Melhor resposta
Uma analogia. Um organismo vivo, seja uma bactéria ou uma ameba / paramécio de uma única célula, ou um complexo, planta ou animal, possui, respectivamente, células procarióticas e eucarióticas. Todos eles degradam as fontes de energia. Bactérias, procariotos e eucariotos podem fazer isso por meio da respiração anaeróbica, sem O2 como fonte de redução. O oxigênio atua como um “ímã” que atrai elétrons do metabolismo da glicose ao longo do ciclo de Krebs. Esses elétrons ajudam a formar a ligação extra de fosfato, convertendo ADP (difosfato de adenosina) em ATP (trifosfato de adenosina). As ligações químicas envolvem elétrons. Os elétrons formam as ligações entre os elementos. Quando essas ligações se formam, a energia é conservada, um rxn endotérmico, e retém o potencial para quebrar e relançar a energia armazenada. Quando a energia é liberada, por meio dessas ligações elétricas rompidas, é um rxn exotérmico, enquanto a água e o CO2 são subprodutos. Toda essa química está ocorrendo em células de tecidos vivos. Em células animais, glicose, lactose e outros açúcares são consumidos ou reduzidos pelas vias químicas do oxigênio. Outros redutores, como o enxofre, são usados principalmente por formas de bactérias.
Outro exemplo de liberação de ligações eletrônicas usando oxigênio é a combustão de ligações carbono-carbono em açúcares, madeira, carvão, derivados de petróleo, etc. Com efeito, a quebra das ligações de carbono dos açúcares, dentro das células, é uma forma de combustão, uma queima controlada se você quiser. Apenas dizendo.
Resposta
A respiração celular não é necessária. A fermentação é muito mais versátil, pois não depende da presença de oxigênio. Existem diferentes tipos de respiração, dependendo de qual é o aceptor de elétrons. Hoje, a respiração baseada em oxigênio é mais comum, porque o oxigênio é quase onipresente. A respiração é útil porque dá muito mais rendimento da degradação do açúcar do que a fermentação. A respiração está longe de ser necessária, mas quando o oxigênio está presente, é a via metabólica preferida.
A respiração é frequentemente comparada à fotossíntese, porque sob as condições óxicas modernas cooperam intimamente. Sem a fotossíntese não haveria fonte de hidrogênio, e sem a respiração a fotossíntese consumiria todo o CO2, então não haveria nenhuma fonte de carbono. Para ver o que é realmente mais importante, devemos dar uma olhada na evolução, para ver qual foi a origem dos dois.
Existem duas crenças comuns sobre o início da vida: que começou em torno de fontes hidrotermais e que o primeiro oxigênio foi produzido por cianobactérias. Ambas as crenças provavelmente estão erradas. Antes de haver oxigênio na atmosfera, o metabolismo energético não era problema algum. O hidrogênio que fluía do interior da Terra encheu os oceanos com hidrogênio. A combinação de hidrogênio e CO2 além de fosfato foi a principal fonte de glicólise e energia (formando metano). E em combinação com a amônia, que encheu os oceanos, as fontes de RNA também estavam presentes. Mesmo que o hidrogênio (e o CO2) venham pelas aberturas, a vida poderia ter se originado perto de uma fonte de fosfato.
O oxigênio foi provavelmente criado inicialmente pela perda de hidrogênio para o espaço. Quando a água é dividida na alta atmosfera, a perda de hidrogênio cria oxigênio. Este foi um verdadeiro desafio para a vida, porque o oxigênio destruiu o hidrogênio. A respiração era a solução para esse problema. A necessidade de fotossíntese só veio quando o nível de oxigênio tornou-se grande o suficiente para destruir muito do hidrogênio.
O equívoco de que foram as cianobactérias que produziram o primeiro oxigênio livre há cerca de 2,3 bilhões de anos é baseado em uma subestimação perda de hidrogênio para o espaço como fonte de oxigênio. Hoje sabemos que 3 kg de hidrogênio são perdidos no espaço a cada segundo. Com essa velocidade, seriam necessários 1,4 bilhão de anos para encher a atmosfera de oxigênio, então é evidente que esta não é a única fonte de oxigênio atmosférico. Na década de 1970, alguns cientistas argumentaram que a perda de hidrogênio é 5 a 10 vezes menor.
A ideia de que a fotossíntese deve ter sido a principal fonte de oxigênio também se tornou historicamente muito popular. Um problema com essa ideia é que não havia necessidade dela no momento em que o oxigênio começou a aparecer na atmosfera. Antes do oxigênio livre, havia hidrogênio livre suficiente para a vida.
Sem nenhuma razão natural para isso, James Lovelock, em cooperação com Lynn Margulis, propôs outra explicação teleogógica. Na visão deles, Gaia controlou a evolução e fez com que as cianobactérias criassem oxigênio, o que 1 bilhão de anos depois resultou em um aumento do nível de oxigênio que tornou a vida multicelular a solução preferida. Esta explicação, portanto, não é baseada em uma necessidade imediata, mas uma possibilidade em um futuro distante. Aristóteles usou a teleologia como forma de explicar o que era necessário quando o objetivo final era criar humanos. Outra maneira de ver isso é que a explicação de Lovelock / Margulis é holística, enquanto a minha é reducionista.Margulis criticou o reducionismo porque é baseado inteiramente nas leis da física e da química. Na minha opinião, essa é a razão desta visão, que nenhuma força mágica é necessária para entender a evolução, apenas os mecanismos (neo) Darwinianos.
Outro problema com a fotossíntese antes do oxigênio atmosférico é a radiação UV. Apenas as camadas superiores da água tinham luz disponível suficiente, mas antes da criação da camada de ozônio, havia muita radiação UV prejudicial.
Embora não houvesse necessidade de uma fonte de hidrogênio, a luz era uma fonte de energia útil . Mas usar a energia da luz é muito mais fácil do que usá-la como fonte de hidrogênio. A primeira fotoatividade foi, portanto, usada apenas como uma fonte de energia extra para impulsionar as reações metabólicas e foi baseada na rodopsina membranosa. Este mecanismo evoluiu não por necessidade, mas como uma fonte de energia extra oportunista.
Existem várias outras razões pelas quais a perda de hidrogênio é uma ideia muito melhor para uma fonte de oxigênio. A maior parte do oxigênio livre foi usada para oxidar carbono, nitrogênio, enxofre e ferro. Se todo o oxigênio tivesse sido produzido pela fotossíntese, então deveria haver vestígios dessa produção não apenas nos últimos 500 milhões de anos, mas nos últimos 2 bilhões de anos. Mas os depósitos de petróleo e carvão são todos dos últimos 500 milhões de anos. E há apenas uma produção líquida de oxigênio quando o material orgânico é enterrado.
A quantidade de ferro oxidado mostra que foi produzido oxigênio equivalente a pelo menos 200 vezes a atmosfera atual, enquanto a quantidade de carvão e o óleo é muito menos. Foi demonstrado que pelo menos 1/5 dos oceanos desapareceram devido à perda de hidrogênio, o que equivale a quase 300 vezes a atual atmosfera de oxigênio. Isso significa que a perda de hidrogênio para o espaço foi muito maior do que hoje. Isso é bastante lógico. Enquanto o nível de oxigênio na atmosfera foi mantido em um nível baixo (\%), a camada de oxigênio atômico estratosférico era muito mais fina do que é hoje. Assim, o hidrogênio que foi produzido pela divisão da água na ionosfera poderia passar livremente para o espaço.
A respiração é oportunista. É criado para melhorar a eficiência da produção de energia dos organismos. As cadeias de transporte de elétrons mais longas e complexas fornecem o maior rendimento de energia. A fotossíntese é impulsionada pela necessidade de hidrogênio. O rendimento é menor quanto mais longas e complexas forem as cadeias de transporte de elétrons. A fotossíntese se adaptou a um novo doador de elétrons quando aquele com menor potencial de redução ficou indisponível devido à oxidação.
As formas oxidadas de enxofre (S) tornaram-se disponíveis quando o oxigênio oxidou a variante reduzida (H2S). De maneira semelhante, o ferro oxidado tornou-se sucessivamente disponível. Assim, tanto a respiração quanto a fotossíntese poderiam ser construídas sucessivamente, mas primeiro a respiração. Ainda hoje podemos ver na respiração oxidativa como o ferro já foi o ponto terminal. Hoje é uma etapa intermediária. Os mecanismos que são usados na respiração foram herdados por organismos fotossintetizantes.
Hoje é muito fácil encontrar exemplos de organismos que respiram, porque quase todos os organismos que existem sob condições óxidas estão respirando. Isso inclui todos os animais, mas também todas as plantas. A fotossíntese é o principal metabolismo durante o dia, mas não tem nenhum efeito durante a noite.
Acredita-se que os organismos de compartimento único que existiam antes dos primeiros eucariotos, ou seja, antes de 2,7 bilhões de anos atrás, eram considerados diferentes tipos de bactérias. Hipóteses afirmam que a bactéria com o metabolismo energético mais complexo, as cianobactérias, se originou há 2,7 bilhões de anos. E organismos mais simples são considerados bactérias de 3,6 bilhões de anos. Mas esses organismos foram antes os precursores dos eucariotos, o “karyon” do mundo do RNA. As bactérias foram criadas muito mais tarde, pelos eucariotos, quando criaram organelas estacionárias e comutantes. Algumas destas últimas se tornaram bactérias quando seu hospedeiro foi extinto. Mostrei com mais detalhes como ocorreu a transição do mundo do RNA para os eucariotos.