Beste antwoord
Een analogie. Een levend organisme, of het nu bacteriën of een eencellige amoebe / paramecium is, of een complex, plant of dier, heeft respectievelijk prokaryote en eukaryote cellen. Ze breken allemaal energiebronnen af. Bacteriën, prokaryoten en eukaryoten kunnen dit bereiken via anaërobe ademhaling, zonder O2 als reductiebron. Zuurstof werkt als een ‘magneet’ die elektronen trekt uit het metabolisme van glucose door de Krebs-cyclus. Deze elektronen helpen bij het vormen van de extra fosfaatbinding die ADP (adenosinedifosfaat) omzet in ATP (adenosinetrifosfaat). Bij chemische bindingen draait alles om elektronen. Elektronen vormen de verbindingen tussen elementen. Wanneer deze bindingen zich vormen, wordt energie behouden, een endotherme rxn, en blijft het potentieel behouden om de opgeslagen energie te breken en opnieuw vrij te geven. Wanneer de energie vrijkomt, via deze verbroken elektronenbindingen, is het een exotherme rxn, terwijl water en CO2 bijproducten zijn. Al deze chemie vindt plaats in levende weefselcellen. In dierlijke cellen worden glucose, lactose en andere suikers verbruikt of verminderd door de chemische routes van zuurstof. Andere reductiemiddelen, zoals zwavel, worden voornamelijk gebruikt door vormen van bacteriën.
Een ander voorbeeld van het vrijkomen van elektronenbindingen met behulp van zuurstof is de verbranding van koolstof-koolstofbindingen in suikers, hout, steenkool, bijproducten van olie, enz. In feite is het verbreken van de koolstofverbindingen van suikers in de cellen een vorm van verbranding, een gecontroleerde verbranding als je wilt. Gewoon zeggen.
Antwoord
Cellulaire ademhaling is niet nodig. Fermentatie is veel veelzijdiger, omdat het niet afhankelijk is van de aanwezigheid van zuurstof. Er zijn verschillende soorten ademhaling, afhankelijk van wat de elektronenacceptor is. Tegenwoordig is op zuurstof gebaseerde ademhaling het meest gebruikelijk, omdat zuurstof bijna alomtegenwoordig is. Ademhaling is nuttig omdat het veel meer opbrengst geeft door de afbraak van suiker dan door fermentatie. Ademhaling is verre van nodig, maar wanneer zuurstof aanwezig is, heeft dit de voorkeur metabole route.
Ademhaling wordt vaak vergeleken met fotosynthese, omdat ze onder de moderne, oxische omstandigheden nauw samenwerken. Zonder fotosynthese zou er geen waterstofbron zijn, en zonder ademhaling zou fotosynthese alle CO2 verbruiken, dus er zou geen enkele bron van koolstof zijn. Om te zien wat echt het belangrijkste is, moeten we naar evolutie kijken, om te zien wat de oorsprong van de twee was.
Er zijn twee algemene opvattingen over het vroege leven: dat het begon rond hydrothermale ventilatieopeningen en dat de eerste zuurstof werd geproduceerd door cyanobacteriën. Beide overtuigingen zijn waarschijnlijk verkeerd. Voordat er zuurstof in de atmosfeer was, was de energiestofwisseling geen enkel probleem. De waterstof die uit de binnenaarde stroomde, vulde de oceanen met waterstof. De combinatie van waterstof en CO2 naast fosfaat was de belangrijkste bron van glycolyse en energie (door vorming van methaan). En in combinatie met ammoniak, dat de oceanen vulde, waren ook de bronnen van RNA aanwezig. Hoewel de waterstof (en CO2) door ventilatieopeningen kwam, had het leven eerder kunnen ontstaan in de buurt van een fosfaatbron.
Zuurstof werd in eerste instantie waarschijnlijk gecreëerd door het verlies van waterstof naar de ruimte. Wanneer water wordt gesplitst in de bovenste atmosfeer, ontstaat er zuurstof door verlies van waterstof. Dit was een echte uitdaging voor het leven, omdat zuurstof de waterstof vernietigde. Ademhaling was de oplossing voor dit probleem. De behoefte aan fotosynthese kwam pas toen het zuurstofniveau groot genoeg werd om te veel van de waterstof te vernietigen.
Het misverstand dat het cyanobacteriën waren die zon 2,3 miljard jaar geleden de eerste vrije zuurstof produceerden, is gebaseerd op een onderschatting van waterstofverlies naar de ruimte als zuurstofbron. Tegenwoordig weten we dat er elke seconde 3 kg waterstof verloren gaat in de ruimte. Met die snelheid zou 1,4 miljard jaar nodig zijn geweest om de atmosfeer met zuurstof te vullen, dus het is duidelijk dat dit niet de enige bron van zuurstof uit de lucht is. In de jaren zeventig waren er enkele wetenschappers die beweerden dat het waterstofverlies 5-10 keer kleiner is.
Het idee dat fotosynthese de belangrijkste bron van zuurstof moet zijn geweest, werd historisch ook erg populair. Een probleem met dit idee is dat het niet nodig was op het moment dat zuurstof in de atmosfeer begon te verschijnen. Vóór vrije zuurstof was er genoeg vrije waterstof voor het leven.
Zonder enige natuurlijke reden stelde James Lovelock in samenwerking met Lynn Margulis een andere, teleogogische verklaring voor. Naar hun mening controleerde Gaia de evolutie en zorgde ervoor dat cyanobacteriën zuurstof aanmaakten, wat 1 miljard jaar later resulteerde in een verhoging van het zuurstofniveau waardoor meercellig leven een voorkeursoplossing werd. Deze verklaring is dus niet gebaseerd op een onmiddellijke behoefte, maar op een mogelijkheid in de verre toekomst. Aristoteles gebruikte teleologie als een manier om uit te leggen wat nodig was toen het uiteindelijke doel was om mensen te creëren. Een andere manier om dit te bekijken is dat de verklaring van Lovelock / Margulis holistisch is, terwijl de mijne reductionistisch is.Margulis had kritiek op het reductionisme omdat het volledig gebaseerd is op de wetten van de natuurkunde en scheikunde. Naar mijn mening is dat de pre van deze opvatting, dat er geen magische krachten nodig zijn om evolutie te begrijpen, alleen de (neo-) darwinistische mechanismen.
Een ander probleem met fotosynthese vóór atmosferische zuurstof is UV-straling. Alleen de bovenste waterlagen hadden voldoende licht, maar voordat de ozonlaag ontstond was er hier te veel schadelijke UV-straling.
Ook al was er geen waterstofbron nodig, licht was een nuttige energiebron . Maar de energie in licht gebruiken is veel gemakkelijker dan als waterstofbron. De eerste foto-activiteit werd daarom net als een extra energiebron gebruikt om metabole reacties op gang te brengen, en was gebaseerd op vliezige rodopsine. Dit mechanisme is niet noodzakelijkerwijs ontwikkeld, maar als een opportunistische extra energiebron.
Er zijn verschillende andere redenen waarom waterstofverlies een veel beter idee is voor een bron van zuurstof. De meeste vrije zuurstof is gebruikt om koolstof, stikstof, zwavel en ijzer te oxideren. Als alle zuurstof door fotosynthese was geproduceerd, dan zouden er sporen van deze productie zijn geweest, niet alleen van de laatste 500 miljoen jaar, maar ook van de laatste 2 miljard jaar. Maar olie- en steenkoolvoorraden zijn allemaal van de afgelopen 500 miljoen jaar. En er is alleen een nettoproductie van zuurstof wanneer het organische materiaal wordt begraven.
De hoeveelheid geoxideerd ijzer toont aan dat zuurstof ten minste 200 keer de huidige atmosfeer is geproduceerd, terwijl de hoeveelheid steenkool en olie is veel minder. Het is aangetoond dat minstens 1/5 van de oceanen is verdwenen door waterstofverlies, wat neerkomt op bijna 300 keer de huidige zuurstofatmosfeer. Dat betekent dat het waterstofverlies naar de ruimte veel hoger is dan nu. Dat is heel logisch. Zolang het zuurstofniveau in de atmosfeer op een laag niveau werd gehouden (\%), was de stratosferische atomaire zuurstoflaag veel dunner dan nu. Daardoor kon de waterstof die werd geproduceerd door het splitsen van water in de ionosfeer vrijelijk de ruimte in gaan.
Ademhaling is opportunistisch. Het is gemaakt om de energieproductie-efficiëntie van organismen te verbeteren. De langste en meest complexe elektronentransportketens geven de hoogste energieopbrengst. Fotosynthese wordt aangedreven door een behoefte aan waterstof. De opbrengst is lager naarmate de elektronentransportketens langer en complexer zijn. Fotosynthese aangepast aan een nieuwe elektronendonor toen degene met een lager reductiepotentieel niet beschikbaar werd vanwege oxidatie.
De geoxideerde vormen van zwavel (S) kwamen beschikbaar toen zuurstof de gereduceerde variant (H2S) oxideerde. Op dezelfde manier kwam achtereenvolgens geoxideerd ijzer beschikbaar. Daardoor konden zowel ademhaling als fotosynthese achtereenvolgens worden opgebouwd, maar eerst ademhaling. Zelfs vandaag kunnen we in oxidatieve ademhaling zien hoe ijzer ooit het eindpunt was. Vandaag is het een tussenfase. De mechanismen die bij de ademhaling worden gebruikt, werden geërfd door fotosynthetiserende organismen.
Tegenwoordig is het heel gemakkelijk om voorbeelden te vinden van inademende organismen, omdat bijna alle organismen die onder zuurstofomstandigheden bestaan, ademen. Dat omvat alle dieren, maar ook alle planten. Fotosynthese is het belangrijkste metabolisme gedurende de dag, maar heeft s nachts helemaal geen effect.
Er wordt aangenomen dat de organismen met één compartiment die bestonden vóór de eerste eukaryoten, dwz vóór 2,7 miljard jaar geleden, anders zijn soorten bacteriën. Volgens hypotheses is de bacterie met het meest complexe energiemetabolisme, de cyanobacteriën, al 2,7 miljard jaar geleden ontstaan. En van eenvoudigere organismen wordt beweerd dat ze 3,6 miljard jaar oude bacteriën zijn. Maar deze organismen waren eerder de voorlopers van eukaryoten, de RNA-wereld “karyon”. Bacteriën werden veel later gecreëerd, door de eukaryoten, toen ze zowel stationaire als pendelende organellen creëerden. Sommige van deze laatste werden bacteriën toen hun gastheer uitstierf. Ik heb in meer detail laten zien hoe de overgang van de RNA-wereld naar eukaryoten plaatsvond.