тл; ДР:

Пропустите раздел «Парциальное давление» и сразу перейдите к разделу «Адаптация»; вам не нужно читать субтитры.

Парциальные давления

Сначала рассчитаем парциальные давления вашей атмосферы:

Заметьте, я не знаю$\text{gr/mol}$из$\text{Trace Gases}$поэтому я попытался сделать среднее значение с вашими фактическими газами.

Кроме того, я не люблю атмосферы, поэтому добавил столбец для парциального давления в килопаскалях. Помнить:

$$\text{atm} = 101.325\text{ kPa}$$

$$\left| \begin{array}{cc|ccc|c|cc} \text{Gas}&\text{%}&\text{gr/mol}&\text{Mols}&\text{Fractal Mol}&\text{Partial Pressure (Atm)}&\text{P.P (kPa)}\\ \text{N}_{2}&\text{58%}&28.014&2.0703&\text{62.91%}&10.69&1,083\\ \text{O}_{2}&\text{26%}&31.998&0.8125&\text{24.69%}&4.19&425\\ \text{CO}_{2}&\text{3%}&44.01&0.0681&\text{2.07}&0.35&35\\ \text{Ar}&\text{11%}&39.948&0.2753&\text{8.37%}&1.42&144\\ \text{Others}&\text{2%}&30.900&0.0647&\text{1.97%}&0.33&33\\ \text{Total}&\text{100%}&174.87&3.2911&\text{100%}&17&17,222\\ \end{array} \right|$$

• Азот (N ₂ ): 1083 кПа (10,69 атм)
  • Азотный наркоз : Азотный наркоз развивается при давлении выше 240 кПа и 354 кПа . Значения выше 400 кПа вызывают серьезный азотный наркоз. Азотный наркоз похож на опьянение, но хуже. Если вы хотите найти больше информации в этом ответе , я написал о его симптомах.
• Кислород (O2): 425 кПа (4,19 атм)
  • Кислородная токсичность : Значения кислорода выше 50 кПа смертельны для земного организма. Это количество кислорода сжигает нашу кожу, глаза, легкие и даже клетки. Любой умрет через несколько часов. В этом , этом и этом ответах я подробно описываю их эффекты. По последней ссылке есть симпатичная схема с эффектами.
• Углекислый газ (CO2): 35 кПа (0,35 атм)
  • Гиперкапния : Гиперкапния — это выработка углекислоты в нашем организме из-за повышенного количества CO2, потому что тело не может его выводить (из-за повышенного парциального давления снаружи). Это смертельно и очень быстро убивает животных. В этом и этом ответах вы найдете дополнительную информацию и графику с общими симптомами. В последней ссылке есть таблица, в которой показана «летальность» разных значений. Эта таблица показывает проценты, основанные на атмосферном давлении Земли. Говоря о вашем мире, смерть наступает в считанные минуты.
• Аргон (Ar): 144 кПа (1,42 атм)
  • Аргоновая асфиксия : хотя аргон нетоксичен, он на 38% плотнее воздуха и поэтому считается опасным удушающим газом в закрытых помещениях. Его трудно обнаружить, потому что он бесцветный, без запаха и вкуса. Этот газ может декантироваться в безветренные зоны.
  • Аргоновый наркоз : я мало что знаю об этом, но предполагается, что аргон может производить те же эффекты, что и азотный наркоз, но только при более высоких давлениях.

Адаптации

Я провел анализ атмосферы, но ваш вопрос был не о том, смогут ли люди выжить, поэтому теперь мы должны подумать, какие приспособления потребуются вашим созданиям.

• Ускорение метаболизма за счет увеличения поступления кислорода.
• Более быстрое старение, короткая продолжительность жизни, много потомства (из-за окислительного стресса и прочего).
• Большие насекомые (опять же, кислород).
• Легкие меньшего размера и, возможно, более влажные глаза и кожа (кислород и немного азота). Дыхательная система насекомых для мелких животных.
• Может быть, какие-то настройки мозга, чтобы избежать наркоза.
• Может быть, способность чувствовать запах аргона.
• Более сильные мышцы и кости для противодействия гравитации. Низкорослые существа.
• Повышенная потливость и экзотермичность животных при повышенной температуре.

Кислород

Ваш уровень кислорода слишком высок; это повредит их глаза, кожу и легкие.

Вашему виду потребуются очень маленькие легкие, потому что они смогут собрать гораздо больше кислорода при том же объеме пространства из-за повышенного давления кислорода. Я не удивлюсь, обнаружив «плохо развитые» легкие, поскольку эффективность здесь не нужна.

Этот кислород заставит металлы ржаветь быстрее из-за повышенной скорости окисления. Легковоспламеняющиеся вещи будут еще опаснее. В кислороде много АФК , молекул, которые разрушают ДНК, белки или органеллы в клетках (для получения дополнительной информации см. этот ответ ). Эти повреждения ускоряют старение (также объяснено в ссылке выше). У ваших существ будет очень короткая продолжительность жизни, но много потомков, чтобы компенсировать это.

Некоторыми способами уменьшить этот эффект являются внедрение активного транспорта (который потребляет огромное количество энергии) или полупроницаемых мембран . Оба объясняются по ссылке для абзаца выше.

Кроме того ( также объяснено в этой ссылке), ваши насекомые будут ОГРОМНЫМИ . (Короткий-длинный ответ, у насекомых нет легких, они дышат через кожу. Больше кислорода компенсирует отсутствие отношения поверхности к объему, что позволяет им расти больше). Из-за вашего огромного парциального давления кислорода я совершенно уверен, что этот метод также будет возможен для более мелких животных.

Наконец, им может понадобиться влажная кожа и более влажные глаза, чтобы противодействовать окислению кислорода.

Азот

Понятия не имею, как с этим бороться, может, маленькие легкие это исправят. Некоторая модификация мозга (не знаю как) может уменьшить азотный наркоз. Если они развиваются там, они должны привыкнуть к тому, что они «пьяные».

Аргон

Вашим существам понадобится способ почувствовать запах аргона, иначе они случайно умрут в аргоновом колодце, потому что он тяжелее и может утонуть в долинах или на равнинах.

Сила тяжести

Увеличение всего на 36% — это не так уж плохо. Здоровый человек может пережить этот штраф. Они будут развиваться с немного более сильными костями и мышцами, чтобы противодействовать этому. Я предложу полые кости, как у птиц, чтобы компенсировать дополнительный вес. Также у существ будет меньший рост.

Контроль температуры

Это одна из ваших меньших проблем. Большее потоотделение, более низкий метаболизм и хладнокровные животные исправят это. Вы можете узнать о терморегуляции в Википедии.

В основном животные делятся на две большие категории: эндотермы и экзотермы . В то время как первые производят собственное тепло для поддержания желаемой температуры тела, вторая категория использует тепло окружающей среды, используя его в качестве температуры своего тела.

Я настоятельно рекомендую сделать ваших животных экзотермичными, потому что они не тратят энергию на согревание, так как окружающей среды достаточно, чтобы согреть их, может быть, даже слишком много... (если 36 ºC - это среднее значение, я не смею быть там летом...).

В любом случае, мы все еще можем взять некоторые полезные охлаждающие черты от теплых существ (эндотермов), прежде чем мы углубимся в другие. У эндотермических существ есть несколько механизмов, позволяющих избежать перегрева:

• Задыхаясь: задыхаясь языком, они могут терять температуру за счет увеличения испарения воды при дыхании. Как вы говорите в комментариях, дыхательные системы птиц могут быть полезны из-за их быстрого дыхания. Я бы добавил кровеносные сосуды, по которым кровь движется в противоположном направлении, чтобы обеспечить противоточный теплообмен .
• Приливы: Увеличение притока крови к коже передает тепло от внутренней части тела к коже, где оно может излучаться в окружающую среду. Я призываю ваших существ иметь большое отношение поверхности к объему, чтобы избежать гигантотермии (большие животные производят слишком много тепла, которое они не могут удалить). Например, использование огромных ушей, как автомобильные радиаторы (кровеносные сосуды), очень полезно.
• Потоотделение: Если существо безволосое или с короткой стрижкой, оно может охладиться, выделяя пот. Обратите внимание, что этот метод потребляет воду и минералы из организма. Ради любопытства скажу вам, что эндотермические существа более устойчивы к грибковым инфекциям из-за собственного производства вереска. К сожалению, вы не можете справиться с этим. (Может быть, тепла окружающей среды достаточно?). Кроме того, у ваших животных не будет бурой жировой ткани , потому что она нужна для выработки тепла, а большего вам и не нужно.

Теперь мы должны обсудить экзотермы более подробно. Как преимущество, экзотермные существа едят намного меньше (например, в 5 или 10 раз меньше), потому что их замедленный метаболизм экономит много энергии (отсутствие внутреннего процесса нагрева); они очень экономичны! Но они активны только днем ​​(из-за необходимости греться под теплыми солнечными лучами), а на вашей планете достаточно жарко, так что...

Это требует, чтобы хладнокровные животные работали с колебаниями температуры окружающей среды, потому что они напрямую влияют на температуру их тела. Экзотермические существа делятся на еще больше категорий в зависимости от того, как они «контролируют» или «помогают» своей температуре. Обычно животные очень сосредоточены на одной технике, но могут иметь черты и нескольких, как рептилии. Основными способами являются пойкилотермический и гомойотермический.

Гомеотерм очень известен всем. Эти существа стараются всегда поддерживать одинаковую температуру тела, даже если температура создается только окружающей средой. Вместо этого пойкилотермные существа имеют от 4 до 10 ферментных систем (вместо 1 специализированного, но эффективного фермента) в своих телах, чтобы без проблем выживать и работать в разных диапазонах температур. Однако эти ферменты трудно разработать ^{[нужна цитата]} и сделать более длинную ДНК (не уверен, что это обязательно плохо, но круто).

Я не знаю, каковы ваши существа, но обратите внимание, что у пойкилотермных существ нет устойчивой высокоэнергетической деятельности, такой как двигательный полет (у крупных животных) или большой мозг. Эти существа обычно терпеливо ждут свою добычу, а не активно охотятся, потому что им требуется в 10–20 раз меньше энергии, чем теплокровным животным (обычно теплокровным). И они обычно ищут убежища в полдень, но греются на солнце и пользуются преимуществами гигантотермии, чтобы терять меньше тепла, но, к счастью, на вашей планете тепла предостаточно! Так что я думаю, что они могли бы иметь гомеотермию, так как тепла достаточно для поддержания стабильной температуры.

Помните, что даже без теплого солнечного дня некоторые хладнокровные животные все же могут работать. Некоторые экзотермические животные научились вибрировать своими мышцами, чтобы выделять немного тепла, когда это очень необходимо (это обычно делают насекомые, но я не вижу в этом ничего сложного для других животных), метод, распространенный у эндотермических существ ( например, когда тебе холодно и ты начинаешь дрожать).

Как для охлаждения, так и для обогрева эти существа используют методы теплообмена (например, противоточный обмен). Используя кровеносные сосуды, они могут эффективно перемещать тепло снаружи внутрь или изнутри наружу для охлаждения и обогрева. Также секреция слизи обычно используется для увеличения испарения, и если окружающая среда очень холодная, они могут впасть в оцепенение (снижение активности)

Наконец, после эндотермии и экзотермии существует третья категория: мезотермия. Они представляют собой гибриды обоих методов, в основном адаптирующиеся к окружающей среде. У них обычно плохой метаболический контроль в организме (как у эктотермов), но при необходимости они метаболизируют бурый жир для производства тепла (как у эндотермов) или увеличиваются в размерах (гигантотермы).

Итак, подведем итог: ваши животные должны тяжело дышать и потеть. Будучи безволосыми, они будут удерживать меньше тепла, а потея через кожу и тяжело дыша (большим языком), они смогут терять тепло за счет испарения воды. Пассивные техники, не требующие воды, будут приливать горячую кровь к коже, чтобы излучать тепло. Будет очень целесообразно увеличить отношение поверхности к объему, чтобы избежать гигантотермии , например, иметь большие уши, как у слонов, много кровеносных сосудов и способность двигаться по желанию. Таким образом, они смогут излучать тепло и хлопать, чтобы увеличить поток воздуха.

Давление - забавная вещь в биологии

Обратите внимание, что то, что я собираюсь сказать, не относится к вакууму, потому что я кое-что обобщаю.

Во многих отношениях давление не имеет отношения к физиологии. Что важно, так это разница давлений, потому что это то, что убивает. Человекоподобное тело могло бы выжить (если бы оно было создано там) в марианской впадине только для того, чтобы взорваться, когда его опустили бы на уровень моря. Есть много рыб, которые являются отличными примерами того, что они могут существовать в обоих местах.

Это явно не вся история. Те же самые рыбы имеют приспособления и более простую физиологию, чтобы справляться с быстрыми, но постепенными изменениями давления. Например, в их плавательном пузыре накапливаются газы, которые затем необходимо удалить.

Теперь, чтобы поставить ваш вопрос в немного более перспективном:

Самое высокое атмосферное давление, при котором выжили люди, составляет ~ 14,7 атм, что довольно близко к заявленной цели 17 атм. Это начинает показывать вам, что не так уж и много нужно для жизни, чтобы выжить при таком давлении.

Теперь одна вещь, которую я хотел бы затронуть, это газообмен. Ключом к тому, чтобы организмы дышали в окружающей среде, является их способность впитывать богатую химию окружающей среды для использования в своих метаболических процессах. Эти конструкции могут сильно зависеть от давления. Жабры не так хорошо работают на воздухе. Дело в том, что у нас, людей, есть диафрагма специально для обеспечения постоянной циркуляции атмосферы. Сообщается, что при более высоком давлении дыхание требует меньше усилий.

Таким образом, чтобы ответить на ваш вопрос, МОЖЕТ не быть видимой внешней разницы в адаптации к этому давлению. Могут быть различия в органах дыхания. Однако на самом деле ваша инопланетная природа решает проблему газообмена, универсального ответа на которую нет и которая может быть за гранью нашего воображения.

https://www.quora.com/What-is-the-maximum-atmospheric-pressure-a-human-can-survive

Если я предполагаю, что ваши формы жизни в первую очередь основаны на формах жизни Земли, то самая большая проблема, с которой они столкнутся в созданной вами среде, — это не давление; это смесь газов.

При проектировании гипотетических атмосфер для земных форм жизни важно помнить, что все дело в парциальном давлении. То есть речь идет об объеме каждого поглощаемого газа, а не о давлении всей смеси. Давайте сначала рассмотрим очевидный пример, а затем рассмотрим описанное конкретное соотношение.

_{Всем известно, что чистым O 2} дышать нельзя ; он выжигает ваши глаза, легкие и т. д. и в течение определенного периода времени смертелен. Тем не менее, астронавты Аполлона провели более недели на обратном пути в чистом O ₂ без каких-либо последствий. Почему? Потому что давление в их капсуле было всего около 0,3 атм. Фактически, если вы принимаете 1 бар (давление на уровне моря) за норму, то люди регулярно вдыхают около 0,2 атм O ₂ при каждом вдохе, а астронавты Аполлона не вдыхали намного больше, чем в своих капсулах. Так что это не было проблемой.

С другой стороны, глубоководным дайверам для глубокого погружения требуется особая смесь воздуха, потому что, как только вы опускаетесь ниже 60 м, вы находитесь под давлением 7 бар, а это означает, что каждый вдох, который вы делаете с обычным воздухом при таком давлении, составляет около 1,4 атм. О ₂ , который токсичен для человека.

Самые глубокие люди могут погружаться в подводном снаряжении, где их тела подвергаются полному давлению океана, которое составляет около 140 м или 15 атмосфер давления. Давайте предположим, что мы можем сделать скачок до 17 атм на уровне моря выбранной вами планеты; что будут делать газы?

Ну, для начала, O ₂ определенно токсичен при таких уровнях. То же самое и с азотом, но задолго до того, как он станет токсичным, он станет наркотическим. При процентном соотношении, которое вы описали, азотный наркоз наступит примерно при 4 АТМ, а при 17 АТМ, я почти уверен, он станет токсичным.

Однако вас больше всего беспокоит CO _{2 .} CO ₂ токсичен в очень малых дозах и никогда не должен считаться безопасным при концентрации выше 5% при 1 атм. Но в вашей атмосфере PP CO ₂ составляет около 51% (17 x 3%), что означает, что животные действительно будут страдать в этой среде.

С аргоном все в порядке, но остаточные газы имеют PP около 34% (что, если бы это был только O ₂ , было бы слишком высоким), а это означает, что если часть из них (скажем) фтора, любые земные животные в этой среде мертвы. , конец истории. На этих уровнях следовые газы на самом деле не являются «следами» — количества, вдыхаемого нормальной земной формой жизни, достаточно, чтобы нанести серьезный ущерб, если какой-либо из них опасен, потому что их присутствие теперь материально из-за атмосферного давления.

Итак, какие приспособления мы можем увидеть, чтобы приспособиться к жизни в такой среде? Ну, очевидно, вам больше не нужна эффективная модель газообмена, такая как легкие. Это потому, что при таком давлении практически все, что есть в атмосфере, представляет собой проблему. Так что лучшее решение - не брать слишком много.

Как я понимаю, это означает 3 возможности.

Во-первых, легкие меньше. Легкие по-прежнему являются хорошей идеей, потому что они могут быть более эффективными, если окружающая среда каким-то образом изменится. Но легкие должны будут уменьшиться в размере в процентах от массы тела, потому что иначе вы убьете своего субъекта. Мышцы грудной клетки должны быть сильнее, чтобы работать при более высоком давлении, и бронхиальные трубки, без сомнения, также будут короче и шире, чтобы более эффективно перемещать более высокие давления в легкие и из них, какими бы меньшими они ни были.

Второе – жабры. При таком давлении вам, вероятно, лучше делать то, что делают рыбы, и просто позволить давлению и плотности газа проходить через полувнешнюю систему газообмена. Это будет не так эффективно, но вам и не нужно, особенно при высоких концентрациях CO ₂ .

Наконец, есть осмос. Насекомые, скорее всего, будут процветать в вашей среде, потому что у них вообще нет легких; они поглощают O ₂ через свой панцирь, пока он не насытит их тело, а отходы CO ₂ затем удаляются через панцирь. На Земле это ограничивает размер, до которого могут вырасти насекомые, потому что, если они станут слишком большими, кислород не сможет достичь самых внутренних областей тела насекомого. Мы считаем, что в прошлом на Земле были периоды, когда уровень кислорода был намного выше, чем сейчас, что позволяло насекомым вырастать до гораздо больших размеров.

В вашем мире это, скорее всего, имеет место, потому что парциальное давление позволяет большему количеству O ₂ поглощаться телом насекомого, обеспечивая более глубокое насыщение.

Конечно, размер насекомых определяется не только кислородом; экзоскелет означает, что их панцири могут стать настолько большими, прежде чем они не смогут поддерживать существо (закон квадратного куба), но, безусловно, они будут иметь преимущество в вашем мире независимо от этого.

Лично я ожидаю, что у наземных существ в вашем мире потенциально будут жабры, как если бы они сначала образовались в океане (как мы полагаем, жизнь на Земле), это на одно изменение меньше, чем эволюция должна была бы осуществить для выживания.