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Eine Analogie. Ein lebender Organismus, sei es Bakterien oder eine Einzelzell-Amöbe / Paramecium oder ein Komplex, eine Pflanze oder ein Tier, haben prokaryotische bzw. eukaryotische Zellen. Sie alle bauen Energiequellen ab. Bakterien, Prokaryoten und Eukaryoten können dies durch anaerobe Atmung ohne O2 als Reduktionsquelle erreichen. Sauerstoff wirkt als „Magnet“, der Elektronen aus dem Glukosestoffwechsel während des Krebszyklus zieht. Diese Elektronen helfen bei der Bildung der zusätzlichen Phosphatbindung, die ADP (Adenosindiphosphat) in ATP (Adenosintriphosphat) umwandelt. Bei chemischen Bindungen dreht sich alles um Elektronen. Elektronen bilden die Bindungen zwischen Elementen. Wenn sich diese Bindungen bilden, bleibt Energie erhalten, ein endothermer RXN, und es bleibt das Potenzial erhalten, die gespeicherte Energie zu brechen und wieder freizusetzen. Wenn die Energie über diese abgetrennten Elektronenbindungen freigesetzt wird, handelt es sich um einen exothermen RXN, während Wasser und CO2 Nebenprodukte sind. All diese Chemie findet in lebenden Gewebezellen statt. In tierischen Zellen werden Glukose, Laktose und andere Zucker über chemische Sauerstoffwege verbraucht oder reduziert. Andere Reduktionsmittel wie Schwefel werden hauptsächlich von Bakterienformen verwendet.
Ein weiteres Beispiel für die Freisetzung von Elektronenbindungen unter Verwendung von Sauerstoff ist die Verbrennung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in Zuckern, Holz, Kohle, Öl-Nebenprodukten usw. Tatsächlich ist das Aufbrechen der Kohlenstoffbindungen von Zuckern innerhalb der Zellen eine Form der Verbrennung, eine kontrollierte Verbrennung, wenn man so will. Nur sagen.
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Zellatmung ist nicht erforderlich. Die Fermentation ist viel vielseitiger, da sie nicht von der Anwesenheit von Sauerstoff abhängig ist. Es gibt verschiedene Arten der Atmung, je nachdem, was der Elektronenakzeptor ist. Heute ist die sauerstoffbasierte Atmung am häufigsten, da Sauerstoff nahezu allgegenwärtig ist. Die Atmung ist nützlich, weil sie beim Abbau von Zucker viel mehr Ertrag liefert als die Fermentation. Atmung ist alles andere als notwendig, aber wenn Sauerstoff vorhanden ist, ist dies der bevorzugte Stoffwechselweg.
Atmung wird oft mit Photosynthese verglichen, da sie unter den modernen, oxischen Bedingungen eng zusammenwirken. Ohne Photosynthese würde es keine Wasserstoffquelle geben, und ohne Atmung würde die Photosynthese alles CO2 verbrauchen, so dass es keine Kohlenstoffquelle geben würde. Um zu sehen, was wirklich am wichtigsten ist, sollten wir einen Blick auf die Evolution werfen, um zu sehen, woher die beiden stammen.
Es gibt zwei gemeinsame Überzeugungen über das frühe Leben: dass es um hydrothermale Entlüftungsöffnungen begann und dass Der erste Sauerstoff wurde von Cyanobakterien produziert. Beide Überzeugungen sind wahrscheinlich falsch. Bevor sich Sauerstoff in der Atmosphäre befand, war der Energiestoffwechsel überhaupt kein Problem. Der Wasserstoff, der aus der inneren Erde strömte, füllte die Ozeane mit Wasserstoff. Die Kombination von Wasserstoff und CO2 neben Phosphat war die Hauptquelle für Glykolyse und Energie (durch Bildung von Methan). Und in Kombination mit Ammoniak, das die Ozeane füllte, waren auch die RNA-Quellen vorhanden. Obwohl der Wasserstoff (und das CO2) durch Entlüftungsöffnungen kamen, könnte das Leben eher in der Nähe einer Phosphatquelle entstanden sein.
Sauerstoff wurde wahrscheinlich ursprünglich durch den Verlust von Wasserstoff in den Weltraum erzeugt. Wenn Wasser in der oberen Atmosphäre gespalten wird, erzeugt Wasserstoffverlust Sauerstoff. Dies war eine echte Herausforderung für das Leben, da Sauerstoff den Wasserstoff zerstörte. Die Atmung war die Lösung für dieses Problem. Der Bedarf an Photosynthese kam erst, als der Sauerstoffgehalt groß genug wurde, um zu viel Wasserstoff zu zerstören.
Das Missverständnis, dass es Cyanobakterien waren, die vor etwa 2,3 Milliarden Jahren den ersten freien Sauerstoff produzierten, beruht auf einer Unterschätzung von Wasserstoffverlust in den Weltraum als Sauerstoffquelle. Heute wissen wir, dass jede Sekunde 3 kg Wasserstoff in den Weltraum verloren gehen. Bei dieser Geschwindigkeit wären 1,4 Milliarden Jahre erforderlich gewesen, um die Atmosphäre mit Sauerstoff zu füllen. Es ist also offensichtlich, dass dies nicht die einzige Quelle für Luftsauerstoff ist. In den 1970er Jahren gab es einige Wissenschaftler, die argumentierten, dass der Wasserstoffverlust 5-10 mal kleiner ist.
Die Idee, dass die Photosynthese die Hauptquelle für Sauerstoff gewesen sein muss, wurde auch historisch sehr populär. Ein Problem bei dieser Idee ist, dass es zu dem Zeitpunkt, als Sauerstoff in der Atmosphäre auftrat, nicht erforderlich war. Vor freiem Sauerstoff gab es genug freien Wasserstoff für das Leben.
Ohne natürlichen Grund schlug James Lovelock in Zusammenarbeit mit Lynn Margulis eine andere teleogogische Erklärung vor. Ihrer Ansicht nach kontrollierte Gaia die Evolution und ließ Cyanobakterien Sauerstoff erzeugen, was 1 Milliarde Jahre später zu einem Anstieg des Sauerstoffgehalts führte, der das mehrzellige Leben zu einer bevorzugten Lösung machte. Diese Erklärung basiert daher nicht auf einem unmittelbaren Bedarf, sondern auf einer Möglichkeit in ferner Zukunft. Aristoteles benutzte die Teleologie, um zu erklären, was notwendig war, als das endgültige Ziel darin bestand, Menschen zu erschaffen. Eine andere Möglichkeit, dies zu sehen, ist, dass die Erklärung von Lovelock / Margulis ganzheitlich ist, während meine reduktionistisch ist.Margulis kritisierte den Reduktionismus, weil er ausschließlich auf den Gesetzen der Physik und Chemie beruht. Meiner Ansicht nach ist dies der Grund für diese Ansicht, dass keine magischen Kräfte erforderlich sind, um die Evolution zu verstehen, sondern nur die (neo-) darwinistischen Mechanismen.
Ein weiteres Problem bei der Photosynthese vor Luftsauerstoff ist die UV-Strahlung. Nur die oberen Wasserschichten hatten genügend verfügbares Licht, aber bevor die Ozonschicht erzeugt wurde, gab es hier zu viel schädliche UV-Strahlung.
Obwohl keine Wasserstoffquelle benötigt wurde, war Licht eine nützliche Energiequelle . Die Energie im Licht zu nutzen ist jedoch viel einfacher als sie als Wasserstoffquelle zu nutzen. Die erste Photoaktivität wurde daher nur als zusätzliche Energiequelle verwendet, um Stoffwechselreaktionen anzutreiben, und basierte auf membranösem Rhodopsin. Dieser Mechanismus entwickelte sich nicht notwendigerweise, sondern als opportunistische zusätzliche Energiequelle.
Es gibt mehrere andere Gründe, warum Wasserstoffverlust eine viel bessere Idee für eine Sauerstoffquelle ist. Der größte Teil des freien Sauerstoffs wurde zur Oxidation von Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel und Eisen verwendet. Wenn der gesamte Sauerstoff durch Photosynthese erzeugt worden wäre, hätte es Spuren dieser Produktion nicht nur in den letzten 500 Millionen Jahren, sondern auch in den letzten 2 Milliarden Jahren geben müssen. Aber Öl- und Kohlevorkommen stammen alle aus den letzten 500 Millionen Jahren. Und es gibt nur eine Nettoproduktion von Sauerstoff, wenn das organische Material eingegraben wird.
Die Menge an oxidiertem Eisen zeigt, dass Sauerstoff erzeugt wurde, der mindestens das 200-fache der gegenwärtigen Atmosphäre beträgt, während die Menge an Kohle und Öl ist sehr viel weniger. Es wurde gezeigt, dass mindestens 1/5 der Ozeane aufgrund eines Wasserstoffverlusts verschwunden sind, der fast das 300-fache der gegenwärtigen Sauerstoffatmosphäre beträgt. Das heißt, der Wasserstoffverlust im Weltraum war viel höher als heute. Das ist ziemlich logisch. Solange der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre auf einem niedrigen Niveau (\%) gehalten wurde, war die atomare Sauerstoffschicht der Stratosphäre viel dünner als heute. Dadurch könnte der Wasserstoff, der durch Spaltung von Wasser in der Ionosphäre erzeugt wurde, frei in den Weltraum gelangen.
Die Atmung ist opportunistisch. Es wurde entwickelt, um die Energieerzeugungseffizienz von Organismen zu verbessern. Die längsten und komplexesten Elektronentransportketten ergeben die höchste Energieausbeute. Die Photosynthese wird durch den Bedarf an Wasserstoff angetrieben. Die Ausbeute ist umso geringer, je länger und komplexer die Elektronentransportketten sind. Die Photosynthese passte sich an einen neuen Elektronendonor an, als derjenige mit niedrigerem Reduktionspotential aufgrund von Oxidation nicht mehr verfügbar war.
Die oxidierten Formen von Schwefel (S) wurden verfügbar, als Sauerstoff die reduzierte Variante (H2S) oxidierte. In ähnlicher Weise wurde oxidiertes Eisen sukzessive verfügbar. Dadurch konnten sowohl Atmung als auch Photosynthese nacheinander aufgebaut werden, jedoch zuerst Atmung. Noch heute können wir in der oxidativen Atmung sehen, wie Eisen einst der Endpunkt war. Heute ist es eine Zwischenstufe. Die Mechanismen, die bei der Atmung verwendet werden, wurden von photosynthetisierenden Organismen vererbt.
Heute ist es sehr einfach, Beispiele für atmende Organismen zu finden, da fast alle Organismen, die unter oxischen Bedingungen existieren, atmen. Das schließt alle Tiere ein, aber auch alle Pflanzen. Die Photosynthese ist tagsüber der Hauptstoffwechsel, hat jedoch nachts keinerlei Auswirkungen.
Es wurde angenommen, dass die Einzelkompartimentorganismen, die vor den ersten Eukaryoten, dh vor 2,7 Milliarden Jahren, existierten, unterschiedlich sind Arten von Bakterien. Hypothesen haben behauptet, dass das Bakterium mit dem komplexesten Energiestoffwechsel, die Cyanobakterien, bereits vor 2,7 Milliarden Jahren entstanden ist. Und einfachere Organismen sollen 3,6 Milliarden Jahre alte Bakterien sein. Diese Organismen waren jedoch eher die Vorläufer der Eukaryoten, der RNA-Welt „Karyon“. Bakterien wurden viel später von den Eukaryoten erzeugt, als sie sowohl stationäre als auch pendelnde Organellen bildeten. Einige der letzteren wurden zu Bakterien, als ihr Wirt ausgestorben war. Ich habe detaillierter gezeigt, wie der Übergang von der RNA-Welt zu Eukaryoten stattgefunden hat.