L’atmosfera in cui si sono evolute le prime cellule era priva di ossigeno libero. Questi primi organismi erano, naturalmente, adattati a vivere in questo tipo di ambiente: in effetti l’ossigeno libero, con la sua forte capacità di attrarre elettroni, sarebbe stato letale, così come lo è oggigiorno per molti degli attuali organismi anaerobi. La loro fonte di energia dipendeva dai processi anaerobi, molto probabilmente la glicolisi e la fermentazione, attraverso i quali si liberava anidride carbonica nell’atmosfera. È possibile che le molecole organiche utilizzate come fonte energetica provenissero da processi no biologici, oppure fossero prodotti da autotrofi chemiosintetici o da cellule fotosintetiche primitive che, come alcuni batteri fotosintetici moderni, non liberavano ossigeno nell’ambiente.

Successivamente, si ipotizza, si sarebbero evolute forme di vita fotosintetiche che usavano l’anidride carbonica come riserva di carbonio e liberavano ossigeno (fig.9.1), come fa la maggior parte degli organismi fotosintetici moderni. Aumentando via via di numero, questi organismi costituirono una nuova riserva di molecole organiche e favorirono l’accumulo di ossigeno libero nell’atmosfera. In risposta a queste nuove condizioni ambientali, si originò un tipo di cellula per la quale l’ossigeno no era un veleno, bensì un fattore necessario per l’esistenza.

Gli organismi che utilizzano l’ossigeno sono avvantaggiati rispetto a quelli che non lo usano. Dalla scissione aerobica dei composti che contengono il carbonio si ottiene, infatti, una maggior quantità di energia per ogni molecola rispetto a quella che si genera per i processi anaerobici, mediante i quali le molecole non sono completamente ossidate. L’energia liberata nelle cellule da reazioni che sfruttavano l’ossigeno permise lo sviluppo di organismi sempre più attivi e sempre più complessi. Senza ossigeno non si sarebbero evolute le complesse forme di vita che esistono oggi sulla Terra.

La vita sulla Terra continua a dipendere dalla fotosintesi per quanto riguarda sia la produzione di ossigeno sia la sintesi di molecole energetiche che contengono carbonio. Gli organismi fotosintetici catturano energia luminosa e la usano per formare, mediante una complessa serie di reazioni, carboidrati e ossigeno libero a partire da anidride carbonica e acqua.

L’equazione complessiva della fotosintesi può essere espressa nel modo seguente:

ACQUA + ANIDRIDE CARBONICA + energia luminosa___________________GLUCOSIO + OSSIGENO

Per comprendere come gli organismi siano in grado di catturare l’energia luminosa e convertirla in energia chimica di riserva, dobbiamo anzitutto prendere in considerazione le caratteristiche della luce stessa.