Вероятная биологическая альтернатива нормальному фотосинтезу

Вы просили о точной науке, так что вот она.

Ключевым процессом фотосинтеза является цикл Жолио-Кока. Это то, что «расщепляет» воду и производит$O_2$, вместе с$H^+$а также$e^-$которые используются для создания высокоэнергетических молекул. Вот оригинальное предложение в статье Кока, а вот ссылка на полный текст, если у вас есть доступ. Механизм представляет собой сложную окислительно-восстановительную химию, но он хорошо резюмирован на приведенной ниже диаграмме из этого вопроса SE, который на самом деле получил диаграмму отсюда . . Другой вопрос SE показывает нам, какую роль играет свет — при перемещении между различными$S$состояния. Как только у нас есть$e^-$а также$H^+$, у нас есть энергия в химической форме, которая часто содержится в кофакторах , таких как$NADH$,$NADPH$, или же$FADH_2$. Все это высокоэнергетические формы их окисленных состояний.$NAD^+$,$NADP^+$, а также$FAD$, соответственно, и может рассматриваться как своего рода батарея, которая заряжается от$e^-$а также$H^+$. В некотором смысле «настоящей» целью фотосинтеза является производство$e^-$а также$H^+$из световой энергии, которую затем можно использовать для «зарядки» кофакторов. Итак, давайте рассмотрим пару способов сделать это.

Стоит отметить, что кофакторы — это не волшебные материалы, а просто большие органические молекулы.$NAD^+ = C_{21}H_{27}N_7O_{14}P_2$,$NADP^+ = C_{21}H_{27}N_7O_{17}P_3$, а также$FAD = C_{27}H_{33}N_9O_{15}P_2$

Простые (но реалистичные) решения:

1) Термосинтез

Нет никаких причин, по которым энергия, необходимая для расщепления воды, ДОЛЖНА исходить от света — просто так это делает современная биология. С другим набором ферментов и другим циклом биология могла извлекать энергию из самых разных источников. В этом случае термосинтез будет зависеть от тепла, а не от света:

$H_2O+heat => O_2 + 4H^+ + 4e^-$

Этот механизм будет отличаться от цикла Кока, потому что у вас будет термически активируемая альтернатива P680 в середине, а не фотореактивный. Так что это одно из решений - термически активированный P680.

Завершение уравнения (это идентично светонезависимым реакциям фотосинтеза):

$2H^+ + 4e^- + 2NAD^+ => 2H^- + 2NAD^+ => 2NADH$

2) Фотосинтез без воды

В качестве альтернативы можно использовать другой акцептор электронов . Это появилось в вопросе WB , который вдохновил этот вопрос (если мы будем повторять гораздо больше, нам придется перейти к мета), и решением были азот и оксиды азота, одни из самых мощных акцепторов электронов в природе. Вполне правдоподобно представить, что эти оксиды азота заменяют воду в нормальном пути фотосинтеза, производя$O_2$а также$N_2$как результат. У исследователей не было механизма для этого, но он предположительно производит$O_2$который затем используется для окисления метана. Итак, это еще одно решение, похожее на

$2NO + light + H^+ => N_2 + O_2 + 2e^- + H^+$

Завершая уравнение (опять же, идентичное светонезависимым реакциям фотосинтеза):

$H^+ + 2e^- NAD^+ => H^- + NAD^+ => NADH$

Безумные идеи

Это миростроительство — давайте расширим границы правдоподобия. Откуда еще мы можем получить энергию? Механическое движение. Мое видение этого — некий организм, похожий на водоросли, который подбрасывается волнами или приливами, подобно теоретическим экстракторам волновой/приливной энергии. Когда стебель ламинарии растягивается, он тянет за собой длинную молекулу. Есть несколько способов получить энергию из этого.

3) Конформационные изменения

Это похоже на то, что происходит в вашем глазу: длинная молекула не перегибается (двойная связь переключается с цис на транс), за исключением того, что мы используем механическую энергию, чтобы выпрямить ее. При этом происходит конформационное изменение молекулы, которая притягивает гидрид ($H^-$, или те самые важные$H^+ + 2e^-$) без воды - запуск окислительно-восстановительной цепи, аналогичной циклу Кока. $^+OH$затем будет атакован другой водой с образованием перекиси водорода, которая может разложиться на$O_2$а также$H_2$в обратном нормальному процессу . Достижимый? Не совсем. Хорошая фантастика? Может быть. Вот ваша формула:

$2H_2O + mechanical force + NAD^+=> H^- + ^+OH + H_2O + NADH => H_2O_2 + H_2 +NADH$

4) Радикальная химия

Точно так же мы могли бы использовать эту механическую силу, чтобы разорвать связь, создав два радикала. я представляю себе$O-H$связь, образуя некоторый спиртовой радикал и$H_{(rad)}$. Водородный радикал будет реагировать с чем-то вроде$FAD$.$FAD$является еще одним из тех кофакторов, которые уже использует современная биохимия Земли, и он имеет низкое энергетическое состояние, поскольку$FAD$и состояние высокой энергии, когда оно снижается до$FADH_2$.$FAD$принимает два радикальных атома водорода в этом механизме, поэтому он идеально подходит для нашего использования. Спиртовой радикал будет атаковать воду с образованием перекиси и действовать, как указано выше. Могу ли я представить, что это действительно работает? Нет. Поможет ли это приостановить недоверие к художественному роману? Вероятно. Вот уравнение:

$2RCOH + mechanical\ force + FAD +H_2O=> 2H_{(rad)} + 2RCO_{(rad)} + FAD + H_2O => FADH_2 + 2RCOH + H_2O_2 => FADH_2 + 2RCOH + H_2 + O_2$

где RCOH — обычный спирт, возможно, этанол ($CH_3CH_2OH$) или пропиленгликоль ($C_2H_6OHCOH$)

5) Бета-излучение

Этот тип излучения производит позитрон, частицу антивещества к электрону. Когда позитрон и электрон сталкиваются, они аннигилируют. Если бы это произошло с молекулой воды или чем-то подобным, то образовался бы водородный радикал, который мог бы быть захвачен FAD , образуя ион гидроксида. Не совсем уверен, как из этого получить кислород, но, возможно, его можно катализировать в перекись натрия, а затем в гидроксид натрия и газообразный кислород . Уравнение:

$2e^+ + 2H_2O + FAD=> 2H_2O_{(rad)} + \gamma\ rays + FAD => 2H_{(rad)} + 2^-OH + FAD => FADH_2 + 2^-OH$

6) Гамма-излучение

Вы указали «не может использовать свет», но я чувствовал, что гамма-излучение, поедающее грибы и бактерии, заслуживает похвалы. Этот свет исходил бы не от солнца, он исходил бы от радиоактивного источника, вероятно, глубоко внутри Земли. Не уверен, что это считается, но я включу ссылки здесь и здесь на всякий случай. Их основная формула такая же, как у фотосинтеза, но с фотонами гораздо более высокой энергии:

$2H_2O + \gamma\ rays => O_2 + 4H^+ + 4e^-$

Чтобы закончить уравнение, мы снова используем кофактор:

$4e^- + 2H^+ + 2NAD^+ => 2H^- + 2NAD^+ => 2NADH$

Вероятно, есть несколько хороших теоретических процессов, но на ум приходят два естественных процесса: хемосинтез и ретиналь .

Для хемосинтеза требуется кислота, тепло и CO2, чтобы сделать сахар, воду, и он удаляет анион из кислоты.

Цикл сетчатки использует солнечный свет и бета-каротин для производства сетчатки, кислорода и некоторого количества энергии. Он также является основой гипотезы пурпурной земли и считается предшественником современного хлорофилла.

Если выделение кислорода не является жестким требованием, вы можете модифицировать реакцию хемосинтеза, чтобы выделять любой элемент, который вы хотите, при условии, что он может образовывать кислоту в присутствии водорода. Чем он более электроотрицательный, тем выше интенсивность подводимой энергии. Возможно, вы могли бы даже сделать это с комплексной кислотой, такой как серная (H2SO4), и получить вторичную реакцию, которая могла бы произвести некоторое количество кислорода из побочного продукта.

Краткое описание
Некоторые бактерии используют хемосинтез для восстановления диоксида углерода и образования органических веществ, если присутствуют кислород и сероводород. Другие бактерии генерируют собственный кислород в отсутствие света, используя нитрит. Таким образом, если элементы обоих присутствуют с избытком производителя кислорода, это должно имитировать фотосинтез и производить как кислород, так и органическое вещество в отсутствие света.

Нитриты в природе
Нитриты являются частью азотного цикла https://en.wikipedia.org/wiki/Nitrogen_cycle и присутствуют в той или иной степени в большинстве почв.

Источники оксида азота Нитриты
азотного цикла могут быть восстановлены до оксида азота с помощью ксантиноксидоредуктазы (XO). В аэробных условиях:

2NADH + NO2- > XO > NO + 2NAD+ + H2O
http://www.jbc.org/content/275 /11/7757.полный

Оксид азота также образуется при высоких температурах молнии.

N2 + O2 → 2NO
https://www.nature.com/articles/nrd2466

Производство кислорода в отсутствие света
Бактерии Candidatus Methylomirabilis oxyfera превращают оксид азота в свободный азот и свободный кислород.

2NO > N2 + O2
http://www.kegg.jp/kegg-bin/show_organism?org=mox https://www.mpg.de/621120/pressRelease201003241

Производство углеводов
Хемосинтез – это использование энергии, высвобождаемой в результате неорганических химических реакций, для производства пищи. Хемосинтез лежит в основе глубоководных сообществ, поддерживая жизнь в абсолютной темноте, куда не проникает солнечный свет. Такой как здесь .

Обычно используют такие реакции .

CO2 + 4H2S + O2 -> CH20 + 4S + 3H2O

Сероводород (H2S) встречается в природе в виде продукта серосодержащих горных пород и магмы, находящихся в контакте с морской водой под высоким давлением, и встречается в стоках некоторых глубоководных жерл.

Обсуждение
H2S и CO2 присутствуют в окружающей среде. Единственным отсутствующим элементом является кислород, который обеспечивается азотным циклом путем восстановления нитрита до оксида азота с помощью ксантиноксидоредуктазы с последующим преобразованием в свободный кислород и свободный азот бактериями типа Methylomirabilis oxyfera.

Я предлагаю, чтобы ферменты Methylomirabilis и процессы синтеза происходили отдельно от их обычного использования (окисление метана) и вместо этого предоставлялись симбионтным хемосинтетическим видам, которые используют H2S, CO2 и O2 для производства углеводов. Взамен симбионт Methylomirabilis получает часть произведенных углеводов.

Здесь можно найти и другие бактерии, которые производят кислород в отсутствие света и используют ряд неорганических материалов .

Другие хемосинтетические бактерии работают с различными неорганическими средами, такими как водород или аммиак, для производства органических материалов, поэтому их также можно использовать (см. выше ссылку на хемосинтез).

Более подробную информацию о Methylomirabilis oxyfera можно найти здесь .

Я не могу найти его за короткое время, которое мне нужно, чтобы ответить на этот вопрос, но пару лет назад я наткнулся на статью о женщине, которая нашла здесь небольшое озеро/пруд в отдаленном месте. на Земле есть микроорганизмы, которые заменили свои атомы углерода и фосфора либо серой, либо цианистым мышьяком. Источник углерода и фосфора в этом районе был настолько низок, а альтернатива была настолько распространена, что они каким-то образом переключились.

Таким образом, они каким-то образом перестали быть формами жизни, основанными на углероде. Опять же, прошли годы с тех пор, как я читал первую статью, но я помню, что ей написали о том, что почти все средства массовой информации неверно процитировали ее, сказав, что она «нашла инопланетную жизнь на Земле», когда она сказала что-то вроде «найти жизнь». на земле, что чуждо нашему образу мыслей».

Изображение, которое я помню, было со статьей, это дама с дымящимся прудом позади нее, который выглядит так, как будто он обрамлен солью. Если я что-то правильно помню, мне кажется, что вокруг пруда совершенно нет флоры.

При поиске этой статьи я нашел похожую статью об исследователях в глубокой шахте, которые пытаются выяснить, как некая микрожизнь живет без света и с высокой концентрацией серы.

https://beta.theglobeandmail.com/technology/science/ancient-water-from-northern-ontario-mine-may-harbour-alien-life/article32540885/

Мне жаль, что я не могу быть более полезным, но я надеюсь, что это отправная точка. По крайней мере, это какая-то наука, если не что иное.

РЕДАКТИРОВАТЬ: я нашел оригинальную статью, а также точные научные данные, подтверждающие ее. Я также нашел статью, которая пытается разоблачить это. У меня нет сил это понять, так что я позволю тебе побороться/разобраться. Я ошибся в некоторых деталях по памяти, поэтому комментарий @Ash сыграл важную роль в поиске этих статей.

Женщину зовут Фелиса Вульф-Саймон.

https://www.popsci.com/science/article/2011-09/scientist-strange-land

http://science.sciencemag.org/content/332/6034/1163.full

https://news.nationalgeographic.com/news/2012/07/120709-arsenic-space-nasa-science-felisa-wolfe-simon/

Вставка возможных релевантных научных данных из статьи ScienceMag.org:

Мышьяк (As) является химическим аналогом P, который находится непосредственно под P в периодической таблице. Мышьяк обладает таким же атомным радиусом, а также почти такой же электроотрицательностью, как P (5). Наиболее распространенной формой P в биологии является фосфат (PO43–), который ведет себя аналогично арсенату (AsO43–) в диапазоне биологически значимых градиентов pH и окислительно-восстановительного потенциала (6). Физико-химическое сходство между AsO43- и PO43- способствует биологической токсичности AsO43-, потому что метаболические пути, предназначенные для PO43-, не могут различать две молекулы (7), и AsO43- может быть включен на некоторых ранних этапах путей [(6) и ссылки в нем]. Однако считается, что последующие метаболические процессы, как правило, несовместимы с молекулами, содержащими мышьяк, из-за различий в реакционной способности соединений фосфора и мышьяка (8). Эти последующие биохимические пути могут потребовать более химически стабильных метаболитов на основе фосфора; время жизни более легко гидролизуемых As-содержащих аналогов считается слишком коротким. Однако, учитывая сходство As и P — и по аналогии с заменами микроэлементов — мы предположили, что AsO43– может специфически замещать PO43– в организме, обладающем механизмами, позволяющими справляться с присущей соединениям AsO43– нестабильностью (6). Здесь мы экспериментально проверили эту гипотезу, используя AsO43- в сочетании без добавления PO43-, чтобы выбрать и изолировать микроб, способный выполнить эту замену. учитывая сходство As и P — и по аналогии с заменами микроэлементов — мы предположили, что AsO43– может специфически замещать PO43– в организме, обладающем механизмами, позволяющими справляться с присущей соединениям AsO43– нестабильностью (6). Здесь мы экспериментально проверили эту гипотезу, используя AsO43- в сочетании без добавления PO43-, чтобы выбрать и изолировать микроб, способный выполнить эту замену. учитывая сходство As и P — и по аналогии с заменами микроэлементов — мы предположили, что AsO43– может специфически замещать PO43– в организме, обладающем механизмами, позволяющими справляться с присущей соединениям AsO43– нестабильностью (6). Здесь мы экспериментально проверили эту гипотезу, используя AsO43- в сочетании без добавления PO43-, чтобы выбрать и изолировать микроб, способный выполнить эту замену.

Итак, поскольку вы просили о реакции без света и/или без CO2, я выберу и то, и другое, я собираюсь предположить, что у нас могут быть биологические структуры, которые используют эффект Зеебека и используют температурные градиенты для высвобождения электронов для химического восстановления. Формы жизни, использующие температурный градиент таким образом, вероятно, будут относительно тонкими и широкими с одной стороной, поглощающей тепло, и другой, рассеивающей тепло, и будут использовать преимущества либо инфракрасной инсоляции от солнечного света, чем какого-либо света видимого спектра, используемого в обычном фотосинтезе, или тепло от подводного вулканизма или другой геотермальной активности.

Итак, эффект Зеебека дает нам потенциально несолнечный путь биохимической энергии, но что мы собираемся с ним делать? Начнем с того, что это существо нуждается в определенных элементах в той степени, в которой традиционные организмы не нуждаются, в частности, в алюминии и кремнии для структуры термопары, которая составляет его силовую установку, обратите внимание, что ему требуется примерно равное количество этих двух элементов. В природе и алюминий, и кремний встречаются в основном в виде минеральных оксидов, образующих породу, Al2O3 для алюминия и SiO2 для кремния, восстанавливая эти соединения для формирования своей структуры, наша термоустановка высвобождает примерно такой же вес кислорода, как и поглощает алюминий и кремний, часть этого кислорода будет сохранена для создания соединений для хранения энергии, таких как АТФ , но большая часть его будет выпущена в атмосферу.

Хлорные миры

Формы жизни на всех известных хлорных мирах демонстрируют одну и ту же фундаментальную биохимию. Это, вместе с некоторыми последовательными аспектами клеточной морфологии, считается явным признаком общего происхождения. Как и в более типичных мирах, жизнь на хлорных мирах вырабатывает химическую энергию солнечного света, используя ее для восстановления доступных водородосодержащих соединений. Как и в мирах террагенового типа, наиболее распространенным донором водорода является вода просто потому, что ее очень много. Эта форма фотосинтеза высвобождает кислород. Однако в хлорных мирах также имеется большой запас соляной кислоты, и фотосинтезирующие организмы также используют этот ресурс и выделяют хлор. При расщеплении воды и расщеплении соляной кислоты высвобождаются ионы водорода и высокоэнергетические электроны, которые затем используются для производства углеводов и других органических соединений. Обычный источник углерода – двуокись углерода. Таким образом, на хлорных мирах преобладают два вида фотосинтеза:

2HCl + CO2 ---> CH2O +Cl2, в котором потребляются соляная кислота и углекислый газ и образуются органические соединения и хлор, и H2O + CO2 ---> CH2O + O2 - гораздо более распространенный процесс, знакомый по Terragen и подобным биохимиям.

Большинство фотосинтезирующих организмов на самом деле предпочитают использовать соляную кислоту, если она доступна, но доступность воды делает ее более распространенным донором. Высвобождение хлора в конечном итоге часто приводит к выделению кислорода в атмосферу в любом случае, поскольку хлор реагирует с водой с выделением кислорода и снова с образованием хлороводорода. Комбинация различных фотосинтетических пигментов, высвобождающих кислород и хлор, обычно кажется пурпурно-черной для человеческого глаза. В свете типичной звезды типа K этот цвет почти черный. Дыхание на хлорных мирах противоположно фотосинтезу, и большинство организмов способны использовать в качестве топлива либо хлор, либо кислород. Итак, животное в хлорном мире выдыхает не только углекислый газ и воду, но и соляную кислоту. Хлоруглероды широко распространены в биосфере. и участвуют во многих биологических путях (в отличие от более типичных миров-садов, таких как Земля, в которой присутствуют естественные хлоруглероды, но относительно редко образуются в результате биологической деятельности). Некоторые особенно устойчивые хлоридные полимеры используются наземными формами жизни для защиты от чрезмерных концентраций хлористого водорода или от чистой воды, которые вредны для их тканей.

Ядовитые миры типа

Многие ядовитые миры имеют фотосинтезирующие формы жизни. Точные биохимические пути могут различаться, но основной процесс в большинстве этих миров одинаков и несколько знаком. Солнечный свет запускает клеточные процессы, которые объединяют CO2, серную кислоту и основные силиконы в богатые энергией силиконовые полимерные «сахара» и высвобождают свободный кислород. Клеточное дыхание, конечно, наоборот; силиконовые «сахара» «сжигаются» кислородом с образованием CO2, серной кислоты и отходов силикона. Силиконовые субстраты обычно твердые, но иногда и жидкие, и, как правило, не производятся в достаточных количествах, чтобы вызвать трудности с удалением даже для сложных многоклеточных форм жизни.

Соединения серы почти всегда имеют большое количество и большое значение в биохимии купороса из-за их химической полезности и большого количества в окружающей среде. Металлы также используются гораздо чаще, чем в биохимии Terragen, из-за большого сродства серной кислоты к их растворению. Следует также отметить, что экстремальная жара Vitriolic миров не является препятствием для местной жизни, это почти всегда требование. Многие реакции зависят от высокой энергии, которую приносит такое тепло, даже с помощью эквивалентов ферментов. Таким образом, температуры намного ниже 100°C начинают сильно замедлять большинство реакций.