Sind Rachen- und Hautatmung für ein Wassersäugetier möglich?

Leider ist dies nicht möglich. Warmblüter wie Säugetiere verbrauchen einfach zu viel Sauerstoff, um ihre innere Körpertemperatur für eine effektive Hautatmung aufrechtzuerhalten.

Lassen Sie uns einige Zahlen dafür bekommen. Der menschliche Körper verbraucht etwa 8 mg Sauerstoff pro Sekunde. Im Ozean schwanken die Sauerstoffkonzentrationen zwischen 0 und 10 mg Sauerstoff pro Liter. Im besten Fall strömen wir also 1 Liter Sauerstoff pro Sekunde über den Wassermannkörper, was eigentlich gar nicht so unplausibel klingt. Allerdings ist die Haut des Meermenschen nicht in der Lage, all diesen Sauerstoff zu absorbieren – er ist durch die Diffusionsrate begrenzt.

Laut diesem Papier kann der menschliche Körper etwa 1 ml Sauerstoff pro Minute aufnehmen, basierend sowohl auf ihrer gemessenen Bewertung als auch auf dem theoretischen Modell, das eine algebraische statische Lösung des zweiten Fickschen Gesetzes erfordert. Ich habe den relevanten Abschnitt geholt, da der Artikel für einige Benutzer möglicherweise hinter einer Paywall steht:

Im Wesentlichen stehen wir vor einem Unterschied von zwei Größenordnungen zwischen dem, was wir brauchen (8 mg/s) und dem, was möglich ist (0,021 mg/s).

Es gibt jedoch einige andere Ideen, die Ihnen helfen könnten, diese Grenze zu umgehen. Ich verlinke hier auf meine Antwort , hier auf eine andere Frage und hier auf eine weitere , nur für den Fall, dass Sie sie noch nicht gesehen haben.

Leider ist es physikalisch unmöglich, eine Endotherme zu bauen, die Wasser atmet, egal wie sehr Sie es versuchen.

Im besten Fall erreicht die Sauerstoffsättigung von Wasser etwa 10 Milligramm pro Liter. Betrachten Sie die Oxidation von Berylliummetall in Sauerstoff, eine der effizientesten Wärmeerzeugungsmethoden, die mit einer Standardbildungsenthalpie von -599 kJ/mol möglich ist.

Da das Produkt Berylliumoxid die Formel BeO mit einer Molekülmasse von 25 hat und ein Verhältnis von Be zu O von 9 zu 16 enthält, kann ein Liter Wasser bei vollständiger Aufzehrung der Sauerstoffsättigung nur etwa 15,625 Milligramm Berylliumoxid bilden . 0,015625/25*599000= 374,375 J pro verbrauchtem Liter Wasser.

Bei einer Wärmekapazität von 4,2 kJ/kg*C reichen 374,375 J Energie nur aus, um die Temperatur dieses Liters Wasser um 0,09 Grad C zu erhöhen. Tatsächlich ist eine so geringe Temperaturdifferenz selbst damit unmöglich zu erfassen ein rekuperierender Wärmetauscher, der einen maximalen Wirkungsgrad von 95 Prozent erreicht, oder eine beibehaltene Temperaturdifferenz von 1,78 Grad C über der höchsten aufgezeichneten Meerestemperatur von 31 Grad C = 32,78 Grad C oder einer Kerntemperatur von etwa 33 Grad C.

Unter 35 Grad C setzt Unterkühlung ein, unter 33 Grad C stoppt das Herz. Unter 30 Grad Celsius stirbt ein Säugetier an Unterkühlung. Die durchschnittliche Meerestemperatur in der Nähe der Tropen beträgt etwa 28 Grad C. Egal wie groß Ihr Meervolk ist, das Wasser, das es atmet, verhindert, dass seine Körpertemperatur hoch genug wird, um sein Herz schlagen zu lassen!

Aus diesem Grund atmen ALLE marinen Endothermen Luft – nicht weil sie Lungen statt Kiemen hätten, sondern weil der Sauerstoffgehalt des Meerwassers allein nicht ausreicht, um selbst das absolute Minimum an Körperkerntemperatur aufrechtzuerhalten, das für die Funktion einer Endotherme erforderlich ist!

Fische und Ektothermen verwenden Kiemen, da ihre Physiologie weder eine Wärmeerzeugung noch eine hohe Temperatur erfordert. Die Energie aus gelöstem Sauerstoff reicht für die meisten biologischen Aktivitäten aus, WENN es nicht notwendig ist, die Körperwärme aufrechtzuerhalten.

In DC-Comics kommen die Atlanter damit durch, indem sie Magie verwenden, um den größten Teil ihres physischen Energiebedarfs zu decken, der möglicherweise überhaupt nicht endotherm ist. Ohne Magie oder eine andere Energiequelle, die nicht auf einer chemischen Reaktion mit Sauerstoffgas beruht, ist die Wasseratmung physikalisch unmöglich, es sei denn, Sie zählen stabile Körpertemperaturen, die mindestens ein halbes Grad über der durchschnittlichen Wassertemperatur liegen, als warmblütig.

Die Lösung?

Eine schummelt, eine basiert auf Reaktionen, die keinen Di-Sauerstoff erfordern, dh eine an-aerobe Reaktion.

Die Betrugsmethode: Lassen Sie Ihr Meervolk in extra heißem Wasser leben, das sich der durchschnittlichen menschlichen Körpertemperatur annähert oder zumindest oberhalb dessen ein Säugetierherz mit minimaler zusätzlicher Erwärmung schlagen kann. Dh lassen Sie Ihr Meervolk in geothermischen Gebieten wie dem Salzwasserkönigreich in DC Aquaman leben. Der zusätzliche Wärmebedarf für eine Säugetierphysiologie wird von einer externen Quelle geliefert, oder wie im Film, buchstäblich in geschmolzener Lava gebadet.

Die Methode ohne Schummeln: Verwenden Sie ein alternatives Oxidationsmittel für die Atmung Ihres Meervolks, vorzugsweise etwas, das es sein kann

(a. Unter physiologischen Bedingungen kompakt gelagert, vorzugsweise mindestens so dicht wie Glykogen in Bezug auf die oxidative Energiedichte.

(b. Kann relativ leicht nachgefüllt werden, vorzugsweise durch Einnahme, oder ist in Konzentrationen verfügbar, die hoch genug sind, um den endothermen Stoffwechsel in der Umgebung, in der Ihr Meervolk lebt, zu unterstützen.

Drei natürliche Pfade, vier, wenn Sie organische Materialien als wertvolle Elektronenrezeptoren zählen, existieren bei Leistungs- und Energiedichten, die hoch genug sind, um potenziell den endothermen Stoffwechsel zu unterstützen:

1. Denitrifikation oder dissimilatorische Nitratreduktion (zu Ammoniak) Dies ist die Reaktion, die von anaeroben Bodenbakterien verwendet wird, um Energie aus Nitraten zu erzeugen, einem Produkt der Ammoniakoxidation oder Nitrifikation in aeroben oberen Schichten des Bodens. Dieser Prozess verwendet gelöste Nitrate als Elektronenakzeptor, mit einem Sättigungspunkt von fast 300 Gramm pro Liter Wasser, die maximale Energiedichte dieser Reaktion reicht aus, um Wasser für seine gespeicherte Masse an Oxidationsmittel mindestens dreimal überzukochen. Nitrate könnten aus der Umwelt gesammelt werden, vorzugsweise während nicht-endothermer "Winterschlaf"-Perioden, aus stickstoffhaltigen Verbindungen während zweitägiger bis wöchentlicher (wenn bis zu 3 kg Nitrate während eines Auftauchens gebildet werden) Auftauchen zum Sammeln von atmosphärischem Sauerstoff aus der Luft produziert oder aufgenommen werden als Teil der Ernährung Ihres Meervolkes.

2. Hydrogenosom und Hydrogenese Dies ist der vorherrschende Weg, unerwünschte Elektronen in Archaeen und bestimmten Cyanobakterien zu beseitigen. Bei bestimmten kleinen (euxinophilen) Tieren verwenden weiterentwickelte, von Mitochondrien abgeleitete Hydrogenosomen Protonen selbst als terminale Elektronenakzeptoren, wodurch Wasserstoffgas als Nebenprodukt erzeugt wird. Die Reaktion ist ineffizient, da ein Elektronenpaar bestenfalls sechs Protonen (normalerweise nur vier) pumpen kann, aber da diese Reaktion Wasser als Oxidationsmittel verwendet, ist die Energiedichte pro Kilogramm verbrauchtem Wasser fast die gleiche wie bei luftatmenden Organismen . Da das Produkt dieser Reaktion Wasserstoffgas ist, führt dies auch dazu, dass Ihr Meervolk Blasen ausatmet, aber nichts einatmet.

3. Methanogenese Methanogenese ist die letzte Möglichkeit der anaeroben Atmung, bei der keine organischen Verbindungen als Nebenprodukte verbraucht werden. Methan wird von obligat anaeroben Archaeen produziert, die Kohlendioxid als terminalen Elektronenakzeptor verwenden. Diese Reaktion pumpt 6 Protonen pro Elektronenpaar in Methanobacilus, 4 bis 5 in Methanosarcina. Die Methanogenese erzeugt geringfügig mehr Energie als die Hydrogenese und verwendet das Nebenprodukt der Atmung selbst als Oxidationsmittel. Die Energiedichte der Methanogenese ist oft hoch genug, um einen Komposthaufen für zwei bis zweieinhalb Tage auf selbstbegrenzender Temperatur zu halten.

4. Fermentative Prozesse Entgegen der landläufigen Meinung sind sehr tiefe Formen der Fermentation sehr effizient in Bezug auf die Energieproduktion pro verbrauchtem Substratmolekül. Beispielsweise erzeugt der Prozess der Aceton-Butanol-Ethanol-Fermentation maximal 5,25 ATP pro verbrauchter Glukose, und die Oxalacetat / Malat-Disproportionierungsreaktionen von Spulwürmern ergeben 6,1 ATP pro verbrauchter Glukose. Dies ist einer der Gründe, warum Komposthaufen spontan Feuer fangen können. Natürlich wird Ihr Meervolk kein Feuer fangen, weil es unter Wasser ist, aber die Wärmeerzeugung ist mehr als genug, um Ihr endothermisches Meervolk warm zu halten.

Nachteile der anaeroben Atmung: Obwohl die anaerobe Atmung die Körperwärme spart, indem sie den notwendigen diffusiven (und daher thermisch berührenden) Wasserfluss und den daraus resultierenden Wärmeaustausch mit den Kernorganen Ihrer Meermenschen nahezu eliminiert, sind sie im Vergleich zur Oxidation durch Sauerstoffgas relativ ineffizient organischer Kohlenstoff verbraucht. Da der begrenzende Faktor jedoch der Wärmeaustausch und nicht die Nahrung ist (da dies keine Erde ist), würde eine Rasse von Meermenschen, die außergewöhnlich gefräßige Esser sind, wahrscheinlich gute Details der Geschichte liefern oder zumindest Fettleibigkeit verhindern, da die meisten Meeressäuger außergewöhnlich dicken Speck hatten ......

Beginnen wir mit dem, was wir in O2 verbrauchen. Der durchschnittliche Mensch verbraucht mit jedem Atemzug etwa 25 % des Sauerstoffs in der Luft, und das bedeutet, dass der durchschnittliche Mensch an einem bestimmten Tag etwa 550 Liter O2 verbraucht.

Ein Meermann wird mehr verbrauchen, weil das Wasser kalt ist [Zitieren erforderlich], was bedeutet, dass er oder sie mehr Energie benötigt, um die inneren Körpertemperaturen zu regulieren. Sagen wir doppelt, um sicher zu sein. Das bedeutet 1,1 KL/Tag

Die erste Frage ist, ob ein Ozean diese Art von O2-Sättigungsgrad aushalten kann oder nicht. Geht man von einer erdähnlichen Welt aus, lautet die Antwort wahrscheinlich, aber nur bis zu einer gewissen Tiefe. Dies liegt daran, dass die O2-Sättigung im Wasser durch Photosynthese im Pflanzenleben unter der Oberfläche (mikroskopisch und makroskopisch) verursacht wird und das Sonnenlicht, das diesen Prozess antreibt, nur so weit nach unten reichen kann. Fazit ist, dass Ihr Meervolk unabhängig von der Atemmethode in extremen Tiefen wahrscheinlich ersticken wird. Dies ist keine große Sache, da herkömmliche Säugetiere ihren Innendruck nicht regulieren können, sodass Sie aus praktischen Gründen innerhalb eines bestimmten Bereichs der Oberfläche bleiben möchten, ganz zu schweigen davon, nur zu sehen, wohin Sie gehen.

Nehmen wir fürs Erste an, dass es genug Pflanzen im Ozean gibt, um Ihren O2-Spiegel zu unterstützen.

Die Sache mit Säugetieren ist, dass sie alle Lungen haben. Dies ist eine der Hauptbeschränkungen für unsere Fähigkeit, derzeit in große Tiefen zu tauchen. Ist es jedoch möglich, dass eine nachhaltige natürliche Selektion ein Säugetier hervorbringen könnte, das stattdessen (sagen wir) Kiemen verwendet?

Nun, ich müsste ja sagen, aber ich weiß nicht, wie die Unterwasseratmung bei einem Säugetier aussehen würde, das in die Ozeane zurückgekehrt ist. Alles, was ich wirklich sagen kann, ist, dass, wenn sich fischähnliche Tiere durch die Entwicklung von Lungen und Gliedmaßen an Land anpassen könnten, es durchaus möglich ist, dass sich Säugetiere mit der Zeit so entwickeln könnten, dass sie unter Wasser atmen können. Die eventuelle Entfernung der Lungen (oder ihrer Atrophie wie der Blinddarm) würde auch einige der natürlichen Hindernisse für eine Art beseitigen, die das Unterwasserleben voll ausnutzen kann, indem das primäre Hindernis für Druckschwankungen beseitigt wird. die Lungen.