Könnte ein Tiefseelebewesen eine Art Bakterien in seinem Körper verwenden, um Sauerstoff zu erzeugen?

Ich mag die Prämisse sehr: eine Art Gegenteil von Pottwalen, die flach leben und tief fressen. Und ich liebe immer die Kombination aus riesigen Seeungeheuern, gigantischen tieferen Seeungeheuern und exotischem bakteriellem Stoffwechsel!

aus der bakteriellen Sauerstoffproduktion im Dunkeln. Ettwig KF et al. Frontiers of Microbiol. 7. August 2012;3:273

Die Photosynthese war lange Zeit der einzige bekannte biologische Prozess, der Sauerstoff produziert. Cyanobakterien, grüne Pflanzen und Algen verwenden Lichtenergie, um Wasser (E0′ = + 0,82⁢V) über das Photosystem II zu spalten. Die gewonnenen Elektronen dienen der NADPH- und ATP-Erzeugung zur Kohlendioxid-Fixierung; Sauerstoff ist nur ein Nebenprodukt dieses Stoffwechsels...

Die De-novo-Sauerstoffproduktion kann entweder durch Licht oder chemische Energie angetrieben werden. Der zweite, „dunkle“ Weg nutzt Oxidationsmittel mit einem positiveren Redoxpotential als das O2/H2O-Paar. Nur wenige Redoxpaare sind in dieser Hinsicht biologisch relevant: Hypochlorit(ClO-)/Cl-;E0′ = + 1,31⁢V, Chlorit (ClO − 2 )/ClO − (E 0 ′ =+1,28V),ClO − 2 /Cl − (E 0 ′ = +1,08 V), Lachgas (N2O)/N2(E0′ = + 1,36 V), ⁢ Stickoxid (NO)/N2O (E0′ = + 1,18 V), ⁢ und NO /N2(E0′ = + 1,27 V). Die meisten dieser Verbindungen sind Zwischenprodukte bei der Atmung von (Per)chlorat bzw. Nitrat/Nitrit. In dieser Perspektive überprüfen wir, was über Sauerstoffwege von Chloroxo-Spezies und Stickoxiden bekannt ist und noch zu lernen ist, mit Schwerpunkt auf einem hypothetischen enzymatischen Mechanismus für die bisher schwer fassbare Nitrit-getriebene Sauerstoffproduktion.

Damit es funktioniert, benötigen Sie eine (vermutlich mineralische) Quelle starker Oxidationsmittel, wie aufgelistet, die die bakteriellen Symbionten verwenden könnten; Ich denke, bei diesen Kreaturen ist die Produktion von Sauerstoff an die Energie gebunden, die sie zurückbekommen, wenn sie das Substrat damit oxidieren. Aus dem Text geht ziemlich klar hervor, dass diese Stoffwechselwege keine Sauerstoffblasen erzeugen, wie es Pflanzen tun. Was auch immer Sauerstoff produziert wird, ist in kleinen Mengen.

Aber hier ist eine andere Idee für Ihr Tier in Bezug auf Sauerstoff: Es minimiert seinen Sauerstoffverbrauch, indem es den anaeroben Stoffwechsel nutzt. Wenn Menschen dies tun, ist es https://en.wikipedia.org/wiki/Anaerobic_glycolyse Energie kann aus Glukose ohne Sauerstoff in kurzen Stößen gewonnen werden. Laktat ist das Endprodukt und baut sich auf – das ist das Brennen, das Sie spüren, wenn Sie das Brennen spüren. Letztendlich muss die Leber das Laktat oxidieren, wenn wieder Sauerstoff in der Nähe ist. Es ist eine ineffiziente Verwendung von Zucker im Vergleich zum aeroben Stoffwechsel, aber wir können es tun.

Aber was ist mit einer Kreatur, die anaerobe Glykolyse durchgeführt und dann das Endprodukt ignoriert hat? Hefe macht genau das – das Endprodukt ist Ethanol und es baut sich einfach auf, bis sie es nicht mehr aushalten können. Oder es verdunstet. Ein Seeungeheuer mit viel Nahrung und wenig Sauerstoff könnte das Laktat-Abfallprodukt einfach aus seinen Poren ins Wasser sickern lassen. Es würde viel mehr Nahrung benötigen (ich glaube dreimal so viel?) Als eine Kreatur vergleichbarer Größe, die oxidative Glykolyse verwendet, die dem Zucker mehr Energie entzieht. Aber es könnte mit viel weniger Sauerstoff auskommen.

Ich könnte mir vorstellen, dass ein solches Wesen riesige Mengen an Sauerstoff in Myoglobin speichert . Wale speichern Sauerstoff in Myoglobin und deshalb können einige unter Belastungsbedingungen über eine Stunde lang die Luft anhalten. Wenn Sie eine Kreatur hätten, die nur anaeroben Stoffwechsel betreibt und den Abfall abwirft, hätte sie einen viel geringeren Sauerstoffbedarf. Vielleicht könnte man nur das Gehirn oxidativen Stoffwechsel mit dem Rest des Körpers mit anaeroben Stoffwechsel benötigen. Ein walgroßer Atemzug könnte die Kreatur Wochen überdauern.

Hier auf der Erde versorgen Tiefseebakterien ganze Ökosysteme mit Energie, aber nicht durch Photosynthese oder die Erzeugung von Sauerstoff. Vielmehr ernten sie die Wärmeenergie und Chemikalien, die aus ozeanischen Öffnungen strömen, und nutzen die Chemosynthese, um sowohl Nahrung und Energie für sich selbst bereitzustellen als auch die unterste Stufe einer Nahrungskette zu schaffen, die für diese Umgebung spezifisch ist.

Hydrothermalquelle

Alle Kreaturen, die in der Umwelt leben, werden Sauerstoff für ihre Lebensprozesse nicht so verwenden, wie es Fische oder Wale tun, so dass ihr Verbrauch von chemosynthetischen Bakterien eher mit Nahrung als mit Sauerstoff vergleichbar ist.

In der Tat könnte so etwas die seltsamen Lebensformen aus der Ediacara-Zeit erklären. . Wenn sie davon lebten, chemosynthetische Bakterien einzufangen und zu verdauen, könnte dies ihre rasche Ausbreitung in einer Zeit erklären, in der die Erdatmosphäre noch nicht vollständig mit Sauerstoff angereichert war, und möglicherweise ihre mysteriöse Struktur (sie scheinen keinen Körperplan zu haben wie kambrische Kreaturen tun und möglicherweise einfach Bakterien aus dem Wasser herausgefiltert haben).

Mögliche Rekonstruktion des Lebens in Ediacara

Diese Kombination von Faktoren deutet darauf hin, dass alle Lebensformen, die sich in den Tiefen eures Ozeans entwickeln, möglicherweise nicht einmal im Entferntesten analog zu dem sind, was auf der Erde existiert. Andererseits sind die Lebensformen, die heute um hydrothermale Quellen auf der Erde leben, eindeutig mit Würmern und anderen Kreaturen verwandt, die sich in der kambrischen Zeit entwickelt haben, so dass sie in dieser Umgebung offensichtlich wettbewerbsfähiger waren als die Lebensformen von Ediacara.

Röhrenwürmer, die in der Nähe von hydrothermalen Quellen leben

Die Antwort ist sicher, aber ich werde nein sagen, weil Sie nicht verstehen, wie die Chemie hier funktioniert

[Stickstoff wird hier der Einfachheit halber ignoriert] Bei der Photosynthese nehmen Pflanzen Wasser, H2O, Energie in Form von Sonnenlicht und CO2 auf, um Zuckerverbindungen zu bilden, im Grunde Kohlenwasserstoffketten. Eine Kohlenwasserstoffkette ist ein Molekül aus Kohlenstoffatomen, die in einer beliebig langen Kette miteinander verbunden sind, und 2 Wasserstoffatomen, die mit jedem Kohlenstoffatom verbunden sind. Bei der Reaktion mit Sauerstoff wird dabei Energie freigesetzt. Die Zuckerproduktion ist also ein Mittel zur Energiespeicherung. Wenn Sie also H20 und CO2 zurückgehen, können Sie sehen, dass eine Menge O2 (Sauerstoff) übrig bleibt, wenn Sie all diese H's und C's nehmen. Deshalb ist O2 ein Nebenprodukt.

Ohne Ihrem Organismus eine Energiequelle und die sauerstoffhaltigen Chemikalien zur Verfügung zu stellen, um seine eigene Kohlenwasserstoffkette herzustellen, werden Sie niemals in der Lage sein, Sauerstoff zu produzieren.

Unter den von Ihnen angegebenen Umständen sehe ich die Wahrscheinlichkeit, dass dies eintritt, als sehr gering. Es könnte einige potenzielle radikale Wege geben, dies zu erreichen, aber es würde einige radikale Änderungen an Ihrem Konzept erfordern.

Die Thermodynamik ist wahrscheinlich falsch für ein walgroßes Lebewesen. Und Chemosynthese erzeugt keinen Sauerstoff.

Die Chemosynthese ist eine logische Folge der Photosynthese. Es ist die Synthese von komplexem Kohlenstoff aus Chemikalien (anstelle von Licht).

Die Produktion von Sauerstoff ist am häufigsten ein Ergebnis der Photosynthese. Der Sauerstoff stammt aus Wasser. (CO2 + H2O + Licht -> Zucker und O2)

Chemosynthese (CO2 (eigentlich wahrscheinlich Bikarbonat) + H2S + H2O + O2 -> Zucker und Schwefelsäure.)

In beiden Fällen wird CO2 in Zucker umgewandelt. Der eine verwendet Licht, der andere H2S. Nur im ersten Fall wird Sauerstoff hergestellt. (Sauerstoffphotosynthese. Es gibt auch etwas, das anoxygene Photosynthese genannt wird.)

Zweitens: Obwohl eine nicht-photosynthetische O2-Produktion für einige methanoxidierende Bakterien angenommen wird, wurde sie nicht nachgewiesen und es wird nicht angenommen, dass sie ausgeschieden wird. Sauerstoff ist unglaublich reaktiv. Es nimmt Elektronen besser auf als fast alles da draußen. Es ist nur ein Abfallprodukt der Photosynthese, weil Photonen so viel beeindruckender sind. Ein großes Tier, das Sauerstoff als Elektronenakzeptor verwendet (wie wir es tun), wird sehr viel davon benötigen.

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Relevanter für Ihr Ziel: Die Tiefsee hat aufgrund von Vermischungsereignissen, Auftrieb und anderen physikalischen Prozessen mehr Sauerstoff als die mittleren Tiefen in weiten Teilen des Ozeans.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, Ihren Organismus anstelle von Sauerstoff Nitrat als Elektronenakzeptor verwenden zu lassen. Obwohl dies andere Probleme aufwirft, könnte es Ihnen hier helfen.

EDIT: Hach, cool! Manchmal ist AFAIK nicht weit genug. Danke an @P Chapman, der mich aufgeklärt hat, dass es tatsächlich Bakterien gibt, die in der Lage sind, ihren eigenen Sauerstoff zu erzeugen. Es löst nicht das Sauerstoffproblem für die walähnliche Tiefseekreatur, weil alles innerhalb der Zelle verstoffwechselt würde, aber es ist trotzdem unglaublich.

Nicht mit der uns bekannten Biologie. Der einzige Weg, wie Sauerstoff durch eine biologische Reaktion produziert wird, ist die Photosynthese, die Sonnenlicht erfordert. In der Tiefsee gibt es kein Sonnenlicht, also kann die Biologie keinen Sauerstoff produzieren.

Ich nehme an, es ist vorstellbar, dass ein Organismus irgendwie die thermische Energie nutzen könnte, die an mittelozeanischen Rücken (kalte Quellen und hydrothermale Quellen) gefunden wird, aber AFAIK existiert keine - es gibt einfachere Wege, um Nahrung zu bekommen, wie durch Chemosynthese, was nicht der Fall ist gar keinen Sauerstoff produzieren.

Wie die Kommentare gezeigt haben, gibt es auch keinen großen evolutionären Druck, eine solche Fähigkeit zu entwickeln. In der Tiefsee gibt es genug Sauerstoff für die meisten Kiemenlebewesen, und ihr größeres Problem besteht darin, Wege zu finden, den Sauerstoff zu verbrauchen – das heißt, Nahrung zu finden, um Energie zu oxidieren.

Was Sie beschreiben, ist der Symbiose zwischen bestimmten Pflanzen und stickstoffbindenden Bakterien nicht unähnlich. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Nitrogen_fixation#Root_nodule_symbioses ) .

Weiterhin ist die Umwandlung von Wasser, Kohlendioxid und Energie in Sauerstoff ziemlich üblich. (Ja, ich weiß, Photosynthese ist nicht genau das, wonach Sie suchen). Ihre Einschränkung ist, dass dies ziemlich viel Energie erfordert. Sie müssten also einen ziemlich großen Appetit haben, damit dies funktioniert. Dies könnte etwas ausgeglichen werden, wenn Sie neben Kohlendioxid eine andere Verbindung verwenden, die Ihnen ein wenig Handwelligkeit verleiht, wenn Sie möchten. Ich müsste die Chemie überprüfen, um Ihnen wirklich eine gute Antwort zu geben, und es wäre wahrscheinlich langweilig. Ein Beispiel für alternative Chemie finden Sie hier ( https://www.mpg.de/621120/pressRelease201003241 )

Kurze Antwort: Ja, aber eine gute Energiequelle oder ein etwas fremder Ozean machen es realistischer.

Jemand erwähnte die Verwendung von Nitrat als TEA (terminaler Elektronenakzeptor). MnOx ist nach Fe3 (Eisen) das dritt- oder viertbeste TEA nach O2, dann Nitrat.

Ich habe in meiner Bioreaktorforschung herausgefunden, dass fakultative Pilze (Chemo-Autotrophe wie Sie und ich) gespeichertes MnOx (aus der Kohleminenentwässerung) als Backup-TEA verwenden können. (Besuchen Sie www.biominingproducts.com, um mehr über unsere selbstselektierenden Bioreaktoren zu erfahren).

Eine Kreatur, die Mn-Knollen vom Meeresboden frisst und dann hin und wieder an die Oberfläche steigt, um O2 zu atmen, könnte in der Lage sein, ihre O2-Tanks "aufzufüllen", indem sie von O2 zu MnOx hin und her wechselt. Das MnOx liefert etwa 1/5 des energetischen Austauschs im Vergleich zu O2, ist aber auch ein Feststoff, daher ist seine Dichte viel höher. 1/5 der ausgetauschten Energie, aber ein Vielfaches der Dichte von gelöstem O2 (0-12 mg/l in Wasser bei bester Sättigung basierend auf der Temperatur)

Vielleicht hat die Kreatur ein spezielles Organ „MnOx-Lunge“, das das angesammelte Mn2 (gelöstes Mn) in Lösung aufnimmt und es zwischen dem oxidierten und reduzierten Zustand hin und her umwandelt. Im Wesentlichen würde es wie ein Ersatz-O2-Tank funktionieren. Das Organ hätte die Konzentrationen von Mn2 in Lösung aufrechterhalten, bis es Zeit ist, durch die Produktion einer Mn-Peroxidase wieder aufgefüllt zu werden. Man könnte sagen, dass die Pilze, die die Mn-Peroxidase produzieren (Santelli et al.), das Organ bewohnen (wie unser Darm) und dabei helfen, das Mn2 für die Kreatur zu oxidieren.

Tschüss und weiter schreiben!

Diese Antwort bezieht sich nicht direkt auf Bakterien, könnte aber dennoch helfen. Es gibt einige Insekten, die keine Kiemen besitzen und dennoch perfekt in der Lage sind, unter Wasser zu atmen. Durch die Verwendung von mikroskopisch kleinen hydrophoben Haaren kann das Insekt eine Barriere um sich herum aufbauen, wo die Gefahr von Wasser mit seiner unangenehmen Oberflächenspannung vernachlässigbar wird.

Aber es geht noch einen Schritt weiter, sowohl Kohlendioxid als auch Sauerstoff können durch diese Barriere diffundieren, sodass das Insekt leicht atmen kann . Hoffe das hilft! www.youtube.com/watch?v=f7KSfjv4Oq0&t=4m35s

JA! Algen, tatsächlich wird der größte Teil UNSERES Sauerstoffs von Algen hergestellt, nicht von Bäumen, und da Algen im Wasser wachsen, wäre dies perfekt. Vielleicht würden Sie ihn in oder neben der Lunge wachsen lassen.