Farbohidratos vs Carbohidratos

Pregunta: ¿Hay algún problema serio de plausibilidad biológica o evolutiva con la separación de la función de producción/almacenamiento de energía de la producción de biomasa estructural/regulatoria?

Antecedentes : en la vida terrestre, la biomasa es inicialmente producida por plantas que producen carbohidratos y moléculas relacionadas (como lípidos) a partir de la fotólisis. Los carbohidratos (y azúcares relacionados, lípidos, etc.) cumplen funciones estructurales y energéticas.

Mi vida alienígena, por otro lado, adopta el mismo enfoque basado en carbohidratos para la biomasa que no está relacionado con la energía, pero utiliza especies de moléculas alternativas para el almacenamiento/generación de energía.

¿Por qué? Mi extraterrestre vive en un planeta con una atmósfera de 70% de H 2 en una supertierra lo suficientemente grande como para haber retenido tal atmósfera. Mis plantas generan biomasa basada en carbohidratos estándar mediante la fotosíntesis, que importa metano y luz solar y exporta hidrógeno. Vea mi pregunta anterior aquí para más detalles. La creación de esta biomasa es muy eficiente (4-5x) en la atmósfera de H 2 en comparación con la fotosíntesis terrestre por razones que no abordaré aquí (pero vea el enlace si está interesado), pero la desventaja es que 'quemar' esta biomasa en el La atmósfera de H 2 produce 4-5 veces menos que oxidarla en una atmósfera basada en O 2 .

'Farbohidratos'

Entonces, mis animales alienígenas no usan carbohidratos como energía, usan una especie molecular alternativa (que por ahora llamaré 'pharb') que, a diferencia de los carbohidratos, produce una buena cantidad de energía cuando se reduce con hidrógeno (por ejemplo, lo contrario de oxidación).

El 'pharb' todavía está basado en carbono. No estamos hablando aquí del metabolismo sin carbono.

Detalles

Tengo dos clases de plantas:

  • plantas primarias que son el tipo menos complejo de vida autótrofa que utilizan carbohidratos para el almacenamiento/generación de energía. Crecen prolíficamente.
  • plantas secundarias (llamémoslas 'phlants') que ya sea unilateralmente o en simbiosis con otra cosa (p. ej., hongos) pueden producir los farb más ricos en energía (en la atmósfera reductora de H 2 ). Estos phlants secundarios no son todos farb, usan carbohidratos para la estructura ya que esto es eficiente. Partes de su anatomía pueden ser donde se almacenan los pharbs (piense en frutas, nueces, savia, etc. a base de pharb). La biomasa vegetal es aproximadamente 10 veces más rara, o más, que la biomasa vegetal.
  • heterótrofos primarios (animales) que se alimentan de las plantas primarias. Estas deben ser criaturas muy simples con metabolismos lentos ya que tienen acceso a solo el 20% de la energía a la que tiene acceso la vida oxidante terrestre.
  • heterótrofos secundarios (phanimals) que se alimentan de los 'phlants' secundarios. Gracias a que su dieta está basada en farb, tienen acceso a una energía similar a la de los animales terrestres. Pueden digerir la biomasa basada en carbohidratos de plantas primarias, pero no pueden usar esta biomasa para acceder a la energía. Los elementos estructurales de sus cuerpos se basan en carbohidratos, pero las vías de generación/almacenamiento de energía y músculo se basan en farb. La biomasa animal es aproximadamente 100 veces más rara que la biomasa animal.
  • mis alienígenas inteligentes son phanimals.

Otros detalles:

La gravedad y las temperaturas de la superficie son similares a las de la Tierra. El área de superficie es mucho mayor porque es una súper tierra.

Los niveles de insolación en longitudes de onda adecuadas para el proceso de fotosíntesis descrito son similares a los de la Tierra.

Hay muchas aguas abiertas, mares, etc. Todas mis formas de vida necesitan agua al igual que la vida terrestre.

El metano que se requiere como entrada principal en el ciclo de fotosíntesis de la planta primaria (análogo al CO 2 en la tierra) se regenera de manera confiable dentro de la ecosfera.

Considerándolo todo, es un gran lugar para la vida; siempre que el problema de la fuente de energía heterótrofa se resuelva mediante el uso de pharbs.

Replanteamiento de la pregunta:

  • Suponiendo que tales moléculas 'pharb' existan *, ¿hay algún problema científico con la construcción de un entorno rico para una civilización inteligente a niveles tecnológicos similares a 1000-2000AD en esta planta?

  • ¿Cuáles serán las diferencias más obvias con el ecosistema terrestre?

No estoy completamente seguro de lo que está preguntando, pero los animales en la Tierra trabajan con un "ciclo de producción de energía" ( en.wikipedia.org/wiki/Citric_acid_cycle ) que produce ATP a partir de ADP , fósforo y energía. Cuando otras funciones celulares necesitan energía, se extrae de la ruptura de ATP a ADP . Entonces se podría decir que son dos procesos separados (hasta cierto punto).
Esta pregunta está fuera de mi alcance. Pero diré que la evolución parece haber ensamblado a la humanidad como una colección de lo que estaba disponible que no reaccionaba violentamente con el agua, e incluso entonces hay excepciones para pequeñas cantidades de sodio y magnesio. Somos bolsas de agua suspendidas en un marco mineral con pedazos de cosas parecidas a las plantas que crecen de nuestros cueros cabelludos y dedos, impulsadas por simples criaturas en el intestino inferior que convierten la comida grande en comida pequeña. La pura imposibilidad de que parezca decir 'simplemente no viole la termodinámica'.
¿Los caracoles no hacen lo que te refieres aquí? Fabrican conchas de (principalmente) carbonato de calcio, algo que no pueden usar como fuente de energía. Además, aunque la celulosa puede ser descompuesta y consumida por bacterias y hongos, la madera en el tronco de un árbol no está disponible para ese árbol como reserva de energía de emergencia. De hecho, típicamente un árbol maduro se vuelve cilíndrico. Los hongos se comen el núcleo, mientras que el exterior del árbol continúa prosperando.
@sean, estoy de acuerdo, pero esperaba alguna aclaración sobre cómo la gente podría ver este sistema de dos niveles desarrollándose a largo plazo.
@Sjuan, el metabolismo terrestre usa carbohidratos para todo: estructura, almacenamiento/producción de energía, señalización metabólica. Un sistema que emplea una bioquímica significativamente diferente para estas funciones debería sentirse sustancialmente diferente a la Tierra, pero no estoy seguro de cómo exactamente.
@nigel, las plantas almacenan energía en forma de lípidos y azúcar, y la forma de estos no es muy diferente químicamente de los componentes estructurales del tronco. Los huesos son un poco diferentes; sin embargo, no hay razón para evitar que mis animales también tengan tejido calcificado como huesos, que yo sepa.

Respuestas (4)

Todos los phanimals serán altamente inflamables.

Una de las mejores cosas del oxígeno es que una molécula de O 2 efectivamente tiene mucha energía que las personas que respiran aire pueden usar. Le gusta mucho oxidar cosas y, como tal, podemos transportar un suministro de moléculas oxidables de energía relativamente baja y contar con la atmósfera para que nos suministre una parte decente de la energía que necesitamos, guardada de forma segura en moléculas diatómicas de doble enlace que no No estallará en llamas a temperaturas troposféricas.

Un enlace entre hidrógeno y carbono en, por ejemplo, CH 4 es mucho más débil que el enlace entre, por ejemplo, oxígeno e hidrógeno en H 2 O.
Al oxígeno le gusta oxidar cosas. El único elemento que podría oxidar el oxígeno sería el flúor, pero solo forma un enlace en la mayoría de las condiciones. Por lo tanto, es poco probable que sus phanimals obtengan gran parte de su energía de la atmósfera. Por suerte, no tienen que hacerlo.

Si los phanimals son criaturas de alto metabolismo, todo lo que necesitan hacer para asegurarse de tener suficiente energía es transportar moléculas con mucha energía esperando ser liberadas. Desafortunadamente, estas moléculas también disfrutan liberando su energía con poca o ninguna provocación. Un phanimal, por ejemplo, podría depender de las reservas internas de hidracina, N 2 H 4. La hidracina tiene mucha energía por sí sola y ni siquiera necesita reaccionar con el hidrógeno atmosférico para liberar energía. Desafortunadamente, puede reaccionar fácilmente en cadena consigo mismo y arde increíblemente caliente. Un animal con reservas internas de hidracina podría encenderse y entrar en combustión rápidamente si lo golpean chispas o se calienta demasiado. La mayoría de las moléculas de alta energía serán igualmente riesgosas, pero pueden ofrecer suficiente energía en comparación con los combustibles oxidantes de hidrógeno para que valga la pena que los animales la produzcan.

Los animales vivirán rápido y morirán jóvenes.

Dadas las altas probabilidades de autoinmolación espontánea, la evolución dará prioridad a la reproducción temprana. Los phanimals crecerán rápidamente, comerán una tonelada y comenzarán a reproducirse lo más rápido posible. La evolución será una compensación entre ser lento y ser inflamable. Dado el acceso relativamente fácil a los alimentos en forma de animales más lentos y una vida vegetal enormemente abundante, la necesidad de comer mucho no será un gran problema para los phanimals. Tampoco necesitarán respirar, lo que simplificará un poco su anatomía interna y facilitará la transición entre las criaturas que habitan en el mar y las que habitan en la tierra.

¿Cómo afectará esto a la civilización?

Con una porción altamente inflamable de la biosfera que realmente no amenaza con encender el resto, dada la falta de oxígeno libre, es probable que sus criaturas se desarrollen y aprovechen el fuego más rápido que los primeros humanos. El fuego también será mucho más peligroso, tanto para los usuarios del fuego como para los enemigos potenciales. Se armará rápidamente y será mucho más peligrosa que cualquier otra arma simple, como las espadas. Los arcos con flechas incendiarias, seguidos de armas que disparan fuego de mayor alcance, serán un arma común. Las criaturas probablemente serán bastante acuosas con su hidracina almacenada en algún tipo de órgano interno sellado y protegido, pero aun así, el fuego será increíblemente mortal para ellas, y estas no serán flechas llameantes de la variedad terrestre estándar, sino más bien flechas con puntas de hidracina, que continuará ardiendo incluso dentro de un objetivo,

La cohetería, dada la abundancia de un monopropulsor simple, también se desarrollará rápidamente, y sin necesidad de respirar, la exploración espacial será significativamente más simple para sus criaturas, quienes pueden explorar sus lunas antes de desarrollar las computadoras más básicas. Llegar a otros planetas, por supuesto, sería una expedición de varias generaciones, dada su esperanza de vida de unos diez años.

Gracias, gran respuesta, ¡especialmente la parte sobre cohetes! Y algo de química nueva para investigar. Cuando se refiere a desarrollar fuego, ¿se refiere al fuego que usa oxígeno libre de algún lugar u oxidantes alternativos para reaccionar con hidrógeno?
Algo como la hidracina no necesita oxígeno ni hidrógeno para quemarse, solo suficiente energía. Si tal compuesto fuera el medio de almacenamiento de energía para sus phanimals, su gente podría extraerlo de otros animales o de sus propios muertos. Una chispa de algo como pedernal y acero sería todo lo que se necesitaría para comenzar a arder.

Suponiendo que tales moléculas 'pharb' existan *, ¿hay algún problema científico con la construcción de un entorno rico para una civilización inteligente a niveles tecnológicos similares a 1000-2000AD en esta planta?

No debería haber problemas. Todavía no sabemos cómo funciona cada eslabón de la cadena y cómo se interrelaciona perfectamente para nuestra Tierra, por lo que puede suponer que la vida se adaptará de maneras que no puede predecir. Siempre está bien asumir lagunas en el conocimiento.

¿Cuáles serán las diferencias más obvias con el ecosistema terrestre?

Atmósfera

Tu ambiente va a ser muy raro. El metano y el hidrógeno normalmente se separan, pero probablemente puedas encontrar sistemas meteorológicos que los mezclen. Incluso entonces, las concentraciones de sus -trofs primarios y secundarios dependerían en gran medida de la elevación; las montañas serían hostiles a los farbs y los phanimals, pero los valles y las cuevas estarían impregnados de metano.

La atmósfera sería explosiva en cualquier lugar donde se introdujera oxígeno. Tienes océanos de agua, así que probablemente allí, o dondequiera que haya venido el oxígeno para formar esos océanos en primer lugar. (¿Subterráneo?) En particular, las corrientes eléctricas podrían producir lugares de gran violencia. Considere la posibilidad de un rayo de nube a agua, yikes.

Querrás involucrar el oxígeno de alguna manera, para que tu civilización pueda usar el fuego. A menos que puedas encontrar una reacción que les haga lo mismo que hizo el fuego por nosotros. Si los océanos extrajeran su oxígeno de los minerales de la tierra (por ejemplo), podrías intentar algo con eso.

plantas y plantas

Sus plantas y plantas no permanecerán tan separadas como usted describe; hay un gran beneficio evolutivo en que cooperen, así que al menos empezarían a tratar de crecer alrededor o unos con otros.

Es más probable que se integren, desde la simbiosis normal hasta los orígenes bacterianos tan extremos como las mitocondrias. Dado que ambos, presumiblemente, provenían de organismos unicelulares, cualquier especie que se entrelazara entre sí en esa etapa tendría una gran ventaja evolutiva.

Animales y phlanimals

EDITAR: Olvidé la pregunta más grande. ¿Cómo, exactamente, van a respirar estos animales? ¿Van a necesitar más superficie que nuestros pulmones y branquias actualmente? Si es así, los animales probablemente tendrían que construirse alrededor de sus sistemas de respiración.

Tus heterótrofos primarios no se parecerán a los animales tal como los conocemos; 20% de la ingesta de energía es una gran rebaja. Se basarían en fenómenos externos como parte de su ciclo de vida: reproducción y transporte a través del viento o las corrientes de agua, por ejemplo. Probablemente se parecerían a parásitos en sus autótrofos primarios.

También serían terribles en la curación, por lo que sus mecanismos de defensa se centrarían en el camuflaje, el veneno y otras estrategias que no requieren moverse y disuadir a los posibles depredadores de comerse al tipo que está a su lado. Estoy pensando en nubes transportadas por el agua de animales perezosos parecidos al krill en el mejor de los casos, y mohos rastreros para los terrestres. No serían grandes en la reproducción animal tal como la conocemos, sino que preferirían esporas o huevos extremadamente simples. Tal vez algunas cosas parecidas a percebes.

¿Por qué sus pharbs se molestarían en encontrar/cultivar los raros phlants cuando podrían comerse a los heterótrofos primarios? 10 veces menos es peor que 5 veces menos producción de energía. Pero están tan arriba en la red alimenticia que podrías justificar fácilmente su existencia con ecosistemas que resultaron ser los correctos, de alguna manera. Y oye, biodiversidad: donde hay un nicho, hay un camino.

Estas son solo conjeturas, pero la ingeniería inversa de una red de vida compleja nunca será objetiva o exhaustiva: demasiadas incógnitas. Sin embargo, tal vez encontraste algo que hizo cosquillas a tu imaginación.

EDITAR EDITAR: Hice una investigación más rápida y encontré algunas otras cosas que podrían interesarle.

Alrededor de 700 a 1100 Celsius, el metano y el vapor reaccionan para formar hidrógeno y monóxido de carbono. El desarrollo temprano de este planeta probablemente hizo que eso sucediera mucho. Entonces, el monóxido de carbono podría reaccionar con el agua restante , y así sucesivamente. ¿Dónde se estabilizaría la mezcla de sustancias químicas de su atmósfera? ¿Qué condiciones provocarían inestabilidad? ¿ Aparecería el vinagre ?

Gracias, excelente aporte. Todavía no tengo una respuesta a la pregunta del fuego, tal vez intente prescindir de ella, tal vez no. La respuesta de @ckersch sugiere que el fuego sería relativamente accesible, pero le pedí que aclarara esa parte de su respuesta.
Sí, no estoy del todo seguro de dónde vendría su oxígeno. Si fuera demasiado fácil de conseguir, probablemente no tendrías vida en absoluto.

Creo que la idea de que tendrás carbohidratos y algo más es un error.

Cuando mezclas oxígeno, hidrógeno e ignición:

  • El oxígeno hace que el hidrógeno se oxide.
  • El hidrógeno hace que el oxígeno se reduzca.

Entonces, cuando su atmósfera se basa en hidrógeno, el medio de almacenamiento de energía podría ser algo que se puede reducir. Quizás algo rico en carbono y oxígeno, con muy poco hidrógeno.

Habiendo dicho eso, es posible que tus criaturas "primarias" no existan en absoluto, y tus "secundarias" sí, y no sean conceptualmente muy diferentes a nosotros.

Alternativamente... podría seguir el camino de la Tierra primitiva. Algunas criaturas podrían descubrir que podrían eliminar a la competencia arrojando veneno (gas de oxígeno) a la atmósfera.

Creo que un compuesto con mucho oxígeno (y carbono si la vida está basada en carbono) que libera energía cuando se hidrogena es mejor para reducir las atmósferas. algo como:

6 C H 4 + 6 C O 2 + pags h o t o norte s − − > C 12 O 12 + 12 H 2

esto funcionaria? Elegí esto porque se puede reducir fácilmente a gas metano y dióxido de carbono con gas hidrógeno. también ayuda a renovar el metano en la atmósfera. No pude calcular la entalpía de la reacción ya que no pude encontrar la entalpía de formación de c12o12 en ninguna parte; (así que una suposición rápida es que consume mucha energía ya que trata de liberar O2 del dióxido de carbono (que los científicos están lanzando láseres, para empezar) obtendría muchas plantas que consumen energía y muchos heterótrofos que pueden producir energía fácilmente al reducir c12o12 por hidrógeno.

Editar: la energía total producida (y consumida) por esto es de aproximadamente 2019 kj/mol, compare esto con la energía utilizada por las plantas: que es de aproximadamente 2801 kj/mol. Así que esto puede ser utilizado, yo diría

Este "pharb" sería el almacenamiento de los nativos en el planeta: análogo a la glucosa aquí, excepto que la energía se obtiene a través de la hidrogenación (mucha de la cual, presumiblemente, está disponible en la atmósfera). También se puede usar para hacer circular metano y dióxido de carbono de regreso a la atmósfera: y reponerlo.

No sé si pueden catenarse consigo mismos, lo más probable es que sí (por la gran cantidad de carbono que tienen). En caso afirmativo, puede funcionar como material estructural y de almacenamiento.El carbohidrato alternativo se ve así

Si bien puede tener razón, es difícil juzgar debido a la falta de detalles en la respuesta. Si puede editar para proporcionar más, eso puede evitar la eliminación de esta respuesta como de baja calidad. (De la revisión).
@L.Dutch-ReinstateMonica como un pequeño monstruo
Farbohidratos vs Carbohidratos
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