Auf der Erde gibt es, soweit wir wissen, zwei Hauptwege, auf denen Bakterien Energie gewinnen.
es gibt die Photosynthese, die Umwandlung von Licht in chemisch basierte Energien wie ATP.
Es gibt chemische Prozesse, bei denen die Zelle eine Vielzahl von Molekülen abbaut, um aus den Reaktionen Energie zu gewinnen. Ein Beispiel hierfür ist die Chemosynthese.
Kann es Bakterien oder Organismen geben, die Energie aus thermischer Energie gewinnen?
Beispielsweise könnte es ein Bakterium geben, das in einem vulkanischen Gebiet lebt, irgendwo, wo es heiß genug ist, dass es einen Überschuss an thermischer Energie gibt. Gäbe es für eine solche Zelle eine Möglichkeit, diese Wärmeenergie ähnlich zu nutzen, wie einige Zellen das Sonnenlicht bei der Photosynthese nutzen?
Es wäre machbar, aber es wäre schwierig. Der Trick ist, dass man aus thermischer Energie nicht direkt nutzbare Energie gewinnen kann. Die einzige Möglichkeit, nutzbare Energie aus thermischer Energie zu gewinnen, besteht darin, zwei Bereiche mit unterschiedlichen Temperaturen zu finden und Energie von heiß nach kalt zu übertragen. Das machen Motoren.
Ein einzelliger Organismus wie ein Bakterium hätte es schwer, Energie zu erzeugen. Für eine große Kolonie wäre dies viel einfacher. Ich konnte mir vorstellen, dass eine Kolonie die Tatsache ausnutzt, dass bestimmte reversible Reaktionen bei unterschiedlichen Temperaturen bevorzugt werden. Eine Kolonie kann eine Verbindung finden, die sie bei hohen Temperaturen erzeugen kann, und dann bei niedrigen Temperaturen ohnmächtig werden, wo die umgekehrte Reaktion bevorzugt wird. Dies würde nutzbare Energie erzeugen, indem die Wärme von heiß nach kalt übertragen wird.
Ein einzelnes Bakterium könnte dies tun, wenn es einen zuverlässigen thermischen Zyklus gibt. Wenn es zum Beispiel eine große Temperaturverschiebung von Tag zu Nacht gab, könnte es diese Metaboliten lange genug halten, um sie tagsüber in die eine Richtung umzuwandeln (Energieerzeugung) und sie dann nachts in die andere Richtung umzuwandeln (auch Energie erzeugen).
In gewissem Sinne schon, da die beiden von Ihnen erwähnten Prozesse indirekt auf Wärmeenergie angewiesen sind:
Die direkte Nutzung von Wärmeenergie und nicht über ein chemisches Zwischenprodukt ist irgendwie schwierig, da lebende Zellen, wie wir sie kennen, normalerweise für den Betrieb in einem engen Temperaturbereich optimiert sind, in dem die erreichbare direkte Wärmeenergie gering ist (um Wärmeenergie direkt zu nutzen). man braucht eine Quelle mit hoher Temperatur und eine Entladung mit niedriger Temperatur).
Bitte lesen Sie über Carnot-Zyklen und so weiter . Um thermische Energie zu nutzen, braucht man ein heißes und ein kaltes „Reservoir“ oder anders gesagt ein Temperaturgefälle und nicht nur „hohe“ Temperaturen . Es gibt mehrere Probleme damit, wenn es um Bakterien geht:
Die meisten Zellen sind ziemlich klein. Es gibt Ausnahmen, aber ein durchschnittlicher Mikroorganismus wird nicht groß genug sein, um eine signifikante Temperaturänderung in ihm zu zeigen. Außerdem sollte es nur in einem sehr kleinen Bereich leben können und durch ein bisschen Abdriften den gesamten Organismus zum Absterben bringen, weil es für diese Temperaturen einfach nicht gemacht ist.
Wenn Sie einen Weg finden, mit 1 umzugehen, müssen Sie immer noch bedenken, dass das Leben, wie wir es kennen, flüssiges Wasser benötigt. Mit viel Salz können Sie beispielsweise einen Bereich von 140 ° C erreichen, in dem Wasser flüssig ist, aber nicht mehr ist realistisch, wenn Sie dauerhaft darin leben möchten. Herr Spencer gab in den Kommentaren einen Hinweis: Einige Bakterien können bei mehr als 113 °C wachsen . Ja, Mikroorganismen können unter ziemlich extremen Bedingungen überleben, aber Sie können keine dauerhaften Temperaturen erwarten, die viel höher sind. Sie müssen sich also außerhalb des Vulkans befinden, wo, um auf Punkt 1 zurückzukommen, das Gefälle viel geringer sein wird als in den heißeren Zonen. Darüber hinaus werden Sie in diesem gesamten Bereich mit ziemlicher Sicherheit nicht genügend Proteine finden, die richtig funktionieren. Ein wärmeliebender Organismus beispielsweise wird aus diesem Grund bei niedrigeren Temperaturen nicht funktionieren.
Es müsste sich auf natürliche Weise mit einer ziemlich ineffizienten Energiequelle entwickeln, während a) andere Leben in der Umgebung dies möglicherweise über die beiden von Ihnen genannten Optionen getan hätten. b) Die Umgebung, in der es sich befindet, ist ziemlich instabil, ein Vulkan ist nicht gerade ein sicherer Ort zu leben, wenn man an Temperaturschwankungen stirbt und c) Sachen essen will. Ein solch ineffizienter Organismus macht evolutionär einfach keinen Sinn. Ich denke, das wird viel problematischer, wenn man es größer macht, um die kleinen Temperaturunterschiede auszugleichen.
Ich könnte noch ein paar Punkte machen, aber mir läuft die Zeit davon. Ich sage nicht, dass es unmöglich ist, aber Sie müssten diese Probleme angehen. Vielleicht müssen Sie einen Organismus erfinden, der neben einem Vulkan lebt, der einen Gletscher berührt.
Solange der erste und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik erfüllt sind, wäre es theoretisch möglich. Dies ist eine ziemlich vage Antwort, aber der Organismus könnte nicht "leben", wenn er nur in einer Umgebung mit konstanter Temperatur säße. Es könnte in einem solchen Fall möglicherweise in den Ruhezustand übergehen, aber die dynamische Aktivität würde aufhören.
Der Organismus nimmt Wärmeenergie nur dann auf, wenn es kühler als seine Umgebung ist. Ein Großteil dieser absorbierten Energie erhöht die Temperatur des Organismus, und der Rest wird verwendet, um chemische Prozesse anzutreiben oder die innere Struktur direkt durch thermische Ausdehnung/Kontraktion zu modifizieren. Einige dieser chemischen Prozesse können am Ende dazu führen, dass der Organismus Arbeiten an der Umgebung oder sogar an seiner eigenen Struktur verrichtet, aber nur, wenn der erste und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik beide erfüllt werden können. Diese Prozesse werden beendet, wenn der Organismus ein thermisches Gleichgewicht mit seiner Umgebung erreicht. Um zu verhindern, dass der Organismus irgendwann "kocht", kann er nicht einfach in wärmere Umgebungen gehen. Es muss sich schließlich in einer lokalen Umgebung wiederfinden, die kühler ist als es selbst, damit es Wärmeenergie abgeben kann. vielleicht mit der Leistung von mehr Arbeit. Um einer vernünftigen Definition von Leben gerecht zu werden, muss sich der Organismus in einer Umgebung wiederfinden, die das istthermisch oszilliert , um die Strukturen und Verhaltensweisen zu erzeugen, die wir normalerweise mit Leben assoziieren würden.
Sofern die Arbeit des Organismus nicht dazu dient, sich zwischen wärmeren und kühleren Umgebungen hin und her zu transportieren, muss er sich auf eine externe Ursache für die thermischen Schwingungen verlassen.
Sie stellen sich vielleicht einen Organismus wie einen Pilz oder Bakterien vor, den Sie in eine sehr heiße Umgebung werfen können. Die Wärme würde vom Organismus "absorbiert" und genutzt werden, wodurch weniger Energie als zuvor zurückbleibe und ihn im Wesentlichen abkühlt. Dieser Organismus wäre unglaublich praktisch und bricht leider die Gesetze der Physik! Es könnte verwendet werden, um Kernreaktoren zu kühlen und vielleicht eine Klimaanlage zu ersetzen, wenn es effizient genug wäre. Es würde schließlich jede Art von globaler Erwärmung umkehren.
Ich habe das Wort „absorbiert“ in Anführungszeichen gesetzt, weil wir dafür keine Möglichkeit haben. Wärme fließt auf natürliche Weise von einem Bereich mit hoher Temperatur zu einem Bereich mit niedriger Temperatur (Bewegung zum Zustand maximaler Entropie: thermisches Gleichgewicht). Das Bewegen von Wärmeenergie gegen diesen Gradienten erfordert eine gewisse Anstrengung, die unweigerlich die Entropie an anderer Stelle erhöht.
Hochtemperaturbereiche wie Thermalquellen haben auch hohe Temperaturgradienten. Nützliche Energie (mechanisch oder chemisch) kann durch einen Wärmegradienten erzeugt werden, aber die Reaktion bringt das gesamte System immer näher an das thermische Gleichgewicht.
Denis de Bernhardy
Spencer
MichaelK
sthede