Visām dzīvajām lietām ir nepieciešama nepārtraukta enerģijas padeve, lai šūnas normāli darbotos un būtu veselīgas. Daži organismi, kurus sauc par autotrofiem, var ražot savu enerģiju, izmantojot saules gaismu vai citus enerģijas avotus, izmantojot tādus procesus kāfotosintēze. Citiem, tāpat kā cilvēkiem, ir jāēd pārtika, lai ražotu enerģiju.
Tomēr tas nav enerģijas šūnu tips, ko izmanto funkcionēšanai. Tā vietā viņi izmanto molekulu, ko sauc par adenozīna trifosfātu (ATP), lai turpinātu kustību. Tādēļ šūnām jābūt tādai, lai paņemtu pārtikā uzkrāto ķīmisko enerģiju un pārveidotu to ATP, kas nepieciešama to darbībai. Procesa šūnas, kas veic šīs izmaiņas, sauc par šūnu elpošanu.
Divi šūnu procesu veidi
Šūnu elpošana var būt aeroba (nozīmē "ar skābekli") vai anaerobā ("bez skābekļa"). Tas, kuru ceļu šūnas veic, lai izveidotu ATP, ir atkarīgs tikai no tā, vai ir pietiekami daudz skābekļa, lai veiktu aerobo elpošanu. Ja aerobajai elpošanai nav pietiekami daudz skābekļa, daži organismi ķersies pie anaerobās elpošanas vai citu anaerobo procesu, piemēram, fermentācija.
Aerobā elpošana
Lai pēc iespējas palielinātu ATP daudzumu šūnu elpošanas procesā, tajā jābūt skābeklim. Tā kā eikariotu sugas laika gaitā attīstījās, tās kļuva sarežģītākas ar vairāk orgānu un ķermeņa daļu. Šūnām kļuva nepieciešams pēc iespējas vairāk izveidot ATP, lai šie jaunie pielāgojumi darbotos pareizi.
Zemes agrīnajā atmosfērā bija ļoti maz skābekļa. Tikai pēc tam, kad autotrofi kļuva bagātīgi un izlaida lielus skābekļa daudzums kā fotosintēzes blakusprodukts, kas varētu attīstīties aerobā elpošana. Skābeklis ļāva katrai šūnai saražot daudzkārt vairāk ATP nekā viņu senie senči, kuri paļāvās uz anaerobo elpošanu. Šis process notiek šūnas organellā, ko sauc par mitohondriji.
Anaerobie procesi
Primitīvāki ir procesi, kas notiek daudzos organismos, kad nav pietiekami daudz skābekļa. Visbiežāk zināmos anaerobos procesus sauc par fermentāciju. Lielākā daļa anaerobo procesu sākas tāpat kā aeroba elpošana, bet tie daļēji apstājas pa ceļu, jo skābeklis nav kas ir pieejams tam, lai pabeigtu aerobās elpošanas procesu, vai arī tie savienojas ar citu molekulu, kas nav skābeklis kā pēdējais elektrons akceptētājs. Fermentācija padara daudz mazāk ATP un vairumā gadījumu atbrīvo arī pienskābes vai spirta blakusproduktus. Anaerobie procesi var notikt šūnas mitohondrijos vai citoplazmā.
Pienskābes fermentācija ir tāds anaerobo procesu veids, kādā cilvēki iziet, ja trūkst skābekļa. Piemēram, tālsatiksmes skrējējiem muskuļos palielinās pienskābes daudzums, jo viņi nepieņem pietiekami daudz skābekļa, lai neatpaliktu no vingrinājumiem nepieciešamās enerģijas pieprasījuma. Pienskābe laika gaitā var pat izraisīt krampjus un sāpīgumu muskuļos.
Alkoholiskā fermentācija cilvēkiem nenotiek. Raugs ir labs piemērs organismam, kas tiek pakļauts alkoholiskai fermentācijai. Tas pats process, kas notiek mitohondrijos pienskābes fermentācijas laikā, notiek arī spirta fermentācijā. Vienīgā atšķirība ir tā, ka alkoholiskās fermentācijas blakusprodukts ir etilspirts.
Alkohola ražošanā svarīga ir alkoholiskā fermentācija. Alus ražotāji pievieno raugu, kas tiks pakļauta spirta fermentācijai, lai pievienotu spirtu brūvē. Arī vīna raudzēšana ir līdzīga un nodrošina vīna spirtu.
Kurš ir labāks?
Aerobā elpošana ATP veidošanā ir daudz efektīvāka nekā anaerobie procesi, piemēram, fermentācija. Bez skābekļa Krebsa cikls un Elektronu transporta ķēde šūnu elpošanā saņemiet atbalstu un vairs nedarbosieties. Tas liek šūnai iziet daudz mazāk efektīvu fermentāciju. Kaut arī aeroba elpošana var radīt līdz pat 36 ATP, dažāda veida fermentācijas tīrais guvums var būt tikai 2 ATP.
Evolūcija un elpošana
Tiek uzskatīts, ka senākais elpošanas veids ir anaerobs. Tā kā pirmajā bija maz skābekļa vai nebija skābekļa eikariotu šūnas attīstījās cauri endosimbioze, viņiem varēja veikt tikai anaerobo elpošanu vai kaut ko līdzīgu fermentācijai. Tomēr tā nebija problēma, jo šīs pirmās šūnas bija vienšūnas. Tikai 2 ATP izveide vienlaikus bija pietiekama, lai darbotos viena šūna.
Tā kā uz Zemes sāka parādīties daudzšūnu eikariotu organismi, lielākiem un sarežģītākiem organismiem vajadzēja vairāk enerģijas. Caur dabiskā izlase, organismi ar vairāk mitohondrijiem, kuriem varēja veikt aerobo elpošanu, izdzīvoja un pavairojās, pārnesot šos labvēlīgos pielāgojumus saviem pēcnācējiem. Senākas versijas vairs nespēja sekot līdzi ATP pieprasījumam sarežģītākajā organismā un izmira.