Альтернативный фотосинтез

[васильич]

Здравствуйте.
Мысли вслух.Берем наугад любой параметр. Например - фотосинтез. Может ли аналогичный процесс происходить в других диапазонах электромагнитного спектра.
В ближнем инфракрасном или в ближнем ультрафиолетовом? Если может, то результат уже не хлорофилл. Далее, может ли этот результат выполнять похожые функции
в биологическом объекте(клетке)? Или попытаться найти элемент, заменяющий железо в гемоглобине.В общем альтернативы могут быть разные. Специалисты могли бы
рассчитать теоретические модели, а потом представить - при каких физических условиях они выполняются. Ну а затем поискать такие места в космосе.

[Okub62]

Глубоководные бурые и красные водоросли наверное пользуются более длинноволновым излучением, т.к. оно не так сильно рассеивается толщей воды. Кажется.
А может и нет.

[Алексис]

http://www.sciam.ru/article/3813/

[Хворостенко]

Мысли вслух.Берем наугад любой параметр.

То, что Вы предлагаете рассматривать, лучше назвать вариативная биология. Альтернативную биологию рассматривали в виде гипотез Декарт, Дриш и другие исследователи, предполагающие, что живая материя содержит не только вещественные компоненты, но и какие-то ещё не открытые невидимые виды материи.

[arduan]

Говоря об уникальности хлорофильного фотосинтеза(самого главного фотосинтеза на Земле),следует сказать об единственно возможной конфигурации молекулы хлорофила.Она может быть только именно такой и никак иначе.Состоять только, в основе своей из углерода и магния.
Ведь,Углерод (С) - самый уникальный элемент из всех химических элементов Периодической системы. Это неметалл, обладающий неограниченной способностью участвовать во всех известных видах ковалентных связей (образовываются путем обобществления пары электронов связываемых атомов), которые объединяет одинаковые атомы друг с другом, а также с другими видами атомов.
Углерод обладает уникальной способностью образовывать огромное количество соединений, которые могут состоять практически из неограниченного числа атомов углерода. При этом, из всех химических элементов такой уникальной способностью наделен только один углерод, обеспечивая широкое разнообразие необходимых для жизни молекул.
Другие химические элементы, такие как кремний (Si), азот (N), сера (S), фосфор (P) и т.д., проявляют довольно ограниченные возможности в образовании соединений, и близко не могут сравниться с соединительными способностями углерода. Без этого уникального свойства углерода формирование таких жизненно важных биомолекул, как протеины, ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), РНК (рибонуклеиновая кислота), клетчатка и др., было бы невозможным. Ирония в том, что, несмотря на свою огромную важность, углерод составляет только 9-10 % удельного веса всех живых существ, а в составе Земли он занимает лишь 0,017 %.
Несмотря на это, в природе не существует другого химического элемента, который смог бы заменить хотя бы один или два атома углерода (С) в биомолекулах, не разрушая при этом биологическую целостность этих систем.
     Химический элемент кислород (О) существует в природе в свободном виде как двухатомная молекула газа O2. В природе не существует замены кислороду, который подобным образом использовался бы в жизненных процессах. Существуют также и другие элементы основной группы, которые встречаются в виде свободных двухатомных молекул, например, водород (H2), азот (N2), фтор (F2), хлор (Cl2). Однако O2 является единственной молекулой этого вида, которая обладает двумя неспаренными электронами; все остальные имеют спаренные электроны. Не смотря на это, O2 все равно остается химически стабильным элементом.
Это- единственное заметное исключение к правилу спаренных электронов для стабильности элементов основной группы не имеет объяснения. Единственная молекула, которая по конфигурации электронов похожа на O2 это - S2 (сера).
Однако S2 является очень нестабильной молекулой, и по этой причине сера не существует в природе в этой форме. Более того, если бы не наличие двух неспаренных электронов в O2, этот элемент не смог бы связываться с железом в гемоглобине c точно необходимым количеством энергии для транспортировки O2 в крови и его дальнейшего высвобождения. Некоторые другие молекулы, такие как СО и NO могут заменить O2 в соединении с гемоглобином, но при этом они полностью разрушают функцию гемоглобина.
Подобным образом, существуют другие переходные металлы, сравнимые с железом, которые могут заменить его в гемоглобине, соединяясь с O2, но это соединение или слишком слабое, или слишком сильное. Таким образом, не существует основанных не на железе (не содержащих железа) аналогов гемоглобину, которые имели бы свойства обычного гемоглобина для транспортировки O2 в крови.
Кроме того, в цитохром-оксидазе O2 вступает в реакцию с электронами, возникающие посредством соединительного механизма окисления/понижения между железом (Fe3+) и медью (Cu2+), в результате чего они понижаются до Fe2+ и Cu+ соответственно, и затем опять реокисляются до Fe3+ and Cu2+. Этот процесс происходит циклично во время связывания O2 с железом в гемоглобине. В природе не существует замены этим двум элементам так, чтобы этот процесс мог происходить. Требования жизни очень точны.
Химический элемент цинк (Zn) является ключевым в формировании так называемого «пальцевого» протеина. В нем Zn2+ связывается с парами аминокислот гистидина и цистеина, действуя как «пальцы», которые вступают в реакцию со специфическими сегментами ген. В части генома мыши, например, этот протеин, определяет уникальное место ДНК, используя эти три «пальца». Цинк является единственным элемент, который будет функционировать в это системе. Его невозможно заменить.
Натрий (Na), калий (K), хлор (Cl) - химические элементы, играющие ключевую роль в плазменной мембране клеток. Ионы натрия (Na+) и ионы калия (K+) стабилизируются ионами хлора (Cl-) в механизме «насоса», работающем благодаря энергии поступающей от ATФ. Этот процесс является жизненно важным для балансирования осмотического давления в самой клетке для того, чтобы стабилизировать объем жидкости клетки.
Структурированная часть гемоглобина, которая связывает железо, называется порфириновым кольцом. Если этот порфирин перевести в другое био-моллеккулярное окружения и атомы железа заменить магнием (Mg), получится хлорофилл - ключевой по важности компонент для метаболизма растений. Хлорофилл является самым эффективным в мире фотоэлементом. Он на 80 процентов более эффективен, чем какой-либо другой фотоэлемент, произведенный человеком. В то время как кальций (Са) и некоторые другие металлы могут заменить магний в хлорофилле, получающиеся продукты и близко не могут достичь эффективности настоящего хлорофилла.

Далее так  http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%81%D0%B8%D0%BD%D1%82%D0%B5%D0%B7  и никак иначе.Основа --- одна, следовательно аналогичный процесс происходить в других диапазонах электромагнитного спектра, НЕ МОЖЕТ.

[васильич]

Спасибо за объяснение и поправку. Но вот еще, что я имел ввиду: - Задаем конечные условия и пытаемся найти
решение, при котором жизнь в данных обстоятельствах все-таки возможна. Могут ли быть варианты?

[Fredagar]

Здравствуйте.
Мысли вслух.Берем наугад любой параметр. Например - фотосинтез. Может ли аналогичный процесс происходить в других диапазонах электромагнитного спектра.
В ближнем инфракрасном или в ближнем ультрафиолетовом? Если может, то результат уже не хлорофилл. Далее, может ли этот результат выполнять похожые функции
в биологическом объекте(клетке)? Или попытаться найти элемент, заменяющий железо в гемоглобине.В общем альтернативы могут быть разные. Специалисты могли бы
рассчитать теоретические модели, а потом представить - при каких физических условиях они выполняются. Ну а затем поискать такие места в космосе.

Для фотосинтеза важно, чтобы энергия квантов электромагнитного излучения была сравнима с энергией химической связи. Отсюда некоторые ограничения как снизу, так и сверху, которые, вообще говоря, зависят от рода химических соединений. Какие-то соединения имеют большую энергию связи, какие-то меньшие...
В качестве заменителя гемоглобина в настоящее время применяются перфторуглеводороды (см. перфторан, например).

[Dem]

arduan
всё не совсем так. Если углерод действительно непонятно можно ли чем заменить, то остальные заменяются достаточно просто.

Ирония в том, что, несмотря на свою огромную важность, углерод составляет только 9-10 % удельного веса всех живых существ, а в составе Земли он занимает лишь 0,017 %.

Низкое среднее содержание совсем не означает низкого локального. В первичной углекислотной атмосфере Земли углерода было примерно 30%. Как говориться. бери-не хочу.

Структурированная часть гемоглобина, которая связывает железо, называется порфириновым кольцом. Если этот порфирин перевести в другое био-моллеккулярное окружения и атомы железа заменить магнием (Mg), получится хлорофилл  - ключевой по важности компонент для метаболизма растений.

А не говорит ли это о том, что у какой-то части живых существ фотосинтез был основан на гемоглобине? Но когда они проиграли эволюционную гонку и перешли на потребление атмосферного кислорода вместо синтеза своего - гемоглобину осталась лишь транспортная роль.
Кстати, у моллюсков вместо железа используется медь - т.е. и третий вариант в наличии.
А вообще, фотосинтез может быть основан на любом пигменте, хлорофилл лишь самый эффективный для солнечного спектра.

[arduan]

arduan
всё не совсем так. Если углерод действительно непонятно можно ли чем заменить, то остальные заменяются достаточно просто.

Ирония в том, что, несмотря на свою огромную важность, углерод составляет только 9-10 % удельного веса всех живых существ, а в составе Земли он занимает лишь 0,017 %.

Низкое среднее содержание совсем не означает низкого локального. В первичной углекислотной атмосфере Земли углерода было примерно 30%. Как говориться. бери-не хочу.

Структурированная часть гемоглобина, которая связывает железо, называется порфириновым кольцом. Если этот порфирин перевести в другое био-моллеккулярное окружения и атомы железа заменить магнием (Mg), получится хлорофилл  - ключевой по важности компонент для метаболизма растений.

А не говорит ли это о том, что у какой-то части живых существ фотосинтез был основан на гемоглобине? Но когда они проиграли эволюционную гонку и перешли на потребление атмосферного кислорода вместо синтеза своего - гемоглобину осталась лишь транспортная роль.
Кстати, у моллюсков вместо железа используется медь - т.е. и третий вариант в наличии.
А вообще, фотосинтез может быть основан на любом пигменте, хлорофилл лишь самый эффективный для солнечного спектра.

Заменить то, может и можно,но это будут примитивные организмы,неспособные эволюционировать..
Вот смотрите.Хорошо.Предположим,растениям плевать, лучи каких энергий использовать для фотосинтеза.

Но  в спектр электромагнитных волн входит не только видимый свет — также инфракрасное излучение, ультрафиолет, космические лучи гигантских энергий... Отчего же растения обходятся лишь видимым светом?
Ответ прост: инфракрасные лучи несут фотоны (световые корпускулы) очень малых энергий. Крошечных: они не способны вызвать химических изменений в молекулах. (Так фотолюбители проявляют в красном свете, чтобы не засветить фотопленки.)
На другом полюсе ультрафиолетовое излучение настолько богато энергией, что способно погубить зеленый росток: эти лучи вызывают ионизацию и разрушение химических связей. Это «дубинка», все сокрушающая на своем пути.
К счастью, для всего живого слой озона в атмосфере почти полностью задерживает ультрафиолетовую часть солнечного спектра.
Итак-вот первые ограничения, «питаться» растения могут лишь энергией видимого света. Но и этот участок непрост: есть желтые, зеленые и другие лучи. Отчего же растение предпочитает красные? И тут у некоторых ученых,нашелся ответ:Красные лучи наиболее интенсивны. (слабее всего рассеиваются атмосферой).
Здесь же,в этих рассуждениях с моей точки зрения,есть изъян, максимум энергии солнечного спектра, тем не менее приходится на 460 нм.(энергетический спектр солнечного света имеет пик в сине-зеленой области).Если все так просто,для растений, то что бы им не сделать свой тип хлорофилла для каждого участка спектра "каждого охотника желающего знать"?Такие растения имели бы коллосальные эволюционные преимущества, а они берут лишь фотоны с самыми высокими энергиями, следовательны забирать фотоны иных участков спектра им трудно,либо вообще невозможно из-за ФИЗИЧЕСКИХ ЗАКОНОВ,строения элетронных уровней атома магния(они берут там, лишь где их либо много или там где их мало но они мощные).
Следовательно, процесс фотосинтеза "заточен" лишь в строго определенных границах,строго определенных участках спектра вообще всего электро-магнитного излучения!
Зеленый цвет вовсе не обязателен для каждого фотосинтезирующего организма. Так, водоросли в большинстве случаев желтые, бурые, оливковые, красные или синие, но не зеленые. И на суше некоторые растения имеют желтые или красные, а не зеленые листья.
Но в какие бы одежды ни рядились фотосинтетики, ключевую, доминирующую роль в них играет зеленый пигмент — хлорофилл. Всякий раз, когда пигментная система «цветного» фотосинтетика подвергалась тщательному научному анализу, в ней обязательно находили и хлорофилл.
Невольно рождается мысль: хлорофилл — это избранник Природы, ее «любимчик». В нем чувствуется даже нечто мистическое. Словно эта молекула — ключ к разгадке какой-то глубокой тайны живого, так много сулящей практике.
Только атом магния в связке с атомом углерода, в молекуле только хлорофилла и только в красной области спектра , дает максимальную интенсивность процесса фотосинтеза.

[Dem]

Если все так просто,для растений, то что бы им не сделать свой тип хлорофилла для каждого участка спектра "каждого охотника желающего знать"?Такие растения имели бы коллосальные эволюционные преимущества, а они берут лишь фотоны с самыми высокими энергиями, следовательны забирать фотоны иных участков спектра им трудно,либо вообще невозможно из-за ФИЗИЧЕСКИХ ЗАКОНОВ,строения элетронных уровней атома магния(они берут там, лишь где их либо много или там где их мало но они мощные).

нет, немножко не в этом дело. Дело в том, что фотон, как пуля, может попасть только в одно место. И его нельзя выбрать. Т.е. держать несколько типов хлорофилла нет никакого смысла - в каждый из них будут попадать фотоны всех энергий, только в меньшем количестве - сумма-то не меняется. Но усваивать они будут только свой - в большинстве случаев меньший, чем если бы всё было из одного наиболее эффективного.

Кроме того, черезчур эффективное растение будет обречено на то, что его будут усиленно жрать всякие там - т.е. и повышать эффективность сверх необходимого минимума невыгодно.
Именно поэтому суммарный КПД фотосинтеза менее 1% - хотя созданные людьми солнечные батареи в состоянии усвоить почти половину падающей энергии...

[arduan]

Если все так просто,для растений, то что бы им не сделать свой тип хлорофилла для каждого участка спектра "каждого охотника желающего знать"?Такие растения имели бы коллосальные эволюционные преимущества, а они берут лишь фотоны с самыми высокими энергиями, следовательны забирать фотоны иных участков спектра им трудно,либо вообще невозможно из-за ФИЗИЧЕСКИХ ЗАКОНОВ,строения элетронных уровней атома магния(они берут там, лишь где их либо много или там где их мало но они мощные).

нет, немножко не в этом дело. Дело в том, что фотон, как пуля, может попасть только в одно место. И его нельзя выбрать. Т.е. держать несколько типов хлорофилла нет никакого смысла - в каждый из них будут попадать фотоны всех энергий, только в меньшем количестве - сумма-то не меняется. Но усваивать они будут только свой - в большинстве случаев меньший, чем если бы всё было из одного наиболее эффективного.

Кроме того, черезчур эффективное растение будет обречено на то, что его будут усиленно жрать всякие там - т.е. и повышать эффективность сверх необходимого минимума невыгодно.
Именно поэтому суммарный КПД фотосинтеза менее 1% - хотя созданные людьми солнечные батареи в состоянии усвоить почти половину падающей энергии...

Глупости.Фотон как пуля летит везде.В случае" идеального " фотосинтеза,такие супер-хлорофиллы при помощи разных видов пигментов фильтровали и отбирали бы только "свои" фотоны.А , что их больше бы жрали, так тех кто жрет, всего лишь больше бы жрали бы те, кто жрет тех, кто жрет растения
В конце-концов это бы в разы ускорило бы эволюцию всего живого мира,за счет резкого повышения энергетики живых систем и сейчас бы мы - те, кто жрет ВСЕХ, сейчас бы дрейфовали бы где-либо в районе Альфы Центавра
А КПД мал, как раз потому,что я и писал : из-за единственности фотосинтеза из углерода и магния, больше просто напросто ФИЗИЧЕСКИ невозможно(вернее вариантов больше,лучших для именно живой природы нет, медь и безхлорофилловый синтез -еще меньше энергии,еще меньше КПД)
http://booksshare.net/index.php?id1=4&category=biol&author=yakushkinani&book=1980&page=68
http://fizrast.ru/fotosintez/etapy/prevrashenie-ugleroda/c3-put.html?start=1

[EvilShurik]

Если теория низкоэнергетических ядерных реакций на ультрахолодных нейтронах - LENR, то, что якобы открыл Росси в своём "катализаторе энергии", имеет под собой реальные основания, то это открывает любопытные перспективы.
По крайней мере, реакцию водорода с наночастицами никеля с ненулевой вероятностью могут освоить бактерии - аналоги земных сине-зелёных водорослей.
В результате, у этих организмов "под рукой" окажутся ресурсы энергии, сразу делающие их независимыми от излучения их звезды!
Интересно, что эволюционная "потребность" в таком источнике энергии возникает у гипотетической биосферы планеты "бурого карлика", после того, как он, исчерпав запасы дейтерия для термоядерных реакций, начнёт остывать, что обсуждается в соседней теме: https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,7232.0.html

"Ядерные растения", способные утилизировать энергию ядерного синтеза, получают возможность полностью преобразить свою планету, уже ставшую "замерзать". Энерговыделение таких "бактерий" будет расти, пока не установится наиболее благоприятный для планетарной биосферы тепловой режим.

Любопытно, что "ядерные бактерии" предсказал советский фантаст Сергей Снегов в своей книге "Вторжение в Персей"!
Есть также косвенные палеонтологические свидетельства, что на ранней Земле, во времена, когда содержание урана-235 было около 4% от общего количества урана и была возможна самоподдерживающаяся ядерная реакция с участием обычной воды, существовали "ядерные строматолиты", использующие эту энергию в "природных ядерных реакторах".

[Okub62]

... на ранней Земле, во времена, когда содержание урана-238 было около 4% и был возможна самоподдерживающаяся ядерная реакция ...

Остальной был уран-235? 

[EvilShurik]

Нет конечно, ошибочка Хотя были времена, когда урана-235 было процентов 50, на заре истории Земли.

[Белоушкин Александр]

Я помнится, читал где-то, что есть и сейчас похожие микроорганизмы, а да вот же в вики:
http://ru.wikipedia.org/wiki/Candidatus_Desulforudis_audaxviator
Они правда внешний распад используют, но все же, мы ведь тоже не едим уран

[кроманьонец]

Есть небольшая проблема. Ионизируючее излученье - враг сложных структур (сложных организмов). Оно хорошо подходит для примитивной размазни, например грибов, что процветают внутри чернобыльского саркофага. Секрет в том, что гриб не может "заболеть" раком - он сам мало отличается от "хаотичной" опухоли.

Сложные организмы могут найти выход в том, чтобы использовать ядерную энергию опосредованно, например, накапливая химический потенциал под действием ионизирющего излученья на вытянутых рукахщупальцах

[EvilShurik]

На самом деле проблема рака стоит не для всех высокоорганизованных существ.
Те их них, которые имеют надёжную систему специализации клеток, онкологией не страдают. Для надёжного "убивания" возможности патологической эволюции соматических клеток достаточно чтобы при их специализации происходила редукция, т. е. полное удаление "ненужных" для выполнения целевых функций, частей генома. Тогда, при удалении генов, ответственных за деление клетки она уже принципиально будет неспособна патогенно эволюционировать.
Очевидно, в условиях сильной ионизирующей радиации будет идти отбор тех сложных организмов, которые будут устойчивы к поражающим факторам радиоизлучения.
К тому же "ядерное растение" может быть как раз представлено тем самым грибом. А вот потребители синтезированной органики - уже могут быть и гетеротрофами, и радиация для них может быть опасна, но напрямую "радоактивную" биомассу они не потребляют.
Типа такой цепочки:
ядерный аналог сине-зелёных водорослей - потребляющий их промежуточный организм, относительно простого строения, - потребляющий "нерадиоактивную" органику сложный организм.

[pppppppo_98]

>Нет конечно, ошибочка Хотя были времена, когда урана-235 было процентов 50, на заре истории Земли.

Звыняюсь вы когда нибудь в руках держали справочник по радиоактивным изотопам, а оценки времени возникновения Земли знаете?

[Dem]

Неужели так сложно умножить нынешний процент на количество полураспадов от момента возникновения Земли?
Как раз 50% получается....

[pppppppo_98]

>Неужели так сложно умножить нынешний процент на количество полураспадов от момента возникновения Земли?
Как раз 50% получается....

Возьмите да и умножьте

Период полураспада урана-235 -700 миллионов лет, урана 238 -4,4 миллиарда лет, возраст земли 4,5 миллиарда лет, содержание урана-235 - 0,7%, все расчеты делаются на обыкновенно калькуляторе, или в электронных таблицах