Aerobic vs. Anaerobni procesi

Vsa živa bitja potrebujejo stalno oskrbo z energijo, da lahko njihove celice normalno delujejo in ostanejo zdrave. Nekateri organizmi, imenovani avtotrofi, lahko proizvajajo svojo energijo s pomočjo sončne svetlobe ali drugih virov energije s procesi, kot sofotosinteza. Drugi, kot ljudje, morajo jesti hrano, da bi proizvajali energijo.

Vendar to ni tip energijskih celic, ki delujejo. Namesto tega uporabljajo molekulo, imenovano adenozin trifosfat (ATP), da nadaljujejo. Zato morajo celice imeti način, kako kemično energijo, shranjeno v hrani, pretvoriti v ATP, ki jih potrebujejo za delovanje. Procesne celice, ki so podvržene temu spreminjanju, imenujemo celično dihanje.

Celično dihanje je lahko aerobno (kar pomeni "s kisikom") ali anaerobno ("brez kisika"). Katero pot vodijo celice, da ustvarijo ATP, je odvisno samo od tega, ali je prisotno dovolj kisika za aerobno dihanje ali ne. Če za aerobno dihanje ni dovolj kisika, se nekateri organizmi zatečejo k uporabi anaerobnega dihanja ali drugih anaerobnih procesov, kot so fermentacija.

Da bi povečali količino ATP-ja, ustvarjenega v procesu celičnega dihanja, mora biti prisoten kisik. Ko so se evkariontske vrste sčasoma razvijale, so postale bolj zapletene z več organi in telesnimi deli. Celice so postale potrebne, da lahko ustvarijo čim več ATP-ja, da se te nove prilagoditve pravilno izvajajo.

Zgodnja Zemljina atmosfera je imela zelo malo kisika. Šele po tem, ko so avtotrofi postali obilni in se sprostijo v velikem obsegu količine kisika kot stranski produkt fotosinteze, ki bi lahko razvil aerobno dihanje. Kisik je omogočil vsaki celici, da proizvede veliko več ATP kot njihovi stari predniki, ki so se opirali na anaerobno dihanje. Ta proces se zgodi v celični organeli, imenovani mitohondrije.

Bolj primitivni so procesi, ki jih doživljajo številni organizmi, kadar ni dovolj kisika. Najbolj znani anaerobni procesi so znani kot fermentacija. Večina anaerobnih procesov se začne na enak način kot aerobno dihanje, vendar se ustavijo delno po poti, ker kisika ni na voljo za dokončanje procesa aerobnega dihanja ali pa se pridružijo drugi molekuli, ki ni kisik kot končni elektron akceptor. Fermentacija povzroči veliko manj ATP-ja in v večini primerov sprošča tudi stranske produkte mlečne kisline ali alkohola. Anaerobni procesi se lahko zgodijo v mitohondrijih ali v citoplazmi celice.

Fermentacija mlečne kisline je vrsta anaerobnega procesa, ki ga ljudje doživljajo, če primanjkuje kisika. Na primer tekači na dolge razdalje v svojih mišicah nabirajo mlečno kislino, ker ne jemljejo dovolj kisika, da bi bili v koraku s potrebo po energiji, ki je potrebna za vadbo. Mlečna kislina lahko s časom celo povzroči krče in bolečino v mišicah.

Alkoholna fermentacija se pri ljudeh ne dogaja. Kvas je dober primer organizma, ki je podvržen alkoholni fermentaciji. Isti postopek, ki se dogaja v mitohondrijih med fermentacijo mlečne kisline, se dogaja tudi pri alkoholnem vrenju. Razlika je le v tem, da je stranski produkt alkoholne fermentacije etilni alkohol.

Alkoholna fermentacija je pomembna za pivsko industrijo. Proizvajalci piva dodajo kvas, ki bo alkoholno fermentacijo dodal alkoholu pivu. Fermentacija vina je tudi podobna in zagotavlja alkohol vinu.

Aerobno dihanje je pri izdelavi ATP veliko bolj učinkovito kot anaerobni procesi, kot je fermentacija. Brez kisika Krebsov cikel in Elektronska transportna veriga pri celičnem dihanju se podkrepite in ne bo več deloval. To prisili celico k mnogo manj učinkoviti fermentaciji. Medtem ko lahko aerobno dihanje proizvede do 36 ATP, lahko različne vrste fermentacije dosežejo le 2 ATP.

Menijo, da je najstarejša vrsta dihanja anaerobna. Ker je bilo prvega kisika malo, je bil prvi evkariontske celice skozi evolucijo endosimbioza, bi lahko opravili le anaerobno dihanje ali kaj podobnega vrenju. Vendar to ni bil problem, saj so bile te prve celice enocelične. Izdelava samo 2 ATP naenkrat je bila dovolj za ohranitev ene same celice.

Ko so se na Zemlji začeli pojavljati večcelični evkariontski organizmi, so morali večji in kompleksnejši organizmi proizvajati več energije. Skozi naravna selekcijaso organizmi z več mitohondrijami, ki bi lahko opravili aerobno dihanje, preživeli in se razmnoževali, prenašajoč te ugodne prilagoditve na svoje potomce. Starejše različice niso mogle več slediti povpraševanju po ATP v bolj zapletenem organizmu in so izumrle.