Alternativa biológica plausible para la fotosíntesis normal

Pediste ciencia dura, así que aquí está.

El proceso clave en la fotosíntesis es el ciclo Joliot-Kok. Esto es lo que "divide" el agua y produce$O_2$, junto con$H^+$y$e^-$que se utilizan para crear moléculas de alta energía. Aquí está la propuesta original en un artículo de Kok, y aquí hay un enlace al texto completo si tiene acceso. El mecanismo es una química redox compleja, pero se resume muy bien en el siguiente diagrama de esta pregunta de SE, que en realidad obtuvo el diagrama de aquí . . Otra pregunta de SE nos muestra dónde juega un papel la luz, cuando se mueve entre los diferentes$S$estados Tan pronto como tengamos$e^-$y$H^+$, tenemos energía en forma química que a menudo se captura en cofactores como$NADH$,$NADPH$, o$FADH_2$. Todas estas son formas de alta energía de sus estados oxidados.$NAD^+$,$NADP^+$, y$FAD$, respectivamente, y se puede considerar como una especie de batería que se carga$e^-$y$H^+$. En cierto sentido, el objetivo "real" de la fotosíntesis es producir$e^-$y$H^+$de la energía de la luz que luego se puede utilizar para "cargar" los cofactores. Así que veamos un par de maneras de hacer esto.

Como nota, los cofactores no son materiales mágicos, solo moléculas orgánicas grandes.$NAD^+ = C_{21}H_{27}N_7O_{14}P_2$,$NADP^+ = C_{21}H_{27}N_7O_{17}P_3$, y$FAD = C_{27}H_{33}N_9O_{15}P_2$

Soluciones simples (pero realistas):

1) Termosíntesis

No hay ninguna razón por la que la energía requerida para dividir el agua DEBE provenir de la luz, así es como lo hace la biología actual. Con un conjunto diferente de enzimas y un ciclo diferente, la biología podría extraer energía de una amplia variedad de fuentes. En este caso, la termosíntesis dependería del calor en lugar de la luz:

$H_2O+heat => O_2 + 4H^+ + 4e^-$

Este mecanismo sería diferente del ciclo de Kok porque tendría una alternativa activada térmicamente al P680 en el medio en lugar de fotorreactivo. Así que esa es una solución: P680 activado térmicamente.

Terminando la ecuación (esto es idéntico a las reacciones independientes de la luz de la fotosíntesis):

$2H^+ + 4e^- + 2NAD^+ => 2H^- + 2NAD^+ => 2NADH$

2) Fotosíntesis sin agua

Alternativamente, se podría usar un aceptor de electrones diferente . Esto surgió en la pregunta de WB que inspiró esta pregunta (si recurrimos mucho más, tendremos que pasar a meta), y la solución fueron los óxidos nítrico y nitroso, uno de los aceptores de electrones más poderosos de la naturaleza. Es plausible imaginar que estos óxidos de nitrógeno tomen el lugar del agua en la vía fotosintética normal, produciendo$O_2$y$N_2$como resultado. Los investigadores no tenían un mecanismo para esto, pero supuestamente produce$O_2$que luego se utiliza para oxidar el metano. Así que esa es otra solución, que se parece a algo como

$2NO + light + H^+ => N_2 + O_2 + 2e^- + H^+$

Terminando la ecuación (nuevamente, idéntica a las reacciones independientes de la luz de la fotosíntesis):

$H^+ + 2e^- NAD^+ => H^- + NAD^+ => NADH$

Ideas más locas

Esto es Worldbuilding: extiendamos los límites de la plausibilidad. ¿De dónde más podemos obtener energía? Movimiento mecánico. Mi visión para esto es una especie de organismo parecido a las algas que es sacudido por las olas o las mareas, similar a los extractores teóricos de energía de olas/mareas. A medida que se estira el tallo de las algas marinas, tira de una molécula larga. Hay un par de maneras en que podemos obtener energía de esto.

3) cambios conformacionales

Esto es como lo que sucede en tu ojo: una molécula larga se desdobla (el doble enlace cambia de cis a trans), excepto que estamos usando energía mecánica para enderezarla. Mientras lo hace, fuerza un cambio conformacional en la molécula que atrae un hidruro ($H^-$, o los más importantes$H^+ + 2e^-$) fuera del agua, iniciando una cadena redox similar al ciclo de Kok. los$^+OH$luego sería atacado por otra agua, formando peróxido de hidrógeno, que podría descomponerse en$O_2$y$H_2$al revés del proceso normal . ¿Factible? Realmente no. ¿Buena ficción? Quizás. Aquí está su fórmula:

$2H_2O + mechanical force + NAD^+=> H^- + ^+OH + H_2O + NADH => H_2O_2 + H_2 +NADH$

4) Química radical

De manera similar, podríamos usar esa fuerza mecánica para romper un enlace, creando dos radicales. me estoy imaginando un$O-H$enlace, formando algunos radicales de alcohol y$H_{(rad)}$. El radical de hidrógeno reaccionaría con algo como$FAD$.$FAD$es otro de esos cofactores que ya usa la bioquímica moderna de la Tierra, y tiene un estado de baja energía como$FAD$y un estado de alta energía cuando se reduce a$FADH_2$.$FAD$acepta dos hidrógenos radicales en este mecanismo, por lo que es perfecto para nuestro uso. El radical alcohol atacaría el agua para formar un peróxido y proceder como se indicó anteriormente. ¿Puedo imaginarlo funcionando realmente? No. ¿Ayudará a suspender la incredulidad por una novela de ficción? Probablemente. Aquí está la ecuación:

$2RCOH + mechanical\ force + FAD +H_2O=> 2H_{(rad)} + 2RCO_{(rad)} + FAD + H_2O => FADH_2 + 2RCOH + H_2O_2 => FADH_2 + 2RCOH + H_2 + O_2$

donde RCOH es un alcohol genérico, quizás etanol ($CH_3CH_2OH$) o propilenglicol ($C_2H_6OHCOH$)

5) radiación beta

Este tipo de radiación produce un positrón, la partícula de antimateria a un electrón. Cuando un positrón y un electrón chocan, se aniquilan. Si eso le sucediera a una molécula de agua o algo similar, generaría un radical de hidrógeno que podría ser absorbido por FAD , formando un ion hidróxido. No estoy muy seguro de cómo sacar oxígeno de esto, pero tal vez podría catalizarse en peróxido de sodio y luego en hidróxido de sodio y oxígeno gaseoso . Ecuación:

$2e^+ + 2H_2O + FAD=> 2H_2O_{(rad)} + \gamma\ rays + FAD => 2H_{(rad)} + 2^-OH + FAD => FADH_2 + 2^-OH$

6) Radiación gamma

Usted especificó "no se puede usar la luz", pero sentí que los hongos y bacterias que comen radiación gamma merecían un reconocimiento. Esta luz no provendría de un sol, sino de una fuente radiactiva probablemente en las profundidades de la Tierra. No estoy seguro de si eso cuenta, pero incluiré las referencias aquí y aquí por si acaso. Su fórmula básica es la misma que la de la fotosíntesis, aunque con fotones de mucha más energía:

$2H_2O + \gamma\ rays => O_2 + 4H^+ + 4e^-$

Para terminar la ecuación, usamos un cofactor una vez más:

$4e^- + 2H^+ + 2NAD^+ => 2H^- + 2NAD^+ => 2NADH$

Probablemente haya algunos buenos procesos teóricos, pero hay 2 procesos naturales que me vienen a la mente, la quimiosíntesis y la retina .

La quimiosíntesis toma un ácido, calor y CO2 para producir azúcar, agua y elimina el anión del ácido.

El ciclo de la retina utiliza la luz solar y el betacaroteno para producir retina, oxígeno y algo de energía. También es la base de la hipótesis de la tierra púrpura y se cree que es un precursor de la clorofila moderna.

Si emitir oxígeno no es un requisito difícil, puede modificar la reacción de quimiosíntesis para emitir cualquier tipo de elemento que desee, siempre que pueda formar un ácido en presencia de hidrógeno. Cuanto más electronegativo es, mayor intensidad de energía de entrada necesita. Es posible que incluso pueda hacerlo con un ácido complejo como el sulfúrico (H2SO4) y tener una reacción secundaria que podría producir algo de oxígeno a partir del subproducto.

Esquema
Algunas bacterias emplean la quimiosíntesis para reducir el dióxido de carbono y generar materia orgánica si hay presencia de oxígeno y sulfuro de hidrógeno. Otras bacterias generan su propio oxígeno en ausencia de luz utilizando nitrito. Entonces, si elementos de ambos están presentes con el productor de oxígeno en exceso, esto debería imitar la fotosíntesis y producir tanto oxígeno como materia orgánica en ausencia de luz.

Nitritos en la naturaleza
Los nitritos forman parte del ciclo del nitrógeno https://en.wikipedia.org/wiki/Nitrogen_cycle y están presentes en cierta medida en la mayoría de los suelos.

Fuentes de óxido nítrico
Los nitritos del ciclo del nitrógeno pueden reducirse a óxido nítrico mediante la xantina oxidorreductasa (XO) En condiciones aeróbicas:

2NADH + NO2- > XO > NO + 2NAD+ + H2O
http://www.jbc.org/content/275 /11/7757.completo

El óxido nítrico también se forma a altas temperaturas de los rayos.

N2 + O2 → 2NO
https://www.nature.com/articles/nrd2466

Producción de oxígeno en ausencia de luz
La bacteria Candidatus Methylomirabilis oxyfera convierte el óxido nítico en nitrógeno libre y oxígeno libre.

2NO > N2 + O2
http://www.kegg.jp/kegg-bin/show_organism?org=mox https://www.mpg.de/621120/pressRelease201003241

Producción de carbohidratos
La quimiosíntesis es el uso de la energía liberada por reacciones químicas inorgánicas para producir alimentos. La quimiosíntesis está en el corazón de las comunidades de aguas profundas, manteniendo la vida en la oscuridad absoluta, donde la luz del sol no penetra. Como aquí .

Típicamente utilizando reacciones como esta .

CO2 + 4H2S + O2 -> CH20 + 4S + 3H2O

El sulfuro de hidrógeno (H2S) ocurre naturalmente como un producto de rocas que contienen azufre y magma en contacto con agua de mar a alta presión y se encuentra en algunos efluentes de respiraderos de aguas profundas.

Discusión
H2S y CO2 están presentes en el medio ambiente. El único elemento que falta es el oxígeno, que se obtiene del ciclo del nitrógeno a través de la reducción de nitrito a óxido nítrico por la xantina oxidorreductasa, seguido de la conversión a oxígeno libre y nitrógeno libre por la bacteria tipo Methylomirabilis oxyfera.

Propongo que las enzimas de Methylomirabilis y los procesos de síntesis ocurran aislados de sus usos habituales (oxidación de metano) y, en cambio, se proporcionen a una especie quimiosintética simbionte que utiliza H2S, CO2 y el O2 proporcionado para producir carbohidratos. A cambio, el simbionte Methylomirabilis recibe una proporción de los carbohidratos producidos.

Aquí se pueden encontrar otras bacterias que producen oxígeno en ausencia de luz y utilizan una variedad de materiales inorgánicos .

Otras bacterias quimiosintéticas trabajan con diferentes medios inorgánicos, como hidrógeno o amoníaco, para producir materiales orgánicos, por lo que también podrían usarse (ver el enlace anterior a la quimiosíntesis).

Se pueden encontrar más detalles de Methylomirabilis oxyfera aquí .

No puedo encontrarlo en el poco tiempo que tengo para responder esta pregunta, pero me encontré con un artículo hace un par de años sobre una señora que encontró un pequeño lago/estanque en un lugar apartado aquí. en la Tierra que tiene microorganismos que reemplazaron sus átomos de fósforo de carbono con azufre o cianuro de arsénico. La fuente de fósforo de carbono en el área era tan baja y la alternativa era tan frecuente que de alguna manera hicieron el cambio.

Entonces, de alguna manera dejaron de ser formas de vida basadas en el carbono, básicamente. Una vez más, han pasado años desde que leí el artículo 1, pero sí recuerdo que recibió un mensaje de correo electrónico acerca de que casi todos los medios de comunicación la citaron erróneamente diciendo que había "encontrado vida extraterrestre en la tierra", cuando dijo algo más como "encontrar vida". en la tierra que es ajena a nuestra forma de pensar sobre ella".

La imagen que recuerdo estar con el artículo es una mujer con un estanque humeante detrás de ella que parece tener un borde de sal. Si recuerdo algo de esto bien, creo que el área alrededor del estanque está completamente desprovista de flora.

Mientras buscaba ese artículo, encontré lo que parece ser un artículo similar, sobre investigadores en una mina profunda que intentan descubrir cómo una microvida vive sin luz y con altas concentraciones de azufre.

https://beta.theglobeandmail.com/technology/science/ancient-water-from-northern-ontario-mine-may-harbour-alien-life/article32540885/

Siento no poder ser más útil, pero espero que sea un punto de partida. Al menos esto es algo de ciencia, si nada más.

EDITAR: Encontré el artículo original, además de la ciencia dura para respaldarlo. También encontré un artículo que intenta desacreditarlo. No tengo las habilidades para entenderlo, así que te dejaré pelear/averiguarlo. Me equivoqué de memoria en algunos detalles, por lo que el comentario de @Ash fue fundamental para encontrar estos artículos.

El nombre de la dama es Felisa Wolfe-Simon.

https://www.popsci.com/science/article/2011-09/scientist-strange-land

http://science.sciencemag.org/content/332/6034/1163.full

https://news.nationalgeographic.com/news/2012/07/120709-arsenic-space-nasa-science-felisa-wolfe-simon/

Pegando la posible ciencia dura relevante del artículo de ScienceMag.org:

El arsénico (As) es un análogo químico de P, que se encuentra directamente debajo de P en la tabla periódica. El arsénico posee un radio atómico similar, así como una electronegatividad casi idéntica a P (5). La forma más común de P en biología es el fosfato (PO43–), que se comporta de manera similar al arseniato (AsO43–) en el rango de pH y gradientes redox biológicamente relevantes (6). La similitud fisicoquímica entre AsO43– y PO43– contribuye a la toxicidad biológica de AsO43– porque las vías metabólicas previstas para PO43– no pueden distinguir entre las dos moléculas (7) y AsO43– puede incorporarse en algunos pasos iniciales de las vías [(6) y referencias en el mismo]. Sin embargo, se cree que los procesos metabólicos posteriores generalmente no son compatibles con las moléculas que incorporan As debido a las diferencias en las reactividades de los compuestos de P y As (8). Estas vías bioquímicas aguas abajo pueden requerir los metabolitos basados ​​en P más estables químicamente; Se cree que la vida útil de los análogos que contienen As que se hidrolizan más fácilmente es demasiado corta. Sin embargo, dadas las similitudes de As y P, y por analogía con las sustituciones de elementos traza, planteamos la hipótesis de que AsO43– podría sustituir específicamente a PO43– en un organismo que posea mecanismos para hacer frente a la inestabilidad inherente de los compuestos AsO43– (6). Aquí, probamos experimentalmente esta hipótesis usando AsO43–, combinado con PO43– no agregado, para seleccionar y aislar un microbio capaz de lograr esta sustitución. Dadas las similitudes de As y P, y por analogía con las sustituciones de elementos traza, planteamos la hipótesis de que AsO43– podría sustituir específicamente a PO43– en un organismo que posee mecanismos para hacer frente a la inestabilidad inherente de los compuestos AsO43– (6). Aquí, probamos experimentalmente esta hipótesis usando AsO43–, combinado con PO43– no agregado, para seleccionar y aislar un microbio capaz de lograr esta sustitución. Dadas las similitudes de As y P, y por analogía con las sustituciones de elementos traza, planteamos la hipótesis de que AsO43– podría sustituir específicamente a PO43– en un organismo que posee mecanismos para hacer frente a la inestabilidad inherente de los compuestos AsO43– (6). Aquí, probamos experimentalmente esta hipótesis usando AsO43–, combinado con PO43– no agregado, para seleccionar y aislar un microbio capaz de lograr esta sustitución.

Entonces, dado que solicitó una reacción sin luz y / o sin CO2, elegiré ambas, supondré que podemos tener estructuras biológicas que exploten el efecto Seebeck y usen gradientes térmicos para liberar electrones para la reducción química. Las formas de vida que explotan un gradiente térmico de esta manera probablemente serán relativamente delgadas y anchas con un lado de absorción térmica y un lado de disipación de calor y aprovecharán la insolación infrarroja de la luz solar, en lugar de la luz del espectro visible utilizada por la fotosíntesis convencional, o calor del vulcanismo submarino u otra actividad geotérmica.

Entonces, el efecto Seebeck nos brinda una vía de energía bioquímica potencialmente no solar, pero ¿qué vamos a hacer con ella? Para empezar, esta criatura necesita ciertos elementos en un grado que los organismos tradicionales no necesitan, particularmente aluminio y silicio para la estructura del termopar que constituye su planta de energía, tenga en cuenta que necesita cantidades aproximadamente iguales de estos dos elementos. En la naturaleza, tanto el aluminio como el silicio se producen principalmente como óxidos minerales formadores de rocas, Al2O3 para el aluminio y SiO2 para el silicio. Al reducir estos compuestos para formar su estructura, nuestra planta termoeléctrica libera aproximadamente el mismo peso de oxígeno que el que absorbe el aluminio y el silicio. parte de este oxígeno se mantendrá para construir compuestos de almacenamiento de energía como el ATP , pero la mayor parte se liberará a la atmósfera.

Mundos de cloro

Las formas de vida en todos los mundos de cloro conocidos exhiben la misma bioquímica fundamental. Esto, junto con algunos aspectos consistentes de la morfología celular, se considera un fuerte signo de ascendencia común. Como en los mundos más típicos, la vida en los mundos de cloro produce energía química a partir de la luz solar usándola para reducir los compuestos que contienen hidrógeno disponibles. Al igual que en los mundos de estilo terrágeno, el donante de hidrógeno más común es el agua, simplemente porque es muy abundante. Esta forma de fotosíntesis libera oxígeno. Sin embargo, los mundos de cloro también tienen una gran reserva de ácido clorhídrico, y los organismos fotosintéticos también hacen uso de ese recurso y liberan cloro. La división del agua y la división del ácido clorhídrico liberan iones de hidrógeno y electrones de alta energía, que luego se utilizan para producir carbohidratos y otros compuestos orgánicos. La fuente habitual de carbono es el dióxido de carbono. Por lo tanto, hay dos tipos dominantes de fotosíntesis en los mundos de cloro:

2HCl + CO2 ---> CH2O +Cl2 en el que se consumen ácido clorhídrico y dióxido de carbono y se producen compuestos orgánicos y cloro, y H2O +CO2 ---> CH2O + O2 el proceso mucho más común familiar de Terragen y bioquímicas similares.

La mayoría de los organismos fotosintéticos en realidad prefieren usar ácido clorhídrico si está disponible, pero la disponibilidad de agua lo convierte en el donante más común. En última instancia, la liberación de cloro conduce a menudo a la formación de oxígeno en la atmósfera, ya que el cloro reacciona con el agua para liberar oxígeno y producir de nuevo cloruro de hidrógeno. La combinación de los diversos pigmentos fotosintéticos que liberan oxígeno y cloro es típicamente de color negro violáceo para los ojos humanos. A la luz de una estrella tipo K típica, ese color es casi negro. La respiración en los mundos de cloro es lo contrario de la fotosíntesis, y la mayoría de los organismos son capaces de usar cloro u oxígeno como combustible. Entonces, un animal en un mundo de cloro exhala no solo dióxido de carbono y agua, sino también ácido clorhídrico. Los clorocarbonos son abundantes en la biosfera, y participar en muchas vías biológicas (a diferencia del caso de los mundos de jardín más típicos, como la Tierra, en los que los clorocarbonos naturales están presentes pero son producidos relativamente raramente por la actividad biológica). Algunos polímeros de cloruro particularmente resistentes son utilizados por formas de vida terrestres para protegerse de concentraciones excesivas de cloruro de hidrógeno o de agua pura, cualquiera de los cuales es dañino para sus tejidos.

Mundos de tipo vitriólico

Muchos mundos vitriólicos tienen formas de vida fotosintetizadoras. Las vías bioquímicas exactas pueden variar, pero el proceso básico es similar en la mayoría de estos mundos y algo familiar. La luz del sol impulsa procesos celulares que combinan CO2, ácido sulfúrico y siliconas básicas en "azúcares" de polímeros de silicona ricos en energía y liberan oxígeno libre. La respiración celular es, por supuesto, lo contrario; Los "azúcares" de silicona se "queman" con oxígeno para producir CO2, ácido sulfúrico y siliconas de desecho. Los sustratos de silicona son comúnmente sólidos, pero a veces líquidos, y generalmente no se producen en cantidades suficientes para plantear dificultades de eliminación incluso para formas de vida multicelulares complejas.

Los compuestos de azufre son casi siempre de gran abundancia e importancia en la bioquímica vitriólica, debido a su utilidad química y gran abundancia en el medio ambiente. Los metales también se utilizan con mucha más frecuencia que en la bioquímica de Terragen debido a la gran afinidad del ácido sulfúrico para disolverlos. También hay que señalar que el calor extremo de los mundos vitriólicos no es un obstáculo para la vida local, casi siempre es un requisito. Muchas reacciones dependen de la alta energía que aporta dicho calor, incluso con la ayuda de enzimas equivalentes. Como tal, las temperaturas muy por debajo de los 100 °C comienzan a ralentizar mucho la mayoría de las reacciones.