Ich versuche, ein Unterwasserökosystem unter der Eiskruste von Ganymed aufzubauen. Ich weiß, dass Jupiter eine große Menge an ionisierender Strahlung und Synchotrons aussendet und dachte, dass dies vielleicht das Sonnenlicht in diesem Ökosystem ersetzen könnte. Meine Idee ist eine Art großer Organismus, der sich mit wurzelähnlichen Ranken in das Eis gräbt, um die Strahlung zu absorbieren und im Grunde in die ökologische Nische von Bäumen zu passen. Ich habe auch über radiotrope melanisierte Pilze gelesen, von denen angenommen wird, dass sie Melanin verwenden, um die Wellenlänge einiger hochenergetischer Strahlung auf ein nutzbares Niveau zu senken.
Also meine Frage ist
Das ist eine sehr interessante Frage!
Könnten diese Organismen Melanin verwenden, um einen Teil der Strahlung als Wärme zu absorbieren und eine nutzbare Strahlungswellenlänge für einen chemischen Prozess analog zur Photosynthese abzugeben, bei dem Sauerstoff in mein Ökosystem eingeführt würde?
Sie denken wahrscheinlich an den radiotrophen Pilz , der in Tschernobyl entdeckt wurde:
Radiotrophe Pilze sind Pilze, die anscheinend Radiosynthese betreiben, d. h. das Pigment Melanin verwenden, um Gammastrahlung in chemische Energie für das Wachstum umzuwandeln.
Die Betonung der Gammastrahlung ist wichtig. Wenn Sie ein Pigment verwenden möchten, um Energie aus Strahlung zu extrahieren, muss es elektromagnetische Strahlung sein - Alpha- und Betastrahlung reichen nicht aus. Unglücklicherweise für Ihr Ökosystem kann keine EM-Strahlung unter das Eis von Ganymed gelangen. Nicht einmal Gamma.
Wasser ist ein sehr wirksames Schutzschild dagegen. Wenn zwischen Ihnen und einer Gammaquelle 13 cm Wasser stehen, erhalten Sie nur die Hälfte der Strahlung, die Sie sonst erhalten würden .
Selbst wenn es nicht so wäre, wäre es schwierig, eine Gammaquelle zu finden. Die Sonne sendet keine Gammastrahlung aus . Die Magnetosphäre von Jupiter ist nur stark genug, um Röntgenstrahlen zu erzeugen, nicht Gammastrahlen . Wenn Sie eine Quelle im flüssigen Ozean selbst haben, wird sie wahrscheinlich das Ökosystem um ihn herum [geschwärzt] haben.
Wenn nicht, gibt es dann (unter der Annahme, dass alle erforderlichen Nährstoffe / Moleküle natürlich vorhanden sind) einen theoretischen chemischen Prozess für diese Organismen, der Radiosynthese verwendet?
Wir kennen einfach keine Möglichkeit, wie ein Lebewesen α- oder β-Strahlung für seinen Stoffwechsel nutzen könnte; beide neigen dazu, DNA und Organellen großen Schaden zuzufügen. Jede lokale Quelle von Gamma würde auch eine Menge dieser beiden anderen erzeugen.
Wenn Sie realistisch sein wollen, können Sie chemolithotrophe Organismen als Basis der Nahrungskette haben. Die Chemolitotrophen würden nur in der Nähe von Hydrothermalquellen gedeihen , aber der Rest des Ökosystems würde sich frei bewegen und anderswo leben.
Zu guter Letzt, wenn Sie diesen Weg gehen wollen, ist Europa ein besserer Kandidat als Ganymed :
Das Argument für den unterirdischen Ozean Europas ergibt sich aus der starken Wahrscheinlichkeit einer Gezeitenerwärmung, die das Eis unter der Oberfläche schmilzt. Ganymed hat eine viel schwächere Gezeitenkraft und damit eine schwächere Gezeitenerwärmung als Europa und Io. Das Niveau der Gezeitenheizung von Ganymed konnte nicht genug Wärme liefern, um einen Ozean aus flüssigem Wasser zu erzeugen. Abgesehen von der Gezeitenheizung sind wir uns nicht sicher, woher genügend Wärme kommen würde, um das Eis zu schmelzen.
Ich weiß, dass dies im Widerspruch zum Wiki steht, das besagt, dass es in Ganymed wahrscheinlich einen 800 km tiefen Ozean gibt. Ich glaube, der Artikel von LASP ist älter. Tatsache bleibt jedoch, dass Europa stärkere Gezeiten hat. Diese tragen dazu bei, die Geologie des Mondes zu bewegen, was im Laufe der Zeit Nährstoffe für den unterirdischen Ozean liefern kann. Ich glaube, Europa ist auch reicher an Salzen, also noch besser für die Chemie, um Leben entstehen zu lassen.
Renans Antwort hebt wichtige Fakten über das Eindringen von Strahlung durch Eis (begrenzt für Gamma, funktionell nicht existent für Beta-Elektronen und Alpha-Kerne) und die größere Plausibilität von chemoautotrophen Organismen hervor. Ich kann jedoch ein wenig zu potenziellen photonenzentrischen Mechanismen hinzufügen, falls dies von Interesse ist.
Die wichtigste wichtige Information ist das Verständnis, dass das Leben im Wesentlichen von chemischen Energiegradienten lebt. Finden Sie einen Weg, um überschüssige Energie zu gewinnen, die komplexe Moleküle umwandeln kann, und Sie können wahrscheinlich eine Form der Selbstreplikation aus diesen Molekülen zusammenhacken.
Auf der Erde finden wir Leben, das aus Photosynthese aufbaut (wobei die Energie eines einfallenden Photons vom Chlorophyllmolekül eingefangen wird und dann eine clevere Chemie dazu führt, dass diese Energie umgeleitet wird, um mikrobiologische Arbeit zu leisten und komplexe Moleküle an anderer Stelle in der Zelle aufzubauen), oder chemotrophes Leben, das Blätter in der Nähe von (z. B.) Ozeanvulkanen und "frisst" die exotischen Schwefelverbindungen, die mit kohlenstoffartigen Molekülen hochreaktiv sind und daher für mikrobiologische Arbeiten verwendet werden können.
Theoretisch könnten die Photonen der Gammastrahlung auf die gleiche Weise eingefangen und verwendet werden wie sichtbares Licht in der Photosynthese, Sie brauchen nur ein chlorophyllartiges Molekül, das auf die Energie einiger geeigneter Photonen abgestimmt ist (das Photon einfängt und das Chlorophyll fördert zu einer höheren Energieschwingung oder Ionisierung, die in weiteren organischen Reaktionen genutzt werden kann). Die beträchtliche Schwierigkeit besteht hier darin, dass Gammastrahlung im Allgemeinen genug Energie abgibt, um Bindungen in organischem Material zu ionisieren/aufzubrechen, wodurch die Lebensform zerstört wird.
Mögliche Lösung für Gamma-Fresser: Sie brauchen entweder einen Organismus, der aus stabilerem Material als Kohlenwasserstoffe besteht, oder erfinden ein System, bei dem Ihre Organismen einige flache, stabilisierte dendritische Tunnel im Ganymed-Eis erzeugen und dann auf einer tieferen Ebene sitzen (denken Sie daran, dass Gamma durchdringt Eis schlecht) und pumpen eine photosynthetische Flüssigkeit durch die Tunnel, die die zurückkommenden energetisierten Verbindungen wieder absorbiert, sich aber nicht direkt der Gammastrahlung aussetzt. Die Details sind knifflig – im wirklichen Leben müssen Sie das absorbierte Photon des Chlorophylls in wenigen hundert Nanosekunden chemisch nutzen, sonst wandelt das Chlorophyll die Energie in nutzlose Wärme um – aber machbar.
Mögliche Lösung für Beta-Feeder: Beta-Strahlung kann leicht organische Stoffe ionisieren, die im Prinzip als Energiequelle für organische Reaktionen verwendet werden könnten, obwohl der chemische Weg etwas anders wäre. Betastrahlung ist jedoch zerstörerischer für Moleküle als Gammastrahlung (Elektronen tragen mehr Energie als Photonen), was uns weitaus heiklere Versionen des Zerstörungsproblems von früher liefert. Darüber hinaus müsste sich jeder Ort, der Beta-Strahlung ausgesetzt ist, auf der Eisoberfläche befinden, was bedeutet, dass er direkt Gamma- und Alpha-Strahlung ausgesetzt ist. Ich kann mir keine Lebensform vorstellen, die unter solchen Bedingungen vernünftig lebt, ohne eine völlig neuartige chemische Zusammensetzung, um Strahlenschäden zu widerstehen.
Mögliche Lösung für Alpha-Feeder: Keine. Alphastrahlung sind Heliumkerne, die herumgeschleudert werden. Sicher, sie tragen viel Energie, aber der Versuch, sie für organische Reaktionen zu nutzen, ist wie der Versuch, eine Bowlingkugel mit einem Spinnennetz zu fangen.
Wasserhydrolyse. Und etwas anderes.
Ionisierende Strahlung kann Wasser hydrolysieren. Dies ist wichtig für Personen, die radioaktive Materialien lagern und handhaben, da sich Produkte der Wasserhydrolyse ansammeln können.
https://en.wikipedia.org/wiki/Radiolyse
Von allen untersuchten strahlenchemischen Reaktionen ist die Zersetzung von Wasser die wichtigste. Wenn es Strahlung ausgesetzt wird, durchläuft Wasser eine Zersetzungssequenz in Wasserstoffperoxid, Wasserstoffradikale und verschiedene Sauerstoffverbindungen, wie z. B. Ozon, die, wenn sie wieder in Sauerstoff umgewandelt werden, große Energiemengen freisetzen. Einige davon sind explosiv.
Alpha-Partikel hydrolysieren Wasser am besten, weil sie am stärksten ionisieren. Betateilchen und Gammastrahlen können es auch. Alle drei Arten kommen in der tiefen Erde vor. Es gibt tatsächlich nicht photosynthetische Ökosysteme, die von hydrolysiertem Wasser, insbesondere Wasserstoff, leben. Wasserstoff ist wohlschmeckende Mikrobennahrung, wo immer er vorkommt. In der tiefen Erde entsteht es durch radioaktiven Zerfall und anschließende Hydrolyse von Wasser.
Langfristige Nachhaltigkeit eines Krustenbioms mit hoher Energie und geringer Diversität
Das heiße, reduzierende, gasförmige Wasser, das aus einem Bruch bei 2,8 bis 4,2 kmbl ausströmte, beherbergte eine mikrobielle Gemeinschaft, die von einem einzigen Firmicutes-Phylotyp dominiert wurde. Die Firmicutes drangen wahrscheinlich vor 3 bis 25 Millionen Jahren während der Infiltration von paläomigem teorischem Wasser in die Mponeng-Bruchzone in aktuellen Tiefen ein und verlassen sich seitdem auf nicht photosynthetisch gewonnenes H2 und S042_, die aus archaischem/proterozoischem Pyrit umgewandelt wurden. Die Nährstoffkonzentrationen sind viel höher geblieben als in flacheren Krustenumgebungen beobachtet, was darauf hindeutet, dass die Biosphäre der tiefen Kruste möglicherweise energiereich ist, sich nicht dem entropischen Tod nähert und in der Lage ist, mikrobielle Gemeinschaften durch geologische Prozesse auf unbestimmte Zeit zu erhalten.
Diese Organismen leben von natürlich vorkommendem Wasserstoff, der durch ionisierende Strahlung aus Wasser freigesetzt wird. Das Zeug liegt nur herum. Der nächste Schritt für einen gierigen Organismus ist ein riesiger Wassertank an Bord – das Äquivalent zu Blättern zum Einfangen von Sonnenenergie. Reaktive Produkte der Wasserhydrolyse innerhalb des Tanks werden von zellulären Proteinen eingefangen und sequestriert, während wir Zucker sequestrieren, für eine spätere Kombination, um Energie zu erzeugen und das Wasser zu regenerieren. Der Tank ist ein azellulärer Film, der gegen Ionisation beständig ist. Die DNA ist tief unter der Wassertankorgel abgeschirmt.
Wenn dies eine Science-Fiction wäre, die sich mit solchen Kreaturen befasst, wäre die Wasserstoffbiosphäre der tiefen Erde der erste Schritt (etablierte Biogeochemie) und die Entdeckung der Wassertankkreaturen der zweite – eine nicht so wilde Extrapolation.
Ein weiterer Schritt in die fantastische Fiktion! Sehr energiereiche Gammastrahlen haben zu viel Energie, um Wasser zu hydrolysieren. Sie produzieren eine andere energetische Substanz. Positronen. https://en.wikipedia.org/wiki/Gamma_ray#Matter_interaction
Paarbildung: Dies wird bei Gammaenergien über 1,02 MeV möglich und wird als Absorptionsmechanismus bei Energien über 5 MeV wichtig (siehe Abbildung rechts für Blei). Durch Wechselwirkung mit dem elektrischen Feld eines Kerns wird die Energie des einfallenden Photons in die Masse eines Elektron-Positron-Paares umgewandelt. Jede Gammaenergie, die die äquivalente Ruhemasse der beiden Teilchen übersteigt (insgesamt mindestens 1,02 MeV), erscheint als kinetische Energie des Paares und im Rückstoß des emittierenden Kerns. Am Ende der Reichweite des Positrons verbindet es sich mit einem freien Elektron, und die beiden vernichten sich, und die gesamte Masse dieser beiden wird dann in zwei Gamma-Photonen mit jeweils mindestens 0,51 MeV Energie umgewandelt.
Diese niederenergetischen Gammastrahlen eignen sich gut für die Hydrolyse von Wasser. Wenn energetische Gammastrahlen eintreffen, fängt der Organismus Positronen ein und behält sie für eine spätere Freisetzung, um in mageren Zeiten Gammastrahlen zu erzeugen. Positronen sind Antimaterie. Die Speicherorgane der Kreatur für Positronen sind interessant, wertvoll und extrem gefährlich.
Wütende Muppet