Würde ein biologischer „Cold Haber“-Prozess eine H2/N2-Welt von ihrem H2 oder N2 erschöpfen?

Ihr „kaltes Haber-Verfahren“ existiert bereits – es ist das, was stickstofffixierende Bakterien auf der Erde tun! Das durch diesen Prozess erzeugte Ammoniak wird dann weiter in Nitrite und Nitrate umgewandelt, wobei alle drei Formen von gebundenem Stickstoff auf verschiedene Weise in der terrestrischen Biologie verwendet werden, um komplexere Moleküle aufzubauen. Dies ist ein energieintensiver Prozess für Erdlinge, weil wir Wasser spalten müssen, um Stickstoff zu fixieren (genau wie wir Wasser spalten müssen, um Photosynthese durchzuführen), aber dieser Engpass existiert nicht auf eurer Welt mit reduzierender Atmosphäre.

Auf der Erde vermeiden wir es, unserer Atmosphäre Stickstoff zu entziehen, weil denitrifizierende Bakterien ihn schließlich wieder freisetzen, indem sie Nitrate und/oder Nitrate (anstelle von reinem Sauerstoff) als Elektronenrezeptoren für die Atmung verwenden und Wasser und Stickstoffgas als Nebenprodukte produzieren. In einer chemisch reduzierenden Welt sollten wir jedoch gemäß Ihrer Referenz zur Wasserstoffphotosynthese erwarten, dass das durchschnittliche Biomolekül weniger oxidiert wird als das durchschnittliche terrestrische Biomolekül. Daher sollten wir in der Reduktionsbiologie viel weniger Nitrit- und Nitratgruppen und viel mehr Amide und Amine erwarten.

Das Äquivalent der reduzierenden Welt zu denitrifizierenden Bakterien wären also Organismen, die Ammoniak anstelle von freiem Wasserstoff als Elektronendonator verwenden, um Biomasse zu reduzieren und Energie zu erzeugen – genau das Gegenteil von Heterotrophen der Erde, die Biomasse oxidieren, um Energie zu erzeugen, was in In beiden Fällen wird die Arbeit der Photosynthese in jeder Umgebung zunichte gemacht, um diese Energie zu binden.

Die Frage läuft also auf folgendes hinaus: Sind solche denitrifizierenden Organismen überhaupt sinnvoll? Wo würden sie gebraucht?

Denitrifizierende Organismen machen auf der Erde Sinn, weil Sauerstoff nicht überall hinkommt. Denitrifizierende Bakterien können in anoxischen Umgebungen eine hochenergetische oxidierende Atmung durchführen, indem sie einfach gemischte Biomasse selbst zersetzen. Gilt das für Wasserstoff in einer reduzierenden Welt?

Überraschenderweise kann die Antwort "Ja" lauten. In gewisser Hinsicht sollte Wasserstoff auf einer reduzierenden Welt leichter verfügbar sein als Sauerstoff auf einer oxidierenden Welt, weil freier Wasserstoff ursprünglich ist und aus Krustengestein sickert und auch weil er leichter durch kleinere Räume und schneller hinein diffundieren kann Bereiche, die sonst durch schnelle "Atmung" erschöpft würden. Allerdings hat Wasserstoff eine viel geringere Löslichkeit in Wasser als Sauerstoff – während Ammoniak sehr gut löslich ist.

Sobald also die biologische Stickstofffixierung beginnt (was ziemlich schnell geschehen sollte), könnte erwartet werden, dass Meereslebewesen auf dieser Welt ziemlich schnell lernen, Ammoniak anstelle von oder zusätzlich zu Wasserstoff zu atmen, wodurch Stickstoffgas wieder in die Umwelt freigesetzt wird .

Sie haben also die folgenden Zyklen:

CH4 + H2O -> CH2O + 2H2 durch Photosynthese, wodurch Wasserstoff in die Atmosphäre zurückgebracht wird.

2N2 + 3H2 -> 2NH3durch exotherme Stickstofffixierung, wobei sowohl Stickstoff als auch Wasserstoff aus der Atmosphäre entfernt werden, aber Ammoniak in die Atmosphäre und den Ozean (und Seen und Flüsse usw.) eingeführt wird. Da dies im Gegensatz zur Stickstofffixierung der Erdlinge ein exothermer Prozess ist, können Sie erwarten, dass Mikroorganismen dies kontinuierlich tun und Ammoniak als Nebenprodukt freisetzen, anstatt die Rate auf das zu beschränken, was für den Aufbau von Biomolekülen erforderlich ist. Übrigens reagiert Ammoniak auch spontan mit Kohlendioxid. Obwohl in diesem Papier steht, dass die CO2-Verhältnisse ziemlich willkürlich und von der geologischen Produktion abhängig sind, sollten Sie tatsächlich damit rechnen, dass die Überproduktion von Ammoniak dazu führt, dass fast das gesamte verfügbare CO2 gebunden wird darin die Ozeane als Ammoniumcarbamat. Nachdem das CO2 weg ist, beginnt sich Ammoniak aufzubauen.

CH2O + 2H2 -> CH4 + H2O

Dies ist die grundlegende Form, die Atmung zu reduzieren, Wasserstoff zu verbrauchen und Methan wieder in die Atmosphäre freizusetzen, als Analogon zu CO2 in unserer Atmosphäre.

CH2O + 2NH3 -> CH4 + H2O + H2 + N2

3CH2O + 4NH3 -> 3CH4 + 3H2O + 2N2

Dies sind Ammoniak verbrauchende reduzierende Atmungsreaktionen, die Stickstoff in die Atmosphäre auffüllen und etwas überschüssigen Wasserstoff freisetzen können oder nicht.

Sie haben also einen Prozess, der sowohl Stickstoff als auch Wasserstoff aus der Atmosphäre entfernt; ein Prozess, der atmosphärischen Wasserstoff auffüllt (Photosynthese) und ein Prozess, der atmosphärischen Stickstoff auffüllt (Ammoniak-basierte Atmung).

Ich habe keine Ahnung, wie ich die endgültigen Gleichgewichtskonzentrationen bestimmen könnte, aber es scheint, dass es vollkommen plausibel ist, dass sowohl H2 als auch N2 auf unbestimmte Zeit als Hauptbestandteile der Atmosphäre verbleiben. In der Zwischenzeit haben Sie Meeresbewohner, die mit freiem Wasserstoff oder Ammoniak atmen können, in der Erwartung, dass ihr individueller Ammoniakverbrauch den pH-Wert des Ozeans nicht wesentlich beeinflusst und durch die Aktivität stickstofffixierender Mikroben ausgeglichen wird, und Landbewohner, die dies tun würden die ammoniakbasierte Atmung vermeiden und stattdessen den freier verfügbaren atmosphärischen Wasserstoff nutzen, sowohl für eine bessere Energetik als auch, weil sie es sich nicht leisten können, am pH-Wert ihrer isolierten Körperflüssigkeiten zu schrauben.