Gibt es bekannte Lebensformen, die mechanische Energie in chemische Energie umwandeln können?

Es gibt keine bekannten Lebensformen, die mechanische Energie als primäre Form von Stoffwechselenergie (dh für generische Zellfunktionen) verwenden. Viele Lebensformen reagieren in gewisser Weise empfindlich auf mechanische Störungen, also nutzen sie mechanische Energie, aber in sehr begrenztem Maße (@Davids Antwort berührt dies), und natürlich haben viele Organismen Lebenszyklen, die irgendwie vom mechanischen Transport abhängen (Samen / Sporenverbreitung, Fortbewegung mit dem Wind oder Meeresströmungen usw.).

Ich denke, das größte physikalische Problem ist, dass mechanische Energie biologischen Zellen einfach nicht in einer Form zur Verfügung steht, die in erhebliche chemische Energie umgewandelt werden kann. Sie sind klein und neigen dazu, andere große Vorteile dafür zu haben, klein zu sein.

Um eine Ozeanwelle als Beispiel zu verwenden, gibt es sehr wenig oder keine wahrnehmbare Bewegung für eine Zelle in dieser Welle, abgesehen von einer offensichtlichen Zunahme und Abnahme der Schwerkraft. Die Ober- und Unterseite der Zelle bewegen sich zusammen mit dem Wasserfluss, sodass kein Differenzial zum Arbeiten vorhanden ist.

Ein E. coli wiegt etwa 1 Pikogramm. ^{Wenn es die gesamte Energie aus einem Fall aus 1 km Höhe auf der Erde einfangen könnte, wären das etwa 10 -11} Joule , vorausgesetzt, es wird kein nicht eingefangener Luftwiderstand angenommen .

Wenn ~3000 kJ/mol Energie aus der Verbrennung von Glukose verfügbar sind, bedeutet das ungefähr 5 × 10 ^-21 Joule pro Molekül Glukose, also ungefähr 20 Milliarden Glukosemoleküle, was nach viel klingt, aber es ist nur 1 Femtogramm, 0,1% das Gewicht der Zelle.

Beachten Sie auch: In @ Davids Antwort macht er sehr deutlich, dass die Verwendung mechanischer Kraft zum Öffnen eines Kanals in gewisser Weise tatsächlich eine Form des Energieverbrauchs und daher ein Proof of Concept ist, dass dies passieren könnte. Um diesen Prozess in die gleiche Größenordnung zu bringen, liefert diese Quelle (ursprünglich von @GerardoFurtado erwähnt) die Arbeit, die erforderlich ist, um einen dieser Kanäle bei etwa 8 × 10 ^-22 Joule zu öffnen. Die offene Latenzzeit für diese Kanäle liegt unter 50 Mikrosekunden, aber das schränkt die Anzahl möglicher Zyklen pro Zeiteinheit immer noch stark ein. Chemische Energie ist einfach wesentlich dichter als mechanische Energie: Deshalb hat Schießpulver Katapulte (und sogar das Trebuchet ...) abgelöst.

Dies ist definitiv nicht mein Gebiet, und ich habe kein Interesse an Science-Fiction, aber die Frage erschien mir interessant und brachte mich zu einem Bereich der bimolekularen Wissenschaft, der für die Frage relevant sein könnte.

Erstens, um die Frage direkt zu beantworten, ich kenne keine Beispiele für Lebensformen der Art, die Sie vorschlagen.

Es gibt jedoch Beispiele für biologische Prozesse, die mechanische Bewegungen beinhalten, die zur „Freisetzung“ elektrischer Energie führen. Das folgende kürzlich erschienene Papier machte mich darauf aufmerksam, und die Einführung enthält Hintergrundinformationen zu diesem Phänomen.

Kryoelektronenmikroskopische Struktur des Mechanotransduktionskanals NOMPC .

Es stellt sich heraus (Danke @Bryan_Krause), dass der elektrische Strom das Ergebnis der Öffnung eines „Tors“ ist, um einen bereits bestehenden Ionenkonzentrationsgradienten zu zerstreuen, der zuvor durch den Verbrauch von zellulärer chemischer Energie in Form von ATP aufgebaut wurde. Nichtsdestotrotz muss das Öffnen dieser Tore eine Wirkung auf die Konformation des Proteins oder Proteinkomplexes beinhalten, das an der Aufrechterhaltung des Tors beteiligt ist, und kann als Nutzung mechanischer Energie angesehen werden, um den Komplex von einem niedrigeren in einen höheren Konformationszustand zu treiben freie Energie.

Die in diesem Fall beteiligte Energiemenge kann ziemlich gering sein – einige wenige Wasserstoffbrückenbindungen im Vergleich zu der um Größenordnungen höheren Energie der Hydrolyse von ATP. Es ist jedoch ein interessanter "Proof of Principle". Wenn auf diese Weise winzige Mengen mechanischer Energie umgewandelt werden können, würde ich nicht darauf wetten, dass in irgendeiner Nische Organismen gefunden werden, die mehr Energie ernten und sie effektiver nutzen. Als primäre Energiequelle für das Leben? Vielleicht nicht.

Ich habe gelesen und Artikel über einige bakterielle Sporen verwendet, die zur Stromerzeugung verwendet werden, wenn sie sich ausdehnen und zusammenziehen. Ich bin mir nicht sicher, ob das eine relevante Antwort ist, aber das kam mir in den Sinn, als ich Ihre Frage las. https://www.sciencedaily.com/releases/2014/01/140127101242.htm

Nein, da die mechanische Energie nicht in der Größenordnung geerntet werden kann, in der das Zellleben existiert. Zelluläres Leben existiert auf einer Längenskala, wo Viskosität die primäre Kraft am Werk ist, eine Kraft, die durch Aufwenden von Energie überwunden werden muss.

Hier gibt es einen netten Artikel, der detailliert beschreibt, was mit Mechanismen von kleinen Organismen/Zellen gemacht werden kann: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4451180/

Einige biologische Moleküle wie Kollagen zeigen ein piezoelektrisches Phänomen, wenn sie mechanisch mit Ultraschallwellen manipuliert werden ( https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.238101 ).

Diese Manipulation führt nicht zur Erzeugung chemischer Energie, aber in einer theoretisch "harten" Science-Fiction-Arbeit würde ich vorschlagen, dass man legitimerweise über Organismen schreiben könnte, die sich entwickelt haben, um Kollagenmoleküle oder kollagenähnliche Proteine ​​(sagen wir) zu verwenden Nutzen Sie diesen Spannungsgradienten als potenzielle Energiequelle, um Kopien von sich selbst anzufertigen. Schließlich nutzen Pflanzen zum gleichen Zweck einen Protonengradienten und Photosynthese, um Energie in ATP-Molekülen zu speichern.

Wenn es ein Energiegefälle gibt, das für die Arbeit genutzt werden kann, findet das Leben im Allgemeinen einen Weg, davon zu profitieren .