Biochemie (meistens) Fragen für Science Fiction

Ich überlasse es anderen, sich auf plausible alternative biochemische Konfigurationen zu konzentrieren, aber ich wollte mein Bestes tun, um Ihnen zu erklären, warum unsere Biochemie so gut funktioniert. Das erste, was Sie wissen müssen, ist, dass es in der Biochemie ausschließlich um die Freisetzung von Energie geht.

Beginnen wir mit der Grundnahrung, die alle Lebewesen brauchen; Kohlenhydrate. Dies sind Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Was bewirken diese drei Elemente? Nun (und das ist etwas vereinfacht, aber funktional korrekt) Wasserstoff liefert Energie, die der Sauerstoff freisetzt, und Kohlenstoff ermöglicht es unseren Zellen, Moleküle in vielen verschiedenen Konfigurationen zu kombinieren, um Energie entweder zu speichern oder freizusetzen.

Auf Kohlenstoff basierende Lebensformen sind möglich, weil Kohlenstoff ein relativ einfaches Element ist, das sich gleichzeitig mit mehreren verschiedenen Elementen verbinden kann , um komplexe Moleküle zu bilden. Wasser ist lebensnotwendig, weil es ein äußerst stabiles Molekül (H2O) ist, das die beiden Hauptelemente speichert, die zur Energieerzeugung benötigt werden. Wasser ist (buchstäblich) Raketentreibstoff, der in seinem niedrigsten Energiezustand gespeichert ist.

Jetzt kommen wir zu endothermen vs. exothermen Reaktionen. All diese Worte bedeuten eigentlich, dass chemische Reaktionen entweder Energie verbrauchen (endotherm) oder Energie freisetzen (exotherm). Die Photosynthese ist eine endotherme Reaktion. Es braucht CO2 und H2O, beides Moleküle mit niedrigem Energiezustand, und wendet Sonnenlicht an, um sie in O2 und Kohlenhydrate umzuwandeln, die Moleküle mit höherem Energiezustand sind.

Pflanzen (und Tiere) erhalten ihre Energie, indem sie die Kohlenhydrate verbrauchen, sie mit O2 mischen, so dass sie in ihre niedrigeren Energiezustände (CO2 & H2O) zurückkehren und die freigesetzte Energie für sich behalten.

Es ist wichtig, hier anzumerken, dass ALLE diese chemischen Elemente relativ einfach sind und daher im Universum relativ häufig vorkommen. Aus physikalischer Sicht müssen Sie sich daran erinnern, dass unsere aktuellen Theorien uns sagen, dass das einzige Element, das im frühen Universum existierte, Wasserstoff war, der durch Fusion im Herzen der Sterne in schwerere Elemente umgewandelt wird. Je schwerer das Element, desto größer der benötigte Stern und desto seltener wird er (wiederum eine Vereinfachung, aber funktional genau).

Obwohl also Dinge wie Silizium als alternative Lebensgrundlagen vorgeschlagen wurden, sind sie weniger wahrscheinlich, weil es ein schwereres Element als Kohlenstoff ist. Auch dieses Gebiet überlasse ich Leuten, die besser qualifiziert sind als ich, es zu erklären.

In Bezug auf Ihre Fragen zur Flora lautet die Antwort wahrscheinlich nein. Pflanzen auf der Erde existieren, weil sie die Photosynthese nutzen können, um die entscheidenden Moleküle für ihren eigenen Gebrauch zu erzeugen, aber sie brauchen dafür immer noch Wasser. Außerdem brauchen Pflanzen Erde (nicht nur für Wasser, sondern auch) für die komplexen Mineralien, die sie daraus extrahieren. Sie sind auch auf viele verschiedene mikroskopisch kleine Bakterienfunktionen angewiesen, die im Boden vorkommen, ohne die sie nicht selbst wachsen können. Erde (im Gegensatz zu Gestein) kann Wasser aufnehmen, Mineralien durch bakterielle Funktionen im Inneren verschieben und ein Medium bieten, in dem Wurzeln wachsen können, ohne dass das Gestein dafür gespalten werden muss. Natriumchlorid (NaCl, auch bekannt als Salz) ist keine alternative Energiequelle zu Wasser; es ist hygroskopisch (was bedeutet, dass es mit Wasser reagiert und es speichert), weshalb Salz für das Leben nützlich sein kann.

In Bezug auf Pflanzen, die andere chemische Moleküle herstellen, die zum Atmen in nicht auf Kohlenstoff basierenden Lebensformen erforderlich sind; dies ist möglich, würde aber immer noch eine endotherme Reaktion erfordern. Die Reaktion (wie in Pflanzen) müsste einen Überschuss an lebensspendenden Molekülen produzieren, die als „Abfall“-Gas freigesetzt werden.

Wohlgemerkt, wenn das der Fall wäre, ist es möglich, dass eine Form von mobiler Lebensform (nennen wir es jetzt ein Tier) in irgendeiner Form auch zur Photosynthese oder Geosynthese (unter Verwendung von Erdwärme, um den gleichen Effekt zu erzeugen) in der Lage ist ) oder eine andere Form der Energiegewinnung.

Letztendlich vermute ich, dass, wenn wir dort draußen außerirdisches Leben finden, es wahrscheinlich auf Kohlenstoff basiert, nur wegen der Verfügbarkeit der erforderlichen Elemente (Wahrscheinlichkeit) und der einfacheren chemischen Reaktionen, die erforderlich sind, um es in Gang zu bringen (Effizienz). Wie auch immer, hängen Sie nicht am Leben auf der Erde und den Unterschieden zwischen Pflanzen und Tieren auf. Jede Lebensform, die in der Lage ist, Energie in chemischer Form durch eine endotherme Reaktion zu speichern, könnte zu einem vielfältigen Ökosystem auf ihrem Heimatplaneten führen.

1: Ist alternative Biochemie möglich? Wenn ja, welche Elemente könnten dafür funktionieren? Silizium? Ammoniak? Bor? Methan? Und wie würde sich das Leben in Abhängigkeit von den verwendeten Elementen unterscheiden?

Dieser ist zu breit. Darüber wird viel geschrieben.

2: Könnte ein Element fast alle Lebensformen, sogar solche, die verschiedene Dinge einatmen, in einer Atmosphäre einatmen und sicher arbeiten lassen? Könnte es auch irgendwie von außerirdischer Flora produziert werden?

Ihre Atmosphäre müsste aus einem Gas bestehen, das sehr stabil, sehr nicht reaktiv und minimal löslich ist. Unsere Atmosphäre aus Stickstoffgas (N2) erfüllt einige dieser Anforderungen. Organismen, die durch Denitrifikation metabolisieren, erzeugen N2-Gas. Eine Atmosphäre aus einem Edelgas (Argon, Krypton) könnte diese Anforderungen ebenfalls erfüllen, obwohl ich mir nicht vorstellen kann, wie Organismen sie erzeugen würden.

Perfluorkohlenwasserstoffe würden eine sehr inerte, stabile und interessante Atmosphäre bilden. https://www.reddit.com/r/WTF/comments/x4i61/fact_this_mouse_is_alive_and_breathing_liquid/

Das Problem mit einer gemeinsamen Atmosphäre sind die Anforderungen, die wir an die Atmosphäre haben. Angenommen, ich möchte die Atmosphäre mit einem Ammoniakatmer teilen. Ich möchte O2 in meiner Atmosphäre, das die Ammoniak-Atmung verbrennt. Der Ammoniakatmer will Ammoniak, das mich zum Husten und Würgen bringt. Selbst wenn es nur eine Spur von jedem in inertem N2 ist, können wir Atmosphären nicht teilen.

3a: Kann Natrium (oder Salz) eine alternative Energiequelle für außerirdische Pflanzen sein, die auf einem sehr trockenen Planeten leben? Ich denke schon und es ist eine coole Idee. Die Hydratation eines trockenen Salzes setzt viel Energie frei . Wenn Sie einen Haufen Natriumchlorid in der Hand halten und ihn leicht befeuchten, spüren Sie möglicherweise die Hitze. Mit einem anderen Salz wie Calciumchlorid oder Natriumborat werden Sie definitiv Hitze spüren. Ein Organismus, der trockenes Salz aufnehmen und kontrolliert hydratisieren könnte, könnte dies durchaus zur Energiegewinnung nutzen. Das Problem: Sie brauchen Wasser. Aber es ist möglich, Wasser metabolisch herzustellen.

3b: Könnte Flora auch ohne Erde auf Felsen wachsen? Wie wäre es mit dieser Flechte? https://easternplant.blog/category/rock-tripe/

1. Alternative Biochemie ist machbar (aber niemand weiß wirklich, ob es möglich ist). Unser Leben basiert auf Kohlenstoff. Andere Basen wie Silizium, Stickstoff, Bor etc. sind theoretisch möglich, erscheinen aber zunehmend unwahrscheinlich. Sie müssen die Basis jedoch nicht wechseln. Sie können mit der gleichen Kohlenstoffbasis beginnen, haben aber einen anderen Satz von Elementen (auf der Erde sind es hauptsächlich Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel), um die Basis zu verbessern.

2. Unser bevorzugtes Oxidationsmittel ist Sauerstoff. Andere Oxidationsmittel wie Chlor oder Fluor sind möglich, aber für die meisten Lebensformen auf der Erde sind sie in hohen Konzentrationen tödlich giftig. Auf einem anderen Planeten kann die Atmosphäre eine Mischung aus mehreren reaktiven Gasen sein, und Organismen sollten bereit sein, dies zu tolerieren. Es wäre jedoch unwahrscheinlich, dass zwei getrennte Artenreiche zwei verschiedene Gase einatmen.

3. Metallisches Natrium wäre eine gute Quelle für chemische Energie, aber es ist sehr reaktiv und kommt nicht natürlich vor. Ein Organismus kann es theoretisch produzieren und intern speichern. Natriumchlorid (allgemein als Salz bekannt) ist eine sehr wichtige Quelle für Elemente, aber sein Energiewert ist praktisch null.

Auf kahlen Felsen können primitive Pflanzen wie Flechten wachsen. Komplexere Pflanzen sind auf Erde angewiesen, um wichtige Nährstoffe bereitzustellen. Es gibt Hydroponik , die ohne Erde auskommt, aber das bedeutet, dass die Nährstoffe künstlich zugeführt werden sollen.

Deshalb werde ich mein Bestes tun, um Ihre ersten beiden Fragen zu beantworten (ich weiß nicht viel über die anderen beiden), und hoffentlich hilft es. Für verschiedene elementare Basen möchten Sie also ein Element mit 4 Valenzelektronen, was einfach so passiert Kohlenstoff, Silizium, Germanium, Zinn, Blei, Unanquadium, Hoimium und Einsteinium sein. Nun, es sei denn, Ihr Leben hat die Kontrolle oder Nutzung des nuklearen Zerfalls verloren, die letzten drei sind möglicherweise nicht für Sie geeignet, und Germanium ist zwei seltene Lebensgrundlagen, also bleiben Sie bei diesen 4. Auch eine wichtige Sache, die Sie berücksichtigen sollten, wenn Sie Aliens ausfindig machen Diese verschiedenen Elemente sind das Abfallprodukt, das heißt, wenn Sie Kohlenstoff und Sauerstoff mischen, erhalten Sie Kohlendioxid, aber wenn Sie dasselbe mit Silizium und Sauerstoff tun, erhalten Sie Siliziumdioxid, und Siliziumdioxid ist Sand. Also lebt diese Lebensform entweder bei einer höheren Temperatur als die Erde oder es kommt Sand aus der Nase. Nun, wenn Sie den Kohlenstoff behalten und trotzdem ein exotisches Leben haben wollen, dann können Sie sich für ein auf Methan basierendes Leben entscheiden, das einen kühlen Ort zum Leben benötigt, um den Dreiwegepunkt von Methan zu erreichen, irgendwo wie Titan. Aber auf Methan basierendes Leben ist nicht nur Methan, es ist Methan und Ethan vermischt und es würde eine Atmosphäre aus Methan, Stickstoff und Wasserstoff erfordern, ohne dass dieser lästige Sauerstoff im Weg wäre. Borbasiertes Leben würde eine sehr dünne Atmosphäre erfordern und könnte mit unserer nicht umgehen, ohne schneller in die Luft zu gehen als das kontroverse PewDiePie-Video, ja, es ist sehr reaktiv. Und nein, kein bekanntes Element könnte einen Haufen dieser Außerirdischen zusammen einen Arbeitsplatz teilen lassen, aber Sie könnten einige unsichtbare Atmosphärenanzüge mit der Hand schwenken Nun, wenn Sie den Kohlenstoff behalten und trotzdem ein exotisches Leben haben wollen, dann können Sie sich für ein auf Methan basierendes Leben entscheiden, das einen kühlen Ort zum Leben benötigt, um den Dreiwegepunkt von Methan zu erreichen, irgendwo wie Titan. Aber auf Methan basierendes Leben ist nicht nur Methan, es ist Methan und Ethan vermischt und es würde eine Atmosphäre aus Methan, Stickstoff und Wasserstoff erfordern, ohne dass dieser lästige Sauerstoff im Weg wäre. Borbasiertes Leben würde eine sehr dünne Atmosphäre erfordern und könnte mit unserer nicht umgehen, ohne schneller in die Luft zu gehen als das kontroverse PewDiePie-Video, ja, es ist sehr reaktiv. 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Hier sind einige Links, die detaillierter auf die Biochemie von Außerirdischen eingehen

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Hypothetical_types_of_biochemistry

https://listverse.com/2015/07/17/10-hypothetische-lebensformen/

https://www.google.com/amp/s/www.popsci.com/amp/bacteria-have-bonded-carbon-and-silicon-for-first-time-what-can-they-teach-us