Журнал далеко идущего

Альтернативы кислороду На мой взгляд одними из основных факторов, способствующим разнообразию и сложности жизни на Земле, являются кислородный фотосинтез и, как следствие, аэробное дыхание. Так в анаэробных условиях организмы подвержены нескольким негативным факторам, которые ограничивают потенциальный рост и широкомасштабное развитие биот, основанных на этом методе метаболизма. Анаэробные источники энергии часто зависят от пространственно ограниченных ресурсов, таких как элементарные соединения, такие как металлы, термодинамически неблагоприятные ионы и соединения, или молекулы с ограниченной доступностью, такие как водород. Кроме того, анаэробное дыхание обладает более низким восстановительным потенциалом и плотностью энергии по сравнению с аэробным дыханием, особенно углеводов и липидов. Аноксигенный фотосинтез сталкивается с аналогичными ограничениями, поскольку ограниченный запас молекул-доноров электронов препятствует широкому развитию и накоплению термодинамически неблагоприятных молекул для использования в дыхании. Кислородный фотосинтез решает эти проблемы, обеспечивая почти безграничную масштабируемость доступной биомассы и серьезный сдвиг в большинстве сред лимитирующего реагента. Кислородный фотосинтез наиболее важно основан на фотолизе воды, производя ионы водорода и молекулярный кислород. Кислород - один из самых мощных окислителей, обладающий одной из самых высоких электроотрицательностей и сродством к электронам, что делает его очень энергичным. Благодаря развитию аэробного дыхания организмы могли бы не только использовать гораздо более энергичный источник энергии, но и устранить прежние пространственные ограничения, поскольку кислород присутствовал бы в достаточно высоких концентрациях почти равномерно во всех водных и наземных средах, особенно после Великого события оксигенации и крупномасштабного накопления кислорода. Поэтому не будет преувеличением сказать, что развитие кислородного фотосинтеза было необходимо для того, чтобы позволить жизни избежать ограничений, налагаемых изобилием метаболитов, ввести новые пути для использования жизнью и новые давления, которые позволили бы выбрать более разнообразные и сложные жизненные стратегии. Несмотря на важность кислородного фотосинтеза, он представляет собой интересный вопрос о жизни вне нашей собственной - вопрос о том, могут ли существовать альтернативы кислородному фотосинтезу и какую форму они могут принять. Фотолиз воды - одна из самых впечатляющих и сложных реакций, совершаемых жизнью на Земле, представляющая собой, возможно, предел возможностей ферментов, и развивавшаяся только один раз за всю историю земной жизни в том виде, в каком мы её знаем, поэтому вполне вероятно, что альтернативные механизмы фотосинтеза возможны и развились где-то среди других звёзд. Для того чтобы обеспечить хорошую альтернативу кислородному фотосинтезу и аэробному дыханию, необходимо выполнить следующие три условия: 1) Первичный донор электронов ( при условии окислительного фотосинтеза ) должен быть более многочисленным, чем другие потенциальные ограничивающие факторы, в частности углекислый газ и свет. 2) Дыхательный продукт должен быть достаточно энергичным, чтобы обеспечить достаточную энергию через обратный метаболизм для поддержки большей сложности. 3) Дыхательный продукт не должен быть слишком реактивным, чтобы остаться, так как в противном случае он уменьшит себя вне дыхания, предотвращая возникновение обратной реакции. Другие атмосферы, такие как атмосферы с преобладанием водорода, могут способствовать альтернативным формам фотосинтеза, таким как восстановительный фотосинтез, где вид углерода является первичным донором электронов, а не первичным приемником электронов. Существует ограниченный выбор соединений, отвечающих этим характеристикам. Возможно, один из немногих возможных вариантов - это галогены. Фтор может показаться правдоподобным вариантом: это самый близкий к кислороду галогенный элемент, самый распространенный галоген как во вселенной, так и на планетах земной группы и в планетных корках. К сожалению, фтор имеет несколько ограничений, которые делают его плохо пригодным для использования в качестве заменителя кислородного фотосинтеза. Основным ограничением, особенно в естественных условиях, является относительное отсутствие растворенного фтора из-за относительно нерастворимой природы соединений фтора, что не позволяет преодолеть первое условие, изложенное выше. Во-вторых, газообразный фтор, окисленная одноатомная форма фтора, является одним из наиболее реакционноспособных веществ в мире и после своего образования данный газ практически мгновенно вступает в реакцию с любым неинертным веществом в окружающей его среде, разрушая себя и потенциально нанося серьезный ущерб используемого его клеточному механизму. Наиболее вероятным кандидатом на метаболизм на основе галогенов является второй галоген - хлор. В отличие от фтора, хлор является наиболее распространенным компонентом в морской воде, кроме воды. По массе он составляет около 2% морской воды с предполагаемой концентрацией 19500 ppm. Современная морская вода имеет комбинированную концентрацию углерода около 28 ppm, которая состоит в основном из углекислого газа и его продуктов с водой, таких как углекислота. Используя закон Генри, C = kP, где концентрация, предполагая идеальные условия, зависит от атмосферного парциального давления и постоянной Закона Генри, мы можем еще более убедительно определить разницу концентраций до окисления атмосферы. Предполагая максимальную оценку 50-кратной текущей концентрации углекислого газа в атмосфере приблизительно 2,7 млрд лет, можно предположить, что океаническая концентрация видов углерода составляет не более 1400 ppm, что на порядок меньше нынешней концентрации хлоридов, что вполне укладывается в представленные ограничения. Кроме того, хотя газообразный хлор действительно более реакционноспособен, чем кислород, не оставаясь в виде газообразного хлора, а вместо этого восстанавливаясь в присутствии воды, восстановительный потенциал, сравнимый с потенциалом воды, всё ещё присутствует. Однако эта дискуссия о потенциальных альтернативных механизмах фотосинтеза поднимает важный вопрос, который необходимо рассмотреть, чтобы определить, действительно ли эти миры правдоподобны: отсутствие хлорина или вообще какой-либо формы альтернативного широко распространенного фотосинтеза на Земле сегодня. Почему, если альтернативные формы фотосинтеза, подобные этому, действительно возможны, они не развились? Жизнь, особенно микробные организмы, по-видимому, развилась таким образом, чтобы использовать каждую потенциальную нишу и доступный источник энергии. Я хотел бы предположить, что причина этого и решение изложены в трех условиях, наложенных выше, в частности, в первом условии, что “первичный донор электронов должен быть более многочисленным, чем другие ограничивающие факторы”. Принцип конкурентного исключения гласит, что два организма не могут оставаться в прямой конкуренции за одни и те же ресурсы, другими словами, два организма не могут бесконечно делить одну и ту же нишу без того, чтобы один из них либо а) не адаптировался к другой нише, либо б) один организм не вытеснил другой, приведя его к вымиранию. В условиях фотосинтеза, описанных выше, как хлориновый, так и кислородный фотосинтез фактически занимают одну и ту же нишу. Несмотря на то, что оба они используют различные первичные доноры электронов, воду и хлорид, оба вещества находятся в таком изобилии, что их, по сути, можно рассматривать как бесконечные. Вместо этого оба метода метаболизма вступают в конфликт с другими необходимыми факторами метаболизма - углекислым газом и светом. Поэтому разумно предположить, что на любой планете только одна форма фотосинтеза, кислородная или хлориновая, может присутствовать вне потенциальных особых условий, когда окружающая среда уменьшает изобилие первичного донора электронов ниже точки, где он существует в изобилии по сравнению с другими ограничивающими факторами. Растения, животные, грибы и большинство простейших извлекают из глюкозы химическую энергию, необходимую им для жизни, окисляясь кислородом, тем самым расщепляя ее и освобождая энергию ее атомных связей, производя менее энергичную воду и углекислый газ в качестве отходов, что, однако, не является правилом для всех организмов. Большое количество бактерий "дышат" различными химическимивеществами: они должны быть окислителями, то есть химическими веществами, которые отбирают электроны у другого реагента. Другие распространенные окислители включают озон (O3), перекись водорода (H2o2), галогены, такие как фтор (F2) и хлор (Cl 2), азотную кислоту (HNO3), закись азота (N2o) и т.д. Важно помнить, что чем более реакционноспособным является вещество, тем меньше вероятность найти его в природе в чистом виде, потому что оно будет склонно образовывать соединения. Кислород по-прежнему в изобилии присутствует в атмосфере Земли только потому, что он пополняется за счет фотосинтеза; атмосфера, богатая галогенами или сильными кислотами, требует, чтобы организмы непрерывно производили их. Большую часть органической химии занимают углеводороды, соединения, полностью состоящие из углерода и водорода, которые могут образовывать полимерные цепи и соединяться с кислородом с образованием углеводов. В сильно окисленной, бедной водородом среде, где жизнь все еще использует углерод в качестве основы своей биохимии, углеводороды могут быть заменены оксуглеродами. Субоксид углерода (CO) - это оксокарбон, который может самопроизвольно полимеризоваться в длинные цепи. Для поддержания ( продолжения работы ) всех биологических процессов живого организма ему требуется энергия. В животном мире большая часть этой энергии поступает из системы, известной как цепь переноса электронов, которая является заключительной стадией привычного в нашем понимание дыхания, представляющего из себя серию биохимических реакций, для которых в качестве топлива требуются два основных компонента: источник и акцептор электронов. В качестве источника электронов могла бы использоваться простая пища, содержащая богатые электронами соединения, такие как сахар, которые можно собирать для получения энергии. Акцептором электронов у земных животных всегда является кислород, однако бактерии также могут использовать ряд других, менее распространенных и энергетическиценных веществ. Однако помимо кислорода, подходящим вариантом является хлор, который также как и кислород очень хорошо принимает электроны. Хлор должен был бы образовываться в виде хлористого водорода, который растворяется в воде в виде соляной кислоты. Местные растения будут выделять газообразный хлор во время фотосинтеза, пополняя хлор, когда он вступает в реакцию с любой водой, образуя отбеливатель и соляную кислоту. Местные животные будут дышать газообразным хлором точно таким же способом как и земные организмы кислородом, получая таким образом необходимую им энергию. Когда мы выдыхаем смесь углекислого газа и воды, животные выдыхают углекислый газ и хлористый водород. Между животными и растениями будет существовать цикл хлора, подобный кислородному циклу. Фактические уравнения таковы:. Дыхание: C6H12O6 + 6H2O + 12cl2 -> 6CO2 + 24HCL + энергия Фотосинтез: 6CO2 + 24HCL + энергия -> C6H12O6 + 6H2O + 12cl2 Обратите внимание, что формы жизни на основе кремния могут заменить диоксид углерода и сахар другими молекулами, такими как диоксид кремния и силиконы. Похоже, что наиболее эффективная форма дыхания хлором, по крайней мере с сахарами, не выделяет хлора, эквивалентного диоксиду углерода или четыреххлористому углероду. Однако может случиться так, что четыреххлористый углерод (CCl4) или другие хлорированные молекулы высвобождаются в результате другой метаболической активности. В этом нет необходимости, но высокий уровень хлора будет способствовать его включению в органические молекулы. Хлор может быть удален из молекулы, а сахар израсходован для высвобождения энергии. Дехлорирование: CCl4 + C6H12O6 + 2H2O -> 4CO2 + 3CH4 + 4HCl + Энергия Поскольку реакция высвобождает больше энергии, чем брожение, в мышечные тканях местных сложных многоклеточных организмов могут использовать её в качестве замены, когда элементарный кислород и хлор истощаются, чтобы организм мог перерабатывать хлорированные отходы при сжигании сахаров, что может быть полезно при интенсивных физических нагрузках, таких как короткий ( непродолжительный ), но быстрый бег, перенос или поднятие больших тяжестей. Когда хлороуглеродные жидкости, похожие на жидкость для химчистки или промышленные токсины, такие как полихлорированный бифенил, полностью сгорают, мышцы могут прибегнуть к брожению. Метан может быть сожжен хлором или кислородом, как только закончится интенсивная деятельность, или он может быть удален или использован более необычным способом.