni. E cè solo una produzione netta di ossigeno quando il materiale organico viene sepolto.
La quantità di ferro ossidato mostra che è stato prodotto ossigeno pari ad almeno 200 volte latmosfera presente, mentre la quantità di carbone e il petrolio è molto meno. È stato dimostrato che almeno 1/5 degli oceani sono scomparsi a causa della perdita di idrogeno, che ammonta a quasi 300 volte lattuale atmosfera di ossigeno. Ciò significa che la perdita di idrogeno nello spazio è stata molto più alta di quella odierna. Questo è abbastanza logico. Finché il livello di ossigeno nellatmosfera è stato mantenuto a un livello basso (\%), lo strato di ossigeno atomico stratosferico era molto più sottile di quanto non sia oggi. In tal modo lidrogeno prodotto dalla scissione dellacqua nella ionosfera potrebbe passare liberamente nello spazio.
La respirazione è opportunistica. È stato creato per migliorare lefficienza della produzione di energia degli organismi. Le catene di trasporto degli elettroni più lunghe e complesse danno il massimo rendimento energetico. La fotosintesi è guidata dalla necessità di idrogeno. La resa è minore quanto più lunghe e complesse sono le catene di trasporto degli elettroni. La fotosintesi si è adattata a un nuovo donatore di elettroni quando quello con un potenziale di riduzione inferiore è diventato non disponibile a causa dellossidazione.
Le forme ossidate di zolfo (S) sono diventate disponibili quando lossigeno ha ossidato la variante ridotta (H2S). In modo simile il ferro ossidato divenne successivamente disponibile. In tal modo sia la respirazione che la fotosintesi potrebbero essere costruite successivamente, ma prima la respirazione. Ancora oggi possiamo vedere nella respirazione ossidativa come il ferro fosse un tempo il punto terminale. Oggi è una tappa intermedia. I meccanismi che vengono utilizzati nella respirazione sono stati ereditati dagli organismi fotosintetizzatori.
Oggi è molto facile trovare esempi di organismi che respirano, perché quasi tutti gli organismi che esistono in condizioni ossiche respirano. Ciò include tutti gli animali, ma anche tutte le piante. La fotosintesi è il principale metabolismo durante il giorno, ma non ha alcun effetto durante le notti.
Si ritiene che gli organismi a singolo compartimento che esistevano prima dei primi eucarioti, cioè prima di 2,7 miliardi di anni fa, fossero diversi tipi di batteri. Le ipotesi hanno affermato che il batterio con il metabolismo energetico più complesso, i cianobatteri, si sia originato già 2,7 miliardi di anni fa. E si dice che gli organismi più semplici siano batteri vecchi di 3,6 miliardi di anni. Ma questi organismi erano piuttosto i precursori degli eucarioti, il “karyon” del mondo dellRNA. I batteri furono creati molto più tardi, dagli eucarioti, quando crearono organelli sia fissi che pendolari. Alcuni di questi ultimi sono diventati batteri quando il loro ospite si è estinto. Ho mostrato più in dettaglio come è avvenuta la transizione dal mondo dellRNA agli eucarioti.