La metanogénesis se encuentra entre las formas de respiración anaeróbica más densas en energía. Por lo general, requiere la presencia ambiental de hidrógeno para reducir el CO2; sin embargo, se puede generar hidrógeno a partir de la glucosa en la fermentación hidrogenada , que también produce algo de energía metabólica.
Entonces, supongamos que tenemos un mundo anóxico donde los equivalentes animales respiran dióxido de carbono en lugar de oxígeno, exhalan metano y producen acetato , glioxilato y formiato (y posiblemente trazas de una variedad de otros compuestos orgánicos ligeros) como desechos metabólicos adicionales; efectivamente, los desechos de carbono terminan siendo excretados en (el equivalente de) la orina, un subproducto del metabolismo productor de energía normal, en paralelo a la excreción de desechos nitrogenados del catabolismo de proteínas y ácidos nucleicos.
Dado que la fotosíntesis oxigénica debe suprimirse (si existe, al menos debe ser poco común, porque el punto es que queremos que los animales respiren CO2, no oxígeno), ¿cómo se ve el resto del ecosistema, en términos de procesos anabólicos / catabólicos básicos? En particular, ¿qué están haciendo las plantas, dado que el CO2 es abundante, el metano es razonablemente común en el aire y los animales están bombeando toneladas de otras sustancias orgánicas simples junto con el metano?
Editar: como referencia, las reacciones netas para el catabolismo acetogénico, glioxilogénico y formógeno de la glucosa son las siguientes:
La glucosa fermenta en glioxilato y 2 metanos.
La glucosa es hidrolizada y oxidada por dióxido de carbono para producir 4 acetatos, 4 formiatos y metano.
Tenga en cuenta que la reacción glioxilogénica en realidad no consume CO2, solo la vía de acetato / formiato de ácido mixto; esto se debe a que el CO2 utilizado en la ruta del glioxilato en realidad se genera endógenamente durante la descomposición inicial de la glucosa a través del piruvato. Esa vía sería el equivalente a nuestra respiración anaeróbica. Ambos caminos esconden un montón de complejidad donde el hidrógeno y, a veces, el dióxido de carbono endógeno se generan en el camino, antes de que finalmente todo el hidrógeno se consuma creando varios compuestos orgánicos pequeños.
En particular, ¿qué están haciendo las plantas, dado que el CO2 es abundante, el metano es razonablemente común en el aire y los animales están bombeando toneladas de otras sustancias orgánicas simples junto con el metano?
Si una cosa es segura, no puedes tener plantas en tal ecosistema.
Las plantas, como las conocemos, expulsan oxígeno como subproducto de la fotosíntesis, y como usted dice
la fotosíntesis oxigénica debe ser suprimida
Si hay algún fotosintetizador, probablemente seguiría el camino inverso de la respiración metanogénica en lugar de
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O + Energía
harían algo en la línea de
CH4 + 2 H2O + Energía → CO2 + 4 H2
Para almacenar las especies así sintetizadas los organismos pluricelulares necesitarían bolsas (las plantas terrestres producen azúcares, que son sólidas y más fáciles de almacenar), lo que las haría aparecer como grandes burbujas.
Has invertido el escenario actualmente en la parte superior soleada de la tierra.
Aquí, los animales respiran O2 y lo utilizan para oxidar el carbono reducido fijado por las plantas. Los animales exhalan CO2 e hidrógeno (como H2O).
Las plantas extraen el escaso CO2 y con hidrógeno (obtenido como H2O), usan la energía del sol para fijarlo nuevamente en carbono reducido, como carbohidratos.
Cambiando esto en su escenario, sus animales toman CO2 e hidrógeno y expulsan carbono reducido como metano. Las "plantas" (consideradas como productores primarios) presumiblemente tomarán el carbono reducido como metano, buscarán el escaso O2 y usarán algo de energía ambiental para reformar el CO2. Es bueno que el carbono reducido aquí sea metano; si usted es una planta, hay mejores probabilidades de que el CH4 llegue a su vecindad que la glucosa.
En su escenario, el carbono reducido es metano; en el nuestro generalmente comemos carbohidratos. Todo es carbono reducido.
Creo que el truco es cuánto O2 está disponible. La prevalencia de O2 inclinará la balanza hacia un lado o hacia el otro, como presumiblemente lo hizo en la Tierra primitiva y aún lo hace en ambientes anaeróbicos/microaeróbicos.
EDITAR: Después de analizar más la energía, la respiración de CO2 probablemente no funcionará con la glucosa como molécula de almacenamiento de energía. Algún otro sistema de almacenamiento de energía que tenga más hidrógenos disponibles para liberar aún puede permitir la respiración de CO2, pero si nos limitamos a la glucosa, una biosfera metanogénica termina siendo bastante diferente.
Resulta que descomponer y/o reducir el ácido acético es en realidad más eficiente que reducir el dióxido de carbono... por lo que, después de todo, los animales que se alimentan de glucosa mediante fermentación hidrogenada no necesitan respirar CO2. Cf.:
Acetoclasia:
Reducción de CO2:
De hecho, la reducción de CO2 es la última fase de la metanogénesis en la descomposición terrestre, después de que se consumen todos los demás sustratos orgánicos.
En cambio, obtienes un metabolismo puramente fermentativo que termina mezclando hidrógenos internamente, después de algunas reacciones de hidrólisis que consumen agua, para producir ácido fórmico y metano. Las reacciones de alto nivel son las siguientes:
Glucólisis:
Escisión de piruvato:
Reducción de ácido acético:
siendo los productos finales de fermentación 4 ácidos fórmicos y 2 metanos.
Mientras tanto, las "plantas" pueden construir glucosa directamente a partir del metano y el dióxido de carbono, pero los animales solo regeneran el metano. Entonces, en lugar de una crisis de oxígeno, este mundo termina con una crisis de acidificación cuando el CO2 y el agua se consumen y se reemplazan por ácido fórmico e incluso más metano, y las plantas tienen que cambiar a consumir ácido fórmico en lugar de CO2 (a través de la reacción , seguido por el reensamblaje del piruvato en glucosa) y la producción de agua como subproducto de la fotosíntesis. En nuestro mundo, las bacterias consumen energía para descomponer selectivamente el ácido fórmico en CO2 e hidrógeno para controlar el pH, por lo que eso podría limitar el alcance de una crisis de acidificación... pero sería algo en lo que los autótrofos sésiles "desperdiciarían" energía para garantizar su supervivencia, algo que los animales no se molestarían en hacer la mayor parte del tiempo... aunque reemplazar la reducción de ácido acético con acetoclasis (que da como resultado una producción excesiva de hidrógeno) en situaciones de alto esfuerzo donde no hay tiempo para la eliminación adecuada de desechos ácidos podría resultar en algunos acumulación de hidrógeno atmosférico. En un mundo pequeño, eso probablemente eventualmente conduciría a un evento de oxigenación que causaría una extinción masiva muy retrasada a medida que el hidrógeno se pierde en el espacio.
Respuesta original: Muy bien, después de contemplar esto un poco más, esto es lo que se me ocurrió:
La fermentación glioxilogénica puede ignorarse bastante. Es una pista falsa. En cuanto a cómo interactúa con el amplio ciclo autótrofo/heterótrofo, es análogo a la respiración anaeróbica productora de lactato en la Tierra; es un método provisional de producción de energía, y cuando los oxidantes vuelvan a estar disponibles, el glioxilato se limpiará a través de una variedad de reacciones adicionales.
Si comenzamos con un mundo en el que tanto el CO2 como el metano son razonablemente abundantes, entonces construir glucosa a partir de esos materiales es realmente barato ( ). Eso debería permitir un rápido crecimiento autotrófico, limitado solo por la disponibilidad de otros nutrientes esenciales, que extraerán los gases de la atmósfera hasta que el CO2 o el metano se conviertan en un factor limitante.
Si suponemos que el metano es el factor limitante, todavía habrá mucho CO2 primordial flotando que se puede usar en las vías metanogénicas de respiración propuestas para oxidar la glucosa. Por lo tanto, este mundo nunca tendrá el equivalente de la "catástrofe del oxígeno". Lo que respiran los animales avanzados será notablemente similar a la atmósfera primordial original.
Sin embargo, a medida que se desarrolla la vida heterótrofa, el medio ambiente se inundará con ácidos orgánicos simples, principalmente acetato y formiato. Eso no afecta demasiado a la atmósfera, pero sí afecta a los océanos y la lluvia. Convenientemente, la acidificación puede resultar en la liberación de aún más CO2 atmosférico, ya que el carbonato se extrae de los minerales; y los microbios u organismos similares a los hongos con acceso a aniones alternativos podrían de hecho usar ácido fórmico y acético como fuentes de hidrógeno para producir agua, metano, sulfuro de hidrógeno, etc. junto con sales de formiato y acetato.
Sin embargo, al igual que con nuestra crisis de oxígeno, los depósitos minerales geológicos capaces de absorber ácidos orgánicos eventualmente se agotarán y comenzarán a acumularse.
Dado que los niveles de metano se mantienen bajos gracias a la absorción autótrofa eficiente, eventualmente será más preferible comenzar a utilizar los abundantes ácidos orgánicos como fuente de carbono.
Convenientemente, el ácido acético (presumiblemente a través de una complicada serie de reacciones intermedias) se puede reconstruir en glucosa sin ninguna entrada externa neta, a través de la fórmula simple:
Obtener glucosa del ácido fórmico es más complicado: contiene demasiado oxígeno. Sin embargo, se puede descomponer de dos formas, dando agua y monóxido de carbono, o CO2 e hidrógeno:
Que se puede recombinar para dar formaldehído, agua y CO2. 6 unidades de formaldehído ( ) forman una glucosa, por lo que obtenemos la reacción neta:
que regenera el CO2 atmosférico para que los animales respiren.
Entonces, terminamos con un ciclo bastante complicado en el que las "plantas" consumen ácido acético, ácido fórmico, metano y dióxido de carbono para construir hidrocarburos, produciendo agua y dióxido de carbono como subproductos, mientras que los "animales" consumen glucosa, agua y CO2. y producen ácido acético, ácido fórmico y metano como subproductos. Tenga en cuenta, sin embargo, que el consumo de metano por parte de las "plantas" no da como resultado la producción de CO2 adicional; más bien, se consumen en una proporción de uno a uno. Cuando un "animal" usa CO2 para oxidar la glucosa, el metano resultante no se recicla de nuevo en CO2; más bien, todo el CO2 que necesitan los animales se regenera a partir de ácido fórmico de desecho líquido.
Ahora, aunque las reacciones paso a paso reales son más complicadas, en realidad podemos separar la producción y el consumo de ácido acético como su propio ciclo independiente:
y, como el glioxalato, ignorarlo al considerar cómo se intercambian el CO2 y el metano, lo que nos proporciona ecuaciones simplificadas para demostrar cómo se mantiene el equilibrio ecológico. En el metabolismo del CO2, cada molécula de glucosa es oxidada por un solo CO2 en conjunto con la hidrolización por 2 aguas, produciendo 1 ácido acético, 4 ácidos fórmicos y 1 metano, como sigue:
Como se indicó anteriormente, se necesitan 12 ácidos fórmicos para producir 1 nueva molécula de glucosa, por lo que triplicar esto nos da el siguiente ciclo de glucosa:
Nótese al final que la producción total de CO2 de las "plantas" durante el anabolismo de glucosa basado en formiatos es el doble que la producción de metano de los "animales" durante la respiración metanogénica. Así, un paso más (usando la vía primitiva de producción de glucosa CO2+metano, eliminando todo el metano) nos devuelve al principio, con un exceso de 3 CO2 en la atmósfera para que los "animales" respiren.
AlexP