Aerobik vs. Procesy beztlenowe

Wszystkie żywe stworzenia potrzebują ciągłego dopływu energii, aby komórki mogły normalnie funkcjonować i by były zdrowe. Niektóre organizmy, zwane autotrofami, mogą wytwarzać własną energię za pomocą światła słonecznego lub innych źródeł energii w procesach takich jakfotosynteza. Inni, podobnie jak ludzie, muszą jeść jedzenie, aby wytwarzać energię.

Nie jest to jednak rodzaj ogniw energetycznych wykorzystywanych do funkcjonowania. Zamiast tego używają cząsteczki zwanej trifosforanem adenozyny (ATP), aby się utrzymać. Komórki muszą zatem mieć sposób na pobranie energii chemicznej zmagazynowanej w żywności i przetworzenie jej w ATP, którego potrzebują do funkcjonowania. Komórki procesowe, które podlegają tej zmianie, nazywane są oddychaniem komórkowym.

Oddychanie komórkowe może być tlenowe (co oznacza „z tlenem”) lub beztlenowe („bez tlenu”). To, jaką drogę wybiorą komórki w celu utworzenia ATP, zależy wyłącznie od tego, czy jest wystarczająca ilość tlenu, aby przejść oddychanie tlenowe. Jeśli nie ma wystarczającej ilości tlenu do oddychania tlenowego, niektóre organizmy uciekną się do korzystania z oddychania beztlenowego lub innych procesów beztlenowych, takich jak

Aby zmaksymalizować ilość ATP wytwarzanego w procesie oddychania komórkowego, musi być obecny tlen. W miarę ewolucji gatunków eukariotycznych stały się one bardziej złożone z większą liczbą narządów i części ciała. Konieczne stało się, aby komórki mogły utworzyć tak dużo ATP, jak to możliwe, aby zapewnić prawidłowe działanie tych nowych adaptacji.

Wczesna atmosfera ziemska miała bardzo mało tlenu. Dopiero po tym, jak autotrofy stały się obfite i wypuściły duże ilości tlenu jako produkt uboczny fotosyntezy, który może ewoluować oddychanie tlenowe. Tlen pozwolił każdej komórce wytwarzać wielokrotnie więcej ATP niż jej starożytni przodkowie, którzy polegali na oddychaniu beztlenowym. Proces ten zachodzi w organelli komórkowej zwanej mitochondria.

Bardziej prymitywne są procesy, w których przechodzi wiele organizmów, gdy nie ma wystarczającej ilości tlenu. Najbardziej znane procesy beztlenowe są znane jako fermentacja. Większość procesów beztlenowych rozpoczyna się tak samo, jak oddychanie tlenowe, ale zatrzymuje się w połowie ścieżki, ponieważ tlen nie jest dostępne, aby zakończyć proces oddychania tlenowego, lub łączą się z inną cząsteczką, która nie jest tlenem jako końcowy elektron akceptor. Fermentacja powoduje znacznie mniej ATP, a także w większości przypadków uwalnia produkty uboczne kwasu mlekowego lub alkoholu. Procesy beztlenowe mogą zachodzić w mitochondriach lub w cytoplazmie komórki.

Fermentacja kwasu mlekowego jest rodzajem procesu beztlenowego, w którym ludzie doświadczają niedoboru tlenu. Na przykład biegacze długodystansowi doświadczają nagromadzenia kwasu mlekowego w mięśniach, ponieważ nie przyjmują wystarczającej ilości tlenu, aby nadążyć za zapotrzebowaniem na energię potrzebną do ćwiczeń. Z upływem czasu kwas mlekowy może nawet powodować skurcze i ból mięśni.

Fermentacja alkoholowa nie występuje u ludzi. Drożdże są dobrym przykładem organizmu, który ulega fermentacji alkoholowej. Ten sam proces, który zachodzi w mitochondriach podczas fermentacji kwasu mlekowego zachodzi również w fermentacji alkoholowej. Jedyną różnicą jest to, że produktem ubocznym fermentacji alkoholowej jest alkohol etylowy.

Fermentacja alkoholowa jest ważna dla przemysłu piwowarskiego. Producenci piwa dodają drożdże, które zostaną poddane fermentacji alkoholowej w celu dodania alkoholu do naparu. Fermentacja wina jest również podobna i zapewnia alkohol do wina.

Oddychanie tlenowe jest znacznie bardziej wydajne w wytwarzaniu ATP niż procesy beztlenowe, takie jak fermentacja. Bez tlenu Cykl Krebsa i Łańcuch transportu elektronów w oddychaniu komórkowym uzyskaj kopię zapasową i już nie będzie działać. To zmusza komórkę do poddania się znacznie mniej wydajnej fermentacji. Podczas gdy oddychanie tlenowe może wytwarzać do 36 ATP, różne rodzaje fermentacji mogą mieć zysk netto tylko 2 ATP.

Uważa się, że najstarszym typem oddychania jest beztlenowy. Ponieważ w pierwszym przypadku było niewiele tlenu lub nie było go wcale komórki eukariotyczne ewoluował przez endosymbioza, mogli jedynie przejść beztlenowe oddychanie lub coś podobnego do fermentacji. Nie stanowiło to jednak problemu, ponieważ te pierwsze komórki były jednokomórkowe. Wyprodukowanie tylko 2 ATP na raz wystarczyło, aby utrzymać działanie pojedynczej komórki.

Gdy wielokomórkowe organizmy eukariotyczne zaczęły pojawiać się na Ziemi, większe i bardziej złożone organizmy musiały wytwarzać więcej energii. Przez naturalna selekcja, organizmy o większej liczbie mitochondriów, które mogłyby przejść oddychanie tlenowe, przeżyły i rozmnażyły ​​się, przekazując te korzystne adaptacje swojemu potomstwu. Starsze wersje nie mogły już nadążyć za zapotrzebowaniem na ATP w bardziej złożonym organizmie i wyginęły.