مقابل الهوائية العمليات اللاهوائية

تحتاج جميع الكائنات الحية إلى مصدر مستمر من الطاقة للحفاظ على عمل خلاياها بشكل طبيعي وللحفاظ على صحتها. يمكن لبعض الكائنات الحية ، تسمى autotrophs ، إنتاج طاقتها الخاصة باستخدام ضوء الشمس أو مصادر الطاقة الأخرى من خلال عمليات مثلالبناء الضوئي. يحتاج البعض الآخر ، مثل البشر ، إلى تناول الطعام لإنتاج الطاقة.

ومع ذلك ، ليس هذا هو نوع خلايا الطاقة التي تستخدمها للعمل. بدلاً من ذلك ، يستخدمون جزيءًا يسمى adenosine triphosphate (ATP) لإبقاء أنفسهم مستمرين. لذلك ، يجب أن يكون للخلايا طريقة لأخذ الطاقة الكيميائية المخزنة في الطعام وتحويلها إلى ATP التي تحتاجها للعمل. الخلايا العملية التي تخضع لها لإجراء هذا التغيير تسمى التنفس الخلوي.

يمكن أن يكون التنفس الخلوي هوائيا (بمعنى "مع الأكسجين") أو لاهوائية ("بدون أكسجين"). يعتمد المسار الذي تسلكه الخلايا لإنشاء ATP فقط على ما إذا كان هناك ما يكفي من الأكسجين الموجود للتنفس الهوائي أم لا. إذا لم يكن هناك ما يكفي من الأكسجين الموجود للتنفس الهوائي ، فستلجأ بعض الكائنات الحية إلى استخدام التنفس اللاهوائي أو العمليات اللاهوائية الأخرى مثل تخمير.

من أجل زيادة كمية ATP المصنوعة في عملية التنفس الخلوي ، يجب أن يكون الأكسجين موجودًا. مع تطور الأنواع حقيقية النواة بمرور الوقت ، أصبحت أكثر تعقيدًا مع المزيد من الأعضاء وأجزاء الجسم. أصبح من الضروري للخلايا أن تكون قادرة على إنشاء أكبر قدر ممكن من ATP للحفاظ على هذه التعديلات الجديدة تعمل بشكل صحيح.

كان الغلاف الجوي للأرض في وقت مبكر قليل جدًا من الأكسجين. لم يكن حتى بعد أن أصبحت autotrophs وفيرة وتم إطلاقها بشكل كبير كميات الأكسجين كمنتج ثانوي لعملية التمثيل الضوئي التي يمكن أن يتطور بها التنفس الهوائي. سمح الأكسجين لكل خلية بإنتاج ATP أكثر من أسلافها القدماء الذين اعتمدوا على التنفس اللاهوائي. تحدث هذه العملية في عضية الخلية تسمى الميتوكوندريا.

الأكثر بدائية هي العمليات التي تخضع لها العديد من الكائنات الحية عندما لا يوجد ما يكفي من الأكسجين. تُعرف العمليات اللاهوائية الأكثر شيوعًا باسم التخمير. تبدأ معظم العمليات اللاهوائية بالطريقة نفسها التي يبدأ بها التنفس الهوائي ، لكنها تتوقف جزئيًا عبر المسار لأن الأكسجين ليس متاحة له لإنهاء عملية التنفس الهوائية ، أو ينضمون إلى جزيء آخر ليس الأكسجين كإلكترون نهائي متقبل. التخمير يجعل عدد أقل من ATP ويطلق أيضًا منتجات ثانوية إما حمض اللاكتيك أو الكحول ، في معظم الحالات. يمكن أن تحدث العمليات اللاهوائية في الميتوكوندريا أو في سيتوبلازم الخلية.

تخمر حمض اللاكتيك هو نوع من العملية اللاهوائية يخضع لها البشر إذا كان هناك نقص في الأكسجين. على سبيل المثال ، يعاني العدائون لمسافات طويلة من تراكم حمض اللاكتيك في عضلاتهم لأنهم لا يأخذون ما يكفي من الأكسجين لمواكبة الطلب على الطاقة اللازمة للتمرين. يمكن أن يتسبب حمض اللاكتيك في تقلصات ووجع في العضلات مع مرور الوقت.

لا يحدث التخمر الكحولي عند البشر. الخميرة هي مثال جيد على كائن حي يخضع للتخمير الكحولي. تحدث نفس العملية التي تحدث في الميتوكوندريا أثناء تخمر حمض اللاكتيك في التخمير الكحولي. والفرق الوحيد هو أن الناتج الثانوي للتخمر الكحولي هو الكحول الإيثيلي.

التخمير الكحولي مهم لصناعة البيرة. يضيف صانعو البيرة الخميرة التي ستخضع للتخمير الكحولي لإضافة الكحول إلى الشراب. تخمير النبيذ مشابه أيضًا ويوفر الكحول للكحول.

التنفس الهوائي أكثر كفاءة في صنع ATP من العمليات اللاهوائية مثل التخمير. بدون الأكسجين دورة كريبس و ال سلسلة النقل الإلكتروني في التنفس الخلوي تحصل على نسخة احتياطية ولن تعمل بعد الآن. هذا يجبر الخلية على الخضوع لعملية تخمير أقل كفاءة. في حين أن التنفس الهوائي يمكن أن ينتج ما يصل إلى 36 ATP ، فإن الأنواع المختلفة من التخمير يمكن أن يكون لها مكسب صافٍ قدره 2 ATP فقط.

يعتقد أن أقدم نوع من التنفس هو لاهوائية. حيث كان هناك القليل من الأكسجين أو عدم وجوده عند الأول الخلايا حقيقية النواة تطورت من خلال داء بطانة الأوعية، يمكنهم فقط الخضوع للتنفس اللاهوائي أو شيء مشابه للتخمير. ومع ذلك ، لم تكن هذه مشكلة ، لأن الخلايا الأولى كانت أحادية الخلية. كان إنتاج 2 ATP فقط في المرة الواحدة كافياً للحفاظ على تشغيل الخلية الواحدة.

مع ظهور الكائنات حقيقية النواة متعددة الخلايا في الظهور على الأرض ، كانت الكائنات الحية الأكبر والأكثر تعقيدًا بحاجة إلى إنتاج المزيد من الطاقة. عبر الانتقاء الطبيعي، الكائنات الحية التي لديها المزيد من الميتوكوندريا التي يمكن أن تخضع للتنفس الهوائي نجت وتتكاثر ، لتمرير هذه التكيفات المواتية لنسلها. لم تعد الإصدارات القديمة قادرة على مواكبة الطلب على ATP في الكائن الأكثر تعقيدًا وانقرضت.