Cel mai bun răspuns
O analogie. Un organism viu, fie că este vorba de bacterii sau de o singură celulă amibă / parameciu, sau un complex, plantă sau animal, are celule procariote și eucariote. Toate descompun sursele de energie. Bacteriile, procariotele și eucariotele pot realiza acest lucru prin respirație anaerobă, fără O2 ca sursă de reducere. Oxigenul acționează ca un „magnet” care extrage electroni din metabolismul glucozei prin ciclul Krebs. Acești electroni contribuie la formarea legăturii extra fosfatice convertind ADP (adenozin difosfat) în ATP (adenozin trifosfat). Legăturile chimice sunt legate de electroni. Electronii formează legăturile dintre elemente. Când se formează aceste legături, energia este conservată, o rxn endotermă și păstrează potențialul de a sparge și a elibera din nou energia stocată. Atunci când energia este eliberată, prin aceste legături electronice rupte, aceasta este o rxn exotermă, în timp ce apa și CO2 sunt produse secundare. Toată această chimie are loc în celulele țesutului viu. În celulele animale, glucoza, lactoza și alte zaharuri sunt consumate sau reduse prin căile chimice ale oxigenului. Alți reductori, cum ar fi sulful, sunt utilizați în principal de către formele de bacterii.
Un alt exemplu de eliberare de legături electronice folosind oxigen este arderea legăturilor carbon-carbon în zaharuri, lemn, cărbune, bioproduse petroliere etc. De fapt, ruperea legăturilor de carbon ale zaharurilor, în interiorul celulelor, este o formă de combustie, o arsură controlată, dacă vreți. Doar spunând.
Răspuns
Respirația celulară nu este necesară. Fermentarea este mult mai versatilă, deoarece nu depinde de prezența oxigenului. Există diferite tipuri de respirație, în funcție de ce este acceptorul de electroni. Astăzi, respirația pe bază de oxigen este cea mai frecventă, deoarece oxigenul este aproape omniprezent. Respirația este utilă, deoarece oferă un randament mult mai mare din degradarea zahărului decât dă fermentația. Respirația este departe de a fi necesară, dar atunci când este prezent oxigen, este calea metabolică preferată.
Respirația este adesea comparată cu fotosinteza, deoarece acestea în condițiile moderne, oxic, cooperează intim. Fără fotosinteză nu ar exista o sursă de hidrogen și fără respirație fotosinteza ar consuma tot CO2, deci nu ar exista nicio sursă de carbon. Pentru a vedea ceea ce este cu adevărat cel mai important, ar trebui să aruncăm o privire asupra evoluției, pentru a vedea care a fost originea celor două.
Există două credințe comune despre viața timpurie: că a început în jurul orificiilor hidrotermale și că primul oxigen a fost produs de cianobacterii. Ambele credințe sunt probabil greșite. Înainte de a exista oxigen în atmosferă, metabolismul energetic nu era deloc o problemă. Hidrogenul care curgea din pământul interior umplea oceanele cu hidrogen. Combinația de hidrogen și CO2 în plus față de fosfat a fost principala sursă de glicoliză și energie (prin formarea de metan). Și în combinație cu amoniac, care a umplut oceanele, sursele de ARN erau, de asemenea, la locul lor. Chiar dacă hidrogenul (și CO2) au venit prin guri de aerisire, viața ar fi putut să apară mai degrabă lângă o sursă de fosfat.
Oxigenul a fost creat inițial prin pierderea de hidrogen în spațiu. Când apa este împărțită în atmosfera superioară, pierderea de hidrogen creează oxigen. Aceasta a fost o adevărată provocare pentru viață, deoarece oxigenul a distrus hidrogenul. Respirația a fost soluția la această problemă. Nevoia de fotosinteză a apărut doar atunci când nivelul de oxigen a devenit suficient de mare pentru a distruge prea mult hidrogen.
Neînțelegerea faptului că cianobacteriile au produs primul oxigen liber acum aproximativ 2,3 miliarde de ani se bazează pe o subestimare pierderea de hidrogen în spațiu ca sursă de oxigen. Astăzi știm că 3 kg de hidrogen se pierd în spațiu în fiecare secundă. Cu această viteză ar fi fost nevoie de 1,4 miliarde de ani pentru a umple atmosfera cu oxigen, deci este evident că aceasta nu este singura sursă de oxigen atmosferic. În anii 1970, au existat unii oameni de știință care au susținut că pierderea de hidrogen este de 5-10 ori mai mică.
Ideea că fotosinteza trebuie să fi fost principala sursă de oxigen a devenit, de asemenea, foarte populară din punct de vedere istoric. O problemă cu această idee este că nu era nevoie de ea în momentul în care oxigenul a început să apară în atmosferă. Înainte de oxigenul liber, a existat suficient hidrogen gratuit pentru viață.
Fără niciun motiv natural, James Lovelock, în cooperare cu Lynn Margulis, a propus o altă explicație teleogogică. În opinia lor, Gaia a controlat evoluția și a făcut cianobacteriile să creeze oxigen, ceea ce 1 miliard de ani mai târziu a dus la o creștere a nivelului de oxigen care a făcut din viața multicelulară o soluție preferată. Prin urmare, această explicație nu se bazează pe o nevoie imediată, ci pe o posibilitate în viitorul îndepărtat. Aristotel a folosit teleologia ca modalitate de a explica ceea ce era necesar atunci când scopul final a fost crearea oamenilor. O altă modalitate de a vedea acest lucru este că explicația Lovelock / Margulis este holistică, în timp ce a mea este reducționistă.Margulis a criticat reducționismul, deoarece se bazează în întregime pe legile fizicii și chimiei. În opinia mea, aceasta este pre această viziune, că nu sunt necesare forțe magice pentru a înțelege evoluția, ci doar mecanismele (neo) darwiniene.
O altă problemă cu fotosinteza înainte de oxigenul atmosferic este radiația UV. Doar straturile superioare de apă aveau suficientă lumină disponibilă, dar înainte de crearea stratului de ozon existau prea multe radiații UV dăunătoare.
Chiar dacă nu era nevoie de o sursă de hidrogen, lumina era o sursă de energie utilă. . Dar utilizarea energiei în lumină este mult mai ușoară decât utilizarea acesteia ca sursă de hidrogen. Prin urmare, prima foto-activitate a fost utilizată doar ca sursă de energie suplimentară pentru a conduce reacțiile metabolice și a fost bazată pe rodopsină membranată. Acest mecanism a evoluat nu din necesitate, ci ca o sursă de energie suplimentară oportunistă.
Există mai multe alte motive pentru care pierderea de hidrogen este o idee mult mai bună pentru o sursă de oxigen. Majoritatea oxigenului liber a fost utilizat pentru oxidarea carbonului, azotului, sulfului și fierului. Dacă tot oxigenul ar fi fost produs prin fotosinteză, atunci ar fi trebuit să existe urme ale acestei producții nu numai din ultimele 500 de milioane de ani, ci și din ultimele 2 miliarde de ani. Însă depozitele de petrol și cărbune provin din ultimii 500 de milioane de ani. Și există doar o producție netă de oxigen atunci când materialul organic este îngropat.
Cantitatea de fier oxidat arată că a fost produs oxigen care se ridică la cel puțin 200 de ori atmosfera prezentă, în timp ce cantitatea de cărbune și uleiul este mult mai puțin. S-a demonstrat că cel puțin 1/5 din oceane au dispărut din cauza pierderii de hidrogen, care se ridică la aproape 300 de ori mai mult decât atmosfera de oxigen actuală. Asta înseamnă că pierderea de hidrogen în spațiu a fost mult mai mare decât în prezent. Este destul de logic. Atâta timp cât nivelul de oxigen din atmosferă a fost menținut la un nivel scăzut (\%), stratul de oxigen atomic stratosferic a fost mult mai subțire decât este astăzi. Astfel, hidrogenul care a fost produs prin divizarea apei în ionosferă ar putea trece liber în spațiu.
Respirația este oportunistă. Este creat pentru a îmbunătăți eficiența producției de energie a organismelor. Cele mai lungi și mai complexe lanțuri de transport de electroni oferă cel mai mare randament energetic. Fotosinteza este condusă de nevoia de hidrogen. Randamentul este mai mic cu cât lanțurile de transport ale electronilor sunt mai lungi și mai complexe. Fotosinteza s-a adaptat unui nou donator de electroni atunci când cel cu potențial de reducere mai mic a devenit indisponibil din cauza oxidării.
Formele oxidate de sulf (S) au devenit disponibile atunci când oxigenul a oxidat varianta redusă (H2S). În mod similar, fierul oxidat a devenit disponibil succesiv. Astfel, respirația și fotosinteza ar putea fi construite succesiv, dar respirația mai întâi. Chiar și astăzi putem vedea în respirația oxidativă cum fierul a fost odată punctul terminal. Astăzi este o etapă intermediară. Mecanismele utilizate în respirație au fost moștenite de organismele fotosintetizante.
Astăzi este foarte ușor să găsim exemple de organisme care respiră, deoarece aproape toate organismele care există în condiții oxicale respiră. Aceasta include toate animalele, dar și toate plantele. Fotosinteza este metabolismul principal în timpul zilei, dar nu are niciun efect în timpul nopților.
Organismele cu un singur compartiment care existau înainte de primele eucariote, adică înainte de 2,7 miliarde de ani în urmă, au fost considerate diferite tipuri de bacterii. Ipotezele au susținut că bacteria cu cel mai complex metabolism energetic, cianobacteriile, a apărut încă de acum 2,7 miliarde de ani. Și s-a pretins că organismele mai simple sunt bacterii vechi de 3,6 miliarde de ani. Dar aceste organisme erau mai degrabă precursorii eucariotelor, „carionul” din lumea ARN. Bacteriile au fost create mult mai târziu, de către eucariote, când au creat atât organite staționare, cât și organe de navetă. Unele dintre acestea din urmă au devenit bacterii când gazda lor a dispărut. Am arătat mai detaliat cum a avut loc tranziția de la lumea ARN la eucariote.