Aerobní vs. Anaerobní procesy

Všechny živé bytosti potřebují nepřetržitý přísun energie, aby jejich buňky fungovaly normálně a aby zůstaly zdravé. Některé organismy, nazývané autotrofy, mohou produkovat svou vlastní energii pomocí slunečního záření nebo jiných zdrojů energie prostřednictvím procesů, jako jsoufotosyntéza. Jiní, jako lidé, potřebují jíst jídlo, aby produkovali energii.

To však není typ energetických buněk, které fungují. Místo toho používají molekulu zvanou adenosintrifosfát (ATP), aby se udrželi v chodu. Buňky proto musí mít způsob, jak vzít chemickou energii uloženou v potravě a přeměnit ji na ATP, které potřebují k fungování. Procesní buňky, které podstoupí tuto změnu, se nazývají buněčné dýchání.

Buněčné dýchání může být aerobní (tj. „S kyslíkem") nebo anaerobní („bez kyslíku"). Která cesta se ubere buňkám k vytvoření ATP, závisí pouze na tom, zda je k dispozici dostatečné množství kyslíku pro aerobní dýchání. Pokud není dostatek kyslíku pro aerobní dýchání, pak se některé organismy uchýlí k použití anaerobního dýchání nebo jiných anaerobních procesů, jako je

Aby se maximalizovalo množství ATP vytvořeného v procesu buněčného dýchání, musí být přítomen kyslík. Jak se eukaryotické druhy postupem času vyvíjely, staly se složitějšími s více orgány a částmi těla. Bylo nutné, aby buňky mohly vytvořit co nejvíce ATP, aby tyto nové adaptace fungovaly správně.

Raná zemská atmosféra měla velmi málo kyslíku. Teprve poté, co se autotrofy staly hojnými a uvolňovaly se velké množství kyslíku jako vedlejší produkt fotosyntézy, která by mohla vyvinout aerobní dýchání. Kyslík umožnil každé buňce produkovat mnohonásobně více ATP než jejich dávní předci, kteří se spoléhali na anaerobní dýchání. Tento proces se děje v buněčné organelle zvané mitochondrie.

Primitivnější jsou procesy, které mnoho organismů podstoupí, když není přítomno dostatek kyslíku. Nejběžněji známé anaerobní procesy jsou známé jako fermentace. Většina anaerobních procesů začíná stejným způsobem jako aerobní dýchání, ale zastavuje se částečně cestou, protože kyslík není k dispozici pro dokončení aerobního dýchacího procesu, nebo se spojí s jinou molekulou, která není kyslíkem jako konečným elektronem akceptor. Fermentace produkuje mnohem méně ATP a ve většině případů také uvolňuje vedlejší produkty kyseliny mléčné nebo alkoholu. Anaerobní procesy se mohou objevit v mitochondriích nebo v cytoplazmě buňky.

Kvašení kyseliny mléčné je typ anaerobního procesu, který lidé podstoupí, pokud je nedostatek kyslíku. Například běžci na dlouhé vzdálenosti zažívají hromadění kyseliny mléčné ve svých svalech, protože nepřijímají dostatek kyslíku, aby udrželi krok s potřebou energie potřebné pro cvičení. Kyselina mléčná může dokonce způsobit křeče a bolest ve svalech, jak čas pokračuje.

U lidí nedochází k alkoholové fermentaci. Kvasinky jsou dobrým příkladem organismu, který podléhá alkoholové kvašení. Stejný proces, který probíhá v mitochondriích během fermentace kyselinou mléčnou, se také děje při alkoholové fermentaci. Jediným rozdílem je, že vedlejší produkt alkoholové fermentace je ethylalkohol.

Alkoholické kvašení je důležité pro průmysl piva. Výrobci piva přidávají kvasnice, které se podrobí alkoholové kvašení, aby do vařeného nápoje přidal alkohol. Kvašení vína je také podobné a poskytuje alkohol pro víno.

Aerobní dýchání je při výrobě ATP mnohem účinnější než anaerobní procesy, jako je fermentace. Bez kyslíku Krebsův cyklus a Elektronový dopravní řetězec při buněčném dýchání se zálohujte a již nebude fungovat. To nutí buňku podstoupit mnohem méně účinnou fermentaci. Zatímco aerobní dýchání může produkovat až 36 ATP, různé typy fermentace mohou mít čistý zisk pouze 2 ATP.

Předpokládá se, že nejstarším typem dýchání je anaerobní. Protože tam byl malý k žádné kyslík když první eukaryotické buňky se vyvinul skrz endosymbióza, mohli podstoupit pouze anaerobní dýchání nebo něco podobného kvašení. To však nebyl problém, protože ty první buňky byly jednobuněčné. Produkce pouze 2 ATP najednou stačila k tomu, aby byla jediná buňka v provozu.

Když se na Zemi začaly objevovat mnohobuněčné eukaryotické organismy, potřebovaly větší a složitější organismy produkovat více energie. Přes přírodní výběr, přežily a rozmnožily se organismy s více mitochondriemi, které by mohly podstoupit aerobní dýchání, a tyto příznivé adaptace předaly jejich potomkům. Starodávnější verze už nemohly držet krok s poptávkou po ATP ve složitějším organismu a zanikly.