¿Existen formas de vida conocidas que sean capaces de transformar la energía mecánica en energía química?

¿Existen formas de vida conocidas que sean capaces de transformar la energía mecánica en energía química?

Esta pregunta hace un tema similar, pero más específico y no tiene respuestas.

El trasfondo de esta pregunta son los pensamientos sobre la vida hipotética en exoplanetas de estrellas enanas rojas bloqueados por mareas, donde la luz para la fotosíntesis es escasa pero la energía mecánica (tormentas y/o corrientes de agua) es abundante.

Respuestas (5)

No se conocen formas de vida que utilicen energía mecánica como forma primaria de energía metabólica (es decir, para funciones celulares genéricas). Muchas formas de vida son sensibles a la interrupción mecánica de alguna manera, por lo que utilizan energía mecánica, pero de una manera muy limitada (la respuesta de David toca esto) y, por supuesto, muchos organismos tienen ciclos de vida que de alguna manera dependen del transporte mecánico (semilla /dispersión de esporas, viajar por el viento o las corrientes oceánicas, etc.).

Creo que el principal problema físico es que la energía mecánica simplemente no está disponible para las células biológicas en una forma que pueda convertirse en energía química sustancial. Son pequeños, y tienden a tener otros grandes beneficios por ser pequeños.

Para usar una ola del océano como ejemplo, hay muy poco o ningún movimiento perceptible para una célula en esa ola, además de un aparente aumento y disminución en la fuerza de la gravedad. La parte superior e inferior de la celda se mueven junto con el flujo de agua, por lo que no hay diferencial para operar.

Una E. coli pesa alrededor de 1 picogramo. Si pudiera capturar toda la energía de la caída desde 1 km en el aire en la tierra, suponiendo que no haya resistencia aerodinámica no capturada, eso sería alrededor de 10-11 julios.

Si hay ~3000 kJ/mol de energía disponible de la quema de glucosa, eso significa alrededor de 5 × 10 -21 julios por molécula de glucosa, por lo que alrededor de 20 mil millones de moléculas de glucosa, lo que parece mucho pero es solo 1 femtogramo, 0.1% el peso de la celda.

También tenga en cuenta: en la respuesta de @ David, señala muy bien que, en cierto modo, usar fuerza mecánica para abrir un canal es de hecho una forma de uso de energía y, por lo tanto, una prueba de concepto de que esto podría suceder. Para poner ese proceso en el mismo estadio, esta fuente (mencionada originalmente por @GerardoFurtado) da el trabajo necesario para abrir uno de estos canales en alrededor de 8 × 10 -22 julios. La latencia abierta para esos canales es inferior a 50 microsegundos, pero eso aún limita en gran medida la cantidad de ciclos posibles por unidad de tiempo. La energía química es sustancialmente más densa que la energía mecánica: es por eso que la pólvora reemplazó a las catapultas (e incluso al trabuquete).

No es una respuesta a la pregunta, sino una consideración muy útil.
@GyroGearloose Le agregaré una respuesta, supongo que lo dejé un poco.
@BryanKause sin prisas ni preocupaciones. Su consideración es apreciada.
'Latencia abierta' ¿te refieres a la duración del canal que permanece abierto?
Estoy un poco decepcionado de que la respuesta sea "No", pero realmente no esperaba que la evolución trajera algo que tuviera cables de cobre, imanes fuertes y una turbina eólica. Necesito algo de tiempo para formular una pregunta diferente, con el mismo trasfondo. Me viene a la mente la energía osmótica.
@Mockingbird El tiempo desde la desviación de los enlaces de la punta hasta que el canal puede pasar iones.

Definitivamente, este no es mi campo, y no tengo ningún interés en la ciencia ficción, pero la pregunta me pareció interesante y me llevó a un área de la ciencia bimolecular que puede ser relevante para la pregunta.

Primero, en respuesta directa a la pregunta, no conozco ningún ejemplo de formas de vida del tipo que sugieres.

Sin embargo, hay ejemplos de procesos biológicos que involucran movimiento mecánico que resulta en la 'liberación' de energía eléctrica. El siguiente artículo reciente llamó mi atención sobre esto, y la introducción contiene una referencia de fondo al fenómeno.

Estructura de criomicroscopía electrónica del canal de mecanotransducción NOMPC .

Resulta (gracias @Bryan_Krause) que la corriente eléctrica es el resultado de la apertura de una 'puerta' para disipar un gradiente de concentración iónica preexistente, establecido de antemano por el gasto de energía química celular en forma de ATP. Sin embargo, la apertura de estas puertas debe implicar un efecto sobre la conformación de la proteína o del complejo proteico involucrado en el mantenimiento de la puerta, y puede considerarse como el aprovechamiento de la energía mecánica para impulsar el complejo desde un estado de conformación inferior a uno superior. energía gratis.

La cantidad de energía involucrada en este caso puede ser bastante baja: unos pocos enlaces de hidrógeno en comparación con el orden de magnitud de energía más alta de hidrólisis de ATP. Sin embargo, es una 'prueba de principio' interesante. Si se pueden transformar cantidades diminutas de energía mecánica de esta manera, no apostaría en contra de que se encontraran organismos en algún nicho que recolectara más energía y la usara con mayor efecto. ¿Como fuente primaria de energía para la vida? Talvez no.

Esto es, de hecho, muy agradable. Sin embargo, ese tipo de receptor no es nuevo, eche un vistazo a esta imagen de Alberts, hace 15 años: ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26868/figure/A4107/?report=objectonly . Además, esta es solo una puerta: no convierte la energía mecánica en energía química, solo permite el intercambio de Na+/K+, como cualquier otra puerta.
Para agregar a lo que escribió @GerardoFurtado, también hay receptores para la mecanotransducción en varios sistemas sensoriales: todas las diferentes formas de tacto, sensación propioceptiva en tus músculos y tendones, sistemas auditivo y vestibular, etc., y también hay células que son algo más accidentales. mecanotransductivo (por ejemplo, si presiona el costado del ojo, "verá" cosas en el campo visual correspondiente a esa parte de la retina; tenga cuidado). Todos ellos tienen en común que utilizan gradientes de concentración preexistentes.
@BryanKrause — Gracias. Me preguntaba sobre ese mismo punto. Antes de editar o eliminar mi respuesta, ¿puede decirme si estaría en lo correcto al pensar que la energía mecánica se usa para convertir una proteína (o un complejo de proteínas) de una estructura de energía libre más baja (que mantiene la puerta cerrada) a una más alta? estructura de energía libre en la que la puerta está (temporalmente) abierta?
@David Sí, creo que podría decirlo de esa manera, pero no me queda claro si realmente existe un estado estable de energía libre más alta, creo que es mejor pensar en ello como energía elástica, pero por supuesto eso contribuye a la energía gratis.
Me temo que el mecanismo solo activa la conversión de energía química previamente disponible en energía eléctrica, como un botón en una linterna eléctrica activa la conversión de energía química en la batería a energía eléctrica utilizada por la lámpara. Sin energía añadida de fuentes mecánicas. Sin embargo, parece que vale la pena mencionar el mecanismo.
No creo que la analogía del botón sea válida. Presionar el botón no provoca la transducción de una forma de energía a otra. Si el ejemplo que cité implica la transformación de la energía mecánica en un cambio conformacional en una proteína, incluso si no proporciona la energía para el gradiente de concentración inicial, es una prueba de principio.
He revisado mi respuesta a la luz de los comentarios. Si votó a favor y ahora está decepcionado, invierta su voto. Si la respuesta revisada no se considera útil, estaré encantado de eliminarla.
Creo que la analogía del botón es realmente buena, si simplemente agrega un resorte que tira del botón a su lugar cuando lo suelta. La energía está en presionar el botón contra la presión del resorte, que es una forma de energía mecánica que es muy análoga a la deformación de los enlaces de la punta, que también es una energía mecánica. Se puede hablar de ella como una energía química, pero en realidad no es diferente. También @David, me gustan tus adiciones y también agregué a mi propia respuesta una discusión sobre la energía requerida para abrir esos canales.
@Mockingbird: gracias por su interés en mi respuesta y el comentario de Bryan Krause. El procedimiento correcto para estar de acuerdo con un comentario es votarlo (suponiendo que tenga ese privilegio). Al igual que con las respuestas, el propósito de los comentarios no es escribir "yo también", sin explicación, ya que eso no es útil para el que responde (yo en este caso) ni para otros lectores. Les recuerdo que la cuestión no era encontrar analogías para describir los procesos biológicos de mecano-transducción sino su energética. Mi respuesta intenta abordar esto considerando los cambios de energía libre en el sistema.
También podría mencionar la ATP sintasa , que es lo contrario de una bomba : convierte la energía acumulada como un gradiente de protones a través de una membrana en energía mecánica rotatoria antes de convertirla en energía química como ATP.

Leí un artículo sobre algunas esporas bacterianas que se usan para generar electricidad a medida que se expanden y contraen. No estoy seguro de si esa es una respuesta relevante, pero eso es lo que me vino a la mente cuando leí su pregunta. https://www.sciencedaily.com/releases/2014/01/140127101242.htm

Lamentablemente, no puedo abrir ese enlace. Me da "Código de error: ssl_error_no_cypher_overlap". Escuché sobre tales experimentos, pero lo que sé es que esos organismos solo se usan para producir microestructuras baratas en masa. Están muertos cuando comienza el experimento. Nada que ver con la biología. Tal vez tu enlace apunte a algo diferente, pero no puedo verificarlo.
@GyroGearloose Sí, esa es básicamente la esencia: cuando toda la hoja se seca, se encoge, por lo que si se fija a un material flexible, ese material se dobla. Un biomaterial, en cierto modo, pero la transducción no es biológica en absoluto.

No, ya que la energía mecánica no se puede recolectar a la escala de longitud en la que existe la vida celular. La vida celular existe en una escala de longitud donde la viscosidad es la fuerza principal en el trabajo, una fuerza que debe ser superada mediante el gasto de energía.

Hay un buen artículo aquí que detalla lo que se puede hacer con mecanismos por pequeños organismos/células: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4451180/

La fuente que cita es una revista importante, y el punto que plantea puede ser válido, pero una respuesta aquí debe ser comprensible en sí misma; no se puede esperar que vayamos y leamos un artículo para entender la respuesta. Entonces, edite su respuesta para explicar por qué "la energía mecánica no se puede recolectar en la escala de longitud en la que existe la vida celular". y que tiene que ver la viscosidad con esto. Aprecio que esto sea una tarea si el inglés no es su primer idioma, pero podría hacer que su respuesta sea mucho más útil para todos nosotros.
Si todos quieren que esté bien, pero se necesitará un poco de física para explicarlo. Decidí dar la respuesta más corta y precisa que no requeriría un título universitario para entender.
Sencillo darse cuenta de que la vida existe a escala micrométrica y que la maquinaria molecular necesaria para recolectar energía mecánica tendría que existir a escala nanométrica. A una escala tan pequeña, las interacciones individuales de los átomos son mucho más fuertes que las energías mecánicas aplicadas. Por ejemplo, las células pueden tolerar un par de miles de g, mientras que las biomoléculas como las proteínas pueden sobrevivir varias decenas de miles de g. Si bien se puede detectar la influencia mecánica, no se puede usar para mantener los gradientes de iones a través de las membranas y, por lo tanto, no puede impulsar la síntesis de ATP.

Algunas moléculas biológicas como el colágeno exhiben un fenómeno piezoeléctrico cuando se manipulan mecánicamente con ondas de ultrasonido ( https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.238101 ).

Esta manipulación no conduce a la generación de energía química , pero en un trabajo de ciencia ficción teóricamente "duro", sugeriría que uno podría escribir legítimamente sobre organismos que han evolucionado para usar moléculas de colágeno o proteínas similares al colágeno (digamos) para aprovechar este gradiente de voltaje como una fuente potencial de energía para hacer copias de sí mismo. Después de todo, las plantas utilizan un gradiente de protones y la fotosíntesis para almacenar energía en moléculas de ATP, con el mismo fin.

Si hay un gradiente de energía que se puede usar para hacer trabajo, la vida generalmente encuentra la manera de aprovecharlo .

¿Existen formas de vida conocidas que sean capaces de transformar la energía mecánica en energía química?
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