Известны ли формы жизни, способные преобразовывать механическую энергию в химическую?

Известны ли формы жизни, способные преобразовывать механическую энергию в химическую?

Этот вопрос задает аналогичный предмет, но более конкретный и не имеет ответов.

В основе этого вопроса лежат мысли о гипотетической жизни на замкнутых приливом экзопланетах красных карликов, где света для фотосинтеза мало, а механической энергии (штормы и/или водные потоки) предостаточно.

Ответы (5)

Нет известных форм жизни, которые используют механическую энергию в качестве основной формы метаболической энергии (т. е. для обычных клеточных функций). Многие формы жизни каким-то образом чувствительны к механическим разрушениям, поэтому они используют механическую энергию, но очень ограниченно (ответ Дэвида касается этого), и, конечно, многие организмы имеют жизненные циклы, которые каким-то образом зависят от механического транспорта (семенных /распространение спор, перемещение на ветру или океанских течениях и т.д.).

Я думаю, что главная физическая проблема заключается в том, что механическая энергия просто недоступна для биологических клеток в форме, которая может быть преобразована в существенную химическую энергию. Они маленькие, и, как правило, имеют другие большие преимущества для того, чтобы быть маленькими.

Возьмем, к примеру, океанскую волну: движение клетки в этой волне очень мало или совсем не ощущается, кроме очевидного увеличения и уменьшения силы гравитации. Верх и низ ячейки движутся вместе с потоком воды, поэтому нет разницы в работе.

E. coli весит около 1 пикограмма. Если бы он мог захватить всю энергию падения с высоты 1 км в воздухе на землю, при условии отсутствия неучтенного аэродинамического сопротивления, это составило бы около 10-11 джоулей.

Если при сжигании глюкозы доступно около 3000 кДж/моль энергии, это означает около 5 × 10 -21 джоулей на молекулу глюкозы, то есть около 20 миллиардов молекул глюкозы, что звучит много, но это всего лишь 1 фемтограмм, 0,1% вес клетки.

Также обратите внимание: в ответе @David он очень хорошо отмечает, что в некотором смысле использование механической силы для открытия канала действительно является формой использования энергии и, следовательно, доказательством того, что это может произойти. Чтобы поставить этот процесс на том же уровне, этот источник (первоначально упомянутый @GerardoFurtado) дает работу, необходимую для открытия одного из этих каналов, примерно 8 × 10 -22 Дж. Открытая задержка для этих каналов составляет менее 50 микросекунд, но это все еще сильно ограничивает количество возможных циклов в единицу времени. Химическая энергия просто существенно более плотная, чем механическая энергия: вот почему порох вытеснил катапульты (и даже требушеты...).

Не ответ на вопрос, но очень полезное соображение.
@GyroGearloose Я добавлю на него ответ, наверное, я немного его пропустил.
@BryanKause не торопитесь и не беспокойтесь. Ваше внимание ценится.
«Открытая задержка» — вы имеете в виду время, в течение которого канал остается открытым?
Я немного разочарован тем, что ответ «Нет», но тогда я действительно не ожидал, что эволюция принесет что-то с медными проводами, сильными магнитами и ветряной турбиной. Мне нужно время, чтобы сформулировать другой вопрос на том же фоне. На ум приходит осмотическая энергия.
@Mockingbird Время от отклонения наконечника связано с тем, когда канал может пропускать ионы.

Это определенно не моя область, и я не интересуюсь научной фантастикой, но вопрос показался мне интересным и привел меня к области бимолекулярной науки, которая может иметь отношение к этому вопросу.

Во-первых, прямо отвечая на вопрос, я не знаю ни одного примера форм жизни того типа, который вы предлагаете.

Однако есть примеры биологических процессов, включающих механическое движение, приводящее к «высвобождению» электрической энергии. Следующая недавняя статья привлекла мое внимание к этому явлению, и введение содержит справочную информацию об этом явлении.

Электронно-криомикроскопическая структура канала механотрансдукции NOMPC .

Оказывается (спасибо @Bryan_Krause), электрический ток является результатом открытия «ворот» для рассеивания существовавшего ранее градиента концентрации ионов, заранее установленного за счет расхода клеточной химической энергии в виде АТФ. Тем не менее открытие этих ворот должно влиять на конформацию белка или белкового комплекса, участвующих в поддержании ворот, и может рассматриваться как использование механической энергии для перевода комплекса из конформационного состояния более низкого в одно из более высоких. свободная энергия.

Количество энергии, затрачиваемой в этом случае, может быть весьма низким — несколько водородных связей по сравнению с на порядок большей энергией гидролиза АТФ. Однако это интересное «доказательство принципа». Если небольшое количество механической энергии может быть преобразовано таким образом, я бы не стал ставить на то, что в какой-то нише найдутся организмы, собирающие больше энергии и использующие ее с большим эффектом. Как основной источник энергии для жизни? Возможно нет.

Это, правда, очень приятно. Однако такой рецептор не нов, взгляните на это изображение, сделанное Альбертсом 15 лет назад: ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26868/figure/A4107/?report=objectonly . Кроме того, это всего лишь ворота: они не преобразуют механическую энергию в химическую, а позволяют только обмениваться Na+/K+, как и любые другие ворота.
Чтобы добавить к тому, что написал @GerardoFurtado, есть также рецепторы для механотрансдукции в нескольких сенсорных системах: все различные формы прикосновения, проприоцептивное ощущение в ваших мышцах и сухожилиях, слуховая и вестибулярная системы и т. д., а также есть клетки, которые несколько более случайно механотрансдуктивный (например, если вы нажмете сбоку на глаз, вы «увидите» в поле зрения предметы, соответствующие этой части сетчатки — будьте осторожны). Все они имеют общее то, что они используют ранее существовавшие градиенты концентрации.
@BryanKrause — Спасибо. Меня интересовал именно этот момент. Прежде чем я отредактирую или удалю свой ответ, не могли бы вы сказать мне, правильно ли я думаю, что механическая энергия используется для преобразования белка (или белкового комплекса) из структуры с более низкой свободной энергией (которая удерживает ворота закрытыми) в более высокую. структура свободной энергии, в которой ворота (временно) открыты?
@David Да, я думаю, вы могли бы сформулировать это таким образом, но мне не ясно, существует ли на самом деле стабильное состояние с более высокой свободной энергией, я думаю, что лучше думать об этом как об упругой энергии, но, конечно, это способствует свободная энергия.
Боюсь, что механизм запускает только преобразование ранее доступной химической энергии в электрическую, как кнопка на электрическом фонарике запускает преобразование химической энергии в батарее в электрическую энергию, используемую лампой. Энергия от механических источников не добавляется. Однако механизм выглядит достойным упоминания.
Я не думаю, что аналогия с кнопкой верна. Нажатие кнопки не вызывает преобразования одной формы энергии в другую. Если в приведенном мной примере речь идет о преобразовании механической энергии в конформационное изменение в белке, то, даже если он не дает энергии для начального градиента концентрации, это доказательство принципа.
Я пересмотрел свой ответ в свете комментариев. Если вы проголосовали за него и теперь разочарованы, отмените свой голос. Если пересмотренный ответ не будет сочтен полезным, я буду рад его удалить.
Я думаю, что аналогия с кнопкой на самом деле хороша, если вы просто добавите пружину, которая возвращает кнопку на место, когда вы ее отпускаете. Энергия заключается в нажатии на кнопку против давления пружины, которая является формой механической энергии, очень похожей на деформацию звеньев наконечника, которая также является механической энергией. Вы можете говорить об этом как о химической энергии, но на самом деле это ничем не отличается. Кроме того, @David, мне нравятся ваши дополнения, а также я добавил к моему собственному ответу обсуждение энергии, необходимой для открытия этих каналов.
@Mockingbird — спасибо за интерес к моему ответу и комментарию Брайана Краузе. Правильная процедура согласия с комментарием — проголосовать за него (при условии, что у вас есть такая привилегия). Как и в случае с ответами, цель комментариев не состоит в том, чтобы писать «я тоже» без объяснения причин, поскольку это бесполезно для отвечающего (в данном случае для меня) или других читателей. Напомню, что речь шла не о поиске аналогий для описания биологических механотрансдукционных процессов, а об их энергетике. Мой ответ пытается решить эту проблему, рассматривая изменения свободной энергии в системе.
Вы могли бы также упомянуть АТФ-синтазу , которая является противоположностью насоса — она преобразует энергию, накопленную в виде градиента протонов через мембрану, в механическую вращательную энергию, прежде чем преобразовать ее в химическую энергию в виде АТФ.

Я читал и читал статью о некоторых бактериальных спорах, которые используются для выработки электричества, когда они расширяются и сжимаются. Не уверен, что это подходящий ответ, но это то, что пришло мне в голову, когда я прочитал ваш вопрос. https://www.sciencedaily.com/releases/2014/01/140127101242.htm

К сожалению, я не могу открыть эту ссылку. Мне выдает "Код ошибки: ssl_error_no_cypher_overlap". Я слышал о таких экспериментах, но знаю, что эти организмы используются только для массового производства дешевых микроструктур. Они мертвы, когда эксперимент начинается. Ничего общего с биологией. Возможно, ваша ссылка указывает на что-то другое, но я не могу это проверить.
@GyroGearloose Да, в основном это суть: когда весь лист высыхает, он сжимается, поэтому, если он прикреплен к гибкому материалу, этот материал изгибается. В некотором смысле биоматериал, но трансдукция вовсе не биологическая.

Нет, поскольку механическая энергия не может быть собрана в масштабах длины, в которых существует клеточная жизнь. Клеточная жизнь существует в масштабе длины, где вязкость является основной действующей силой, силой, которую необходимо преодолевать, затрачивая энергию.

Здесь есть хорошая статья, в которой подробно описывается, что могут делать с помощью механизмов маленькие организмы/клетки: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4451180/

Источник, который вы цитируете, является ведущим журналом, и ваше замечание может быть правильным, но ответ здесь должен быть понятным сам по себе — мы не можем ожидать, что мы пойдем и прочитаем статью, чтобы понять ответ. Поэтому, пожалуйста, отредактируйте свой ответ, чтобы объяснить, почему «механическая энергия не может быть собрана на масштабе длины, на котором существует клеточная жизнь». и при чем здесь вязкость. Я понимаю, что это рутинная работа, если английский не является вашим родным языком, но это может сделать ваш ответ гораздо более полезным для всех нас.
Если вы все хотите, чтобы я был в порядке, но для объяснения потребуется совсем немного физики. Я решил дать максимально короткий и точный ответ, для понимания которого не потребуется высшее образование.
Просто поймите, что жизнь существует в микрометровом масштабе, а молекулярный механизм, необходимый для сбора механической энергии, должен существовать в нанометровом масштабе. В таком малом масштабе индивидуальные взаимодействия атомов намного сильнее, чем приложенная механическая энергия. Например, клетки могут выдержать пару тысяч g, в то время как биомолекулы, такие как белки, могут выдержать несколько десятков тысяч g. Хотя механическое воздействие можно ощущать, его нельзя использовать для поддержания градиента ионов через мембраны и, следовательно, оно не может управлять синтезом АТФ.

Некоторые биологические молекулы, такие как коллаген, проявляют пьезоэлектрическое явление при механическом воздействии ультразвуковыми волнами ( https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.238101 ).

Эта манипуляция не приводит к выработке химической энергии, но в теоретически «сложной» научно-фантастической работе я бы предположил, что можно законно писать об организмах, которые эволюционировали, чтобы использовать молекулы коллагена или коллагеноподобные белки (скажем) для использовать этот градиент напряжения как потенциальный источник энергии для создания своих копий. В конце концов, растения используют протонный градиент и фотосинтез для хранения энергии в молекулах АТФ с той же целью.

Если есть градиент энергии, который можно использовать для выполнения работы, жизнь обычно находит способ воспользоваться этим .

Известны ли формы жизни, способные преобразовывать механическую энергию в химическую?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v