Komplexität von Ökosystemen in Ozeanen von Schurkenplaneten

Ich überlege, eine Umgebung für meine außerirdische Biosphäre zu bauen. Ich dachte, dass ein terrestrischer Schurkenplanet, der aus seinem Heimatsystem ausgestoßen wird und dann unter dem Eis seiner tiefen Ozeane Leben entwickelt, der schließlich von einem anderen Sternensystem eingefangen wird und dessen Eis auftaut, ein sehr interessantes Umfeld für die Arbeit wäre.

Im Moment muss ich jedoch wissen, wie viel Komplexität das Leben auf einem Schurkenplaneten haben könnte und wie entwickelt seine Ökosysteme sein könnten. Geothermische Quellen liefern nicht so viel Energie wie Sonnenlicht, daher kann ich wahrscheinlich keine Tiere in Leviathan-Größe erwarten, aber ich wollte wissen, was die theoretische Grenze für diese Ökosysteme sein könnte. Ist das, was wir in geothermischen Quellen auf der Erde sehen, das Beste, was Leben auf einem Schurkenplaneten tun könnte?

Welche Bedingungen kann ich auf einen Schurkenplaneten anwenden, um ihn zum bestmöglichen Ort für komplexes vielzelliges Leben und entwickelte Ökosysteme zu machen?

Bisher ist das einzige, was ich brauche, dass der Planet terrestrisch ist, mit einigen Kontinenten, die über die Oberfläche der gefrorenen Ozeane hinausragen (oder das Potenzial für ihre Entstehung in der Zukunft), damit ich erforschen könnte, wie sich das Leben an Land anpasst, sobald das Eis taut .

Hoffentlich ist das keine zu komplexe Frage. Vielen Dank für Ihre Zeit!

Möchten Sie mit einem heutigen erdähnlichen Planeten oder einer jungen Erde arbeiten, die geologisch aktiver war?
Ich habe das Gefühl, dass es bei Ihrem Problem weniger um Energie geht (geothermische Energie ist leicht zu steigern), sondern um das Verlassen und Betreten von Umlaufbahnen verschiedener Sterne, ohne alles Leben zumindest an den Rand des Aussterbens zu bringen, und bestenfalls nur wenige mikrobielle Kreaturen zurückzulassen. Es gibt keine Möglichkeit für ein komplexes vielzelliges Leben, solch extreme Veränderungen der Bedingungen zu überleben, daher spielt es keine Rolle, dass es früher ein Schurke mit Leben war, da es im Grunde gezwungen war, die Evolution "neu zu starten".
@Alexander Wahrscheinlich so etwas wie eine junge Erde, da ich möchte, dass sich Leben entwickelt, während es bereits schurkisch ist, und es wahrscheinlicher erscheint, in den früheren Stadien der Entstehung eines Sonnensystems ausgestoßen zu werden.
@zackit Ist der Meeresboden nicht so isoliert, dass der Planet, der sich in einer Umlaufbahn in der Goldilock-Zone eines Sterns niederlässt, keine so katastrophalen Auswirkungen auf ihn haben würde? Was sind die Dinge, die das Leben auslöschen würden, wenn das nicht der Fall ist?
@ D.Daniels Ihre Hauptsorge ist, dass diese Schutzschicht aus Wassereis beim Schmelzen in die Ozeane von Nichtwasserlösungsmitteln gelangt , die in der Kälte des Weltraums flüssig gewesen wären, aber wenn diese Abdeckung abschmilzt, wird sie heizen auch diese Ozeane auf, wodurch ein Großteil davon in Gase umgewandelt wird und das Leben gezwungen wird, entweder in lächerlich kurzer Zeit das Lösungsmittel zu wechseln oder auszusterben. Außerdem sind dies Kreaturen, die an eine sehr dunkle Welt angepasst sind, mit wenig oder gar keinem Schutz vor der tödlichen Strahlung, die Licht ist, und noch mehr töten. Es gibt auch mehr Gefahren, aber ich habe keine Zeichen mehr für den Kommentar
@zackit "Ozeane von Nichtwasserlösungsmitteln" - welche? Ich denke, für diese Frage ist es in Ordnung, festzulegen, dass Wasser hier eine dominierende Flüssigkeit ist, es gibt keine nennenswerten Mengen an Methan, Ammoniak usw.
@Alexander Ja, das verwirrt mich auch ein bisschen. Ich gehe davon aus, dass alle Ozeane und Eis aus Wasser bestehen, nicht aus Methan. Ich vermute, dass sich die Atmosphäre je nach Temperatur entweder verflüssigt oder verfestigt hat und eine Art Decke über dem Wassereis gebildet hat, wie das, was (glaube ich?) Pluto passiert ist.
@D. Daniels Ich sehe Ihr größtes Problem darin, dass Ihr Leben chemosynthetisch beginnt, nicht photosynthetisch, und der Sprung in neue ökologische Nischen erhebliche Veränderungen (und viel Zeit) erfordern würde. Ja, sobald das Eis schmilzt, können Ihre Organismen beginnen, seichte Gewässer zu besiedeln – aber dies sollte viele Millionen Jahre dauern, und Organismen, die diese seichten Gewässer besiedeln würden, würden nicht wie diejenigen aussehen, die sich um hydrothermale Quellen drängten.
@D.Daniels Der Grund, warum es ein Nicht-Wasser-Lösungsmittel verwenden würde, ist, dass ein solches Lösungsmittel in der Lage wäre, die Kälte besser zu bewältigen, in der der Planet so lange verbracht haben wird. Normales Wasser würde Temperaturen und Drücke erfordern, die für längere Zeit wahnsinnig schwer zu erreichen sind Zeitraum unter solchen Bedingungen. Auch wenn Sie davon ausgehen, dass es sich um einen Ozean auf Wasserbasis handelt , haben Sie immer noch das Problem einer plötzlichen großen Veränderung der Zusammensetzung.

Antworten (1)

Ich glaube nicht, dass dies eine vollständige Antwort ist, aber ich sah eine Gelegenheit, etwas Rost von meinen Chemiekenntnissen zu schleifen und uns einen Ausgangspunkt für den Teil Ihrer Frage zu geben, "wie viel Komplexität könnte das Leben auf einem Schurkenplaneten haben". .

Da dies eine Schätzung der verfügbaren chemischen Energie aus hydrothermalen Quellenfeldern auf planetarer Ebene ist, sollten diese Zahlen als sehr, sehr grobe Schätzungen angesehen werden. Es ist auch erwähnenswert, dass ich zu diesem Zeitpunkt seit etwa vier oder fünf Jahren kein professioneller Chemiker mehr bin und obendrein Biochemie und Genetik studiert habe. Wenn ein echter organischer Chemiker hereinspazieren und mir das Gegenteil beweisen will, trete ich gerne zur Seite und esse meine Notizen.

Damit aus dem Weg geräumt: die Chemie .

In der grundlegenden chemosynthetischen Reaktion, wie sie auf Wikipedia angegeben ist (ja, Sie werden vielleicht zusammenzucken), wird Schwefelwasserstoff durch die folgende Gleichung in Glucose umgewandelt:

18 H 2 S + 6 CO 2 + 3 O 2 --> C 6 H 12 O 6 + 12 H 2 O + 18 S

Mein Ansatz war:

  1. Berechnen Sie die Nettoenergie aus dieser Reaktion
  2. Ermitteln Sie die durchschnittliche Schwefelmenge, die ein schwarzer Raucher ausstößt
  3. Finden Sie eine geschätzte Anzahl von hydrothermalen Quellen auf dem Planeten

Ich musste in jeder Phase ein wenig Beinarbeit leisten. Hier geht.

Nettoenergie berechnen

Bindungsenthalpie der Reaktanten:

(Energie, die in den chemischen Bindungen auf der linken Seite der obigen chemischen Gleichung vorhanden ist)

H 2 S: 679 kJ/mol * 18 = 12.222 kJ/mol

CO 2 : 803 kJ/mol * 6 = 4.818 kJ/mol

O 2 : 498 kJ/mol * 3 = 1.494 kJ/mol

Gesamte chemische Bindungsenthalpie (Reaktanten): 18.534 kJ/mol

Bindungsenthalpie der Produkte:

(alles auf der rechten Seite der Gleichung)

C 6 H 12 O 6 : 9.546 kJ/mol

H 2 O: 459 kJ/mol * 12 = 5.508 kJ/mol

S: 226 kJ/mol * 18 = 4.068 kJ/mol

Gesamte chemische Bindungsenthalpie (Produkte): 19.122 kJ/mol

Eine Anmerkung zu den Kohlenhydraten - ich habe Glukose verwendet, da es im Allgemeinen der häufigste Einfachzucker ist, der als chemischer Energiespeicher/Quelle verwendet wird, aber es gibt ein paar Zucker mit der Summenformel C6H12O6. Das Ganze ist jedoch eine Annäherungsübung, also werde ich weiter herumwursteln.

Eduktenthalpie - Produktenthalpie:

18.534 kJ/mol - 19.122 kJ/mol = -588 kJ/mol

Dies stellt ungefähr die Nettoenergie dar, die von einem chemosynthetischen Organismus gespeichert wird, der diesen Prozess verwendet. Diese Zahlen hängen von vielen Faktoren ab, insbesondere von Katalysatorpräsenz und Materialphase - die Werte, die ich hier verwende, gehen davon aus, dass alles ein Gas ist, da dies für die meisten Reaktionen der einfachste Fall ist.

Ich möchte dies jedoch aus der Perspektive von Schwefelwasserstoff, H2S, analysieren. Wir haben 18 Mol davon in dieser Reaktion, also muss ich durch 18 teilen, um die Energie pro Mol zu erhalten.

-588 kJ/mol / 18 = -33 kJ/mol

Großartig. Jetzt müssen wir wissen, wie viel Schwefelwasserstoff in die Weltmeere gelangt.

Weltweit verfügbarer hydrothermaler Schwefelwasserstoff

Energie pro Raucher

Laut "Evolution of the Global Biogeochemical Sulphur Cycle" (oben verlinkt) beträgt die durchschnittliche Menge an Schwefelwasserstoff, die von einem Schwarzen Raucher emittiert wird, etwa 6 Tonnen pro Jahr.

Schwefelwasserstoff hat ein Molgewicht von 41,1 g/mol, also ergibt 6 Tonnen dividiert durch 41,1 g/mol 145.985 Mol H2S, die pro Jahr produziert werden.

Wenn wir dies mit unserem vorherigen Wert der Nettoenergie pro Mol kombinieren, erhalten wir die verfügbare Energie pro Raucher.

33 kJ/mol * 145.985 mol = -4.768.856 kJ Energie pro Raucher pro Jahr, vorausgesetzt, unser chemosynthetisches Leben fängt 100 % des gesamten verfügbaren Schwefelwasserstoffs ein.

Anzahl der Raucher

Unser zweites Papier, "Wie viele Schlotfelder? Neue Schätzungen der Schlotfeldpopulationen auf Ozeanrücken aus präziser Kartierung hydrothermaler Entladungsorte" untersuchte ungefähr 15.000 km Unterwasserkämme oder etwa 20 % der globalen Unterwasserkämme (ihre Schätzung).

15.000 km / 0,2 ergibt eine geschätzte Gesamtlänge des Unterwasserkamms von 75.000 km.

Dieses Papier erwähnt auch das Auffinden von Schwaden, die 19 +/- 25 km voneinander entfernt sind. Unter Verwendung des breitesten durchschnittlichen Abstands von 44 km (19+25), um konservativ zu sein, können wir die geschätzte Anzahl aktiver Raucher berechnen:

75.000 km / 44 km = 1704 aktive Raucher

Als nächstes kombinieren wir diese Schätzung von aktiven Rauchern mit den Molen an Schwefelwasserstoff, die von einem Raucher produziert werden:

145.985 Mol * 1704 aktive Raucher = 8.126.131.387 kJ Energie aus Schwefelwasserstoff jährlich weltweit. Ein paar Stellen weniger, das sind 8,13 TJ Leistung.

Das ist eine ziemlich große Zahl, und das Leben kann sicherlich, äh, einen Weg damit finden, aber im Vergleich zur Sonnenenergie scheint es viel bescheidener zu sein - laut Wikipedia beträgt die Sonnenenergie, die die Erde erhält, ungefähr 3,8 YJ pro Jahr . Das ist neun Größenordnungen größer, was unser ozeanisches H2S-Energiebudget zu einem Rundungsfehler macht.

Leviathane

Wir haben also ein globales Gesamtenergiebudget. Was kann davon leben?

Am Ende der Nahrungskette stehen viele Dinge. Das ist eine ganze Menge Energie für einfache Organismen, die von ungewöhnlicher Chemie und thermischer Energie leben. Wenn Sie ein pflanzliches Analogon wollten, das diese Bereiche bedeckt, ist das nicht völlig außerhalb des Bereichs der Möglichkeiten. Sie würden sich jedoch über eine Art Sporen oder vielleicht quallenähnliche Samen oder Larven ausbreiten wollen, da die Warmwasseröffnungen, die für den größten Teil des Schwefelausstoßes verantwortlich sind, der leicht zu bekommen ist (nicht ZU heiß), dazu neigen, sich allmählich zu öffnen, zusammenzubrechen, blockiert zu werden, oder sich sonst ziemlich routinemäßig bewegen.

Für bewegliches vielzelliges Leben müssen wir eine trophische Ebene aufsteigen. Das bedeutet etwa einen 10-fachen Verlust an verfügbarer Energie. Ich werde Blauwale als Referenz verwenden und sagen, dass unser Leviathan nur etwa zwei trophische Ebenen höher ist (Blauwale fressen verschiedene kleine Lebewesen, die photosynthetisches Leben fressen, also, vielleicht zu stark vereinfacht, zwei Schritte), was uns höchstens 1/100 gibt verfügbare Energie.

0,01 * 8.126.131.387 kJ = 81.261.313 kJ oder 81 GJ.

Ein Blauwal benötigt etwa 400.000 Kalorien pro Tag, was mir eine Google-Rechner-Umrechnung sagt, sind 1,7 * 10 ^ 9 Joule oder 1,7 GJ.

Unser gesamter Energiehaushalt aus Schwefelwasserstoff könnte also theoretisch 47 unserer Blauwal-ähnlichen Leviathaner (81 / 1,7) unterstützen, wenn sie sehr gut teilen könnten. Der Genetiker in mir hat auf lange Sicht einige Probleme mit dieser Zahl.

Es ist erwähnenswert, dass dies nur eine Quelle chemischer Energie ist und wahrscheinlich nur einen Teil der gesamten verfügbaren Energie darstellt - ich habe Silikate, Eisenverbindungen oder eine Reihe anderer nicht berührt. Schwefelwasserstoff war für mich einfach die am wenigsten hängende Frucht, und hoffentlich gibt Ihnen dies einen guten Ausgangspunkt, um die wahrscheinlichen Grenzen des Lebens auf Ihrer Welt abzuschätzen.

Ich möchte Alexander auch für ihren Kommentar zur evolutionären Zeit danken – es würde tatsächlich Jahrtausende dauern, bis sich chemosynthetisches Leben an eine andere Nahrungsquelle angepasst, sich diversifiziert und im neu entdeckten Sonnenlicht vermehrt.

Das ist großartig, vielen Dank für all die Arbeit, die Sie in diese Arbeit gesteckt haben! Es gibt mir definitiv eine Vorstellung davon, wie das Leben auf meinem Planeten begrenzt sein könnte.
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