Wie effizient könnte anaerobe Megafauna sein?

Okay, diese Tabelle listet anaerobe Atmungswege und die von ihnen erzeugten Reduktionspotentiale auf, da alternative Wege entweder primäre Reduktion oder primäre Oxidation als Tor zum Krebszyklus verwenden , können wir die E ^{O '} -Zahlen in der Tabelle als absolute Werte behandeln . Ich habe persönlich darauf hingewiesen, dass die am besten zugänglichen Atmungswege für große Lebensformen Gas-in und Gas-out sind und nicht solche, die entweder einen Elektronenakzeptor erfordern, der bei Raumtemperatur fest oder flüssig ist, wie die metallreduzierenden Wege, oder solche produzieren eine Verbindung wie bei der Acetogenese. Basierend auf dieser Annahme wollen wir die methanogenen Kohlendioxid-Atmer auf maximale Effizienz untersuchen , dieser Weg erzeugt ein E^O' von nur -0,25 V. Mitochondrium ist der Standard für die aerobe Atmung, die ein Redoxpotential von 0,82 V erzeugt, so dass Mitochondrium-Äquivalente, die auf etwas Ähnlichem wie Methanosarcina barkeri basieren , ungefähr 30 % der Energieabgabe ihrer sauerstoffabhängigen Gegenstücke haben würden. Kreaturen, die methanogene, mitochondrienähnliche Organellen verwenden, würden Kohlendioxid einatmen und Methan ausatmen, während sie eine Körperchemie verwenden, die ansonsten ziemlich ähnlich ist zu dem, was wir zu sehen gewohnt sind. Die einzige andere „Mussänderung“, die mir einfällt, ist Hämoglobin, das würde müssen gegen eine Verbindung ausgetauscht werden, die Kohlendioxid ein- und Methan austrägt.

Für ein natürliches Ökosystem müssten die Pflanzen einem Weg der anaeroben Oxidation von Methan folgen , um eine Atmosphäre mit hohem Kohlendioxidgehalt und ausgewogenem Methanabbau zu liefern. Wenn dies nitratgetrieben ist, könnten sie den irdischen Hülsenfrüchten, die alles vom Klee bis zur Akazie umfassen, funktionell ähnlich sein.

Um die Frage zu beantworten, ohne komplexe Stoffwechselwege erforschen zu müssen, die nicht auf Sauerstoff basieren: Warum nicht einfach Photosynthese? Schließlich haben Sie nur festgelegt, dass atmosphärischer Sauerstoff ein No-Go ist, und ein wirklich "sauerstoffloser Planet" klingt irgendwie unwahrscheinlich (es ist das dritthäufigste Element in unserem Sonnensystem und der Milchstraße insgesamt).

Dies erfordert eine sofortige Versorgung mit Wasser und Kohlendioxid, was keine völlig unvernünftige Anforderung ist ... die Urerde hat es schließlich geschafft, und angesichts der Tatsache, dass Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff zu den Top 4 der häufigsten Elemente da draußen gehören, würde es das tun wäre überraschend, wenn sie nicht auf vielen extrasolaren Planeten stark vertreten wären .

Betrachten wir die Kuh. Laut diesem Dokument über Kuhernährung und Energiehaushalt verbraucht eine „durchschnittliche Kuh“ (was auch immer eine davon sein mag, aber diese hier etwa 590 kg wiegt) etwa 40 Mcal pro Tag (das sind etwa 40 MJ in vernünftigen Einheiten), um herumzutaumeln und sich zu halten jeden Tag am Leben (vergleichen Sie dies mit den Zahlen in der grünen Kuh XKCD was-wäre-wenn ). Die XKCD-Schätzung ist, dass eine solarbetriebene Kuh nur 2 MJ/Tag vom Sonnenlicht erhalten könnte, was eindeutig unzureichend ist.

Es gibt sicherlich viel Raum für Verbesserungen bei der Photosynthese: Nur etwa 28 % des einfallenden Lichts werden tatsächlich vom Chlorophyll gesammelt und der Glukosesyntheseprozess ist nur zu etwa 30 % effizient. Bei transgenen Tabakpflanzen wurden kleine Verbesserungen (in der Größenordnung von 17 %) erzielt .

Eine Vergrößerung der Oberfläche ist auch eine Möglichkeit ... große feste Platten und Flossen sind bei verschiedenen Dinosaurierarten zu finden, und viele andere Tiere haben Fächer, Mähnen, Kämme und Gliedmaßen mit Schwimmhäuten, obwohl weitere Spekulationen über Mittel zur Vergrößerung der Tieroberfläche ziemlich abschweifen schnell außerhalb der "Hard Science"-Anforderung.

Eine Kombination aus Oberfläche und photosynthetischer Effizienz kann möglicherweise die 20-fache Stoffwechsellücke überbrücken. Sie können das mit der Hand winken, wie Sie es für richtig halten.

Es gibt natürlich noch eine Alternative. Kühe sind natürlich Endothermen, und das bedeutet, dass sie ihren Stoffwechsel ständig auf einem moderaten Niveau halten müssen. Poikilotherms hingegen sind an sehr niedrige Stoffwechselniveaus angepasst ... notwendig für ein Tier, das möglicherweise mit niedrigen Körpertemperaturen zurechtkommen muss und sich nicht in großem Maße erwärmen kann. Der Krokodil-Standardumsatz beträgt ungefähr ein Zehntel des Grundumsatzes eines durchschnittlichen Säugetiers (was auch immer es sein mag) mit dem gleichen Gewicht . Plötzlich haben Sie es nicht mit einer 20-fachen Lücke zu tun, sondern eher mit einer 2-fachen Lücke, die mit moderaten Erhöhungen der Oberfläche und der photosynthetischen Effizienz vernünftigerweise überbrückt werden könnte.

Sie können lange Zeit damit verbringen, Energiereserven aufzubauen, nachts (oder bei schlechtem Wetter) effektiv Winterschlaf zu halten und tagsüber mehr oder weniger bewegungslos zu bleiben. Krokodile sind im Bedarfsfall in der Lage, allein durch den anaeroben Stoffwechsel beträchtliche Energiemengen zu entwickeln und bei Bedarf zu überfallen, zu kämpfen oder zu fliehen. Die Energie könnte sogar zum Nachdenken nützlich sein, wenn Sie eine wirklich abgefahrene, ausgefallene Idee haben wollten.

Hier ist ein möglicher Prototyp für Ihre Bestien ... das Dimetrodon .

Sie haben nach tatsächlichen Effizienzzahlen für den anaeroben Stoffwechsel gefragt ... Nun, wenn Sie sich die terrestrischen Stoffwechselwege ansehen, ist ein Maß für die Effizienz vielleicht die Menge an ATP, die Sie pro Molekül Glukose erhalten. Anaerobe Glykolyse , der Prozess, den Ihre Zellen (insbesondere Ihre Muskelzellen) in Zeiten mit hohem Energiebedarf und unzureichender Sauerstoffversorgung verwenden, produziert etwa 2 Moleküle ATP pro aus der Energie, die aus dem Stoffwechsel eines Moleküls Glukose verfügbar ist. Der aerobe Stoffwechsel schafft eher 34 von einem möglichen Maximum von 38. Die resultierenden großen Mengen an Laktat können über den Cori-Zyklus recycelt werden , wenn andere Mittel zur ATP-Produktion verfügbar sind, aber es erfordert Energie, und es ist nicht gut, wenn das so ist Energie wird auf eine Weise erzeugt, die mehr Laktat erzeugt.

Welche anderen Mittel könnten das sein? Nun, natürlich produziert die Photosynthese Sauerstoff als Nebenprodukt. Pflanzen geben nur überschüssigen Sauerstoff in die Atmosphäre ab, aber Ihre Bestien könnten ihn vernünftigerweise in ihren Lungen speichern und vielleicht einen ganzen Tag brauchen, um "einen Atemzug" ziemlich reinen Sauerstoffs zu nehmen. Das ergibt eine hervorragende Reserve an Oxidationsmittel für die normale Glykolyse. Es gibt vielleicht ein paar andere ungewöhnlichere Mittel, um Sauerstoff für den späteren Gebrauch zu speichern ... intrazelluläre Peroxidspeicher vielleicht, aber das wandert schnell aus dem strengen wissenschaftlichen Regime.