1. Ich denke, Ammoniak wäre ein gutes Gas zum Atmen in einer Ammoniakwelt. Es ist eine Menge davon praktisch, würde ich mir vorstellen. Im Gegensatz zu N2, das eine Art Eiskönigin ist und es nur ungern mit anderen Molekülen verwechselt, hat NH3 3 promiskuitive Wasserstoffatome, die daran hängen und bereit sind, sich zu beschäftigen. Und NH3 protoniert leicht zu NH4+, was einen ganz anderen Bereich oder Repertoires eröffnet.

2. Kobalt. Schöne Wahl! Ich vermute, Sie kennen sich mit Chemie aus.

   Siehe B12:

https://www.whoi.edu/page.do?pid=37478

B12 hat in seinem Herzen ein Kobaltatom, das an 5 Stickstoffatome und an etwas anderes gebunden ist. Die Struktur von B12 erinnert an Hämoglobin mit Eisen oder Chlorophyll mit Magnesium, und ein Molekül vom B12-Typ mit einem Kobaltherz könnte definitiv als NH3-Träger fungieren.

Stickstoff ist ein schreckliches Gas zum Atmen. Ein Stickstoffmolekül besteht aus zwei Atomen, die dreifach miteinander verbunden sind. Wenn Sie Stickstoff zum Atmen verwenden möchten, müssen Sie diese Bindung aufbrechen, damit die Stickstoffatome mit anderen Molekülen reagieren können. Dies ist jedoch eine extrem starke Bindung: eine der stärksten in der gesamten Chemie. Sie müssen enorme Mengen an Energie aufwenden, um diese NN-Bindung zu brechen.

Die Energiemenge, die Sie benötigen, ist genau die gleiche wie die Energiemenge, die freigesetzt wird, wenn sich diese Bindung bildet. Die meisten modernen Sprengstoffe (z. B. TNT, RDX usw.) funktionieren im Wesentlichen, indem sie ein Bündel von Stickstoffatomen in einem Molekül haben. Wenn Sie es anstoßen, ordnet sich das Molekül neu an, sodass die Stickstoffe zusammenkommen und Dreifachbindungen miteinander eingehen, um Stickstoffgas zu erzeugen. Ein großer Teil der Energie des Sprengstoffs stammt aus der Bildung dieser NN-Dreifachbindungen. Das ist die Energie, die Sie wieder einsetzen müssten, um die Bindung zu brechen.

Obwohl es nicht wörtlich zutrifft, ist es eine gute Möglichkeit, darüber nachzudenken, dass das Atmen mit Stickstoff erfordern würde, dass Sie TNT "nicht explodieren" lassen und den größten Teil der Energie zurückgeben, die Sie von der Explosion erhalten haben. Und die Atmung soll dir Energie geben, nicht sie verbrauchen!

Es stimmt zwar, dass die Dissoziation von N ₂ viel Energie erfordert, aber es ist nicht unmöglich. Auf der Erde haben Hülsenfrüchte Bakterien, die N ₂ in andere Verbindungen fixieren. Euer Planet könnte in ähnlicher Weise Organismen haben, die die Energie des Sternenlichts verwenden, um N ₂ zu fixieren . Tatsächlich könnte die hohe Energie, die benötigt wird, den Stoffwechsel auf eurer Welt antreiben.

Sie müssen sich nicht um ein Trägermolekül kümmern. N ₂ ist in Ammoniak sehr gut löslich (0,1124 Vol./Vol.). Quelle: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/nitrogen#section=Löslichkeit

Ein paar andere Leckerbissen, die für Ihre Welt nützlich sein könnten:

• Dein Planet wird kälter sein als die Erde. Ammoniak ist eine Flüssigkeit zwischen -78°C und -33°C. Chemische Reaktionen werden dadurch langsamer: etwa (225 K / 300 K) = 75 % so schnell.
• Ammoniak hat eine gute Wärmekapazität und Verdampfungswärme. Das bedeutet, dass Organismen ihren Saft oder ihr Blut zum Transportieren und Ableiten von Wärme und auch zum Schwitzen verwenden können.
• Ammoniak ist ein ausgezeichnetes Lösungsmittel. Ammoniak ist ein polares Molekül und löst daher andere polare Moleküle wie Wasser auf. Alkalimetalle wie Natrium und Kalium ionisieren leicht und erzeugen blaue Lösungen, die den Ozeanen eures Planeten eine blaue Farbe verleihen würden. Auch andere Salze (z. B. auf Calcium- und Magnesiumbasis) ionisieren leicht.
• Das Leben wird wahrscheinlich immer noch zellular sein. Kohlenwasserstoffe und Lipide bilden sich nachweislich abiotisch. Sie sind unpolar und lösen sich daher nicht in Ammoniak auf, sondern bilden Membranen, die die Bildung geschlossener Räume (Zellen) ermöglichen.
• Ammoniak hat eine Säure-Base-Chemie. Es dissoziiert selbst in ein Ammoniumkation und ein Amidanion. Die Gleichgewichtskonstante dieser Reaktion beträgt ca$10^{-30}$. Daher liegt der pH-Wert im Bereich von 0 bis 30, wobei 15 eine neutrale Lösung ist. Viele organische Verbindungen gehen beim Auflösen in Ammoniak saure oder alkalische Reaktionen ein, bilden polare Verbindungen und werden dadurch löslich.
• Wenn H ₂ O vorhanden ist, wird alles, was sich nicht in Ihren Ozeanen auflöst, gefrieren und auf den Grund sinken. Die Dichte von Wassereis beträgt 917 kg/m ³ , während die Dichte von Ammoniak 682 kg/m ³ beträgt .
• Was auch immer Wasser auflöst, wird eine mäßige Säure sein. Organismen würden den Geschmack von Wasser als irritierend empfinden, genauso wie wir den Geruch von Ammoniak als irritierend empfinden.
• Auf der Erde ist Sauerstoff das Stoffwechselelement. Seine Molekülform (O ₂ ) ist ein atmosphärisches Gas und sein Hydrid (H ₂ O) bildet die Ozeane. Auf eurem Planeten ist Stickstoff das Stoffwechselelement. Seine Molekülform (N ₂ ) ist ein atmosphärisches Gas und sein Hydrid (NH ₃ ) bildet die Ozeane.
• Um praktische organische Moleküle aufzubauen, braucht man sowohl Stickstoff als auch Sauerstoff. Auf der Erde kommt Stickstoff als N ₂ in der Atmosphäre vor und bestimmte Bakterien „fixieren“ ihn in organische Moleküle. Auf eurem Planeten würde Sauerstoff hauptsächlich als H ₂ O auf dem Meeresboden vorkommen, wobei bestimmte Bakterien ihn in organische Moleküle „fixieren“.
• Kümmern Sie sich nicht um O ₂ in Ihrer Atmosphäre; es ist zu reaktiv. Lasst das Eis am Grund des Ozeans das Reservoir von Sauerstoffatomen sein.

Ich schlage den Namen "Amina" für Ihren Planeten vor.

Wäre die Erde kälter gewesen, so dass das Wasser gefror und Ammoniak stattdessen zu Ozeanen geworden wäre, hätte sich das Leben auf diese Weise entwickeln können.

tldr; Ich denke, dass Wasserstoff in einer anaeroben Ammoniak-Ozean-Welt wahrscheinlich die beste Wahl für ein Atemgas ist.

Warum wir Sauerstoff atmen

Sauerstoff reagiert mehr oder weniger stark mit den anderen wichtigen Elementen des Lebens (und tatsächlich mit den meisten anderen Elementen, Fluor ist die Ausnahme). Unter Berücksichtigung der zusätzlichen Anwesenheit von Wasserstoff erzeugen alle folgenden Reaktionen Energie ¹ :

$$H_2 + \frac{1}{2}O_2 \to H_2O \quad(\text{water; }\Delta H=-286J/mol)$$ $$C_{s} + O_2 \to CO_2 \quad(\text{carbon dioxide; }\Delta H=-572J/mol)$$ $$\frac{1}{2}N_2 + \frac{1}{2}H_2 + \frac{3}{2}O_2 \to HNO_3 \quad(\text{nitric acid; }\Delta H=-207J/mol)$$ $$P_s + \frac{3}{2}H_2 + 2O_2 \to H_3PO_4 \quad(\text{phosphoric acid; }\Delta H=-1288J/mol)$$ $$\frac{1}{8}S_8 + H_2 + 2O_2 \to H_2SO_4 \quad(\text{sulfuric acid; }\Delta H=-814J/mol)$$ $$K_s + \frac{1}{2}H_2 + \frac{1}{2}O_2 \to KOH \quad(\text{caustic potash; }\Delta H=-426J/mol)$$ $$Na_s + \frac{1}{2}H_2 + \frac{1}{2}O_2 \to NaOH \quad(\text{lye; }\Delta H=-427J/mol)$$

Hier habe ich die häufigste nicht-organische Form in einer aeroben Umgebung mit Wasser gewählt, obwohl in Gegenwart von Wasser die Säuren und Basen dissoziieren, stabile Ionen bilden und noch mehr Wärme freisetzen. In all diesen Fällen ändert sich die Enthalpie$\Delta H$negativ ist, was bedeutet, dass das Produkt weniger Enthalpie als der Reaktant hat, sodass Wärme freigesetzt wird und die Reaktionen exotherm sind. Anders gesagt: Alle diese Chemikalien verbrennen in Sauerstoff.

Dies gilt nach wie vor für komplexere Verbindungen, die aus diesen Elementen gebildet werden, einschließlich etwas Sauerstoff. Kohlenhydrate, Proteine, Fette, Nukleinsäuren; Alles Leben besteht aus Verbrennungen in Sauerstoff. Genau aus diesem Grund können wir Energie aus der Nahrung gewinnen, indem wir sie mit Sauerstoff verbinden.

Aber wenn Sauerstoff mit allem so reaktiv ist, warum haben wir ihn dann überhaupt in der Atmosphäre?

Wie in mindestens einer anderen Antwort erwähnt, ist das Vorhandensein von molekularem Sauerstoff auf einem Planeten in Kombination mit diesen anderen Elementen ein gutes Zeichen für das Vorhandensein von Leben, da der Sauerstoff im Laufe der geologischen Zeit mit dem Rest des Planeten reagieren würde . Im Falle der Erde wird Sauerstoff durch Photosynthese produziert, die Energie in Form von Sonnenlicht aufnimmt und in Energie in Form von Sauerstoff + gebundenem Kohlenstoff umwandelt. Wir neigen dazu, an den festen Kohlenstoff als Energiequelle zu denken, weil es der Teil ist, an dem sich der Organismus festhält, und Sauerstoff überall "kostenlos" ist. Aber Glukose hat nichts von Natur aus Energie; es ist nur ein Energiespeicher, weil es Sauerstoff gibt, mit dem es sich verbinden kann.

Für den Rest der Diskussion habe ich Sauerstoff und Sauerstoffverbindungen komplett weggelassen. Natürlich ist Sauerstoff auf einer Ammoniakwelt ein ganz feines Atemgas! Wasser wäre ein Mineral, wenn auch eines, das nicht besonders selten war und das in Ammoniak gut löslich war. Aber es ist klar, dass Sie nach etwas anderem suchen, also gehen wir davon aus, dass keiner der biochemischen Prozesse auf Ihrem Planeten energetisch genug ist, um Wasser abzubauen. (Obwohl einige sauerstoffhaltige organische Verbindungen wie Alkohole immer noch möglich sein sollten.)

Das Problem mit Stickstoff

Wie andere Antworten angegeben haben, ist Stickstoff einfach nicht so reaktiv wie Sauerstoff. Es ist schwer, an die äquivalenten Reaktionen mit Stickstoff anstelle von Sauerstoff zu denken, da sie auf der Erde nicht stabil sind, mit einer Ausnahme:

$$\frac{3}{2}H_2 + \frac{1}{2}N_2 \to NH_3 \quad(\text{ammonia; }\Delta H=-46J/mol)$$ $$2C_s + N_2 \to (CN)_2 \quad(\text{cyanogen; }\Delta H=+309J/mol)$$ $$C_s + \frac{1}{2}H_2 + \frac{1}{2}N_2 \to HCN \quad(\text{hydrogen cyanide; }\Delta H=+110J/mol)$$ $$P_s + \frac{1}{2}N_2 \to PN \quad(\text{phosphorus mononitride; }\Delta H=-???J/mol)$$ $$\frac{1}{2}S_8 + 2N_2 \to S_4N_4 \quad(\text{tetrasulfur tetranitride; }\Delta H=+460J/mol)$$ $$3K_s + \frac{1}{2}N_2 \to K_3N \quad(\text{potassium nitride; }\Delta H=+???J/mol)$$ $$3Na_s + \frac{1}{2}N_2 \to Na_3N \quad(\text{sodium nitride; }\Delta H=+???J/mol)$$

Cyanogen und Cyanwasserstoff wären Flüssigkeiten auf eurem Planeten. Blausäure ist eine schwache Säure mit (wässrig)$pK_a$und Dichte, die der von Ammoniak extrem nahe kommt. Ich vermute, dass es in Ammoniak löslich oder sogar mischbar ist, bin mir aber nicht sicher. Cyan ist es wahrscheinlich weniger.

Phosphormononitrid ist ein Gas, das in der Atmosphäre von Jupiter vorkommt, aber es sind keine Eigenschaften aufgeführt. Aufgrund seiner Anwesenheit in Jupiters Atmosphäre gehe ich davon aus, dass es in Bezug auf stabil ist$N_2$und solide$P$(oder es würde sich in sie zersetzen) und dass es bei Temperaturen von flüssigem Ammoniak ein Gas ist.

Tetraschwefeltetranitrid ist ein explosiver Feststoff.

Natrium- und Kaliumnitrid sind sehr instabil.

Blausäure ist ein interessanter Kandidat für ein Oxidationsmittel in eurer Welt. Es reagiert mit einer Vielzahl organischer Verbindungen, um Energie zu erzeugen. Dieser Prozess baut die Verbindungen jedoch nicht wirklich ab; vielmehr bindet es noch mehr Cyanidgruppen an.

Wasserstoff zur Rettung

Wasserstoff verbindet sich mit den meisten gängigen Elementen zu einfachen, stabilen Verbindungen.

$$C_s + 2H_2 \to CH_4 \quad(\text{methane; }\Delta H=-75J/mol)$$ $$\frac{1}{2} N_2 + \frac{3}{2}H_2 \to NH_3 \quad(\text{ammonia; }\Delta H=-46J/mol)$$ $$\frac{1}{8} S_8 + H_2 \to H_2S \quad(\text{hydrogen sulfide; }\Delta H=-21J/mol)$$ $$P_s + \frac{3}{2}H_2 \to PH_3 \quad(\text{phosphine/phosphane; }\Delta H=+5J/mol)$$ $$Na_s + \frac{1}{2}H_2 \to NaH \quad(\text{sodium hydride; }\Delta H=-56J/mol)$$ $$K_s + \frac{1}{2}H_2 \to KH \quad(\text{potassium hydride; }\Delta H=-54J/mol)$$

Bei den meisten dieser Reaktionen ist Wasserstoff eher ein Reduktionsmittel als ein Oxidationsmittel wie Sauerstoff (aber in den letzten 2 ist es ein Oxidationsmittel).

Darüber hinaus können auch kompliziertere organische Moleküle durch Wasserstoff zur Energiegewinnung abgebaut werden:

$$(CH_3)_2 + H_2 \to 2CH_4 \quad(\text{ethane; }\Delta H=-66J/mol)$$ $$NH_2CH_3 + H_2 \to CH_4 + NH3 \quad(\text{methylamine; }\Delta H=-97J/mol)$$

Beachten Sie, dass dies eine wesentlich niedrigere Energieskala ist als bei Sauerstoff:

$$(CH_3)_2 + \frac{7}{2}O_2 \to 2CO_2 + 3H_2O \quad(\text{ethane; }\Delta H=-1562J/mol)$$ $$NH_2CH_3 + \frac{3}{2}O_2 \to CO_2 + NH_3 + H_2O \quad(\text{methylamine; }\Delta H=-702J/mol)$$ In Kombination mit der niedrigen Temperatur bedeutet dies, dass das Leben SEHR LANGSAM ablaufen würde.

Wichtig ist, dass Wasserstoff bei den niedrigen Temperaturen einer Ammoniakwelt ein Gas ist. Sie benötigen jedoch einen großen Planeten mit einem starken Gravitationsfeld, um sich daran festzuhalten. dies bedeutet einen hohen Oberflächendruck, und anscheinend ist Wasserstoff bei hohem Druck in Ammoniak gut löslich . Glücklicherweise ist Wasserstoff das häufigste Element im Universum, sodass jeder Planet, der groß genug ist, um ihn festzuhalten, normalerweise reichlich vorhanden ist.

Siehe auch einige andere Diskussionen bei der Frage dazu , obwohl ich offensichtlich mit der akzeptierten Antwort nicht einverstanden bin.

_{¹ : Alle Werte von den jeweiligen Verbundseiten auf Wikipedia. Ich habe Enthalpien anstelle der freien Energie von Gibbs verwendet, was angemessener wäre, da bei den meisten Verbindungen die freie Energie von Gibbs nicht aufgeführt ist. Die freie Energie von Gibbs konnte im Prinzip aus der gegebenen Enthalpie und Entropie berechnet werden, aber ich konnte keine Entropien für die freien Elemente finden. Außerdem sind alle bei Standardtemperatur und -druck, was für eine Ammoniakwelt nicht gerade relevant ist. In den meisten Fällen sollten die Vorzeichen gleich sein, aber wenn Sie wirklich harte Science-Fiction sein wollen, könnten Sie versuchen, die Korrekturen herauszufinden.}

N2 ist eine stabile niederenergetische Verbindung. Es wird produziert, also muss es eine Möglichkeit geben, es als Teil des Kreislaufs zu entfernen. Wenn Sie möchten, dass es O2 ersetzt, ist es natürlich, dies mit Photosynthese zu tun. Dies kann ein Problem sein, denn wenn dafür hochenergetische ionisierende Strahlung benötigt wird, könnte dies die anderen lebensnotwendigen Verbindungen und Katalysatoren ständig durcheinander bringen.

Vielleicht könnte es in Schritten gemacht werden, die jeweils mit energieärmerem Licht gemacht werden können.

Mein erster Stich im ersten Schritt wäre 2 N2 + 2 NH3 -> 3 N2H2

Wahrscheinlich wären die Ammoniake an etwas gebunden, als würden wir Acetyl-CoA anstelle von nur Acetat verwenden. Vier Reaktanten auf einmal sieht auch nicht plausibel aus, aber Diimid ist das Endprodukt, das ich will.

Sie gehen also von etwas völlig Unreaktivem zu etwas sehr Reaktivem mit einer Doppelbindung, die später aufgebrochen werden kann.

Ich gehe davon aus, dass ein echter Chemiker zeigen könnte, warum dies nicht praktikabel ist, und etwas Besseres vorschlagen könnte. Aber der Grundgedanke stimmt. Sie beginnen mit einer Energiequelle und wandeln N2 in etwas um, das mehr Energie hat. Und später, wenn Sie Energie verbrauchen wollen, nehmen Sie so etwas wie Ammoniak und ziehen die Wasserstoffe ab, um sie an etwas anderes zu kleben, und erhalten energiearmes N2 zurück. Zum Beispiel:

2 C2H2 + 2 NH3 -> 2 CH4 + 2 N2. Acetylen zu Methan und Ammoniak zu Stickstoff. Und Sie haben eine Möglichkeit, die freigesetzte Energie zu nutzen.

Kurz gesagt: absolut nein.

Und du vermisst den Punkt des Sauerstoffs:

Sauerstoff ist ein atmosphärischer Schadstoff auf der Erde. Kein Planet könnte jemals ohne Leben Sauerstoff in seiner Atmosphäre haben. Das Leben erschafft es und alles reagiert schließlich damit. Wenn Sie jemals Sauerstoff mit einem Teleskop gefunden haben, haben Sie Leben auf einer fernen Welt gefunden. Das Wort Oxidation wird aus einem bestimmten Grund so genannt: Es ist die Bereitschaft von Sauerstoff, zu „reagieren“, um Kohlenwasserstoffe im Körper aufzuspalten, die ihm seinen Wert als Brennstoff verleiht. Und es ist Treibstoff.

Umgekehrt ist Stickstoff kein atmosphärischer Schadstoff – er ist im gesamten Universum verbreitet, ebenso wie Wasserstoff und CO ₂ , und er ist ein sehr inertes Gas und hat keinen Wert als Oxidationsmittel . Es hat also keinen Heizwert. Die Verwendung von Ammoniak "scheint" nur plausibel, da sein Verhalten bei niedrigen Temperaturen Wasser ähnelt (bis zu einem geringen Grad), aber wenn Sie es analysieren, ist die Äquivalenz zwischen Ammoniak und Wasser nur eine Fassade: Wasser hat weitaus mehr Eigenschaften als Ammoniak.

Ammoniak nicht (wie Wasser):

• dehnen sich beim Einfrieren aus (kein "Eis", das als isolierende Haut schwimmt)
• besitzt eine viel geringere spezifische Wärmekapazität (ändert die Temperatur viel stärker)
• ist VIEL VIEL weniger ein universelles Lösungsmittel (Wasser löst fast alles auf)
• ist nur bei sehr viel niedrigerer Temperatur flüssig (was es noch einmal exponentiell macht), als universelles Lösungsmittel weitaus weniger nützlich und behindert fast alle Reaktionen von gelösten Stoffen

Aus diesen Gründen wird davon ausgegangen, dass es buchstäblich keinen theoretisch möglichen Ersatz für Wasser/Sauerstoff in Bezug auf das Leben im Hinblick auf die erstaunlichen Lösungsmitteleigenschaften von Wasser und die Handhabung ionischer Bindungen und die Rückgewinnung von Oxidationsenergie durch Metabolisierung über Sauerstoff gibt.

Auf Ammoniak-Silizium basierende Lebensformen (organische Lebensformen) werden wirklich als völlige Nichtstarter entlarvt (auf einer Ebene mit der Verwendung von Plutonium/Helium/wirft Pfeile auf das Periodensystem) und starben als Quelle harter Science-Fiction zusammen mit der Drakes-Gleichung in den 70er und 80er Jahren