Fotosíntesis hidrogenénica: estrategias para animales

La fotosíntesis hidrogénica reduce el metano y el agua para construir biomasa ( CH 2 O ) y libera hidrógeno:

CH 4 + H 2 O + fotones → CH 2 O + 2 H 2

Como referencia, la fotosíntesis oxigénica es:

norte  CO 2 + norte  H 2 O + fotones → ( CH 2 O ) norte + norte O 2

Según este excelente artículo de Bains et al , el proceso hidrogenado es unas cuatro veces más eficiente que la versión oxigénica, lo que permite construir cuatro veces la cantidad de biomasa para la misma cantidad de luz (ver nota *1).

El documento vinculado describe cómo los planetas grandes podrían retener una atmósfera de hidrógeno, pero esta pregunta no se trata de eso.

Mi pregunta es sobre las estrategias para la evolución animal, ya que la otra cara de la moneda es 4 veces más fácil para los autótrofos construir masa, es que los consumidores heterótrofos obtienen 4 veces menos energía al descomponer un gramo de esta biomasa hidrogenada. Aquí están las palabras de los autores:

"Desde un punto de vista puramente humano, la evolución de la fotosíntesis hidrogenada podría ser un descubrimiento decepcionante en otro mundo, por razones implícitas en la Figura 1. Así como hacer biomasa en un ambiente oxidado requiere más energía, descomponer la biomasa en un ambiente oxidado libera más energía. En particular, la oxidación de la biomasa usando oxígeno molecular libera sustancialmente más energía que su reducción usando hidrógeno molecular . Una explicación común para el surgimiento de animales complejos en los últimos períodos Precámbrico y Cámbrico fue el aumento del oxígeno atmosférico que permitió sus estilos de vida intensivos en energía "

Mi pregunta es; ¿Cómo afecta el cambio en el 'equilibrio de poder' entre autótrofos y heterótrofos a la evolución de ambos y cuál es el metabolismo animal apropiado para permitir que los animales muestren los tipos de habilidades (que dependen del almacenamiento de energía concentrada, ver nota *2) que los animales terrestres ¿monitor?

Tenga en cuenta: cualquier respuesta que aborde el desequilibrio cuádruple entre animales y plantas es válida: las respuestas de bioquímica de nivel de doctorado serán muy apreciadas, ¡pero no espero obtener muchas de ellas!

Fin de la pregunta: lo que sigue es material de apoyo del artículo que puede tratar como **TL;DR.

Nota 1

Aquí está el pasaje del documento que hace la afirmación sobre los requisitos reducidos de generación de biomasa.

"La comparación de las energías de Gibbs de formación de CO2 (gas ~ −394 kJ/mol, aq ~−385 kJ/mol) y CH4 (gas ~ −50 kJ/mol, aq ~ −35 kJ/mol) [65] muestra que cualquier reacción que involucre CO2 como reactivo portador de C casi siempre tendrá una energía de reacción de Gibbs más positiva que una reacción similar con CH4 como reactivo La diferencia cuantitativa entre las reacciones dependerá de los productos de la reacción, como se ilustra en la Figura 1. En promedio, para el conjunto de productos químicos de la Figura 1, fabricar el producto químico a partir de CH4 requiere ~20 % de la energía necesaria para hacerlo a partir de CO2. Esto sugiere que construir biomasa en un entorno dominado por CH4/H2 requeriría solo ~20 % de la energía necesaria en nuestro entorno dominado por el CO2".

Nota 2

El documento vinculado menciona que tal vez estos animales podrían usar propionato de dimetilsulfonio (DMSP) para almacenar energía en lugar de carbohidratos, pero realmente no entiendo este proceso ni cuáles son sus implicaciones...

No soy químico, pero no sigo la lógica de los consumidores heterótrofos que obtienen 4 veces menos energía de la biomasa. Dado que la molécula de formaldehído producida es la misma en ambos casos, ¿por qué la eficiencia relativa del proceso de producción cambiaría la energía almacenada para una unidad de masa dada?
@KillingTime es una pregunta justa y debo decir que no sé la respuesta; está demasiado fuera de mi zona de confort para parafrasear los argumentos de los autores. Sin embargo, he editado mi respuesta para incluir una cita de parte del documento que motivó mi pregunta.
No estoy seguro de la afirmación de que los heterótrofos obtienen 4 veces menos energía por gramo. Los productos químicos de ambos tipos de fotosíntesis son los mismos, entonces, ¿por qué habría menos energía disponible para los heterótrofos?
@Green ¿Porque no hay oxígeno libre disponible? Recuerda que las plantas liberan hidrógeno ahora. Incluso si hay una fuente alternativa de oxígeno, el oxígeno en una atmósfera de hidrógeno no es una buena señal en absoluto...
@green Agregué la sección relevante del documento que aborda su punto. Creo que la clave es que las ecuaciones de referencia en la parte superior de mi publicación son imágenes muy simplificadas...
@rumguff, esas ecuaciones parecían demasiado simples para describir toda la transferencia de energía/masa entre autótrofos y heterótrofos. Gracias por la aclaración.
¡Esta pregunta es como Hot Rods in Space!, solo para química worldbuilding.stackexchange.com/questions/21438/…
@green sí, estoy de acuerdo, pero las respuestas válidas no necesitan abordar todas las ecuaciones químicas (actualizaré el OP para aclarar esto). Además, esto tiene potencial como tropo con algunas piernas reales. El PS hidrogénico artificial es muy actual en este momento como una forma de producir combustible de hidrógeno para uso humano.
Tenía una respuesta, pero me quedé atrapado en cómo funcionaría el ciclo del oxígeno. ¿De dónde viene y cuánto tiempo permanece en la atmósfera? ¿Qué pasa si los autótrofos ... está bien. Intentaré de nuevo.
De acuerdo, esto es solo especulación, pero si el metano fuera menos estable que el dióxido de carbono (que creo que probablemente lo es), entonces la reacción inversa (la que usarían los heterótrofos para quemar azúcares) produce metano, que entonces es más probable que se descomponga ( como la oxidación con cualquier oxígeno libre producido por los autótrofos basados ​​en oxígeno de la competencia), produciendo menos metano para que los autótrofos hirogénicos lo utilicen para la producción de azúcar. Por lo tanto, un autótrofo basado en oxígeno podría literalmente "succionar el aire/metano de la habitación" para cualquier autótrofo hidrogénico. (Si esta línea de razonamiento es sólida, la convertiré en una respuesta)
@green, no hay oxígeno libre , ni dentro ni fuera. Estamos usando CH4 en lugar de CO2. Sin embargo, hay mucha agua y el ambiente puede ser cálido gracias al H2. No seas tímido porque no entiendes toda la química, ¡yo tampoco!
@cort: no busque mi validación, su respuesta será tan buena como cualquier otra cosa que se me ocurra. Puede valer la pena leer el documento si aún no lo ha hecho y está interesado: es una lectura muy buena.
Pensé en usar flúor como oxidante, pero ese material es tan reactivo que nunca se encuentra libre en la tierra. Siempre está encerrado en minerales de algún tipo.

Respuestas (2)

Si he entendido su pregunta correctamente, básicamente ignoraré la ciencia bioquímica y saltaré directamente a lo que creo que es la esencia (en realidad, vegetales) de la pregunta:

¿Qué sucede si las plantas crecen 4 veces más rápido, pero los animales obtienen 4 veces menos nutrición de ellas?

Tenga en cuenta que arriba estoy usando 'planta' como sinónimo de autótrofo y 'animal' como sinónimo de heterótrofo. Estoy haciendo esto simplemente porque se siente más natural como una forma de dirección. Usaré los términos correctos más adelante, ya que es importante hacer la distinción.

Así que: Adelante.

El período durante el cual domina la vida unicelular se acortará. Es más probable que sus células individuales sean autótrofas y, como tales, se multiplicarán mucho más rápidamente. En este tipo de entorno de alta población y alta energía, cualquier heterótrofo que emerja tendrá un exceso de comida, pero no tendrá un impacto tan grande en los autótrofos como lo fueron en nuestra historia (ya que se reproducen en una cuarta parte de la Velocidad). Por lo tanto, los autótrofos competirán entre sí y la alta densidad de población conducirá a una cooperación celular más rápida.

Cuando se trata de vida vegetal multicelular: la competencia será feroz. Quiero decir, genuinamente feroz. Estas plantas tendrán 4 veces más energía y, por lo tanto, 4 veces más capacidad para reproducirse, crecer y, en general, hacer lo que hacen las plantas. Los árboles altos, el agotamiento de los recursos y las técnicas originales de dispersión de semillas florecerán ya que todas las plantas tendrán más energía para 'desperdiciar'.

Los animales, por otro lado, tendrán que moverse más lento por necesidad. Todavía tienen la ventaja de que no necesitan el sol, y todavía tienen la ventaja de que están comiendo una fuente de energía más rica, pero no veremos depredadores puramente carnívoros en el corto plazo, ya que la cantidad de acres requerida para un solo depredador aumentaría 16 veces (4x para los herbívoros, luego otro 4x para los carnívoros puros) Los omnívoros probablemente lo harían mejor, pero aún así, las criaturas más lentas lo harían mejor.

Como la disparidad entre la cantidad de energía que se puede obtener del sol frente a la cantidad de energía obtenida al comer otras plantas es mucho más pequeña, las formas de vida que exhiben un comportamiento tanto autótrofo como heterótrofo serían considerablemente más prolíficas. Las plantas parásitas y carnívoras serían más comunes, y esperaría una amplia gama de adaptaciones (enredaderas de medusas, plátanos trepadores, olmo cuco?) elección evolutiva.

Si quieres ver un sistema similar a la tierra, entonces tus animales tendrán que tener un gran mojo metabólico. Para empezar, los herbívoros tendrán que comer al menos 4 veces más vegetación, y eso suponiendo que la eficiencia metabólica funcione de la misma manera. Como se mencionó anteriormente, cualquier carnívoro rápido tendrá un hambre voraz y también tendrá que desarrollar algunas habilidades de crianza importantes, ya que no tendrán la energía para emplear una estrategia de "disparar y olvidar" y luego preocuparse por todos los competidores que acaban de engendrar. . No estoy seguro de si el mismo argumento sobre la crianza se aplica a los herbívoros.

Un último pensamiento, bastante intrigante (aunque contradictorio): bajo el agua, el depredador ápice probablemente sea Coral...

Gran respuesta; Debo admitir que ahora que lo mencionas, la implicación sobre la ampliación de la pirámide de productores/herbívoros/carnívoros parece obvia, pero en realidad no lo había descubierto por mí mismo. Ese voraz cazador del ápice sería una bestia magnífica (y probablemente sujeto a una presión significativa para desarrollar una inteligencia real). Buen punto también sobre los fotoheterótrofos. Asimismo, probablemente haya un gran nicho para los hongos, que también me gustan. Espero obtener más respuestas como esta.
en realidad, para acomodar esa cadena alimenticia ampliamente extendida, puedo hacer que el planeta sea vasto: una súper tierra, que encaja muy bien con la retención de una atmósfera de H2. Sin embargo, tendrá que pensar en cómo los animales pueden cubrir distancias más grandes.
Si aumenta la densidad de presas, puede disminuir el rango requerido. Si las plantas crecen increíblemente densas, la presa será más densa para que tu depredador pueda usar tácticas de emboscada y dejar que la presa se acerque a él. Siempre y cuando no se quede quieto el tiempo suficiente para que el Gran Plátano Trepador Manchado le meta sus zarcillos...

¡Consigue tus oxidantes aquí! ¡Consíguelos mientras están calientes!

La pregunta fundamental es ¿de dónde obtienes tu oxidante? Todo el oxígeno en este planeta metano+H2 está envuelto en agua o algo más. Los oxidantes candidatos pueden ser flúor o cloro, pero ambos tienen sus problemas. El flúor es tan reactivo que nunca permanece libre por mucho tiempo. El cloro tampoco se encuentra nunca libre en la atmósfera. Con tanto metano e hidrógeno flotando, cualquier oxidante será capturado rápidamente. Solo lo tenemos en la Tierra porque hay mucha vida bombeando oxígeno.

Esto nos deja con dos opciones. Primero, desarrollamos un metabolismo recíproco que no requiere un oxidante y funciona con hidrógeno. (El mundo de la química es amplio. Probablemente podría hacerse). No sé lo suficiente de química como para adivinar las reacciones candidatas.

O, en segundo lugar, reciclamos los oxidantes dentro del autótrofo después de consumirlos del carbonato terrestre, tal vez el carbonato de calcio que tiene tres átomos de oxígeno por un átomo de calcio. Desconozco la penalización energética de adquirir un oxidante de esta forma pero me parece conveniente. ¿Quizás un catalizador de flúor de algún tipo?

El CO2 también se elimina de la atmósfera por conversión en carbonato, a una velocidad que depende de la química de la superficie.

Esta atmósfera es la inversa de la Tierra. En la Tierra, el oxidante está disponible libremente y el combustible escasea.

la falta de oxidantes es la razón por la cual esto se conoce como atmósfera reductora. Cito del artículo: "En un entorno reductor, los compuestos altamente oxidados podrían almacenarse como materiales de almacenamiento de energía, teniendo la densidad de energía más alta cuando se reducen con hidrógeno, u otros compuestos con funciones comparables al DMSP podrían acumularse y usarse como alto contenido de energía". alimento energético. Por lo tanto, la ausencia de oxígeno no excluye la posibilidad de que otros componentes de la biomasa puedan metabolizarse para producir mucha energía por gramo". Al parecer, la oxidación de la biomasa acumulada no es la única forma de producir energía.
¡Decir ah! :) Tienes la respuesta de un estudiante de secundaria. Lo siento, no puedo hacerlo mejor.
Fotosíntesis hidrogenénica: estrategias para animales
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 3v