¿Son posibles la respiración faríngea y cutánea para un mamífero acuático?

Lamentablemente, esto no es posible. Los animales de sangre caliente, como los mamíferos, simplemente usan demasiado oxígeno para mantener su temperatura corporal interna para que la respiración cutánea sea efectiva.

Vamos a obtener algunos números para eso. El cuerpo humano utiliza alrededor de 8 mg de oxígeno por segundo. En el océano, las concentraciones de oxígeno varían entre 0 y 10 mg de oxígeno por litro. Entonces, en el mejor de los casos, estamos haciendo fluir 1 litro de oxígeno sobre el cuerpo de la persona sirena por segundo, lo que en realidad no suena tan inverosímil. Sin embargo, la piel de la persona sirena en realidad no podrá absorber todo ese oxígeno, está limitada por la velocidad de difusión.

Según este documento , el cuerpo humano puede absorber alrededor de 1 ml de oxígeno por minuto, según su evaluación medida y el modelo teórico que requería una solución estática algebraica de la segunda ley de Fick. Tomé la sección relevante ya que el artículo puede estar detrás de un muro de pago para algunos usuarios:

Esencialmente, estamos ante una diferencia de dos órdenes de magnitud entre lo que necesitamos (8mg/seg) y lo que es posible obtener (0,021mg/seg).

Sin embargo, existen otras ideas que podrían ayudarlo a sortear este límite: vincularé mi respuesta aquí , una pregunta diferente aquí y una más aquí , en caso de que aún no las haya visto.

Lamentablemente, es físicamente imposible construir un endotermo que respire agua sin importar cuánto lo intente.

En el mejor de los casos, la saturación de oxígeno del agua alcanza unos 10 miligramos por litro. Considere la oxidación del berilio metálico en oxígeno, uno de los métodos de generación de calor más eficientes posibles con una entalpía estándar de formación de -599 kJ/mol.

Como el producto óxido de berilio tiene una fórmula BeO, con una masa molecular de 25, y contiene una proporción de Be a O de 9 a 16, un litro de agua solo puede formar alrededor de 15,625 miligramos de óxido de berilio si la saturación de oxígeno se consume por completo. . 0,015625/25*599000= 374,375 J por litro de agua consumido.

Con una capacidad calorífica de 4,2 kJ/kg*C, 374,375 J de energía solo son suficientes para elevar la temperatura de ese litro de agua en 0,09 grados C. De hecho, una diferencia de temperatura tan baja es imposible de capturar incluso con un intercambiador de calor de recuperación, que alcanza un máximo de 95 por ciento de eficiencia, o una diferencia de temperatura retenida de 1,78 grados C por encima de la temperatura oceánica más alta registrada de 31 grados C = 32,78 grados C, o una temperatura central de aproximadamente 33 grados C.

Por debajo de los 35 grados C, se establece la hipotermia, por debajo de los 33 grados C, el corazón se detiene. Por debajo de los 30 grados C, un mamífero morirá de hipotermia. La temperatura media del océano cerca de los trópicos es de aproximadamente 28 grados C. Por lo tanto, no importa cuán grande sea su tritón, ¡el agua que respiran evitará que la temperatura de su cuerpo alcance lo suficiente como para mantener sus corazones latiendo!

Esta es la razón por la que TODOS los endotermos marinos respiran aire, no porque tuvieran pulmones en lugar de branquias, sino porque el contenido de oxígeno del agua de mar por sí solo no es suficiente para mantener ni siquiera el mínimo de temperatura corporal central requerida para que funcione un endotermo.

Los peces y los ectotermos usan branquias porque su fisiología no requiere generación de calor ni alta temperatura. La energía del oxígeno disuelto es suficiente para la mayoría de las actividades biológicas SI no es necesario mantener el calor corporal.

En los cómics de DC, los atlantes se salen con la suya usando magia para satisfacer la mayor parte de sus necesidades de energía física, que puede que ni siquiera sean endotérmicas. Sin magia u otra fuente de energía que no dependa de la reacción química con el oxígeno gaseoso, la respiración endotérmica en el agua es físicamente imposible a menos que cuente las temperaturas corporales estables al menos medio grado por encima de la temperatura promedio del agua como sangre caliente.

¿La solución?

Una trampa, una basada en reacciones que no requieren Di-Oxígeno, es decir, una reacción Ana-aeróbica.

El método de trampa : haz que tu tritón viva en agua extra caliente que se acerque a la temperatura promedio del cuerpo humano, o al menos por encima de la cual el corazón de un mamífero puede latir con un calentamiento adicional mínimo. Es decir, haz que tus tritones vivan en áreas geotérmicas como el reino de agua salada en DC aquaman. El requerimiento de calor extra para la fisiología de un mamífero es suministrado por una fuente externa, o como en la película, literalmente bañándose en lava fundida.

El método sin trampas : use un oxidante alternativo para el proceso respiratorio de su tritón, preferiblemente algo que pueda ser

(a. Almacenado de forma compacta en condiciones fisiológicas, preferiblemente al menos tan denso como el glucógeno en términos de densidad de energía oxidativa.

(b. Puede reabastecerse con relativa facilidad, preferiblemente por ingestión, o está fácilmente disponible en concentraciones lo suficientemente altas como para soportar el metabolismo endotérmico dentro del entorno en el que vive su tritón.

Existen tres vías naturales, cuatro si cuenta los materiales orgánicos como receptores de electrones válidos, a densidades de energía y potencia lo suficientemente altas como para apoyar potencialmente el metabolismo endotérmico:

1. Desnitrificación o reducción disimilatoria de nitrato (a amoníaco) Esta es la reacción empleada por las bacterias anaeróbicas del suelo para producir energía a partir de los nitratos, un producto de la oxidación o nitrificación del amoníaco dentro de las capas superiores aeróbicas del suelo. Este proceso utiliza nitratos disueltos como aceptor de electrones, con un punto de saturación de cerca de 300 gramos por litro de agua, la máxima densidad de energía de esta reacción es suficiente para hervir el agua por lo menos 3 veces por su masa almacenada de oxidante. Los nitratos podrían recolectarse del medio ambiente, preferiblemente durante períodos de "hibernación" no endotérmicos, producidos a partir de compuestos nitrogenados durante dos veces al día o semanalmente (si se producen hasta 3 kilogramos de nitratos durante una salida a la superficie) saliendo a la superficie para recolectar oxígeno atmosférico del aire, o ingeridos como parte de la dieta de tu tritón.

2. Hidrogenosoma e hidrogenesis Esta es la forma predominante de deshacerse de electrones no deseados en arqueas y ciertas cianobacterias. En ciertos animales pequeños (euxinofílicos), los hidrogenosomas derivados de mitocondrias involucionadas utilizan los propios protones como aceptor terminal de electrones, produciendo hidrógeno gaseoso como subproducto. La reacción es ineficiente, en términos de que un par de electrones puede, en el mejor de los casos, bombear seis protones (generalmente solo cuatro), pero como esta reacción usa agua como oxidante, la densidad de energía por kilogramo de agua consumida es casi la misma que la de los organismos que respiran aire. . Como el producto de esta reacción es gas hidrógeno, esto también hace que tus tritones exhalen burbujas, pero no inhalen nada.

3. Metanogénesis La metanogénesis es la última opción para la respiración anaeróbica que no implica el agotamiento de los compuestos orgánicos como subproductos. El metano es producido por arqueas anaeróbicas obligadas que utilizan dióxido de carbono como aceptor terminal de electrones. Esta reacción bombea 6 protones por par de electrones en Methanobacilus, 4 a 5 en Methanosarcina. La metanogénesis produce marginalmente más energía que la hidrogénesis, y utiliza el subproducto de la respiración como oxidante. La densidad de energía de la metanogénesis suele ser lo suficientemente alta como para mantener una pila de compost a una temperatura autolimitada durante dos o dos días y medio.

4. Procesos fermentativos Contrariamente a las creencias populares, las formas muy profundas de fermentación son muy eficientes en términos de producción de energía por molécula de sustrato consumida. Por ejemplo, el proceso de fermentación de acetona butanol etanol produce un máximo de 5,25 ATP por glucosa consumida, y las reacciones de desproporción de oxaloacetato/malato de los gusanos redondos producen 6,1 ATP por glucosa consumida. estas son una de las razones por las que las pilas de compost pueden incendiarse espontáneamente. Por supuesto, sus tritones no se incendiarán porque están bajo el agua, pero la generación de calor es más que suficiente para mantener calientes a sus tritones endotérmicos.

Inconvenientes de la respiración anaeróbica: aunque la respiración anaeróbica conserva el calor corporal al eliminar casi por completo el flujo de agua difusivo (y por lo tanto térmicamente en contacto) necesario y el intercambio de calor resultante con los órganos centrales de los tritones, son relativamente ineficientes en comparación con la oxidación por gas dioxígeno en términos de carbono orgánico consumido. Sin embargo, como el factor limitante es el intercambio de calor, no la comida (ya que esto no es tierra), tener una raza de tritones que sean comedores excepcionalmente voraces probablemente sería un buen detalle para la historia, o al menos evitaría la obesidad, ya que la mayoría de los mamíferos marinos tenían grasa excepcionalmente gruesa. ......

Comencemos con lo que consumimos en O2. El humano promedio consume alrededor del 25% del oxígeno en el aire con cada respiración, y eso significa que el humano promedio consumirá alrededor de 550 litros de O2 en un día determinado.

Un Tritón consumirá más porque el agua está fría [cita requerida], lo que significa que necesita más energía para mantener regulada la temperatura interna del cuerpo. Digamos el doble, para estar seguros. Eso significa 1.1 KL/día

La primera pregunta es si un océano puede o no soportar ese tipo de nivel de saturación de O2. Asumiendo un mundo como la tierra, la respuesta es probablemente, pero solo hasta cierta profundidad. Esto se debe a que la saturación de O2 en el agua es causada por la fotosíntesis en la vida vegetal del subsuelo (microscópica y macroscópica) y la luz solar que impulsa este proceso solo puede llegar hasta cierto punto. La conclusión es que, independientemente del método de respiración, es probable que sus tritones se asfixien a profundidades extremas. Esto no es gran cosa, porque los mamíferos convencionales no pueden regular su presión interna, por lo que desea mantenerse dentro de un cierto rango de la superficie por practicidad, sin mencionar solo ver a dónde se dirige.

Por ahora, supongamos que hay suficiente vida vegetal en el océano para mantener sus niveles de O2.

Lo que pasa con los mamíferos es que todos tienen pulmones. Esta es una de las principales limitaciones de nuestra capacidad para bucear a grandes profundidades en la actualidad. Dicho esto, ¿es posible que la selección natural sostenida pueda desarrollar un mamífero que use (digamos) branquias en su lugar?

Bueno, tendría que decir que sí, pero no sé cómo sería realmente la respiración bajo el agua en un mamífero que ha regresado a los océanos. Todo lo que realmente puedo decir es que si los peces, como los animales, pudieran adaptarse a la tierra mediante la evolución de los pulmones y las extremidades, entonces es completamente factible que, con el tiempo, los mamíferos puedan evolucionar de una manera que les permita respirar bajo el agua. La eliminación eventual de los pulmones (o su atrofia, como el apéndice) también eliminaría algunos de los impedimentos naturales para que una especie pueda aprovechar al máximo la vida submarina al eliminar el impedimento principal de las variaciones de presión; los pulmones.