Najlepsza odpowiedź
Analogia. Żywy organizm, czy to bakteria, czy jednokomórkowa ameba / pantofelek, czy też kompleks roślinny lub zwierzęcy, ma odpowiednio komórki prokariotyczne i eukariotyczne. Wszystkie one niszczą źródła energii. Bakterie, prokarionty i eukarionty mogą to osiągnąć poprzez oddychanie beztlenowe, bez O2 jako źródła redukcji. Tlen działa jak „magnes”, przyciągając elektrony z metabolizmu glukozy przez cykl Krebsa. Elektrony te pomagają w tworzeniu dodatkowego wiązania fosforanowego, przekształcającego ADP (difosforan adenozyny) w ATP (trifosforan adenozyny). Wiązania chemiczne dotyczą elektronów. Elektrony tworzą wiązania między elementami. Kiedy te wiązania się tworzą, energia jest zachowywana, endotermiczna rxn, i zachowuje potencjał do przerwania i ponownego uwolnienia zmagazynowanej energii. Kiedy energia jest uwalniana przez te zerwane wiązania elektronowe, jest to egzotermiczna rxn, podczas gdy woda i CO2 są produktami ubocznymi. Cała ta chemia zachodzi w żywych komórkach tkanki. W komórkach zwierzęcych glukoza, laktoza i inne cukry są konsumowane lub redukowane przez szlaki chemiczne tlenu. Inne reduktory, takie jak siarka, są używane głównie przez formy bakterii.
Innym przykładem uwalniania wiązań elektronowych przy użyciu tlenu jest spalanie wiązań węgiel-węgiel w cukrach, drewnie, węglu, produktach ropopochodnych itp. W efekcie rozerwanie wiązań węglowych cukrów w komórkach jest formą spalania, kontrolowanym spalaniem, jeśli wolisz. Tylko mówię.
Odpowiedź
Oddychanie komórkowe nie jest konieczne. Fermentacja jest znacznie bardziej wszechstronna, ponieważ nie jest zależna od obecności tlenu. Istnieją różne rodzaje oddychania, w zależności od tego, jaki jest akceptor elektronów. Obecnie najbardziej powszechne jest oddychanie tlenem, ponieważ tlen jest prawie wszechobecny. Oddychanie jest przydatne, ponieważ daje znacznie większy plon z degradacji cukru niż daje fermentacja. Oddychanie nie jest konieczne, ale gdy obecny jest tlen, jest to preferowany szlak metaboliczny.
Oddychanie często porównuje się do fotosyntezy, ponieważ w nowoczesnych warunkach tlenowych ściśle ze sobą współpracują. Bez fotosyntezy nie byłoby źródła wodoru, a bez oddychania fotosynteza pochłonęłaby cały CO2, więc nie byłoby żadnego źródła węgla. Aby zobaczyć, co jest naprawdę najważniejsze, powinniśmy przyjrzeć się ewolucji, aby zobaczyć, jakie było pochodzenie tych dwóch.
Istnieją dwa powszechne przekonania dotyczące wczesnego życia: że zaczęło się wokół kominów hydrotermalnych i że pierwszy tlen został wyprodukowany przez cyjanobakterie. Oba te przekonania są prawdopodobnie błędne. Zanim w atmosferze pojawił się tlen, metabolizm energetyczny nie stanowił żadnego problemu. Wodór, który wypływał z wewnętrznej ziemi, wypełniał oceany wodorem. Połączenie wodoru i CO2 oprócz fosforanu było głównym źródłem glikolizy i energii (poprzez tworzenie metanu). W połączeniu z amoniakiem, który wypełniał oceany, istniały również źródła RNA. Mimo że wodór (i CO2) przeszedł przez otwory wentylacyjne, życie mogło raczej powstać w pobliżu źródła fosforanów.
Tlen był prawdopodobnie początkowo wytwarzany w wyniku utraty wodoru w kosmos. Kiedy woda jest rozszczepiana w górnych warstwach atmosfery, utrata wodoru tworzy tlen. To było prawdziwe wyzwanie dla życia, ponieważ tlen zniszczył wodór. Oddychanie było rozwiązaniem tego problemu. Potrzeba fotosyntezy pojawiła się dopiero wtedy, gdy poziom tlenu stał się na tyle duży, aby zniszczyć zbyt dużo wodoru.
Nieporozumienie, że to cyjanobakterie wyprodukowały pierwszy wolny tlen około 2,3 miliarda lat temu, opiera się na niedoszacowaniu utrata wodoru w kosmos jako źródło tlenu. Dziś wiemy, że w każdej sekundzie kosmos traci 3 kg wodoru. Przy tej prędkości potrzeba było 1,4 miliarda lat, aby wypełnić atmosferę tlenem, więc jest oczywiste, że nie jest to jedyne źródło tlenu atmosferycznego. W latach siedemdziesiątych XX wieku niektórzy naukowcy argumentowali, że utrata wodoru jest 5-10 razy mniejsza.
Pomysł, że fotosynteza musiała być głównym źródłem tlenu, również stał się historycznie bardzo popularny. Problem z tym pomysłem polega na tym, że nie było takiej potrzeby w momencie, gdy w atmosferze zaczął pojawiać się tlen. Przed wolnym tlenem wolnego wodoru wystarczało na życie.
James Lovelock we współpracy z Lynn Margulis, bez żadnego naturalnego powodu, zaproponował inne, teleogiczne wyjaśnienie. Ich zdaniem Gaia kontrolowała ewolucję i sprawiła, że cyjanobakterie wytworzyły tlen, co 1 miliard lat później spowodowało wzrost poziomu tlenu, co uczyniło życie wielokomórkowe preferowanym rozwiązaniem. To wyjaśnienie nie jest zatem oparte na pilnej potrzebie, ale na możliwości w dalekiej przyszłości. Arystoteles posłużył się teleologią jako sposobem wyjaśnienia, co było konieczne, gdy ostatecznym celem było stworzenie ludzi. Innym sposobem spojrzenia na to jest to, że wyjaśnienie Lovelocka / Margulisa jest holistyczne, podczas gdy moje jest redukcjonistyczne.Margulis skrytykował redukcjonizm, ponieważ jest całkowicie oparty na prawach fizyki i chemii. Moim zdaniem jest to wstęp do tego poglądu, że do zrozumienia ewolucji nie są potrzebne żadne siły magiczne, a jedynie mechanizmy (neo-) darwinowskie.
Kolejnym problemem związanym z fotosyntezą przed tlenem atmosferycznym jest promieniowanie UV. Tylko górne warstwy wody miały wystarczającą ilość dostępnego światła, ale przed utworzeniem warstwy ozonowej było tu zbyt dużo szkodliwego promieniowania UV.
Chociaż nie było potrzeby źródła wodoru, światło było użytecznym źródłem energii . Ale użycie energii ze światła jest znacznie łatwiejsze niż użycie jej jako źródła wodoru. Dlatego pierwsza aktywność foto została wykorzystana jako dodatkowe źródło energii do napędzania reakcji metabolicznych i była oparta na błoniastej rodopsynie. Mechanizm ten wyewoluował nie z konieczności, ale jako oportunistyczne dodatkowe źródło energii.
Istnieje kilka innych powodów, dla których utrata wodoru jest znacznie lepszym pomysłem na źródło tlenu. Większość wolnego tlenu została wykorzystana do utlenienia węgla, azotu, siarki i żelaza. Gdyby cały tlen został wyprodukowany w procesie fotosyntezy, to powinny istnieć ślady tej produkcji nie tylko z ostatnich 500 milionów lat, ale przez ostatnie 2 miliardy lat. Ale wszystkie złoża ropy i węgla pochodzą z ostatnich 500 milionów lat. I tylko wtedy, gdy materiał organiczny jest zakopany, produkcja netto tlenu.
Ilość utlenionego żelaza pokazuje, że ilość tlenu jest co najmniej 200 razy większa niż obecna atmosfera, podczas gdy ilość węgla i oleju jest znacznie mniej. Wykazano, że co najmniej 1/5 oceanów zniknęła z powodu utraty wodoru, która jest prawie 300 razy większa niż obecna atmosfera tlenowa. Oznacza to, że utrata wodoru w kosmosie była znacznie większa niż obecnie. To całkiem logiczne. Dopóki poziom tlenu w atmosferze utrzymywał się na niskim poziomie (\%), stratosferyczna atomowa warstwa tlenu była znacznie cieńsza niż obecnie. W ten sposób wodór, który został wyprodukowany przez rozszczepienie wody w jonosferze, mógł swobodnie przedostawać się w przestrzeń kosmiczną.
Oddychanie jest oportunistyczne. Powstaje w celu poprawy efektywności wytwarzania energii przez organizmy. Najdłuższe i najbardziej złożone łańcuchy transportu elektronów zapewniają najwyższą wydajność energetyczną. Fotosynteza jest napędzana przez zapotrzebowanie na wodór. Wydajność jest tym mniejsza, im dłuższe i bardziej złożone są łańcuchy transportu elektronów. Fotosynteza przystosowana do nowego donora elektronów, gdy ten o niższym potencjale redukcyjnym stał się niedostępny z powodu utleniania.
Utlenione formy siarki (S) stały się dostępne, gdy tlen utlenia zredukowany wariant (H2S). W podobny sposób stopniowo dostępne było żelazo utlenione. Dzięki temu zarówno oddychanie, jak i fotosynteza mogą być budowane sukcesywnie, ale najpierw oddychanie. Nawet dzisiaj możemy zobaczyć w oddychaniu oksydacyjnym, jak żelazo było kiedyś punktem końcowym. Dziś jest to etap pośredni. Mechanizmy stosowane w oddychaniu zostały odziedziczone przez organizmy fotosyntetyzujące.
Obecnie bardzo łatwo jest znaleźć przykłady organizmów oddychających, ponieważ oddychają prawie wszystkie organizmy, które istnieją w warunkach tlenowych. Dotyczy to wszystkich zwierząt, ale także wszystkich roślin. Fotosynteza jest głównym metabolizmem w ciągu dnia, ale nie ma żadnego wpływu w nocy.
Uważa się, że organizmy jednoprzedziałowe, które istniały przed pierwszymi eukariotami, tj. Przed 2,7 miliarda lat temu, są inne rodzaje bakterii. Hipotezy głoszą, że bakteria o najbardziej złożonym metabolizmie energetycznym, cyjanobakterie, powstała już 2,7 miliarda lat temu. A prostsze organizmy to bakterie mające 3,6 miliarda lat. Ale te organizmy były raczej prekursorami eukariontów, „karionu” świata RNA. Bakterie zostały stworzone znacznie później, przez eukarionty, kiedy tworzyły zarówno stacjonarne, jak i przemieszczające się organelle. Niektóre z tych ostatnich stały się bakteriami po wymarciu ich żywiciela. Bardziej szczegółowo pokazałem, jak nastąpiło przejście ze świata RNA do eukariontów.