¿Podría una criatura del océano profundo usar algún tipo de bacteria en su cuerpo como una forma de generar oxígeno?

Me gusta mucho la premisa: algo así como lo contrario de los cachalotes que viven en aguas poco profundas y se alimentan en las profundidades. ¡Y siempre me encanta la combinación de monstruos marinos gigantes, monstruos marinos gigantes más profundos y el metabolismo bacteriano exótico!

de la producción bacteriana de oxígeno en la oscuridad. Ettwig KF y col. Frontiers of Microbiol. 2012 7 de agosto;3:273

Durante mucho tiempo, la fotosíntesis fue el único proceso biológico conocido para producir oxígeno. Las cianobacterias, las plantas verdes y las algas utilizan la energía de la luz para dividir el agua (E0′ = + 0,82⁢V) a través del fotosistema II. Los electrones obtenidos sirven para la generación de NADPH y ATP para la fijación de dióxido de carbono; el oxígeno es un mero subproducto de este metabolismo...

La producción de oxígeno de novo puede ser impulsada por energía luminosa o química. La segunda forma, “oscura”, aprovecha los oxidantes con un potencial redox más positivo que la pareja O2/H2O. Solo unas pocas parejas redox son biológicamente relevantes a este respecto: hipoclorito (ClO-)/Cl-;E0′ = + 1.31⁢V, clorito (ClO − 2 )/ClO − (E 0 ′ =+1.28V),ClO − 2 /Cl − (E 0 ′ =+1.08V), óxido nitroso (N2O)/N2(E0′ = + 1.36V), ⁢ óxido nítrico (NO)/N2O(E0′ = + 1.18V), ⁢ y NO /N2(E0′ = + 1,27 V). La mayoría de estos compuestos son intermediarios en la respiración de (per)clorato y nitrato/nitrito, respectivamente. En esta perspectiva, revisamos lo que se sabe y lo que aún se debe aprender sobre las vías oxigenadas de las especies cloro-oxo y los óxidos de nitrógeno, con un enfoque en un mecanismo enzimático hipotético para la producción de oxígeno impulsada por nitritos hasta ahora difícil de alcanzar.

Para que funcione, necesita una fuente (presumiblemente mineral) de oxidantes fuertes que los simbiontes bacterianos podrían usar; Creo que en estas criaturas la producción de oxígeno está ligada a la energía que obtienen al oxidar el sustrato con él. Está bastante claro en el texto que estos caminos metabólicos no están haciendo burbujas de oxígeno como lo hacen las plantas. Todo el oxígeno que se produce es en pequeñas cantidades.

Pero aquí hay otra idea para tu criatura con respecto al oxígeno: minimiza su uso de oxígeno al usar el metabolismo anaeróbico. Cuando los humanos hacen esto, es https://en.wikipedia.org/wiki/Anaerobic_glycolysis La energía se puede derivar de la glucosa sin oxígeno en ráfagas cortas. El lactato es el producto final y se acumula: esta es la quemadura que sientes cuando sientes la quemadura. En última instancia, el hígado tiene que oxidar el lactato cuando vuelve a haber oxígeno. Es un uso ineficiente del azúcar en comparación con el metabolismo aeróbico pero podemos hacerlo.

Pero, ¿qué pasa con una criatura que hizo glucólisis anaeróbica y luego ignoró el producto final? La levadura hace exactamente esto: el producto final es etanol y se acumula hasta que no lo soportan más. O se evapora. Un monstruo marino con mucha comida y poco oxígeno podría simplemente dejar que el producto de desecho de lactato rezumara de sus poros hacia el agua. Necesitaría mucha más comida (¿creo que tres veces más?) que una criatura de tamaño similar usando glucólisis oxidativa, que extrae más energía del azúcar. Pero podría funcionar con mucho menos oxígeno.

Podría imaginarme una criatura así almacenando enormes cantidades de oxígeno en la mioglobina . Las ballenas almacenan oxígeno en la mioglobina y es por eso que algunas pueden contener la respiración en condiciones de esfuerzo durante más de una hora. Si tuviera una criatura que solo hiciera metabolismo anaeróbico y desechara los desechos, tendría necesidades de oxígeno mucho más bajas. Tal vez podría tener solo el cerebro que requiere metabolismo oxidativo con el resto del cuerpo usando anaeróbico. Un aliento del tamaño de una ballena podría durar semanas para la criatura.

Aquí en la Tierra, las bacterias de las profundidades marinas alimentan ecosistemas completos, pero no a través de la fotosíntesis o la creación de oxígeno. Más bien, recolectan la energía térmica y los productos químicos que salen de los respiraderos oceánicos y utilizan la quimiosíntesis para proporcionar alimentos y energía para ellos mismos, así como para crear el peldaño inferior de una cadena alimentaria particular de ese entorno.

respiradero hidrotermal

Cualquier criatura que viva en el medio ambiente no usará oxígeno para sus procesos vitales como lo hacen los peces o las ballenas, por lo que su consumo de bacterias quimiosintéticas es más parecido a la comida que al oxígeno.

De hecho, algo como esto podría explicar las extrañas formas de vida del Período Ediacárico. . Si vivían capturando y digiriendo bacterias quimiosintéticas, esto podría explicar su rápida propagación durante un período en el que la atmósfera de la Tierra aún no estaba completamente oxigenada, y posiblemente su estructura misteriosa (no parecen tener un plan corporal como las criaturas del Cámbrico). hacer, y puede haber estado simplemente filtrando bacterias del agua).

Posible reconstrucción de la vida de Ediacara

Esta combinación de factores sugiere que cualquier forma de vida que esté evolucionando en las profundidades de su océano puede no ser ni remotamente análoga a lo que existe en la Tierra. Por otro lado, las formas de vida que viven alrededor de los respiraderos hidrotermales en la Tierra hoy en día están claramente relacionadas con los gusanos y otras criaturas que evolucionaron en el período Cámbrico, por lo que obviamente eran más competitivas en ese entorno que las formas de vida de Ediacara.

Gusanos de tubo que viven cerca de respiraderos hidrotermales

La respuesta es segura, pero voy a decir que no por tu falta de comprensión sobre cómo funciona la química aquí.

[Voy a ignorar el nitrógeno en esto por simplicidad] En la fotosíntesis, las plantas toman agua H2O, energía en forma de luz solar y CO2 para formar compuestos de azúcar, básicamente cadenas de hidrocarburos. Una cadena de hidrocarburo es una molécula de átomos de carbono conectados entre sí en una cadena de cualquier longitud y 2 átomos de hidrógeno conectados a cada átomo de carbono. Cuando reacciona con el oxígeno, libera energía. Entonces, la producción de azúcar es un medio para almacenar energía. Entonces, volviendo al H20 y al CO2, puede ver que queda mucho O2 (oxígeno) por tomar todas esas H y C. Es por eso que el O2 es un subproducto.

Sin proporcionar a su organismo una fuente de energía y los productos químicos que contienen oxígeno para hacer su propia cadena de hidrocarburos, nunca podrá producir oxígeno.

En las circunstancias que proporciona, veo que las posibilidades de que esto ocurra son muy escasas. Podría haber algunas formas radicales potenciales de lograr esto, pero se necesitarían algunos cambios radicales en su concepto.

La termodinámica probablemente sea incorrecta para una criatura del tamaño de una ballena. Y, la quimiosíntesis no crea oxígeno.

La quimiosíntesis es un corolario de la fotosíntesis. Es la síntesis de carbono complejo a partir de productos químicos (en lugar de luz).

La producción de oxígeno es más comúnmente el resultado de la fotosíntesis. El oxígeno deriva del agua. (CO2 + H2O + luz -> Azúcar y O2)

Quimiosíntesis (CO2 (en realidad probablemente bicarbonato) + H2S + H2O + O2 -> Azúcar y ácido sulfúrico).

En ambos casos, el CO2 se convierte en azúcar. Uno usa luz, el otro usa H2S. Sólo en el primer caso se produce oxígeno. (Fotosíntesis oxigénica. También hay algo llamado fotosíntesis anoxigénica).

Secundariamente: aunque la producción de O2 no fotosintético es una hipótesis para algunas bacterias oxidantes del metano, no se ha demostrado y no se supone que se excrete. El oxígeno es increíblemente reactivo. Acepta electrones mejor que casi cualquier cosa por ahí. Es solo un producto de desecho de la fotosíntesis porque los fotones son mucho más impresionantes. Un animal grande que usa oxígeno como aceptor de electrones (como nosotros) requerirá una gran cantidad de él.

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Más relacionado con su objetivo: el océano profundo tiene más oxígeno que las profundidades medias en gran parte del océano, debido a eventos de mezcla, surgencia y otros procesos físicos.

Otra posibilidad es que su organismo utilice nitrato como aceptor de electrones en lugar de oxígeno. Aunque esto plantea otros problemas, podría ayudarte aquí.

EDITAR: ¡Eh, genial! A veces AFAIK no es lo suficientemente lejos. Gracias a @P Chapman por aclararme que, de hecho, hay bacterias que pueden crear su propio oxígeno. No resuelve el problema del oxígeno para la criatura del océano profundo con forma de ballena porque todo sería metabolizado dentro de la célula, pero de todos modos es increíble.

No con la biología que conocemos. La única forma en que se produce oxígeno a través de una reacción biológica es a través de la fotosíntesis, que requiere luz solar. En las profundidades del océano no hay luz solar, por lo que la biología no puede producir oxígeno.

Supongo que es imaginable que un organismo podría usar de alguna manera la energía térmica que se encuentra en las dorsales oceánicas (filtraciones frías y respiraderos hidrotermales), pero AFAIK no existe, hay formas más fáciles de obtener alimentos, como a través de la quimiosíntesis, que no t producir oxígeno en absoluto.

Como han señalado los comentarios, tampoco hay una gran presión evolutiva para desarrollar tal habilidad. Hay suficiente oxígeno en las profundidades del mar para la mayoría de las criaturas con branquias, y su mayor problema es encontrar formas de usar el oxígeno, es decir, encontrar alimentos para oxidar y obtener energía.

Lo que estás describiendo no es diferente de la simbiosis entre ciertas plantas y bacterias fijadoras de nitrógeno. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Nitrogen_fixation#Root_nodule_symbioses ) .

Además, la conversión de agua, dióxido de carbono y energía en oxígeno es bastante común. (sí, sé que la fotosíntesis no es exactamente lo que estás buscando). Su limitación es que esto requiere un poco de energía para hacerlo. Entonces, una criatura razonablemente grande necesitaría tener un apetito bastante grande para que esto funcione. Esto podría compensarse un poco si estuviera usando algún otro compuesto además del dióxido de carbono que le da un poco de ondulación a mano si lo desea. Tendría que ir a revisar la química para realmente darte una buena respuesta y probablemente sería aburrido. Un ejemplo de química alternativa está aquí ( https://www.mpg.de/621120/pressRelease201003241 )

Respuesta corta: Sí, pero una buena fuente de energía o un océano algo extraño lo harán más realista.

Alguien mencionó el uso de nitrato como TEA (aceptor terminal de electrones). MnOx, después de Fe3 (hierro férrico) es el tercer o cuarto mejor TEA después de O2, luego nitrato.

Estoy encontrando en mi investigación de biorreactores que los hongos facultativos (quimio-autótrofos como usted y como yo) pueden usar MnOx almacenado (del drenaje de la mina de carbón) como TEA de respaldo. (visite www.biominingproducts.com para obtener información sobre nuestros biorreactores autoseleccionables).

Una criatura que extrae nódulos de Mn del fondo del océano y luego sube a la superficie de vez en cuando para respirar O2 podría "reponer" sus tanques de O2 cambiando de O2 a MnOx. El MnOx proporciona alrededor de 1/5 del intercambio energético en comparación con el O2, pero también es un sólido, por lo que su densidad es mucho mayor. 1/5 de la energía intercambiada, pero muchas veces la densidad del O2 disuelto (0-12 mg/l en agua en la mejor saturación basada en la temperatura)

Tal vez la criatura tiene un órgano especial "MnOx Lungs" que toma el Mn2 acumulado (Mn disuelto) en solución y lo convierte entre los estados oxidado y reducido. Esencialmente, funcionaría como un tanque de O2 de repuesto. El órgano habría mantenido concentraciones de Mn2 en solución hasta que sea el momento de reponerse produciendo una peroxidasa de Mn. Se podría decir que los hongos que producen la peroxidasa Mn (Santelli et al.) habitan en el órgano (como nuestros intestinos) y ayudan a oxidar el Mn2 para la criatura.

Saludos y sigue escribiendo!

Esta respuesta no se refiere directamente a las bacterias, pero aún podría ayudar. Hay algunos insectos que no poseen branquias y sin embargo son perfectamente capaces de respirar bajo el agua. Mediante el uso de pelos hidrofóbicos microscópicos, el insecto puede crear una barrera a su alrededor donde el peligro del agua con su desagradable tensión superficial se vuelve insignificante.

Pero va un paso más allá, tanto el dióxido de carbono como el oxígeno pueden difundirse a través de esta barrera, lo que permite que el insecto respire con facilidad . ¡Espero que esto ayude! www.youtube.com/watch?v=f7KSfjv4Oq0&t=4m35s

¡SI! Algas, de hecho, la mayor parte de NUESTRO oxígeno está hecho por algas, no por árboles y, debido a que las algas crecen en el agua, esto sería perfecto. Tal vez lo haría crecer dentro o al lado de los pulmones.