Hydrogene Photosynthese: Strategien für Tiere

Hydrogene Photosynthese reduziert Methan und Wasser zum Aufbau von Biomasse ( CH 2 Ö ) und setzt Wasserstoff frei:

CH 4 + H 2 Ö + Photonen → CH 2 Ö + 2 H 2

Als Referenz ist die sauerstoffhaltige Photosynthese:

n  CO 2 + n  H 2 Ö + Photonen → ( CH 2 Ö ) n + n Ö 2

Laut dieser hervorragenden Veröffentlichung von Bains et al . ist der Wasserstoffprozess etwa viermal so effizient wie die Sauerstoffversion, wodurch die vierfache Menge an Biomasse für die gleiche Lichtmenge aufgebaut werden kann (siehe Anmerkung *1).

Das verlinkte Papier beschreibt, wie große Planeten eine Wasserstoffatmosphäre festhalten könnten, aber darum geht es bei dieser Frage nicht.

Meine Frage bezieht sich auf Strategien für die tierische Evolution, da die Kehrseite davon, dass Autotrophe viermal so einfach Masse aufbauen können, darin besteht, dass heterotrophe Verbraucher viermal weniger Energie aus dem Abbau von einem Gramm dieser wasserstoffhaltigen Biomasse erhalten. Hier sind die Worte des Autors:

„Aus rein menschlicher Sicht könnte die Entwicklung der Wasserstoff-Photosynthese aus Gründen, die in Abbildung 1 impliziert sind, eine enttäuschende Entdeckung auf einer anderen Welt sein. So wie die Herstellung von Biomasse in einer oxidierten Umgebung mehr Energie erfordert, setzt der Abbau von Biomasse in einer oxidierten Umgebung frei mehr Energie.Insbesondere die Oxidation von Biomasse mit molekularem Sauerstoff setzt wesentlich mehrEnergie frei als ihre Reduktion mit molekularem Wasserstoff.Eine weit verbreitete Erklärung für den Aufstieg komplexer Tiere in den späten präkambrischen und kambrischen Perioden war der Anstieg des atmosphärischen Sauerstoffs, der es ermöglichte ihren energieintensiven Lebensstil "

Meine Frage ist; Wie wirkt sich die Veränderung des „Machtgleichgewichts“ zwischen Autotrophen und Heterotrophen auf die Evolution beider aus und was ist der geeignete tierische Stoffwechsel, um es Tieren zu ermöglichen, die Arten von Fähigkeiten (die auf der Speicherung konzentrierter Energie beruhen, siehe Anmerkung *2) zu zeigen, die Erdtiere haben? Anzeige?

Bitte beachten Sie - jede Antwort, die das vierfache Ungleichgewicht zwischen Tier und Pflanze anspricht, ist gültig - Antworten auf Biochemie-Niveau werden sehr geschätzt, aber ich erwarte nicht, viele davon zu bekommen!

Ende der Frage: Was folgt, ist unterstützendes Material aus dem Papier, das Sie als **TL;DR behandeln können.

Anmerkung 1

Hier ist die Passage aus dem Papier, die die Behauptung über reduzierte Anforderungen an die Erzeugung von Biomasse aufstellt.

"Vergleich der Gibbs-Bildungsenergien von CO2 (Gas ~ −394 kJ/mol, aq ~−385 kJ/mol) und CH4 (Gas ~ −50 kJ/mol, aq ~ −35 kJ/mol) [65] zeigt das Jede Reaktion mit CO2 als C-tragendem Reaktanten hat fast immer eine positivere Gibbs-Reaktionsenergie als eine ähnliche Reaktion mit CH4 als Reaktant.Der quantitative Unterschied zwischen den Reaktionen hängt von den Reaktionsprodukten ab, wie in Abbildung dargestellt 1. Im Durchschnitt erfordert die Herstellung der Chemikalie aus CH4 für die Gruppe von Chemikalien in Abbildung 1 etwa 20 % der Energie, die für die Herstellung aus CO2 erforderlich ist % der Energie, die in unserer CO2-dominierten Umgebung benötigt wird.“

Anmerkung 2

Das verlinkte Papier erwähnt, dass diese Tiere möglicherweise Dimethylsulfoniumpropionat (DMSP) verwenden könnten, um Energie anstelle von Kohlenhydraten zu speichern, aber ich verstehe diesen Prozess oder seine Auswirkungen nicht wirklich ...

Ich bin kein Chemiker, aber ich folge nicht der Logik, dass heterotrophe Verbraucher viermal weniger Energie aus der Biomasse gewinnen. Da das produzierte Formaldehydmolekül in beiden Fällen dasselbe ist, warum sollte die relative Effizienz des Produktionsprozesses die gespeicherte Energie für eine gegebene Einheitsmasse ändern?
@KillingTime ist eine faire Frage und ich muss sagen, dass ich die Antwort nicht kenne - es liegt zu weit außerhalb meiner Komfortzone, um die Argumente des Autors zu paraphrasieren. Ich habe meine Antwort jedoch so bearbeitet, dass sie ein Zitat aus einem Teil des Papiers enthält, das meine Frage motiviert hat.
Ich bin mir nicht sicher über die Behauptung, dass Heterotrophe 4x weniger Energie pro Gramm bekommen. Die chemischen Ergebnisse beider Arten der Photosynthese sind gleich, warum also sollte weniger Energie für Heterotrophe zur Verfügung stehen?
@Green Weil kein freier Sauerstoff verfügbar ist? Denken Sie daran, dass Pflanzen jetzt Wasserstoff freisetzen. Selbst wenn es eine alternative Sauerstoffquelle gibt, ist Sauerstoff in einer Wasserstoffatmosphäre überhaupt kein gutes Zeichen ...
@green Ich habe den relevanten Abschnitt des Papiers hinzugefügt, der Ihren Punkt anspricht. Ich denke, der Schlüssel ist, dass die Referenzgleichungen oben in meinem Beitrag stark vereinfachte Bilder sind ...
@rumguff, diese Gleichungen schienen zu einfach zu sein, um den gesamten Energie- / Massentransfer zwischen Autotrophen und Heterotrophen zu beschreiben. Danke für das Aufklären.
Diese Frage ist wie Hot Rods in Space!, nur für Chemie worldbuilding.stackexchange.com/questions/21438/…
@green ja, ich stimme zu, aber gültige Antworten müssen nicht alle chemischen Gleichungen ansprechen (ich werde das OP aktualisieren, um dies zu verdeutlichen). Außerdem hat dies Potenzial als Trope mit einigen echten Beinen. Künstliches wasserstoffhaltiges PS ist derzeit sehr aktuell als eine Möglichkeit, Wasserstoffkraftstoff für den menschlichen Gebrauch herzustellen.
Ich hatte so etwas wie eine Antwort, wurde aber eingeholt, wie der Sauerstoffkreislauf funktionieren würde. Woher kommt es und wie lange bleibt es in der Atmosphäre? Was ist, wenn die Autotrophen ... okay. Ich werde es wieder versuchen.
Okay, das ist nur Spekulation, aber wenn Methan weniger stabil als Kohlendioxid wäre (was meiner Meinung nach nachweislich der Fall ist), dann produziert die umgekehrte Reaktion (diejenige, die Heterotrophe verwenden würden, um Zucker zu verbrennen) Methan, das sich dann eher zersetzt ( wie die Oxidation mit freiem Sauerstoff, der von konkurrierenden sauerstoffbasierten Autotrophen produziert wird), wodurch weniger Methan für die hyrogenen Autotrophen zur Verwendung für die Zuckerproduktion erhalten wird. Somit könnte ein auf Sauerstoff basierender Autotroph für alle hydrogenen Autotrophen buchstäblich "die Luft/das Methan aus dem Raum saugen". (Wenn diese Argumentation stichhaltig ist, werde ich sie in eine Antwort umwandeln)
@grün, es gibt keinen freien Sauerstoff, rein oder raus. Wir verwenden CH4 statt CO2. Es gibt jedoch viel Wasser und die Atmosphäre kann dank H2 warm sein. Seien Sie nicht schüchtern, weil Sie die ganze Chemie nicht verstehen – ich auch nicht!
@cort - suche keine Bestätigung bei mir - deine Antwort wird so gut sein wie alles, was ich mir einfallen lassen könnte. Es könnte sich lohnen, das Papier zu lesen, wenn Sie es noch nicht getan haben und interessiert sind - es ist sehr gut zu lesen.
Ich dachte daran, Fluor als Oxidationsmittel zu verwenden, aber dieses Zeug ist so verrückt reaktiv, dass es auf der Erde nie frei gefunden wird. Es ist immer in irgendeiner Art von Mineralien eingeschlossen.

Antworten (2)

Wenn ich Ihre Frage richtig verstanden habe, werde ich die biochemische Wissenschaft im Grunde ignorieren und direkt zu dem springen, was meiner Meinung nach das Fleisch (eigentlich Gemüse) der Frage ist:

Was passiert, wenn Pflanzen 4x schneller wachsen, aber Tiere 4x weniger Nahrung von ihnen bekommen?

Bitte beachten Sie, dass ich oben „Pflanze“ als Synonym für autotroph und „Tier“ als Synonym für heterotroph verwende. Ich mache das einfach, weil es sich als Anrede natürlicher anfühlt. Ich werde die richtigen Begriffe später verwenden, da es wichtig ist, die Unterscheidung zu treffen.

Also: Weiter so.

Der Zeitraum, in dem das einzellige Leben dominiert, wird kürzer. Ihre einzelnen Zellen sind eher autotroph und vermehren sich daher viel schneller. In dieser Art von hochenergetischer Umgebung mit hoher Population werden alle Heterotrophen, die auftauchen, ein Überangebot an Nahrung haben, aber nicht so viel Einfluss auf die Autotrophen haben, wie sie es in unserer Geschichte waren (da sie sich mit einem Viertel der Bewertung). Die Autotrophen werden daher miteinander konkurrieren, und die hohe Bevölkerungsdichte wird schneller zu einer zellulären Kooperation führen.

Wenn es um mehrzellige Pflanzen geht: Der Wettbewerb wird hart sein. Ich meine, wirklich heftig. Diese Pflanzen haben die 4-fache Energie und damit die 4-fache Kapazität, sich zu reproduzieren, zu wachsen und im Allgemeinen das zu tun, was Pflanzen tun. Hohe Bäume, ressourcenraubende und abgefahrene Samenverbreitungstechniken werden aufblühen, da alle Pflanzen mehr Energie zum „Verschwenden“ haben werden.

Tiere hingegen müssen sich zwangsläufig langsamer bewegen. Sie haben immer noch den Vorteil, dass sie die Sonne nicht brauchen, und sie haben immer noch den Vorteil, dass sie eine reichhaltigere Energiequelle fressen, aber wir werden nicht so schnell rein fleischfressende Raubtiere sehen, wie die benötigte Fläche für ein einzelnes Raubtier würde das 16-fache steigen (4x für die Pflanzenfresser, dann ein weiteres 4x für die reinen Fleischfresser). Allesfresser würden wahrscheinlich am besten abschneiden, aber langsamere Kreaturen würden es besser machen.

Da die Diskrepanz zwischen der Energiemenge, die von der Sonne gewonnen werden kann, und der Energiemenge, die durch den Verzehr anderer Pflanzen gewonnen werden kann, viel kleiner ist, wären Lebensformen, die sowohl autotrophes als auch heterotrophes Verhalten aufweisen, erheblich produktiver. Parasitäre und fleischfressende Pflanzen würden häufiger vorkommen, und ich würde erwarten, dass eine ganze Reihe von Anpassungen (Quallenranken, Kletterbananen, Kuckucks-Ulme?) Und photoheterotroph (Sonnenlicht verwenden, um Kohlenstoff zu fixieren, aber nicht direkt Photosynthese betreiben) stark sein würden evolutionäre Wahl.

Wenn Sie ein erdähnliches System sehen wollen, müssen Ihre Tiere ein ernsthaftes metabolisches Mojo haben. Für den Anfang müssen die Pflanzenfresser mindestens 4x mehr Pflanzen fressen, und das setzt voraus, dass die Stoffwechseleffizienz auf die gleiche Weise funktioniert. Wie bereits erwähnt, werden alle schnellen Fleischfresser einen Heißhunger haben und müssten auch einige wichtige Erziehungsfähigkeiten entwickeln, da sie nicht die Energie haben, eine „Fire and Forget“-Strategie anzuwenden und sich dann um all die Konkurrenten zu kümmern, die sie gerade hervorgebracht haben . Ich bin mir nicht sicher, ob das gleiche Argument über die Elternschaft auf die Pflanzenfresser zutrifft.

Ein letzter, ziemlich faszinierender (wenn auch widersprüchlicher) Gedanke: Unter Wasser wäre das Apex-Raubtier wahrscheinlich Coral ...

Gute Antwort; Ich muss zugeben, jetzt, wo Sie es erwähnen, scheint die Implikation über die Erweiterung der Erzeuger-/Pflanzenfresser-/Fleischfresser-Pyramide offensichtlich zu sein, aber ich hatte das nicht wirklich für mich selbst herausgefunden. Dieser gefräßige Apex-Jäger wäre ein großartiges Tier (und wahrscheinlich einem erheblichen Druck ausgesetzt, echte Intelligenz zu entwickeln). Netter Punkt auch über die Photoheterotrophen. Ebenso gibt es wahrscheinlich eine große Nische für Pilze, was mir auch gefällt. Hoffe auf mehr solcher Antworten.
Um diese weit verbreitete Nahrungskette aufzunehmen, kann ich den Planeten einfach riesig machen - eine Supererde, die gut dazu passt, eine H2-Atmosphäre aufrechtzuerhalten. Muss aber darüber nachdenken, wie die Tiere die größeren Distanzen zurücklegen können.
Wenn Sie die Beutedichte erhöhen, können Sie die erforderliche Reichweite verringern. Wenn die Pflanzen unglaublich dicht wachsen, wird die Beute dichter, sodass Ihr Raubtier Hinterhaltstaktiken anwenden und die Beute zu sich kommen lassen kann. Solange er nicht lange genug still bleibt, damit die Gefleckte Kletterbanane mit ihren Ranken in ihn eindringen kann ...

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Die grundlegende Frage ist, woher bekommen Sie Ihr Oxidationsmittel? Der gesamte Sauerstoff auf diesem Methan+H2-Planeten ist in Wasser oder etwas anderes eingewickelt. Mögliche Oxidationsmittel könnten Fluor oder Chlor sein, aber beide haben ihre Probleme. Fluor ist so reaktiv, dass es nie lange frei bleibt. Chlor wird auch nie frei in der Atmosphäre gefunden. Bei so viel Methan und Wasserstoff im Umlauf wird jedes Oxidationsmittel schnell eingefangen. Wir haben es nur auf der Erde, weil es so viel Leben gibt , das Sauerstoff auspumpt.

Dies lässt uns zwei Möglichkeiten. Erstens entwickeln wir einen reziproken Stoffwechsel, der kein Oxidationsmittel benötigt und mit Wasserstoff läuft. (Die Welt der Chemie ist breit gefächert. Es könnte wahrscheinlich getan werden.) Ich kenne mich in Chemie nicht annähernd genug aus, um auch nur mögliche Reaktionen zu erraten.

Oder zweitens recyceln wir die Oxidationsmittel innerhalb des Autotrophen, nachdem wir sie aus terrestrischem Karbonat verbraucht haben, vielleicht Kalziumkarbonat , das drei Sauerstoffatome für ein Kalziumatom hat. Ich kenne die Energieeinbußen beim Erwerb eines Oxidationsmittels auf diese Weise nicht, aber es scheint bequem zu sein. Vielleicht eine Art Fluorkatalysator?

CO2 wird auch durch Umwandlung in Karbonat aus der Atmosphäre entfernt, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die von der Oberflächenchemie abhängt.

Diese Atmosphäre ist das Gegenteil der Erde. Auf der Erde ist das Oxidationsmittel frei verfügbar und der Brennstoff knapp.

wegen des Fehlens von Oxidationsmitteln spricht man von einer reduzierenden Atmosphäre. Ich zitiere aus der Veröffentlichung: „In einer reduzierenden Umgebung könnten hoch oxidierte Verbindungen als Energiespeichermaterialien gespeichert werden, die bei Reduktion mit Wasserstoff die höchste Energiedichte aufweisen, oder andere Verbindungen mit vergleichbaren Funktionen wie DMSP könnten angereichert und als hoch- Energienahrung. Die Abwesenheit von Sauerstoff schließt daher nicht die Möglichkeit aus, dass andere Biomassebestandteile verstoffwechselt werden könnten, um viel Energie pro Gramm zu liefern.“ Die Oxidation angesammelter Biomasse scheint nicht die einzige Möglichkeit zur Energiegewinnung zu sein.
Ha! :) Du hast die Antwort eines Mittelschülers. Tut mir leid, ich kann es nicht besser machen.
Hydrogene Photosynthese: Strategien für Tiere
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