1. Creo que el amoníaco sería un buen gas para respirar en un mundo de amoníaco. Hay mucho de eso a mano, me imagino. A diferencia del N2, que es una especie de reina del hielo y se resiste a mezclarlo con otras moléculas, el NH3 tiene 3 hidrógenos promiscuos colgando, listos para ponerse a trabajar. Y el NH3 protona fácilmente a NH4+, abriendo una gama o repertorios completamente diferentes.

2. Cobalto. ¡Gran elección! Sospecho que podrías saber algo de química.

   He aquí B12:

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

B12 tiene en su corazón un átomo de cobalto unido a 5 nitrógenos y algo más. La estructura de B12 tiene una vibra que recuerda a la hemoglobina con hierro o la clorofila con magnesio, y una molécula tipo B12 con un corazón de cobalto definitivamente podría funcionar como un portador de NH3.

El nitrógeno es un gas terrible para respirar. Una molécula de nitrógeno son dos átomos, unidos por triple enlace. Si desea usar nitrógeno para la respiración, debe romper ese enlace para que los átomos de nitrógeno puedan reaccionar con otras moléculas. Sin embargo, este es un vínculo extremadamente fuerte: uno de los más fuertes en toda la química. Tienes que poner grandes cantidades de energía para romper ese enlace NN.

La cantidad de energía que necesitas es exactamente la misma que la cantidad de energía que se libera cuando se forma ese enlace. La mayoría de los explosivos modernos (p. ej., TNT, RDX, etc.) funcionan esencialmente al tener un montón de átomos de nitrógeno en una molécula. Cuando lo pinchas, la molécula se reorganiza para que los nitrógenos se unan y formen enlaces triples entre sí para producir gas nitrógeno. Una gran fracción de la energía del explosivo proviene de la formación de esos triples enlaces NN. Esta es la energía que tendrías que volver a poner para romper el vínculo.

Entonces, aunque no es literalmente cierto, una buena manera de pensar en esto es que respirar con nitrógeno requeriría que "desexplotaras TNT", recuperando la mayor parte de la energía que obtuviste al explotarlo en primer lugar. ¡Y se supone que la respiración te da energía, no la consume!

Si bien es cierto que N ₂ requiere mucha energía para disociarse, no es imposible. En la Tierra, las legumbres tienen bacterias que fijan el N ₂ en otros compuestos. De manera similar, su planeta podría tener organismos que usen la energía de la luz de las estrellas para fijar N ₂ . De hecho, la alta energía requerida podría ser lo que impulsa el metabolismo en su mundo.

No necesita molestarse con una molécula portadora. El N ₂ es muy soluble en amoniaco (0,1124 vol/vol). Fuente: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/nitrogen#section=Solubility

Algunas otras cositas que pueden ser útiles para su mundo:

• Tu planeta será más frío que la Tierra. El amoníaco es un líquido entre -78°C y -33°C. Las reacciones químicas serán así más lentas: alrededor de (225 K / 300 K) = 75% más rápido.
• El amoníaco tiene una buena capacidad calorífica y calor de vaporización. Esto significa que los organismos pueden usar su savia o sangre para transportar y disipar el calor, y también para sudar.
• El amoníaco es un excelente disolvente. El amoníaco es una molécula polar y, por lo tanto, disolverá otras moléculas polares como el agua. Los metales alcalinos como el sodio y el potasio se ionizan fácilmente, produciendo soluciones azules que darían a los océanos de su planeta un color azul. Otras sales (como las basadas en calcio y magnesio) también se ionizan fácilmente.
• La vida probablemente seguirá siendo celular. Se ha demostrado que los hidrocarburos y los lípidos se forman de forma abiótica. No son polares y, por lo tanto, en lugar de disolverse en amoníaco, formarán membranas que permitirán la formación de espacios cerrados (células).
• El amoníaco tiene una química ácido-base. Se autodisocia en un catión de amonio y un anión de amida. La constante de equilibrio de esta reacción es aproximadamente$10^{-30}$. Como tal, el pH oscilará entre 0 y 30, siendo 15 una solución neutra. Muchos compuestos orgánicos experimentan reacciones ácidas o alcalinas cuando se disuelven en amoníaco, formando compuestos polares y volviéndose solubles.
• Si hay algo de H ₂ O presente, lo que no se disuelva en sus océanos se congelará y se hundirá hasta el fondo. La densidad del hielo de agua es de 917 kg/m ³ , mientras que la densidad del amoníaco es de 682 kg/m ³ .
• Cualquier agua que se disuelva será un ácido moderado. Los organismos encontrarían irritante el sabor del agua, al igual que nosotros consideramos irritante el olor del amoníaco.
• En la Tierra, el oxígeno es el elemento metabólico. Su forma molecular (O ₂ ) es un gas atmosférico y su hidruro (H ₂ O) forma los océanos. En vuestro planeta, el nitrógeno es el elemento metabólico. Su forma molecular (N ₂ ) es un gas atmosférico y su hidruro (NH ₃ ) forma los océanos.
• Para construir moléculas orgánicas prácticas, necesita nitrógeno y oxígeno. En la Tierra, el nitrógeno se presenta como N ₂ en la atmósfera y ciertas bacterias lo "fijan" en moléculas orgánicas. En su planeta, el oxígeno ocurriría principalmente como H ₂ O en el fondo del mar, con ciertas bacterias "fijándolo" en moléculas orgánicas.
• No se moleste con el O ₂ en su atmósfera; es demasiado reactivo. Deje que el hielo en el fondo del océano sea el reservorio de átomos de oxígeno.

Sugiero el nombre "Amina" para su planeta.

De hecho, si la Tierra hubiera estado más fría y el agua se congelara y el amoníaco se convirtiera en los océanos, la vida podría haber evolucionado de esta manera.

tldr; Creo que, en un mundo anaeróbico de amoníaco y océano, el hidrógeno es probablemente la mejor opción para un gas respiratorio.

¿Por qué respiramos oxígeno?

El oxígeno reacciona más o menos fuertemente con los otros elementos principales involucrados en la vida (y, de hecho, con la mayoría de los otros elementos, siendo el flúor la excepción). Permitiendo la presencia adicional de hidrógeno, todas las siguientes reacciones producen energía ¹ :

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

Aquí elegí la forma no orgánica más común en un ambiente aeróbico con agua, aunque en presencia de agua los ácidos y las bases se disociarán, formando iones estables y liberando aún más calor. En todos estos casos, el cambio de entalpía$\Delta H$es negativo, lo que significa que el producto tiene menos entalpía que el reactivo, por lo que se libera calor y las reacciones son exotérmicas. Otra forma de decir esto es que todos estos químicos se queman en el oxígeno.

Esto sigue siendo cierto para compuestos más complejos formados a partir de estos elementos, incluido algo de oxígeno. Carbohidratos, proteínas, grasas, ácidos nucleicos; todo lo que está hecho de vida se quema en oxígeno. Esta es exactamente la razón por la que podemos obtener energía de los alimentos combinándolos con oxígeno.

Pero si el oxígeno es tan reactivo con todo, ¿por qué lo tenemos en la atmósfera?

Como se menciona en al menos otra respuesta, la presencia de oxígeno molecular en un planeta, en combinación con estos otros elementos, es una buena señal de la presencia de vida, porque a lo largo del tiempo geológico, el oxígeno reaccionaría con el resto del planeta. . En el caso de la Tierra, el oxígeno se produce mediante la fotosíntesis, que toma energía en forma de luz solar y la convierte en energía en forma de oxígeno + carbono fijo. Tendemos a pensar en el carbono fijo como la fuente de energía, porque es la parte a la que se aferra el organismo, y el oxígeno está en todas partes "gratis". Pero no hay nada inherentemente energético en la glucosa; es solo una reserva de energía porque hay oxígeno para combinarlo.

Para el resto de la discusión, he omitido completamente el oxígeno y los compuestos de oxígeno. ¡Por supuesto, el oxígeno es un gas respiratorio perfectamente fino en un mundo de amoníaco! El agua sería un mineral, aunque no particularmente raro, y bastante soluble en amoníaco. Pero está claro que está buscando algo diferente, por lo que asumiremos que ninguno de los procesos bioquímicos en su planeta es lo suficientemente energético como para descomponer el agua. (Aunque, algunos compuestos orgánicos que contienen oxígeno, como los alcoholes, aún deberían ser posibles).

El problema del nitrógeno

Como han dicho otras respuestas, el nitrógeno simplemente no es tan reactivo como el oxígeno. Es difícil incluso pensar en las reacciones equivalentes con nitrógeno en lugar de oxígeno, porque no son estables en la Tierra, con una excepción:

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

El cianógeno y el cianuro de hidrógeno serían líquidos en su planeta. El cianuro de hidrógeno es un ácido débil con (acuoso)$pK_a$y densidad extremadamente cercana a la del amoníaco. Sospecho que es soluble o incluso miscible en amoníaco, pero no estoy seguro. El cianógeno probablemente lo sea menos.

El mononitruro de fósforo es un gas que se encuentra en la atmósfera de Júpiter, pero no se enumeran sus propiedades. Basado en su presencia en la atmósfera de Júpiter, asumo que es estable con respecto a$N_2$y sólido$P$(o se descompondría en ellos) y que es un gas a temperaturas de amoníaco líquido.

El tetranitruro de tetrasulfuro es un sólido explosivo.

El nitruro de sodio y potasio son altamente inestables.

El cianuro de hidrógeno es un candidato interesante para un agente oxidante en su mundo. Reacciona con una amplia variedad de compuestos orgánicos para producir energía. Sin embargo, este proceso en realidad no descompone los compuestos; más bien une aún más grupos de cianuro.

Hidrógeno al rescate

El hidrógeno se combina con la mayoría de los elementos comunes para formar compuestos simples y estables.

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

En la mayoría de estas reacciones, el hidrógeno es un agente reductor, en lugar de un oxidante como el oxígeno (pero es un oxidante en los últimos 2).

Además, el hidrógeno también puede descomponer moléculas orgánicas más complicadas para obtener ganancias energéticas:

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

Tenga en cuenta que esta es una escala de energía sustancialmente más baja que la que obtenemos con el oxígeno:

$$(CH_3)_2 + \frac{7}{2}O_2 \to 2CO_2 + 3H_2O \quad(\text{ethane; }\Delta H=-1562J/mol)$$ $$NH_2CH_3 + \frac{3}{2}O_2 \to CO_2 + NH_3 + H_2O \quad(\text{methylamine; }\Delta H=-702J/mol)$$ En combinación con la baja temperatura, esto significa que la vida ocurriría MUY LENTAMENTE.

Es importante destacar que el hidrógeno es un gas a las bajas temperaturas de un mundo de amoníaco. Sin embargo, necesitarás un planeta grande con un fuerte campo gravitatorio para aferrarte a él; esto significará una alta presión superficial, y aparentemente el hidrógeno es bastante soluble en amoníaco a alta presión . Afortunadamente, el hidrógeno es el elemento más común en el universo, por lo que cualquier planeta lo suficientemente grande como para contenerlo generalmente tiene mucho.

Vea también alguna otra discusión en la pregunta sobre eso , aunque obviamente no estoy de acuerdo con la respuesta aceptada.

_{¹ : Todos los valores de las respectivas páginas compuestas en Wikipedia. Usé entalpías en lugar de la energía libre de Gibbs, que sería más apropiada, porque la mayoría de los compuestos no tenían la energía libre de Gibbs en la lista. En principio, la energía libre de Gibbs podría calcularse a partir de la entalpía y la entropía, que se dieron, pero no pude encontrar entropías para los elementos libres. Además, todos estos están a temperatura y presión estándar, lo que no es exactamente relevante para un mundo de amoníaco. En la mayoría de los casos, los signos deberían ser los mismos, pero si realmente quieres ser ciencia ficción dura, puedes intentar descifrar las correcciones.}

N2 es un compuesto estable de baja energía. Se producirá, por lo que debe haber una forma de eliminarlo como parte del ciclo. Si quieres que reemplace al O2, es natural querer hacerlo con la fotosíntesis. Esto puede ser un problema, porque si se necesita radiación ionizante de alta energía para hacerlo, eso podría estropear continuamente los otros compuestos y catalizadores necesarios para la vida.

Tal vez se podría hacer en pasos, que cada uno se pueda hacer con luz de menor energía.

Mi primera puñalada en el primer paso sería 2 N2 + 2 NH3 -> 3 N2H2

Probablemente, los amoníacos estarían unidos a algo como si usáramos acetil-CoA en lugar de solo acetato. Cuatro reactivos a la vez tampoco parece plausible, pero la diimida es el producto final que quiero.

Entonces pasas de algo totalmente no reactivo a algo muy reactivo con un doble enlace que se puede romper más tarde.

Espero que un químico real pueda mostrar por qué esto no es viable y sugerir algo mejor. Pero la idea fundamental es correcta. Empiezas con una fuente de energía y conviertes el N2 en algo que tenga más energía. Y luego, cuando quieres usar energía, tomas algo como amoníaco y extraes los hidrógenos para pegarlos en otra cosa, y recuperas N2 de baja energía. Por ejemplo:

2 C2H2 + 2 NH3 -> 2 CH4 + 2 N2. Acetileno a metano y amoníaco a nitrógeno. Y tienes una manera de usar la energía liberada.

En resumen: absolutamente no.

Y te falta el punto de oxígeno:

El oxígeno es un contaminante atmosférico en la tierra. Ningún planeta podría tener oxígeno en su atmósfera sin vida. La vida lo crea y todo reacciona con él eventualmente. Si alguna vez encontraste oxígeno con un telescopio, encontraste vida en un mundo distante. La palabra oxidación se llama así por una razón: es la capacidad del oxígeno para "reaccionar" para descomponer los hidrocarburos en el cuerpo lo que le da su valor como combustible. Y es combustible.

Por el contrario, el nitrógeno no es un contaminante atmosférico; es común en todo el universo, al igual que el hidrógeno y el CO2 _, y es un gas muy inerte y no tiene valor como oxidante . Así que no tiene valor de combustible. Usar amoníaco solo "parece" plausible debido a que su comportamiento a bajas temperaturas se parece al agua (en un pequeño grado), pero si lo analizas, la equivalencia entre amoníaco y agua es meramente una fachada: el agua tiene muchas más propiedades que el amoníaco.

El amoníaco no (como el agua):

• expandirse al congelarse (sin "hielo" flotando como una piel que actúa como aislante)
• Posee una capacidad calorífica específica mucho más baja (cambia mucho más la temperatura)
• es MUCHO MUCHO menos solvente universal (el agua lo disuelve casi todo)
• es solo líquido a una temperatura de temperatura mucho más baja (lo que lo hace una vez más exponencialmente) mucho menos útil como solvente universal e impide casi todas las reacciones de solutos

Es por estas razones que se considera que literalmente no existe un sustituto teórico posible para el agua/oxígeno en términos de vida en términos de las asombrosas propiedades solventes del agua y el manejo de enlaces iónicos y la recuperación de energía de oxidación del metabolismo a través del oxígeno.

Las formas de vida basadas en amoníaco y silicio (formas de vida orgánicas) se están revelando genuinamente como no iniciadoras completas (al mismo nivel que el uso de plutonio/helio/lanza dardos en la tabla periódica), y murieron como una fuente de ciencia ficción dura junto con la Ecuación de Drake. en los años 70 y 80