Das große Desoxygenierungsereignis

Nehmen Sie einen erdähnlichen oder supererdigen terrestrischen Planeten in einem Zustand an, der mit der präkambrischen oder archaischen Erde vergleichbar ist. Die Atmosphäre besteht hauptsächlich aus Stickstoff und Kohlendioxid, vielleicht etwas Methan, aber sehr wenig bis gar keinem freien Sauerstoff. Das CHON(PS) -Leben hat sich weiterentwickelt und gekämpft, aber das wird sich bald ändern: Es hat sich etwas entwickelt, um all das CO zu nutzen 2 . Mit einem Twist.

Welche biologischen Prozesse würden erklären, warum diese Emporkömmlinge atmosphärisches CO aufnehmen? 2 und den Sauerstoff zurückhalten, anstatt ihn an die Atmosphäre abzugeben? Um es klar zu sagen, ich schlage vor, das Große Sauerstoffanreicherungsereignis umzukehren , mit einem Nettoverlust an Sauerstoff, da er irgendwie in Organismen eingebaut und dann im Laufe der geologischen Zeit so abgesondert wird, wie Kohlenstoff auf der Erde war.

  • Vermutlich muss es einen evolutionären Vorteil geben, den Sauerstoff zu behalten, anstatt ihn als Abfallprodukt abzupumpen, aber ich bin mir nicht sicher, was das wäre.

  • Die Lösung muss keine Alternative zur Photosynthese sein, wie wir sie kennen, sie darf nur nicht zu Sauerstoffverschwendung führen . Es könnte ein Fall für Kohlenmonoxid oder andere oxidierte Abfälle gegeben werden, wobei der Organismus ein einzelnes Sauerstoffmolekül aus der Reaktion zurückhält, solange die Wirkung kumulativ ist.

  • Ich habe nicht angegeben, dass dieser Planet Wasserozeane hat – wenn eine Alternative wie Ammoniak hilft, dann nehmen Sie an, dass dies wahr ist, auch wenn es unwahrscheinlich ist.

  • Wenn die Anpassung der Kruste, der Atmosphäre (außer der erwähnten Zusammensetzung), der Temperatur oder des Muttersterns in irgendeiner Weise hilfreich ist, nehmen Sie dies ebenfalls an.

  • Wenn dies zu einer Medea-Situation führt, die den Planeten feindlich gegenüber den Organismen macht, die das Kohlendioxid verbrauchen, und zu ihrem Aussterben führt, soll es so sein – solange der gesamte Sauerstoff weggesperrt wird.

Dies ist meine erste wissenschaftlich fundierte Frage. Wenn ich mir also widersprochen oder etwas übersehen habe, das eine Beantwortung unmöglich macht, weisen Sie darauf hin. Diese Frage scheint verwandt zu sein, ist aber kein Duplikat.

Sauerstoff ist nicht schwer loszuwerden, ganz im Gegenteil. Wenn Sauerstoff nicht aktiv produziert wird, reagiert er mit den meisten Metallen und wird von selbst verbraucht. Das ist einer der Gründe, warum wir hoffen, in Exoplaneten nach freiem Sauerstoff als Lebenszeichen suchen zu können. Ich weiß, das beantwortet deine Frage nicht, aber deshalb ist es ein Kommentar.
Ich kenne natürliche Sauerstoffsenken wie Eisen und Methan, aber ich suche nach einem Szenario, in dem freier Sauerstoff organisch produziert werden könnte , aber stattdessen weggesperrt wird.
Biologisch produzierter Sauerstoff war Hunderte von Millionen Jahren lang ununterbrochen weggesperrt worden (überprüfen Sie die Zeitachse des Great Oxygenation Event). Es war schließlich die kombinierte Wirkung von Photosynthese, Kohlenstoffabbau und Erschöpfung natürlicher Sauerstoffsenken (wie Eisen), die zur Sauerstoffanreicherung führte. Sie müssen Ihren Planeten nur ein wenig optimieren, um die Sauerstoffversorgung um eine weitere Milliarde Jahre oder sogar auf unbestimmte Zeit zu verschieben.

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Offensichtlich hat Ihr Planet Eisen zu verbrennen!

Das beste Analogon für etwas, das passieren könnte , ist etwas, das bereits passiert ist. Die frühe Erde selbst war mit Eisen-Fe(II) bedeckt, um genau zu sein. Dies verursachte eine enorme Verzögerung beim Anstieg des Sauerstoffgehalts. Etwa eine Milliarde Jahre nach der Evolution der Photosynthese blieb der Sauerstoffgehalt niedrig, weil der produzierte freie Sauerstoff im Wesentlichen die Erdkruste rostete. Dies ist die Quelle der wunderschönen gebänderten Eisenformationen aus dem Präkambrium.

Dies war jedoch Energieverschwendung . Die Reaktion von Sauerstoff und Eisen erzeugt tatsächlich Energie und einige Bakterien haben eine Möglichkeit entwickelt, daraus Kapital zu schlagen. Lernen Sie Acidithiobacillus ferrooxidans kennen . Es ist ein Bakterium, das auf der Erde in sauren Umgebungen vorkommt, das überlebt, indem es Eisen zur Energiegewinnung oxidiert, und in Eisenminen und im Auspuff Ihres Autos zu finden ist. Es ist ein obligater Chemoautotroph und erhält daher seine gesamte Energie aus dieser Reaktion, wodurch NADH aus dem Elektronengradienten entsteht. Aus der Zeitung Silverman & Lundgren von 1958 :

[...] die aus der Oxidation von Eisen(II) gewonnene Energie als einzige Unterstützung für das Wachstum von CO dienen könnte 2 -assimilierender Mikroorganismus

Klingt bekannt? Ich denke, es klingt sehr nach dem, wonach Sie suchen, um Ihre Erde zu korrumpieren. Diese Abbildung zeigt die beteiligte Chemie – beachten Sie, dass das O 2 wird zusammen mit Eisen aufgenommen, um Energie (ATP & NADH) und Wasser zu produzieren:

Die Chemie hinter Rostbakterien

Einige Vorbehalte

Diese Chemie funktioniert nur unter sehr sauren Bedingungen. Glücklicherweise waren die frühen Ozeane bereits ziemlich sauer und hatten eine Atmosphäre, die hauptsächlich aus CO bestand 2 das wird noch tiefer gedrückt. Darüber hinaus sind diese Bakterien in der Lage, ihre eigenen Taschen mit saurem pH-Wert zu bilden – bei einem Experiment wurden sie in Kultur auf nur 0,5 Einheiten reduziert. Das ist erschreckend.

Ich bin mir auch nicht sicher, wie gut dies tatsächlich den Sauerstoff sequestrieren würde. Unter der Annahme eines Tiefseeexports kann das Eisenoxid für Milliarden von Jahren gelagert werden, jedoch mit relativ langsamer Rate.

Andere Optionen

Wenn Sie Acidithiobacillus ferrooxidans nicht mögen , gibt es zwei andere, die eine Überlegung wert sein könnten. Mariprofundus ferrooxydans ist eine verbreitete Mikrobe an Tiefseequellen, arbeitet aber bei einem neutralen pH-Wert und verdoppelt sich ziemlich leicht. Es ist so seltsam, dass es derzeit in seiner eigenen Klasse (den Zetaproteobakterien ) innerhalb des Stammes der Proteobakterien ist. Die andere Option ist der im Wesentlichen magische Rhodopseudomonas palustris , der sowohl phototroph als auch Fe(II)-oxidierend ist. Es funktioniert auch bei nahezu neutralem pH-Wert und ist ein guter Kandidat für eine frühe Lebensform in den archaischen Ozeanen. Es gibt andere , die ähnliche Dinge tun, aber R. palustris ist mein persönlicher Favorit.

Meine Chemie ist nicht so gut wie meine Biologie, aber wenn das oxidierte Eisen in Gegenwart von Kohlenmonoxid erhitzt wird, wird es zu metallischem Eisen reduziert. en.wikipedia.org/wiki/Direct_reduced_iron Können wir einen Umweltkreislauf herstellen, in dem Kohlenmonoxid entsteht und das Eisenoxid dann wieder zu metallischem Eisen reduziert wird?

Die einfachste Antwort darauf ist, dass die Pflanzen, die Photosynthese betreiben, um O2 und Kohlenhydrate für den Eigenbedarf zu erzeugen, nur ausreichende Mengen für ihre eigenen Stoffwechselprozesse erzeugen .

Pflanzen verwenden O2- und CHO-Verbindungen genau wie Tiere für exotherme Reaktionen, die Energie freisetzen, die sie verwenden können. Die Photosynthese ist eine endotherme Reaktion, die darauf ausgelegt ist, Energie (im Fall von Pflanzen Sonnenlicht) zu verwenden, um diese Reaktion umzukehren, da keine O2- und CHO-Verbindungen für sie verfügbar sind, die sie verbrauchen könnten. Auf der Erde setzen die Pflanzen dieses zusätzliche O2 einfach als „Abfallgas“ frei, weil die Speicherung für die zukünftige Verwendung ätzend ist und keinen Zweck erfüllt, da die Pflanze mehr produzieren kann, als zu einem bestimmten Zeitpunkt benötigt wird.

Wenn die Erde weiter von der Sonne entfernt wäre, sagen wir am Rand der bewohnbaren Zone, UND in die Pflanzen ein metabolisches Regulationssystem eingebaut wäre, so dass sie, wenn sie genügend O2- und CHO-Verbindungen hätten, ihre Photosyntheseprozesse unterbrechen könnten (vielleicht kleine Speicher). Mengen an O2 für die Nacht und dergleichen), dann wäre das große Ereignis der Sauerstoffanreicherung im Wesentlichen nicht passiert.

Es kann etwas loses O2 in der Luft sein (das vielleicht von einer sterbenden Pflanze freigesetzt wird, wenn ihr Kurzzeitspeicher der Atmosphäre ausgesetzt ist), aber im Allgemeinen hätten Pflanzen nur das produziert, was sie brauchten.

Dies wiederum würde natürlich bedeuten, dass Ihr Planet möglicherweise nur pflanzliches Leben unterstützen könnte; keine Tiere.

Das große Desoxygenierungsereignis
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