Возможно ли глоточное и кожное дыхание у водного млекопитающего?

К сожалению, это невозможно. Теплокровные животные, такие как млекопитающие, просто используют слишком много кислорода для поддержания внутренней температуры тела, чтобы кожное дыхание было эффективным.

Давайте получим некоторые цифры для этого. Человеческое тело использует около 8 мг кислорода в секунду. В океане концентрация кислорода колеблется от 0 до 10 мг кислорода на литр. Таким образом, в лучшем случае мы пропускаем 1 литр кислорода через тело русалока в секунду, что на самом деле не звучит так уж неправдоподобно. Тем не менее, кожа русалки на самом деле не сможет поглотить весь этот кислород — она ограничена скоростью диффузии.

Согласно этой статье , человеческое тело может поглощать около 1 мл кислорода в минуту, основываясь как на их измеренной оценке, так и на теоретической модели, которая требовала алгебраического статического решения второго закона Фика. Я выбрал соответствующий раздел, так как статья может быть защищена платным доступом для некоторых пользователей:

По сути, мы сталкиваемся с разницей в два порядка между тем, что нам нужно (8 мг/сек), и тем, что можно получить (0,021 мг/сек).

Тем не менее, есть некоторые другие идеи, которые могут помочь вам обойти это ограничение — я приведу ссылку на свой ответ здесь , другой вопрос здесь и еще один здесь , на случай, если вы их еще не видели.

К сожалению, физически невозможно построить эндотерм, который дышит водой, как бы вы ни старались.

В лучшем случае насыщение воды кислородом достигает порядка 10 миллиграммов на литр. Рассмотрим окисление металлического бериллия в кислороде, один из наиболее эффективных способов получения тепла при стандартной энтальпии образования -599 кДж/моль.

Поскольку полученный оксид бериллия имеет формулу BeO с молекулярной массой 25 и содержит отношение Be к O от 9 до 16, из одного литра воды может образоваться только около 15,625 мг оксида бериллия, если насыщение кислородом полностью израсходовано. . 0,015625/25*599000= 374,375 Дж на литр потребленной воды.

При теплоемкости 4,2 кДж/кг*С энергии 374,375 Дж достаточно лишь для того, чтобы поднять температуру этого литра воды на 0,09 градуса С. На самом деле такую ​​малую разность температур невозможно уловить даже при рекуперативный теплообменник, максимальная эффективность которого составляет 95 процентов, или остаточная разница температур на 1,78 градуса по Цельсию выше самой высокой зарегистрированной температуры океана 31 градус по Цельсию = 32,78 градуса по Цельсию, или внутренняя температура около 33 градусов по Цельсию.

Ниже 35 градусов С наступает гипотермия, ниже 33 градусов С останавливается сердце. Ниже 30 градусов по Цельсию млекопитающее погибнет от переохлаждения. Средняя температура океана вблизи тропиков составляет около 28 градусов по Цельсию. Таким образом, независимо от того, насколько велики ваши мерфолки, та самая вода, которой они дышат, не даст температуре их тела достичь достаточного уровня, чтобы заставить их сердца биться!

Вот почему ВСЕ морские эндотермы дышат воздухом — не потому, что у них были легкие, а не жабры, а потому, что содержание кислорода в одной только морской воде недостаточно для поддержания даже минимального минимума внутренней температуры тела, необходимого для функционирования эндотерма!

Рыбы и экзотермы используют жабры, потому что их физиология не требует ни выделения тепла, ни высокой температуры. Энергии растворенного кислорода достаточно для большей части биологической активности, ЕСЛИ нет необходимости в поддержании тепла тела.

В комиксах DC атланты избегают этого, используя магию для удовлетворения большей части своих потребностей в физической энергии, которая может вообще не быть эндотермической. Без магии или другого источника энергии, который не зависит от химической реакции с газообразным кислородом, эндотерм водяного дыхания физически невозможен, если только вы не считаете теплокровными стабильную температуру тела не более чем на полградуса выше средней температуры воды.

Решение?

Один обман, основанный на реакциях, не требующих Di-Oxygen, то есть Ан-аэробной реакции.

Метод обмана : пусть ваши мерфолки живут в очень горячей воде, температура которой приближается к средней температуре человеческого тела или, по крайней мере, выше которой сердце млекопитающего может биться при минимальном дополнительном нагреве. Т.е. пусть ваши мерфолки живут в геотермальных районах, таких как королевство соленой воды в DC Aquaman. Дополнительная потребность в тепле для физиологии млекопитающих обеспечивается внешним источником или, как в фильме, буквально купанием в расплавленной лаве.

Метод без обмана : используйте альтернативный окислитель для дыхательного процесса вашего мерфолка, желательно что-то, что можно

(а. Хранить компактно в физиологических условиях, желательно, по крайней мере, так же плотно, как гликоген, с точки зрения плотности окислительной энергии.

(b. Может относительно легко восполняться, предпочтительно путем приема внутрь, или легко доступен в концентрациях, достаточно высоких для поддержания эндотермического метаболизма в среде, в которой живут ваши мерфолки.

Три естественных пути, четыре, если считать органические материалы пригодными рецепторами электронов, существуют при мощности и плотности энергии, достаточно высоких, чтобы потенциально поддерживать эндотермический метаболизм:

1. Денитрификация или диссимиляционное восстановление нитратов (до аммиака) Это реакция, используемая анаэробными почвенными бактериями для получения энергии из нитратов, продуктов окисления аммиака или нитрификации в аэробных верхних слоях почвы. В этом процессе в качестве акцептора электронов используются растворенные нитраты с точкой насыщения около 300 граммов на литр воды, максимальной плотности энергии этой реакции достаточно, чтобы вскипятить воду как минимум в 3 раза для запасенной массы окислителя. Нитраты можно собирать из окружающей среды, предпочтительно в периоды неэндотермической «гибернации», производить из азотистых соединений во время ежедневных или еженедельных (если за одно всплытие до 3 кг нитратов) всплытия для сбора атмосферного кислорода из воздуха или употреблять внутрь. как часть рациона вашего мерфолка.

2. Гидрогеносома и гидрогенез Это распространенный способ избавления от нежелательных электронов у архей и некоторых цианобактерий. У некоторых мелких (эвксинофильных) животных дегенеративные гидрогеносомы, полученные из митохондрий, используют сами протоны в качестве конечного акцептора электронов, производя газообразный водород в качестве побочного продукта. Реакция неэффективна с точки зрения того, что одна пара электронов может в лучшем случае перекачивать шесть протонов (обычно только четыре), но поскольку в этой реакции в качестве окислителя используется вода, плотность энергии на килограмм потребляемой воды почти такая же, как у организмов, дышащих воздухом. . Поскольку продуктом этой реакции является газообразный водород, это также заставляет ваших мерфолков выдыхать пузыри, но ничего не вдыхать.

3. Метаногенез Метаногенез — это последний вариант анаэробного дыхания, не связанный с истощением органических соединений в качестве побочных продуктов. Метан производится облигатными анаэробными археями, которые используют углекислый газ в качестве конечного акцептора электронов. Эта реакция перекачивает 6 протонов на пару электронов у Methanobacilus и от 4 до 5 у Methanosarcina. Метаногенез производит немного больше энергии, чем гидрогенез, и использует побочный продукт дыхания в качестве окислителя. Плотность энергии метаногенеза часто бывает достаточно высокой, чтобы компостная куча могла поддерживать самоограничивающуюся температуру в течение двух-двух с половиной дней.

4. Процессы брожения Вопреки распространенному мнению, очень глубокие формы брожения очень эффективны с точки зрения производства энергии на потребленную молекулу субстрата. Например, в процессе ферментации ацетон-бутанола-этанола образуется максимум 5,25 АТФ на потребленную глюкозу, а реакции диспропорционирования оксалоацетата и малата у круглых червей дают 6,1 АТФ на потребленную глюкозу. это одна из причин, по которой компостные кучи могут самовозгораться. Конечно, ваши мерфолки не загорятся, потому что они находятся под водой, но выделяемого тепла более чем достаточно, чтобы согреть ваших эндотермических мерфолков.

Недостатки анаэробного дыхания: хотя анаэробное дыхание сохраняет тепло тела, почти устраняя необходимый диффузионный (и, следовательно, термически контактирующий) поток воды и возникающий в результате теплообмен с основными органами ваших мерфолков, оно относительно неэффективно по сравнению с окислением газообразным кислородом с точки зрения потребляется органический углерод. Однако, поскольку ограничивающим фактором является теплообмен, а не пища (поскольку это не земля), наличие расы мерфолков, которые являются исключительно прожорливыми едоками, вероятно, сделало бы хорошие детали истории или, по крайней мере, предотвратило бы ожирение, поскольку у большинства морских млекопитающих был исключительно толстый жир. ......

Начнем с того, что мы потребляем в O2. Средний человек потребляет около 25% кислорода в воздухе при каждом вдохе, а это означает, что средний человек будет потреблять около 550 литров O2 в день.

Морской человек будет использовать больше, потому что вода холодная [нужна цитата], а это означает, что ему или ей нужно больше энергии, чтобы регулировать внутреннюю температуру тела. Скажем, в два раза больше, чтобы быть уверенным. Это означает 1,1 кл/день.

Первый вопрос заключается в том, может ли океан поддерживать такой уровень насыщения O2. Если предположить, что мир подобен земле, ответ, вероятно, будет, но только до определенной глубины. Это связано с тем, что насыщение воды O2 вызвано фотосинтезом в подповерхностной растительной жизни (микроскопической и макроскопической), и солнечный свет, управляющий этим процессом, может проникать только вниз. Суть в том, что независимо от метода дыхания ваши мерфолки, скорее всего, задохнутся на экстремальных глубинах. Это не так уж важно, потому что обычные млекопитающие не могут регулировать свое внутреннее давление, поэтому вам нужно держаться в пределах определенного диапазона поверхности для практичности, не говоря уже о том, чтобы просто видеть, куда вы идете.

А пока предположим, что в океане достаточно растений, чтобы поддерживать ваш уровень O2.

Дело в том, что у всех млекопитающих есть легкие. В настоящее время это одно из основных ограничений нашей способности погружаться на большие глубины. Тем не менее, возможно ли, что в результате устойчивого естественного отбора появилось млекопитающее, которое вместо этого использует, скажем, жабры?

Ну, я должен был бы сказать да, но я не знаю, как на самом деле будет выглядеть подводное дыхание у млекопитающего, вернувшегося в океаны. Все, что я действительно могу сказать, это то, что если рыбы, как и животные, могли бы адаптироваться к суше, развивая легкие и конечности, то вполне возможно, что со временем млекопитающие могли бы эволюционировать таким образом, чтобы они могли дышать под водой. Возможное удаление легких (или их атрофия, как аппендикс) также устранит некоторые естественные препятствия для того, чтобы вид мог в полной мере использовать преимущества подводной жизни, устранив основное препятствие колебаниям давления; легкие.