No creo que esta sea una respuesta completa, pero vi la oportunidad de moler un poco el óxido de mis habilidades químicas y darnos un punto de partida para la parte de su pregunta "cuánta complejidad podría tener la vida en un planeta rebelde". .

Como se trata de una estimación de la energía química disponible de los campos de fumarolas hidrotermales a escala planetaria, estas cifras deben considerarse estimaciones muy, muy aproximadas. También vale la pena señalar que no he sido químico profesional durante unos cuatro o cinco años en este momento, y estudié bioquímica y genética para empezar. Si un verdadero químico orgánico quiere meterse y demostrar que estoy equivocado, con mucho gusto me haré a un lado y me comeré mis notas.

Con eso fuera del camino: la química .

En la reacción quimiosintética básica que se da en Wikipedia (sí, puede hacer una mueca de dolor), el sulfuro de hidrógeno se convierte en glucosa mediante la siguiente ecuación:

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

Mi enfoque fue:

1. Calcular la energía neta de esta reacción.
2. Encuentre la cantidad promedio de azufre emitida por un fumador negro
3. Encuentre un número estimado de campos de respiraderos hidrotermales en el planeta

Tuve que hacer un poco de trabajo de piernas en cada etapa. Aquí va.

Calcular Energía Neta

Entalpía de enlace de los reactivos:

(energía presente en los enlaces químicos en el lado izquierdo de la ecuación química anterior)

H2S : 679 kJ/mol * 18 = 12,222 kJ/ _mol

CO2 : 803 kJ/mol * 6 = 4.818 kJ/ _mol

O ₂ : 498 kJ/mol * 3 = 1494 kJ/mol

Entalpía de enlace químico total (reactivos): 18.534 kJ/mol

Entalpía de enlace de los productos:

(todo en el lado derecho de la ecuación)

C ₆ H ₁₂ O ₆ : 9,546 kJ/mol

H2O : 459 kJ/mol * 12 = 5508 kJ/ _mol

S: 226 kJ/mol * 18 = 4068 kJ/mol

Entalpía de enlace químico total (productos): 19,122 kJ/mol

Una nota sobre el carbohidrato: utilicé glucosa, ya que generalmente es el azúcar simple más común que se usa como reserva/fuente de energía química, pero hay algunos azúcares con la fórmula empírica C6H12O6. Sin embargo, todo esto es un ejercicio de aproximación, así que seguiré jugando.

entalpía del reactivo - entalpía del producto:

18 534 kJ/mol - 19 122 kJ/mol = -588 kJ/mol

Esto representa aproximadamente la energía neta almacenada por un organismo quimiosintético usando este proceso. Estos números variarán según muchos factores, particularmente la presencia del catalizador y la fase del material; los valores que estoy usando aquí suponen que todo es un gas, ya que ese es el caso más simple para la mayoría de las reacciones.

Sin embargo, quiero analizar esto desde la perspectiva del sulfuro de hidrógeno, H2S. Tenemos 18 moles de ese presente en esta reacción, así que necesito dividir por 18 para obtener la energía por mol.

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

Excelente. Ahora necesitamos saber cuánto sulfuro de hidrógeno está entrando siendo lanzado a los océanos del mundo.

Sulfuro de hidrógeno hidrotermal disponible a nivel mundial

Energía por fumador

De acuerdo con "Evolución del ciclo biogeoquímico global del azufre" (vinculado arriba), la cantidad promedio de sulfuro de hidrógeno emitido por un fumador negro es de aproximadamente 6 toneladas por año.

El sulfuro de hidrógeno tiene un peso molar de 41,1 g/mol, por lo que 6 toneladas divididas por 41,1 g/mol nos da 145.985 moles de H2S producidos al año.

Combinando esto con nuestro valor anterior de energía neta por mol nos da la energía disponible por fumador.

33 kJ/mol * 145,985 moles = -4,768,856 kJ de energía por fumador por año, asumiendo que nuestra vida quimiosintética captura el 100% de todo el sulfuro de hidrógeno disponible.

Número de fumadores

Nuestro segundo artículo, "¿Cuántos campos de respiraderos? Nuevas estimaciones de las poblaciones de campos de respiraderos en las dorsales oceánicas a partir del mapeo preciso de las ubicaciones de descargas hidrotermales" examinó aproximadamente 15 000 km de dorsales submarinas, o alrededor del 20 % de las dorsales submarinas globales (su estimación).

15.000 km / 0,2 nos da una longitud total estimada de dorsal submarina de 75.000 km.

Este artículo también menciona el hallazgo de penachos separados por 19 +/- 25 km. Usando la separación media más amplia de 44 km (19+25) para ser conservadores, podemos calcular el número estimado de fumadores activos:

75.000 km / 44 km = 1704 fumadores activos

A continuación, combinamos esta estimación de fumadores activos con los moles de sulfuro de hidrógeno producidos por un fumador:

145,985 moles * 1704 fumadores activos = 8,126,131,387 kJ de energía de sulfuro de hidrógeno anualmente, en todo el mundo. Bajando algunos dígitos, eso es 8,13 TJ de potencia.

Ese es un número bastante grande, y la vida ciertamente puede, ah, encontrar una manera con él, pero en comparación con la energía solar parece mucho más modesto: según Wikipedia nuevamente, la energía solar que recibe la Tierra es aproximadamente 3.8 YJ por año. Eso es nueve órdenes de magnitud mayor, lo que hace que nuestro presupuesto energético de H2S oceánico sea un error de redondeo.

Leviatanes

Así que tenemos un presupuesto energético global total. ¿Qué puede vivir de esto?

En la parte inferior de la cadena alimenticia, muchas cosas. Eso es mucha energía para organismos simples que viven de una química y energía térmica inusuales. Si quisiera un análogo de planta que cubra estas áreas, eso no está completamente fuera del ámbito de la posibilidad. Sin embargo, querrían propagarse a través de algún tipo de espora o tal vez semillas o larvas parecidas a medusas, ya que las ventilaciones de agua tibia responsables de la mayor parte de la producción de azufre que es fácil de obtener (no MUY caliente) tienden a abrirse gradualmente, colapsar, bloquearse, o de otra manera moverse bastante rutinariamente.

Para la vida multicelular móvil, tenemos que subir un nivel trófico. Eso significa aproximadamente una pérdida de 10x en la energía disponible. Usaré Blue Whales como referencia y diré que nuestro leviatán está solo dos niveles tróficos por encima (Blue Whale come varias criaturas pequeñas que comen vida fotosintética, entonces, tal vez simplificando demasiado, dos pasos), lo que nos da como máximo 1/100 del energía disponible.

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

Una ballena azul necesita alrededor de 400 000 calorías por día, lo que una conversión de Google Calculator me dice que es 1,7*10^9 julios, o 1,7 GJ.

Entonces, nuestro presupuesto total de energía del sulfuro de hidrógeno podría, en teoría, soportar 47 de nuestros leviatanes similares a ballenas azules (81 / 1.7), si fueran muy buenos para compartir. El genetista que hay en mí tiene algunos problemas con ese número a largo plazo.

Vale la pena señalar que esta es solo una fuente de energía química y probablemente representa solo una parte de la energía total disponible: no he tocado silicatos, compuestos férricos ni muchos otros. Para mí, el sulfuro de hidrógeno era simplemente la fruta al alcance de la mano, y espero que esto les brinde un buen punto de partida para estimar los límites probables de la vida en su mundo.

También agradeceré a Alexander por su comentario sobre el tiempo evolutivo: de hecho, la vida quimiosintética tardaría milenios en adaptarse a otra fuente de alimento, diversificarse y proliferar en la luz solar recién descubierta.