Beste svaret
En analogi. En levende organisme, det være seg bakterier eller en enkeltcellens amoeba / paramecium, eller et kompleks, plante eller dyr, har henholdsvis prokaryote og eukaryote celler. De sammen bryter sammen energikilder. Bakterier, prokaryoter og eukaryoter kan oppnå dette via anaerob respirasjon, uten O2 som reduksjonskilde. Oksygen fungerer som en magnet som trekker elektroner fra metabolismen av glukose gjennom Krebs-syklusen. Disse elektronene hjelper til med å danne den ekstra fosfatbindingen som omdanner ADP (adenosindifosfat) til ATP (adenosintrifosfat). Kjemiske bindinger handler om elektroner. Elektroner danner bindinger mellom elementene. Når disse bindingene dannes, bevares energi, en endoterm rxn, og beholder potensialet for å bryte og frigjøre den lagrede energien. Når energien frigjøres, via disse avskilte elektronbindinger, er det en eksoterm rxn, mens vann og CO2 er biprodukter. All denne kjemien forekommer i levende vevsceller. I dyreceller forbrukes eller reduseres glukose, laktose og annet sukker via kjemiske oksygenveier. Andre reduksjonsmidler som svovel, brukes hovedsakelig av former for bakterier.
Et annet eksempel på frigjøring av elektronbindinger ved bruk av oksygen er forbrenningen av karbon-karbonbindinger i sukker, tre, kull, oljebiprodukter, etc. Bruddet på karbonbindinger av sukker, i cellene, er faktisk en form for forbrenning, en kontrollert forbrenning hvis du vil. Bare å si.
Svar
Mobil respirasjon er ikke nødvendig. Gjæring er mye mer allsidig, fordi den ikke er avhengig av oksygen. Det er forskjellige typer respirasjon, avhengig av hva som er elektronakseptoren. I dag er oksygenbasert åndedrett vanligst, fordi oksygen er nesten allestedsnærværende. Åndedrett er nyttig fordi det gir mye mer utbytte fra nedbrytning av sukker enn gjæring gir. Åndedrett er langt fra nødvendig, men når oksygen er tilstede, er det den foretrukne metabolske veien.
Åndedrett sammenlignes ofte med fotosyntese, fordi de under de moderne, oksiske forholdene samarbeider nært. Uten fotosyntese ville det ikke være noen kilde til hydrogen, og uten åndedrett ville fotosyntese forbruke all CO2, så det ville ikke være noen kilde til karbon. For å se hva som er viktigst, bør vi ta en titt på evolusjonen, for å se hva som var opprinnelsen til de to.
Det er to vanlige oppfatninger om det tidlige livet: at det startet rundt hydrotermiske ventilasjoner og at det første oksygenet ble produsert av cyanobakterier. Begge disse troene er sannsynligvis feil. Før det var oksygen i atmosfæren var energiomsetningen ikke noe problem i det hele tatt. Hydrogenet som strømmet ut av den indre jorden fylte havene med hydrogen. Kombinasjonen av hydrogen og CO2 i tillegg til fosfat var den viktigste kilden til glykolyse og energi (ved å danne metan). Og i kombinasjon med ammoniakk, som fylte havene, var også kildene til RNA på plass. Selv om hydrogenet (og CO2) kom gjennom ventilasjonene, kunne livet heller ha sitt utspring nær en fosfatkilde.
Oksygen ble sannsynligvis opprinnelig opprettet ved tap av hydrogen til rommet. Når vann deles i den øvre atmosfæren, skaper hydrogen tap oksygen. Dette var en virkelig utfordring for livet, fordi oksygen ødela hydrogenet. Åndedrett var løsningen på dette problemet. Behovet for fotosyntese kom først da oksygenivået ble stort nok til å ødelegge for mye av hydrogenet.
Misforståelsen om at det var cyanobakterier som produserte det første frie oksygen for 2,3 milliarder år siden, er basert på en undervurdering av hydrogentap i rommet som en oksygenkilde. I dag vet vi at 3 kg hydrogen går tapt i rommet hvert sekund. Med den hastigheten ville det ha vært behov for 1,4 milliarder år for å fylle atmosfæren med oksygen, så det er tydelig at dette ikke er den eneste kilden til atmosfærisk oksygen. På 1970-tallet var det noen forskere som hevdet at hydrogentapet er 5-10 ganger mindre.
Ideen om at fotosyntese må ha vært den viktigste kilden til oksygen ble også historisk veldig populær. Et problem med denne ideen er at det ikke var behov for det på det tidspunktet oksygen begynte å dukke opp i atmosfæren. Før gratis oksygen var det nok gratis hydrogen for livet.
Uten noen naturlig grunn til det, foreslo James Lovelock i samarbeid med Lynn Margulis en annen, teleogisk forklaring. Etter deres syn kontrollerte Gaia evolusjonen og fikk cyanobakterier til å skape oksygen, noe som 1 milliard år senere resulterte i en økning av oksygenivået som gjorde flercellert liv til en foretrukket løsning. Denne forklaringen er derfor ikke basert på et øyeblikkelig behov, men en mulighet i den fjerne fremtid. Aristoteles brukte teleologi som en måte å forklare hva som var nødvendig når det endelige målet var å skape mennesker. En annen måte å se dette på er at Lovelock / Margulis-forklaringen er helhetlig, mens min er reduksjonistisk.Margulis kritiserte reduksjonisme fordi den utelukkende er basert på lovene i fysikk og kjemi. Etter mitt syn er det forut for dette synet, at det ikke trengs noen magiske krefter for å forstå evolusjon, bare (neo-) darwinistiske mekanismer.
Et annet problem med fotosyntese før atmosfærisk oksygen er UV-stråling. Bare de øvre vannlagene hadde nok tilgjengelig lys, men før ozonlaget ble opprettet var det her for mye skadelig UV-stråling.
Selv om det ikke var behov for en hydrogenkilde, var lys en nyttig energikilde. . Men å bruke energien i lys er mye lettere enn å bruke den som en hydrogenkilde. Den første fotoaktiviteten ble derfor brukt akkurat som en ekstra energikilde for å drive metabolske reaksjoner, og den var basert på membranøs rodopsin. Denne mekanismen utviklet seg ikke nødvendigvis, men som en opportunistisk ekstra energikilde.
Det er flere andre grunner til at hydrogentap er en mye bedre idé for en kilde til oksygen. Det meste av det frie oksygenet har blitt brukt til å oksidere karbon, nitrogen, svovel og jern. Hvis alt oksygenet hadde blitt produsert ved fotosyntese, burde det ha vært spor av denne produksjonen ikke bare de siste 500 millioner årene, men de siste 2 milliarder årene. Men olje- og kullforekomster er alle fra de siste 500 millioner årene. Og det er bare en nettoproduksjon av oksygen når det organiske materialet begraves.
Mengden oksidert jern viser at oksygen som er minst 200 ganger den nåværende atmosfæren har blitt produsert, mens mengden kull og olje er veldig mye mindre. Det er vist at minst 1/5 av havene har forsvunnet på grunn av hydrogentap, som utgjør nesten 300 ganger den nåværende oksygenatmosfæren. Det betyr at hydrogentapet til rommet har vært mye høyere enn i dag. Det er ganske logisk. Så lenge oksygenivået i atmosfæren ble holdt på et lavt nivå (\%), var det oksygenlag i stratosfæren mye tynnere enn det er i dag. Dermed kunne hydrogenet som ble produsert ved å splitte vann i ionosfæren passere fritt til verdensrommet.
Åndedrett er opportunistisk. Den er opprettet for å forbedre effektiviteten til organismer i energiproduksjonen. De lengste og mest komplekse elektrontransportkjedene gir høyest energiutbytte. Fotosyntese er drevet av et behov for hydrogen. Utbyttet er lavere jo lengre og mer komplekst elektrontransportkjedene er. Fotosyntese tilpasset en ny elektrondonor når den med lavere reduksjonspotensial ble utilgjengelig på grunn av oksidasjon.
De oksyderte svovelformene (S) ble tilgjengelige når oksygen oksyderte den reduserte varianten (H2S). På samme måte ble oksidert jern suksessivt tilgjengelig. Dermed kan både respirasjon og fotosyntese bygges suksessivt, men respirasjon først. Selv i dag kan vi i oksidativ respirasjon se hvordan jern en gang var utgangspunktet. I dag er det en mellomtrinn. Mekanismene som brukes i respirasjon ble arvet av fotosyntetiserende organismer.
I dag er det veldig enkelt å finne eksempler på respirerende organismer, fordi nesten alle organismer som eksisterer under oksiske forhold, responderer. Det inkluderer alle dyr, men også alle planter. Fotosyntese er hovedmetabolismen på dagtid, men har ingen effekt i det hele tatt om nettene.
Organene i det ene rommet som eksisterte før de første eukaryotene, dvs. før 2,7 milliarder år siden, har blitt antatt å være forskjellige. typer bakterier. Hypoteser har hevdet at bakterien med den mest komplekse energimetabolismen, cyanobakteriene, oppsto allerede for 2,7 milliarder år siden. Og enklere organismer har blitt hevdet å være 3,6 milliarder år gamle bakterier. Men disse organismene var snarere forløperne til eukaryoter, RNA-verdenen «karyon». Bakterier ble skapt mye senere, av eukaryoter, da de skapte både stasjonære og pendlende organeller. Noen av sistnevnte ble bakterier da verten deres ble utryddet. Jeg har vist mer detaljert hvordan overgangen fra RNA-verdenen til eukaryoter fant sted.