¿Cuál es la forma más plausible de bioingeniería de un ecosistema subterráneo, sin fotosíntesis, para producir oxígeno?

En el mundo real, los ecosistemas oscuros más energéticos se basan en la quimiosíntesis de los respiraderos hidrotermales , las conversiones químicas varían, pero muchas involucran oxidación. sulfuro de hidrógeno, hidrógeno gaseoso, hierro ferroso y amoníaco son los reactivos más comunes

Curiosamente, esta es una extraña reacción dual utilizada por la bacteria Green Sulphur que en realidad usa productos químicos hidrotermales Y luz, pero necesita una luz tan débil que no es la luz del sol lo que está usando, sino el débil brillo radiactivo de los respiraderos, y produce oxígeno, aunque en cantidades muy pequeñas. . Esto sigue siendo técnicamente fotosíntesis, pero dado que no necesita luz solar, pensé que aún podría funcionar para su escenario.

Algunos minerales liberan oxígeno cuando se calientan; el ejemplo clásico es el clorato de sodio, utilizado en "velas de oxígeno", que queman polvos de hierro para generar suficiente calor (alrededor de 1000 grados F) para liberar oxígeno, produciendo NaCl (sal) como resultado. Aparentemente esto es alrededor de 6,5 horas-hombre de oxígeno libre por kilogramo de mezcla.

Tal vez pueda hacer que un gran depósito de dicho mineral se alimente gradualmente a una zona de subducción.

O, haga las cosas interesantes: en lugar de un ecosistema estable con una ubicación fija, tenga un frente ecológico estable , moviéndose a lo largo de un gran depósito de estos minerales, ardiendo en el borde como una veta de carbón.

Tal vez el sistema tenga una gran cantidad de hidróxido de litio. Este producto químico, si bien es tóxico, puede convertir dióxido de carbono en gas oxígeno si se contiene adecuadamente.

Me imagino una cueva con depósitos de hidróxido de litio por todas partes y grupos de vida a su alrededor.

Tenga en cuenta que los depósitos se reducirán gradualmente con el tiempo a medida que se agoten, por lo que la vida tendría que descubrir que el jugo de fruta + cobre + zinc + agua = oxígeno (electrólisis) o mudarse a una cueva diferente con los mismos depósitos minerales. .

Quieres replicar la fotosíntesis sin luz solar. Mi propuesta: en lugar de la energía radiante del sol, utilizar fuentes de energía radiante disponibles bajo tierra.

Primero, la fotosíntesis.

https://sites.google.com/site/vhs2015environmentalscience/biodiversity/fotosíntesis-respiración

A diferencia de la energía de la luz visible, los generadores de oxígeno subterráneos fijan el carbono por sí mismos mediante radiación alfa . La radiación alfa la producen el uranio, el torio y, lo que es más importante para esta aplicación, el gas radón. El radón se produce por la descomposición del uranio y el radio y, debido a que es un gas, circula un poco antes de que se desintegre emitiendo una partícula alfa. El radón se acumula en espacios subterráneos. El radón o la radiación de los propios elementos pesados ​​proporciona la energía para convertir el CO2 en O2 y H2O.

Sus criaturas del subsuelo necesitan carbono reducido para construir sus cuerpos, al igual que todos nosotros. Sus equivalentes de cloroplasto aprovechan la energía de las partículas alfa para hacer el trabajo. Puedo imaginar estas cosas creciendo como una capa sobre rocas radiactivas, o en áreas donde abunda el gas radón.

El CO2 se puede encontrar en grandes depósitos subterráneos, como lo demuestra el hecho de que los volcanes arrojan grandes cantidades, por lo que estas criaturas podrían evolucionar en ausencia de visitas regulares de mineros. Me he preguntado si ecosistemas como este podrían existir realmente. Puede ser difícil reconocerlos y ciertamente difícil cultivarlos ya que requieren radiación alfa. Sin embargo, podría imaginar que en compañía de los mineros podría haber un florecimiento de tales organismos: el nitrógeno orgánico es escaso en las profundidades de la tierra. Los organismos que traen nitrógeno desde la parte superior y lo depositan en sus desechos proporcionarían mucho nitrógeno.

Termóvoros.

Un esquema diferente con la misma idea general. La energía ambiental es recolectada por organismos que se encuentran a ambos lados de una brecha de alta energía/baja energía. Hacemos esto aprovechando la oxidación del carbono reducido, lo que ocurriría de todos modos en una atmósfera de oxígeno. Los fotosintetizadores recolectan la energía solar entrante que se gastaría en forma de calor al golpear la corteza terrestre.

Un organismo que se encuentre a horcajadas sobre una diferencia térmica podría recolectar la energía térmica, que de todos modos calentaría el sustrato del organismo. Un ejemplo podrían ser los organismos que crecieron en una roca fría con una parte del organismo expuesta al agua caliente, o una roca caliente con una parte del organismo en agua fría. Una máquina de vapor funciona con un principio similar: un cambio de fase en el calor captura la energía térmica y luego la libera cuando se enfría.

De manera similar, un organismo podría capturar energía a través de alguna molécula que capturó algo de energía térmica en el lado caliente y luego la liberó en el lado frío. Probablemente esto no sería un cambio de fase sino algún tipo de cambio de configuración isomérica. O cambio de hidratación. Las moléculas candidatas para mediar en este tipo de transferencia de energía a través del cambio de hidratación incluyen iones metálicos , sistemas de metano/clatrato de metano o grandes macromoléculas orgánicas .

Se puede sustituir la fotosíntesis por radiosíntesis :

La radiosíntesis es la captura y el metabolismo teóricos, por parte de los organismos vivos, de la energía de la radiación ionizante, de manera análoga a la fotosíntesis. El metabolismo de la radiación ionizante fue teorizado ya en 1956 por el ruso SI Kuznetsov.

Décadas más tarde, los científicos descubrieron un hongo que realmente hace eso :

Los hongos radiotróficos son hongos que parecen realizar radiosíntesis, es decir, utilizar el pigmento melanina para convertir la radiación gamma en energía química para el crecimiento. Este mecanismo propuesto puede ser similar a las vías anabólicas para la síntesis de carbono orgánico reducido (p. ej., carbohidratos) en organismos fototróficos, que capturan fotones de la luz visible con pigmentos como la clorofila, cuya energía luego se utiliza en la fotólisis del agua para generar energía química utilizable. (como ATP) en la fotofosforilación o fotosíntesis. (...) Estos fueron descubiertos en 1991 creciendo dentro y alrededor de la planta de energía nuclear de Chernobyl.

Esto resolvería el problema de la energía en un ecosistema cerrado. Mientras haya radiactividad en algunos lugares, la vida tendrá su fuente de energía.

En cuanto al aire respirable, existen cuatro formas de generar oxígeno a través de la actividad biológica. La fotosíntesis es solo una de ellas. Consulte este artículo sobre las bacterias que producen oxígeno por medios distintos a la fotosíntesis :

El equipo de investigación de investigadores holandeses y la Dra. Margaret Butler de la Universidad de Queensland, trabajando en los Países Bajos en la Universidad Radboud en Nijmegen, encontraron un microbio que produce oxígeno dentro de sí mismo, que es solo el cuarto mecanismo conocido por el cual se produce oxígeno en la Tierra. . Los otros son la fotosíntesis, que libera oxígeno como producto de desecho, la generación celular de oxígeno por bacterias a partir de cloratos y la conversión enzimática de sustancias reactivas de oxígeno.

El sujeto del estudio, un microbio (provisionalmente llamado Methylomirabilis oxyfera) recolectado de sedimentos privados de oxígeno en zanjas y canales de drenaje en los Países Bajos, es una de las llamadas bacterias NC10, que se encontró por primera vez en las cuevas debajo de Nullarbor Plain en Australia. . Se pensó que podía convertir el metano y el nitrito en dióxido de carbono, por lo que los investigadores llevaron a cabo experimentos que rastrearon el nitrógeno y el oxígeno etiquetados que entraban y salían de una cámara que contenía los microbios.

El equipo descubrió que la bacteria podía consumir metano y estaba produciendo oxígeno mediante un proceso bioquímico previamente desconocido.

De acuerdo con esta respuesta en el intercambio de biología, es posible que no sea necesario utilizar un mecanismo diferente a la fotosíntesis, ya que existe una versión de clorofila capaz de trabajar en el espectro infrarrojo. La radiación infrarroja debería ser abundante en un sistema de cuevas como propones ya que (en la tierra) la temperatura del suelo sube unos 30°C/km de profundidad . Esto pondría la parte más profunda de su sistema de cuevas a unos 330°C emitiendo una buena cantidad de energía utilizable para sus plantas. Ahora lo único que probablemente necesites es un sistema de ventilación para que las plantas sobrevivan a estas temperaturas.

Si tiene su mundo en un entorno de fantasía o ciencia ficción, podría usar hongos o cualquier vida vegetal que viva en cuevas que pueda convertir el dióxido de carbono en oxígeno (sin luz), aunque tendrían que ser muy eficientes y producir una gran salida para esto.

Una bacteria diseñada como esta convertiría el C02 en etileno (un combustible denso en energía) y produciría 02 como subproducto.

La bacteria podría sobrevivir sin la presencia de mineros consumiendo el C02 comúnmente presente en (bueno, pasando) el agua subterránea.

Si el área es propensa a la actividad volcánica, o contiene/contenía materia orgánica, habría mucho más C02 presente en el suelo y las aguas subterráneas. En tal caso, uno puede especular con una historia en la que un cohete con una carga útil de bacterias se dispara a un asteroide distante y adecuado u otro cuerpo astronómico. Las bacterias que se mueven en el suelo comienzan su trabajo y cuando los humanos (u otros seres inteligentes) llegan para cavar sus túneles, ya hay una pequeña atmósfera rica en oxígeno.