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Die Evolution des Stoffwechsels

Die Evolution des Stoffwechsels



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Bisher haben wir die Entstehung der ersten lebenden Formen analysiert, und Sie haben vielleicht bemerkt, dass wir für diese Formen bereits einige wichtige Merkmale für die Konzeptualisierung eines Lebewesens erwähnt haben. Diese frühen Organismen haben organische Verbindungen in der Konstitution ihres Körpers, sind zellulär (in diesem Fall einzellig) und haben Fortpflanzungsfähigkeit.

Wir haben noch kein weiteres Merkmal von Lebewesen besprochen: der Stoffwechsel. Schauen wir uns dann an, was die wahrscheinliche Entwicklung der Stoffwechselwege in Lebewesen gewesen sein muss.

Jedes Lebewesen braucht Nahrung, die in Stoffwechselprozessen abgebaut wird, um Energie freizusetzen und Funktionen zu erfüllen. Diese abgebauten Lebensmittel können auch als Rohstoffe für die Synthese anderer organischer Substanzen verwendet werden, um Wachstum und Verlust zu ersetzen.

Betrachten wir dann, wie diese frühen Wesen in der Lage waren, Nahrung für ihr Überleben zu beschaffen und abzubauen. Zwei Hypothesen wurden von Wissenschaftlern diskutiert: die heterotrophe Hypothese und die autotrophen.

Heterotrophe Hypothese

Nach dieser Hypothese waren die ersten Organismen strukturell sehr einfach, und es kann angenommen werden, dass die chemischen Reaktionen in ihren Zellen auch einfach waren. Sie lebten in einer aquatischen Umgebung, die reich an Nährstoffen war, aber es gab wahrscheinlich keinen Sauerstoff in der Atmosphäre oder gelöst im Meerwasser. Unter diesen Umständen kann davon ausgegangen werden, dass diese ersten Wesen mit reichlich vorhandener Nahrung diese bereits anfällige Nahrung als Energie- und Rohstoffquelle genutzt hätten. Sie wären daher heterotrop (gerade = anders, Trophäen = Lebensmittel): Organismen, die nicht in der Lage sind, ihre eigenen Lebensmittel aus anorganischen Verbindungen zu synthetisieren und sie aus der Umwelt zu gewinnen.

Wesen, die in der Lage sind, ihre eigenen Lebensmittel aus einfachen anorganischen Substanzen zu synthetisieren, werden Autotrophen genannt (selbst = besitzen, Trophäen = Nahrung), wie es bei Pflanzen der Fall ist.

Sobald diese Nahrung in der Zelle ist, muss sie abgebaut werden. Unter den heutigen Bedingungen der Erde ist der einfachste Stoffwechselweg zum Abbau sauerstofffreier Lebensmittel die Fermentation, ein anaerober Prozess (eine = ohne, Aero= Luft, bio = Leben). Eine der häufigsten Arten der Gärung ist die alkoholische Gärung. Glukosezucker wird zu Ethylalkohol (Ethanol) und Kohlendioxid abgebaut, wodurch Energie für die verschiedenen Stufen des Zellstoffwechsels freigesetzt wird.

Die Anzahl dieser Organismen nahm pro Fortpflanzung zu. Gleichzeitig änderten sich auch die Wetterbedingungen auf der Erde bis zu einem Punkt, an dem keine präbiotische Synthese von organischer Materie stattfand. So wäre das in der Mitte gelöste Essen knapp geworden.

Mit reduzierter Nahrung und einer großen Anzahl von Individuen in den Meeren muss es viel Konkurrenz gegeben haben, und viele Organismen wären an Nahrungsmangel gestorben. Gleichzeitig hätte sich CO angesammelt2 in der Umwelt. Es wird angenommen, dass in diesem neuen Szenario einige Wesen aufgetaucht wären, die das Sonnenlicht mit Hilfe von Pigmenten wie Chlorophyll einfangen könnten. Lichtenergie wäre verwendet worden, um ihre eigenen organischen Nahrungsmittel aus Wasser und Kohlendioxid zu synthetisieren. So wären die ersten Autotrophen entstanden: Photosynthesewesen (Bild = leicht; Synthese in Gegenwart von Licht), die nicht mit den Heterotrophen konkurrierte und sich stark vermehrte.

Diese frühen photosynthetisierenden Wesen waren maßgeblich an der Veränderung der Zusammensetzung der Atmosphäre beteiligt: Sie brachten Sauerstoff in die Luft, und die Atmosphäre wäre von einer Reduktion zu einer Oxidation übergegangen. Bis heute sind es hauptsächlich photosynthetisierende Wesen, die den Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre töten, was für das Leben auf unserem Planeten von entscheidender Bedeutung ist. Unter Bedingungen geringer Verfügbarkeit organischer Moleküle im Medium hätten diese aeroben Organismen einen großen Vorteil gegenüber Fermentern.

Mit der Verfügbarkeit von Sauerstoff war es möglich, Lebewesen zu überleben, die komplexe Stoffwechselreaktionen entwickelten und in der Lage waren, dieses Gas beim Abbau von Nahrungsmitteln zu verwenden. Dann kamen die ersten aeroben Wesen, die den Atem ausüben. Durch die Atmung wird Nahrung, insbesondere Glukosezucker, zu Kohlendioxid und Wasser abgebaut, wodurch viel mehr Energie freigesetzt wird, um lebenswichtige Funktionen zu erfüllen als bei der Fermentation.

Fermentation, Photosynthese und Atmung sind im Laufe der Zeit geblieben und treten in Organismen auf, die gegenwärtig auf der Erde leben. Alle Organismen atmen und / oder fermentieren, aber nur wenige atmen und photosynthetisieren.

HYPEROTROPHISCHE HYPOTHESE
Fermentation -> Photosynthese -> Atmung


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