Гидрогенный фотосинтез: стратегии для животных

Водородный фотосинтез восстанавливает метан и воду для создания биомассы ( CH 2 О ) и выделяет водород:

CH 4 + ЧАС 2 О + фотоны → CH 2 О + 2 ЧАС 2

Для справки, оксигенный фотосинтез это:

н  СО 2 + н  ЧАС 2 О + фотоны → ( CH 2 О ) н + н О 2

Согласно этой превосходной статье Бейнса и др. , водородный процесс примерно в четыре раза эффективнее оксигенного варианта, позволяя создавать в четыре раза больше биомассы при том же количестве света (см. примечание *1).

В связанной статье описывается, как большие планеты могут удерживать водородную атмосферу, но этот вопрос не об этом.

Мой вопрос касается стратегий эволюции животных, поскольку обратная сторона того, что автотрофам в 4 раза легче наращивать массу, заключается в том, что гетеротрофные потребители получают в 4 раза меньше энергии при расщеплении одного грамма этой водородной биомассы. Вот слова авторов:

«С чисто человеческой точки зрения, эволюция гидрогенного фотосинтеза может быть разочаровывающим открытием в другом мире по причинам, скрытым на рис. больше энергии. В частности, окисление биомассы с помощью молекулярного кислорода высвобождает значительно больше энергии, чем ее восстановление с помощью молекулярного водорода . Общепринятым объяснением появления сложных животных в позднем докембрии и кембрийском периоде было увеличение содержания атмосферного кислорода, что позволило их энергоемкий образ жизни»

Мой вопрос; как изменение «баланса сил» между автотрофами и гетеротрофами влияет на эволюцию и тех, и других, и каков соответствующий животный метаболизм, позволяющий животным проявлять те типы способностей (которые основаны на накоплении концентрированной энергии, см. примечание *2), что и земные животные отображать?

Обратите внимание: любой ответ, касающийся четырехкратного дисбаланса животных и растений, действителен - ответы по биохимии на уровне доктора наук будут высоко оценены, но я не ожидаю, что их будет много!

Конец вопроса: далее следует вспомогательный материал из статьи, который вы можете трактовать как **TL;DR.

Примечание *1

Вот отрывок из статьи, в которой утверждается о снижении требований к производству биомассы.

«Сравнение энергий Гиббса образования СО2 (газ ~ -394 кДж/моль, вод ~-385 кДж/моль) и CH4 (газ ~ -50 кДж/моль, вод ~ -35 кДж/моль) [65] показывает, что любая реакция с участием CO2 в качестве реагента, содержащего C, почти всегда будет иметь более положительную энергию Гиббса реакции, чем аналогичная реакция с CH4 в качестве реагента Количественное различие между реакциями будет зависеть от продуктов реакции, как показано на рисунке 1. В среднем для набора химических веществ на рисунке 1 производство химического вещества из CH4 требует ~20% энергии, необходимой для его производства из CO2.Это говорит о том, что для производства биомассы в среде с преобладанием CH4/H2 потребуется всего ~20 % энергии, необходимой в нашей среде с преобладанием CO2».

Заметка 2

В связанной статье упоминается, что, возможно, эти животные могли бы использовать диметилсульфонийпропионат (DMSP) для хранения энергии, а не углеводов, но я действительно не понимаю этот процесс или каковы его последствия...

Я не химик, но не разделяю логики гетеротрофных потребителей, получающих в 4 раза меньше энергии из биомассы. Поскольку образующаяся молекула формальдегида в обоих случаях одна и та же, почему относительная эффективность производственного процесса изменяет накопленную энергию для данной единицы массы?
@KillingTime, это справедливый вопрос, и я должен сказать, что не знаю ответа - это слишком далеко от моей зоны комфорта, чтобы перефразировать аргументы авторов. Однако я отредактировал свой ответ, включив в него цитату из части статьи, которая мотивировала мой вопрос.
Я не уверен в утверждении, что гетеротрофы получают в 4 раза меньше энергии на грамм. Химические продукты обоих типов фотосинтеза одинаковы, так почему же гетеротрофам доступно меньше энергии?
@Green Потому что нет свободного кислорода? Помните, что сейчас растения выделяют водород. Даже если есть альтернативный источник кислорода, кислород в водородной атмосфере совсем не хороший знак...
@green Я добавил соответствующий раздел документа, касающийся вашей точки зрения. Я думаю, что ключевым моментом является то, что справочные уравнения в верхней части моего поста представляют собой очень упрощенные изображения...
@rumguff, эти уравнения казались слишком простыми для описания всего переноса энергии/массы между автотрофами и гетеротрофами. Спасибо за уточнение.
Этот вопрос похож на Hot Rods in Space!, только для химии worldbuilding.stackexchange.com/questions/21438/…
@green да, я согласен, но действительные ответы не обязательно должны касаться всех химических уравнений (я обновлю OP, чтобы прояснить это). Кроме того, у этого есть потенциал в качестве тропа с некоторыми реальными ногами. Искусственный водородный ПС в настоящее время очень актуален как способ получения водородного топлива для использования человеком.
У меня был кое-какой ответ, но я понял, как будет работать кислородный цикл. Откуда он берется и как долго остается в атмосфере? Что, если автотрофы... ладно. Я попробую еще раз.
Хорошо, это всего лишь предположение, но если метан менее стабилен, чем углекислый газ (а я думаю, что это доказуемо), то обратная реакция (та, которую гетеротрофы использовали бы для сжигания сахара) производит метан, который затем с большей вероятностью разлагается ( например, окисление любым свободным кислородом, вырабатываемым конкурирующими автотрофами на основе кислорода), с выделением меньшего количества метана для гирогенных автотрофов, которые можно использовать для производства сахара. Таким образом, автотроф на основе кислорода может буквально «высасывать воздух / метан из комнаты» для любых водородных автотрофов. (Если эта аргументация верна, я превращу ее в ответ)
@зеленый, свободного кислорода нет ни внутри, ни снаружи. Мы используем CH4 вместо CO2. Зато здесь много воды, и благодаря H2 атмосфера может быть теплой. Не робей, потому что ты не понимаешь всей химии - я тоже!
@cort - не ждите от меня подтверждения - ваш ответ будет таким же хорошим, как и все, что я мог придумать. Возможно, стоит прочитать статью, если вы еще этого не сделали и заинтересованы - это очень хорошее чтение.
Я думал об использовании фтора в качестве окислителя, но этот материал настолько реактивен, что его никогда не находили в свободном виде на Земле. Он всегда заперт в каких-то минералах.

Ответы (2)

Если я правильно понял ваш вопрос, я собираюсь в основном проигнорировать биохимическую науку и сразу перейти к тому, что, как мне кажется, является мясом (на самом деле, овощем) вопроса:

Что произойдет, если растения будут расти в 4 раза быстрее, но животные будут получать от них в 4 раза меньше питательных веществ

Обратите внимание, что выше я использую «растение» как синоним автотрофа и «животное» как синоним гетеротрофа. Я делаю это просто потому, что это кажется более естественным в качестве формы обращения. Я буду использовать правильные термины позже, так как важно проводить различие.

Итак: Идем дальше.

Период, в течение которого доминирует одноклеточная жизнь, станет короче. Ваши отдельные клетки, скорее всего, будут автотрофными, и поэтому будут размножаться гораздо быстрее. В такого рода высокоэнергетической среде с высокой популяцией любые гетеротрофы, которые действительно появляются, будут иметь избыток пищи, но не будут оказывать такого сильного воздействия на автотрофов, как это было в нашей истории (поскольку они размножаются на четверть оценивать). Таким образом, автотрофы будут конкурировать друг с другом, а высокая плотность популяции приведет к более быстрой клеточной кооперации.

Когда дело доходит до многоклеточных растений: конкуренция будет жесткой. Я имею в виду, действительно свирепо. Эти растения будут иметь в 4 раза больше энергии и, следовательно, в 4 раза больше способности воспроизводиться, расти и вообще делать то, что делают растения. Высокие деревья, высасывание ресурсов и причудливые методы рассеивания семян будут расцветать, поскольку у всех растений будет больше энергии, которую можно «тратить впустую».

С другой стороны, животные должны будут двигаться медленнее по необходимости. У них по-прежнему есть преимущество в том, что им не нужно солнце, и у них все еще есть преимущество в том, что они потребляют более богатый источник энергии, но мы не увидим чисто плотоядных хищников в ближайшее время, поскольку требуемая площадь земли для одного хищника возрастет в 16 раз (в 4 раза для травоядных, затем еще в 4 раза для чистых плотоядных). Всеядные, вероятно, будут лучше, но все же более медленные существа будут лучше.

Поскольку разница между количеством энергии, которую можно получить от солнца, и количеством энергии, полученной от поедания других растений, намного меньше, формы жизни, демонстрирующие как автотрофное, так и гетеротрофное поведение, будут значительно более плодовитыми. Паразитические и плотоядные растения будут более распространены, и я ожидаю, что целый ряд приспособлений (лозы медуз, вьющиеся бананы, вяз-кукушка?) и фотогетеротрофность (использование солнечного света для закрепления углерода, но не фотосинтез напрямую) будут сильными факторами. эволюционный выбор.

Если вы хотите увидеть систему, похожую на земную, тогда ваши животные должны иметь серьезное метаболическое моджо. Во-первых, травоядным придется есть как минимум в 4 раза больше растительности, и это при условии, что метаболическая эффективность работает так же. Как упоминалось ранее, любые быстрые хищники будут ненасытно голодны, и им также придется развивать некоторые основные родительские навыки, поскольку у них не будет энергии, чтобы использовать стратегию «выстрелил и забыл», а затем беспокоиться обо всех конкурентах, которых они только что породили. . Я не уверен, применим ли тот же аргумент о воспитании к травоядным.

И последняя, ​​довольно интригующая (хотя и противоречивая) мысль: под водой высшим хищником, вероятно, будет Коралл...

Отличный ответ; Я должен признать, что теперь, когда вы упомянули об этом, вывод о расширении пирамиды производителей/травоядных/хищников кажется очевидным, но я на самом деле не работал над этим для себя. Этот ненасытный первоклассный охотник был бы великолепным зверем (и, вероятно, подвергался бы значительному давлению, чтобы развить настоящий интеллект). Хорошее замечание также о фотогетеротрофах. Точно так же, вероятно, есть большая ниша для грибов, которые мне тоже нравятся. Надеюсь получить больше таких ответов.
на самом деле, чтобы приспособить эту широко распространенную пищевую цепочку, я могу просто сделать планету огромной — суперземлей, которая прекрасно сочетается с сохранением атмосферы H2. Однако нужно будет подумать о том, как животные могут преодолевать большие расстояния.
Если вы увеличите плотность добычи, вы можете уменьшить требуемый диапазон. Если растения растут невероятно густо, то и добыча будет плотнее, чтобы ваш хищник мог использовать тактику засады и подпустить добычу к себе. До тех пор, пока он не останется на месте достаточно долго, чтобы большой пятнистый лазающий банан вонзил в него свои щупальца...

Давай сюда свои окислители! Берите их, пока они горячие!

Фундаментальный вопрос: откуда вы берете окислитель? Весь кислород на этой метан+H2 планете обернут водой или чем-то еще. Кандидатами-окислителями могут быть фтор или хлор, но у обоих есть свои проблемы. Фтор настолько реакционноспособен, что никогда не остается свободным надолго. Хлор также никогда не встречается в воздухе в свободном виде. С таким количеством метана и водорода, плавающим вокруг, любой окислитель будет быстро захвачен. У нас он есть только на Земле, потому что так много жизни выкачивает кислород.

Это оставляет нам два варианта. Во-первых, мы развиваем реципрокный метаболизм, который не требует окислителя и работает на водороде. (Мир химии широк. Вероятно, это можно сделать.) Я недостаточно знаком с химией, чтобы даже предположить возможные реакции.

Или, во-вторых, мы перерабатываем окислители внутри автотрофа после их потребления из земного карбоната, возможно, карбоната кальция , который имеет три атома кислорода на один атом кальция. Я не знаю затрат энергии на приобретение окислителя таким образом, но это кажется удобным. Может, какой-нибудь фторсодержащий катализатор?

CO2 также удаляется из атмосферы путем преобразования в карбонат со скоростью, которая зависит от химического состава поверхности.

Эта атмосфера — обратная сторона Земли. На Земле окислитель находится в свободном доступе, а топливо в дефиците.

из-за отсутствия окислителей это называется восстановительной атмосферой. Я цитирую статью: «В восстановительной среде высокоокисленные соединения могут сохраняться в качестве материалов для хранения энергии, обладая наибольшей плотностью энергии при восстановлении водородом, или другие соединения, играющие роль, сравнимую с ДМСП, могут накапливаться и использоваться в качестве высокоактивных материалов. энергетическая пища. Следовательно, отсутствие кислорода не исключает возможности того, что другие компоненты биомассы могут метаболизироваться с получением большого количества энергии на грамм». Окисление накопленной биомассы, по-видимому, не единственный способ производства энергии.
Ха! :) Вы получили ответ школьника. Извините, я не могу сделать лучше.
Гидрогенный фотосинтез: стратегии для животных
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v