Bästa svaret
En analogi. En levande organism, vare sig det är bakterier eller en enstaka amoeba / paramecium, eller ett komplex, växt eller djur, har respektive prokaryota och eukaryota celler. Alla bryter ner energikällor. Bakterier, prokaryoter och eukaryoter kan åstadkomma detta via anaerob andning utan O2 som reduktionskälla. Syre fungerar som en ”magnet” som drar elektroner från glukosmetabolismen genom Krebs-cykeln. Dessa elektroner hjälper till att bilda den extra fosfatbindningen som omvandlar ADP (adenosindifosfat) till ATP (adenosintrifosfat). Kemiska bindningar handlar om elektroner. Elektroner bildar bindningarna mellan elementen. När dessa bindningar bildas bevaras energi, en endotermisk rxn, och behåller potentialen att bryta och frigöra den lagrade energin. När energin frigörs, via dessa avskiljda elektronbindningar, är det en exotermisk rxn, medan vatten och CO2 är biprodukter. All denna kemi förekommer i levande vävnadsceller. I djurceller konsumeras eller reduceras glukos, laktos och andra sockerarter genom kemiska syrgasvägar. Andra reduktionsmedel som svavel används huvudsakligen av former av bakterier.
Ett annat exempel på elektronbindningsfrisättning med syre är förbränningen av kol-kolbindningar i sockerarter, trä, kol, oljebiprodukter etc. I själva verket är sönderdelning av kolbindningar i cellerna en form av förbränning, en kontrollerad brännskada om du vill. Säg bara.
Svar
Cellandning är inte nödvändig. Jäsning är mycket mer mångsidig, eftersom den inte är beroende av närvaron av syre. Det finns olika typer av andning, beroende på vad som är elektronacceptorn. Idag är syrebaserad andning vanligast, eftersom syre är nästan allestädes närvarande. Andning är användbar eftersom den ger mycket mer utbyte från nedbrytning av socker än jäsning ger. Andning är långt ifrån nödvändig, men när syre är närvarande är det den föredragna metaboliska vägen.
Andning jämförs ofta med fotosyntes, eftersom de under de moderna, oxiska förhållandena samarbetar intimt. Utan fotosyntes skulle det inte finnas någon vätekälla och utan andning skulle fotosyntes konsumera allt koldioxid, så det skulle inte finnas någon källa till kol. För att se vad som verkligen är viktigast bör vi ta en titt på evolutionen, för att se vad som var ursprunget till de två.
Det finns två vanliga övertygelser om det tidiga livet: att det började runt hydrotermiska ventiler och att det första syret producerades av cyanobakterier. Båda dessa föreställningar är förmodligen felaktiga. Innan det fanns syre i atmosfären var energimetabolismen inget problem alls. Vätet som strömmade ut ur den inre jorden fyllde haven med väte. Kombinationen av väte och CO2 utöver fosfat var den viktigaste källan till glykolys och energi (genom bildning av metan). Och i kombination med ammoniak, som fyllde haven, var RNA-källorna också på plats. Även om vätet (och CO2) kom genom ventilationsöppningar, kunde livet hellre ha sitt ursprung i närheten av en fosfatkälla.
Syre skapades troligen ursprungligen genom förlust av väte till rymden. När vatten delas i den övre atmosfären skapar väteförlust syre. Detta var en verklig utmaning för livet, eftersom syre förstörde vätet. Andning var lösningen på detta problem. Behovet av fotosyntes kom bara när syrenivån blev tillräckligt stor för att förstöra för mycket av vätet.
Missförståndet att det var cyanobakterier som producerade det första fria syret för cirka 2,3 miljarder år sedan bygger på en underskattning väteförlust till rymden som en källa till syre. Idag vet vi att 3 kg väte går förlorade i rymden varje sekund. Med den hastigheten hade 1,4 miljarder år behövts för att fylla atmosfären med syre, så det är uppenbart att detta inte är den enda källan till atmosfäriskt syre. På 1970-talet fanns det några forskare som hävdade att väteförlusten är 5-10 gånger mindre.
Idén att fotosyntes måste ha varit den viktigaste källan till syre blev också historiskt mycket populär. Ett problem med denna idé är att det inte fanns något behov av den när syre började dyka upp i atmosfären. Innan fritt syre fanns det tillräckligt med gratis väte för livet.
Utan någon naturlig anledning för det föreslog James Lovelock i samarbete med Lynn Margulis en annan, teleogisk förklaring. Enligt deras åsikt kontrollerade Gaia utvecklingen och fick cyanobakterier att skapa syre, vilket 1 miljard år senare resulterade i en ökning av syrenivån som gjorde flercelligt liv till en föredragen lösning. Denna förklaring baseras därför inte på ett omedelbart behov utan en möjlighet i den långa framtiden. Aristoteles använde teleologi som ett sätt att förklara vad som var nödvändigt när det slutliga målet var att skapa människor. Ett annat sätt att se detta är att förklaringen Lovelock / Margulis är holistisk, medan min är reduktionistisk.Margulis kritiserade reduktionism eftersom den helt baseras på fysikens och kemins lagar. Enligt min uppfattning är det före denna uppfattning, att inga magiska krafter behövs för att förstå evolutionen, bara (neo-) darwinistiska mekanismer.
Ett annat problem med fotosyntes före atmosfäriskt syre är UV-strålning. Bara de övre vattenskikten hade tillräckligt med tillgängligt ljus, men innan ozonskiktet skapades fanns det här för mycket skadlig UV-strålning.
Även om det inte fanns något behov av en vätekälla var ljus en användbar energikälla. . Men att använda energin i ljuset är mycket lättare än att använda den som vätkälla. Den första fotoaktiviteten användes därför precis som en extra energikälla för att driva metaboliska reaktioner, och den baserades på membranformat rodopsin. Denna mekanism utvecklades inte av nödvändighet utan som en opportunistisk extra energikälla.
Det finns flera andra orsaker till att väteförlust är en mycket bättre idé för en syrekälla. Det mesta av det fria syret har använts för att oxidera kol, kväve, svavel och järn. Om allt syre hade producerats genom fotosyntes, borde det ha funnits spår av denna produktion inte bara de senaste 500 miljoner åren utan de senaste 2 miljarder åren. Men olje- och kolavlagringar kommer alla från de senaste 500 miljoner åren. Och det finns bara en nettoproduktion av syre när det organiska materialet begravs.
Mängden oxiderat järn visar att syre som uppgår till minst 200 gånger den nuvarande atmosfären har producerats, medan mängden kol och olja är mycket mindre. Det har visat sig att minst 1/5 av haven har försvunnit på grund av väteförlust, vilket uppgår till nästan 300 gånger den nuvarande syreatmosfären. Det betyder att väteförlusten till rymden har varit mycket högre än idag. Det är ganska logiskt. Så länge syrehalten i atmosfären hölls på en låg nivå (\%) var det stratosfäriska atomsyreskiktet mycket tunnare än det är idag. Därigenom kunde vätet som producerades genom att dela vatten i jonosfären passera fritt till rymden.
Andningen är opportunistisk. Den skapas för att förbättra organismernas energiproduktionseffektivitet. De längsta och mest komplexa elektrontransportkedjorna ger det högsta energiutbytet. Fotosyntes drivs av ett behov av väte. Utbytet är lägre ju längre och mer komplexa elektrontransportkedjorna är. Fotosyntes anpassad till en ny elektrondonator när den med lägre reduktionspotential blev otillgänglig på grund av oxidation.
De oxiderade formerna av svavel (S) blev tillgängliga när syre oxiderade den reducerade varianten (H2S). På liknande sätt blev oxiderat järn successivt tillgängligt. Därigenom kunde både andning och fotosyntes byggas successivt, men andning först. Än idag kan vi i oxidativ andning se hur järn en gång var utgångspunkten. Idag är det ett mellanstadium. Mekanismerna som används i andningen ärvdes av fotosyntetiserande organismer.
Idag är det väldigt enkelt att hitta exempel på andningsorganismer, eftersom nästan alla organismer som finns under oxiska förhållanden responderar. Det inkluderar alla djur, men också alla växter. Fotosyntes är den huvudsakliga ämnesomsättningen under dagen, men har ingen effekt alls på nätterna.
De enskilda fackorganismerna som fanns före de första eukaryoterna, dvs. före 2,7 miljarder år sedan, har antagits vara olika typer av bakterier. Hypoteser har hävdat att bakterien med den mest komplexa energimetabolismen, cyanobakterierna, har sitt ursprung redan för 2,7 miljarder år sedan. Och enklare organismer har påstås vara 3,6 miljarder år gamla bakterier. Men dessa organismer var snarare föregångarna till eukaryoter, RNA-världens ”karyon”. Bakterier skapades mycket senare, av eukaryoter, när de skapade både stationära och pendlande organeller. Några av de senare blev bakterier när deras värd utrotades. Jag har visat mer detaljerat hur övergången från RNA-världen till eukaryoter skedde.