Visiems gyviems daiktams reikalingas nuolatinis energijos tiekimas, kad jų ląstelės normaliai funkcionuotų ir išliktų sveikos. Kai kurie organizmai, vadinami autotrofais, gali pasigaminti savo energiją naudodami saulės spindulius ar kitus energijos šaltinius, naudodami tokius procesus kaipfotosintezė. Kiti, kaip ir žmonės, norėdami gaminti energiją, turi valgyti maistą.
Tačiau tai nėra tas energijos elementų tipas, kuris veikia. Vietoj to, jie naudoja molekulę, vadinamą adenozino trifosfatu (ATP), kad išlaikytų save. Taigi ląstelės turi turėti būdą, kaip paimti maiste saugomą cheminę energiją ir paversti ją ATP, kurios reikalingos jų veikimui. Proceso ląstelės, atlikusios šį pakeitimą, vadinamos ląstelių kvėpavimu.
Du ląstelių procesų tipai
Korinis kvėpavimas gali būti aerobinis (reiškiantis „su deguonimi“) arba anaerobinis („be deguonies“). Kurį kelią ląstelės imsis sukurti ATP, priklauso tik nuo to, ar jame yra pakankamai deguonies, kad būtų galima atlikti aerobinį kvėpavimą. Jei aerobiniam kvėpavimui nepakanka deguonies, kai kurie organizmai imsis anaerobinio kvėpavimo ar kitų anaerobinių procesų, tokių kaip
fermentacija.Aerobinis kvėpavimas
Norint maksimaliai padidinti ATP kiekį ląstelių kvėpavimo metu, jame turi būti deguonies. Laikui bėgant, eukariotų rūšys vystėsi, jos tapo sudėtingesnės, turėdamos daugiau organų ir kūno dalių. Ląstelėms reikėjo sugebėti sukurti kuo daugiau ATP, kad šios naujos adaptacijos veiktų tinkamai.
Ankstyvoje Žemės atmosferoje buvo labai mažai deguonies. Tik po to, kai autotrofų tapo gausu ir jie buvo išleisti dideli deguonies kiekiai kaip fotosintezės šalutinis produktas gali vystytis aerobinis kvėpavimas. Deguonis leido kiekvienai ląstelei gaminti daug kartų daugiau ATP nei jų senovės protėviai, kurie rėmėsi anaerobiniu kvėpavimu. Šis procesas vyksta ląstelių organelėse, vadinamose mitochondrijos.
Anaerobiniai procesai
Primityvesni yra procesai, kuriuos patiria daugelis organizmų, kai nėra pakankamai deguonies. Dažniausiai žinomi anaerobiniai procesai yra fermentacija. Dauguma anaerobinių procesų prasideda taip pat, kaip ir aerobinis kvėpavimas, tačiau jie sustoja iš dalies per kelią, nes deguonis nėra turimas tam, kad būtų galima baigti aerobinio kvėpavimo procesą, arba jie prisijungia prie kitos molekulės, kuri nėra deguonis kaip galutinis elektronas priėmėjas. Fermentacija sukelia daug mažiau ATP ir daugeliu atvejų išskiria pieno rūgšties arba alkoholio šalutinius produktus. Anaerobiniai procesai gali vykti ląstelės mitochondrijose arba citoplazmoje.
Pieno rūgšties fermentacija yra tas anaerobinis procesas, kurį žmonės patiria, jei trūksta deguonies. Pavyzdžiui, ilgų nuotolių bėgikai raumenyse kaupiasi pieno rūgštis, nes jie neįsisavina pakankamai deguonies, kad neatsiliktų nuo mankštos reikalingos energijos. Pieno rūgštis laikui bėgant netgi gali sukelti raumenų mėšlungį ir skausmą.
Alkoholinė fermentacija žmonėms nevyksta. Mielės yra geras organizmo, kuris patiria alkoholinę fermentaciją, pavyzdys. Tas pats procesas, kuris vyksta mitochondrijose pieno rūgšties fermentacijos metu, vyksta ir alkoholio fermentacijos metu. Skirtumas tik tas, kad yra alkoholinės fermentacijos šalutinis produktas etilo alkoholis.
Alkoholinė fermentacija yra svarbi alaus pramonei. Alaus gamintojai prideda mielių, kurios bus fermentuojamos, kad įpiltų alkoholio. Vyno fermentacija taip pat yra panaši ir suteikia vynui alkoholio.
Kuris geresnis?
Aerobinis kvėpavimas yra daug efektyvesnis ATP formavimui nei anaerobiniai procesai, tokie kaip fermentacija. Be deguonies Krebso ciklas ir Elektronų transportavimo grandinė ląsteliniame kvėpavime susitvarkykite ir daugiau neveiks. Tai verčia ląstelę daug mažiau efektyviai fermentuoti. Nors aerobinis kvėpavimas gali sukelti iki 36 ATP, skirtingų rūšių fermentacija gali gauti tik 2 ATP.
Evoliucija ir kvėpavimas
Manoma, kad seniausias kvėpavimo būdas yra anaerobinis. Kadangi pirmą kartą deguonies buvo mažai arba jo nebuvo eukariotų ląstelės vystėsi per endosimbiozė, jiems galėjo būti atliekamas tik anaerobinis kvėpavimas ar kažkas panašaus į fermentaciją. Tačiau tai nebuvo problema, nes šios pirmosios ląstelės buvo vienaląsčios. Vieno langelio veikimui pakako pagaminti tik 2 ATP vienu metu.
Kai Žemėje pradėjo atsirasti daugialąsčių eukariotų organizmai, didesniems ir sudėtingesniems organizmams reikėjo daugiau energijos. Per natūrali atranka, organizmai, turintys daugiau mitochondrijų, kuriems galėjo būti atliktas aerobinis kvėpavimas, išgyveno ir dauginosi, perduodami šias palikuonims palankias adaptacijas. Senesnės versijos nebegalėjo suspėti su ATP paklausa sudėtingesniame organizme ir išnyko.