אירובי מול תהליכים אנאירוביים

כל היצורים החיים זקוקים לאספקת אנרגיה רציפה בכדי לשמור על התאים שלהם בתפקוד תקין וכדי להישאר בריאים. אורגניזמים מסוימים, המכונים אוטוטרופים, יכולים לייצר אנרגיה משלהם באמצעות אור שמש או מקורות אנרגיה אחרים באמצעות תהליכים כמופוטוסינתזה. אחרים, כמו בני אדם, צריכים לאכול מזון כדי לייצר אנרגיה.

עם זאת, זה לא סוג תאי האנרגיה שמשמשים אותם לתפקוד. במקום זאת הם משתמשים במולקולה הנקראת אדנוזין טריפוספט (ATP) כדי להמשיך בעצמם. על כן לתאים להיות דרך לקחת את האנרגיה הכימית המאוחסנת במזון ולהפוך אותה ל- ATP שהם צריכים לתפקד. תאי התהליך שעוברים לבצע שינוי זה נקראים נשימה תאית.

נשימה סלולרית יכולה להיות אירובית (כלומר "עם חמצן") או אנאירובית ("ללא חמצן"). איזה מסלול התאים עוברים ליצירת ה- ATP תלוי אך ורק אם קיים מספיק חמצן כדי לעבור נשימה אירובית. אם אין מספיק חמצן לנשימה אירובית, אז חלק מהאורגניזמים ישתמשו בהנשמה אנאירובית או בתהליכים אנאירוביים אחרים כמו תסיסה.

על מנת למקסם את כמות ה- ATP שנעשית בתהליך הנשימה התאית, חייבים להיות חמצן. ככל שהמינים האוקריוטים התפתחו עם הזמן, הם הפכו מורכבים יותר עם יותר איברים וחלקי גוף. היה צורך בכך שתאים יוכלו ליצור כמה שיותר ATP בכדי לשמור על ההתאמות החדשות הללו כראוי.

באטמוספירה של כדור הארץ הקדום הייתה מעט מאוד חמצן. זה היה רק ​​אחרי שהאוטוטרופים נהיו בשפע ושוחררו לגדולים כמויות חמצן כתוצר לוואי של פוטוסינתזה כי הנשימה אירובית יכולה להתפתח. החמצן אפשר לכל תא לייצר הרבה יותר ATP מאשר אבות אבותיהם הקדומים שהסתמכו על נשימה אנאירובית. תהליך זה מתרחש באורגנל התא שנקרא מיטוכונדריה.

פרימיטיביים יותר הם התהליכים שעוברים אורגניזמים רבים כאשר אין מספיק חמצן. התהליכים האנאירוביים הנפוצים ביותר מכונים תסיסה. מרבית התהליכים האנאירוביים מתחילים באותה דרך של הנשימה אירובית, אך הם נעצרים בדרך במסלול מכיוון שהחמצן אינו זמינים לצורך סיום תהליך הנשימה האירובית, או שהם מצטרפים למולקולה אחרת שאינה חמצן כאלקטרון הסופי מקבל. תסיסה גורמת להרבה פחות ATP ומשחררת תוצרי לוואי של חומצה לקטית או אלכוהול ברוב המקרים. תהליכים אנאירוביים יכולים להתרחש במיטוכונדריה או בציטופלזמה של התא.

תסיסה של חומצת חלב היא סוג התהליך האנאירובי שבני אדם עוברים אם יש מחסור בחמצן. לדוגמה, רצים למרחקים ארוכים חווים הצטברות של חומצה לקטית בשרירים שלהם מכיוון שהם לא נוטלים מספיק חמצן כדי לעמוד בדרישת האנרגיה הדרושה לתרגיל. חומצת החלב יכולה אף לגרום להתכווצויות וכאבים בשרירים ככל שעובר הזמן.

תסיסה אלכוהולית לא מתרחשת אצל בני אדם. שמרים הם דוגמה טובה לאורגניזם שעובר תסיסה אלכוהולית. אותו תהליך שמתרחש במיטוכונדריה במהלך תסיסה של חומצת חלב מתרחש גם בתסיסה אלכוהולית. ההבדל היחיד הוא שתוצר הלוואי של תסיסה אלכוהולית הוא אתיל אלכוהול.

תסיסה אלכוהולית חשובה לתעשיית הבירה. יצרני הבירה מוסיפים שמרים שיעברו תסיסה אלכוהולית כדי להוסיף אלכוהול לחליטת הבירה. תסיסת היין דומה גם היא ומספקת את האלכוהול ליין.

הנשימה אירובית יעילה בהרבה לייצור ATP מאשר תהליכים אנאירוביים כמו תסיסה. ללא חמצן, מחזור קרבס וה שרשרת העברת אלקטרונים בנשימה סלולרית מגובים ולא יעבדו יותר. זה מאלץ את התא לעבור את התסיסה הרבה פחות יעילה. בעוד שהנשימה האירובית יכולה לייצר עד 36 ATP, סוגים שונים של תסיסה יכולים לקבל רק רווח נקי של 2 ATP.

נהוג לחשוב כי סוג הנשימה הקדום ביותר הוא אנאירובי. מכיוון שהיה מעט מאוד ללא חמצן נוכח כשהראשון תאים איקריוטיים התפתח דרך אנדוזימביוזה, הם יכלו לעבור רק נשימה אנאירובית או משהו דומה לתסיסה. אולם זו לא הייתה בעיה, מכיוון שהתאים הראשונים הללו היו חד-תאיים. הפקת 2 ATP בלבד בכל פעם הספיקה כדי לשמור על תא בודד פועל.

ככל שהאורגניזמים האוקריוטים רב-תאיים החלו להופיע על פני כדור הארץ, האורגניזמים הגדולים והמורכבים יותר היו צריכים לייצר יותר אנרגיה. דרך ברירה טבעית, אורגניזמים עם יותר מיטוכונדריה שעלולים לעבור נשימה אירובית שרדו והתרבו והעבירו את ההתאמות החיוביות הללו לצאצאיהם. הגרסאות העתיקות יותר לא יכלו להמשיך לעמוד בביקוש ל- ATP באורגניזם המורכב יותר ונכחדו.