Preguntas de bioquímica (principalmente) para ciencia ficción

Dejaré que otros se centren en configuraciones bioquímicas alternativas plausibles, pero quería hacer todo lo posible para explicarles por qué nuestra bioquímica funciona tan bien. Lo primero que debe saber es que la bioquímica tiene que ver con la liberación de energía.

Comencemos con el alimento básico que necesitan todos los seres vivos; carbohidratos Estos son el Carbono, el Hidrógeno y el Oxígeno. ¿Qué hacen estos tres elementos? Bueno (y esto es un poco simplificado pero funcionalmente correcto) el hidrógeno proporciona energía, que libera el oxígeno, y el carbono permite que nuestras células combinen moléculas en muchas configuraciones diferentes para almacenar o liberar energía.

Las formas de vida basadas en el carbono son posibles porque el carbono es un elemento relativamente simple que puede conectarse a múltiples elementos diferentes simultáneamente para formar moléculas complejas. El agua es esencial para la vida porque es una molécula extremadamente estable (H2O) que almacena los dos elementos primarios necesarios para generar energía. El agua es (literalmente) combustible para cohetes almacenado en su estado de energía más bajo.

Ahora entramos en reacciones endotérmicas versus exotérmicas. Todas estas palabras realmente significan que las reacciones químicas pueden consumir energía (endotérmica) o liberar energía (exotérmica). La fotosíntesis es una reacción endotérmica. Toma CO2 y H2O, ambas moléculas en estado de baja energía, aplica luz solar para transformarlas en O2 y Carbohidratos, que son moléculas en estado de mayor energía.

Las plantas (y los animales) obtienen su energía consumiendo los carbohidratos, mezclándolos con O2 para que vuelvan a sus estados de menor energía (CO2 y H2O), conservando la energía liberada para sí mismos.

Lo importante a tener en cuenta aquí es que TODOS estos elementos químicos son relativamente simples y, como resultado, relativamente comunes en el universo. Desde una perspectiva física, debe recordar que nuestras teorías actuales nos dicen que el único elemento que existió en el universo primitivo fue el hidrógeno, que se convierte mediante la fusión en el corazón de las estrellas en elementos más pesados. Cuanto más pesado sea el elemento, más grande será la estrella requerida y, por lo tanto, más rara será (nuevamente, una simplificación pero funcionalmente precisa).

Entonces, si bien se han sugerido cosas como el silicio como bases alternativas para la vida, es menos probable porque es un elemento más pesado que el carbono. Una vez más, dejaré esta área para que la explique gente mejor calificada que yo.

Con respecto a sus preguntas sobre la flora, la respuesta probablemente sea no. Las plantas en la tierra existen porque pueden usar la fotosíntesis para generar las moléculas críticas para su propio uso, pero aún necesitan agua para hacerlo. Además, las plantas necesitan suelo (no solo para el agua sino) para los minerales complejos que extraen de él. También dependen de muchas funciones bacterianas microscópicas diferentes que ocurren en el suelo, sin las cuales no pueden crecer. El suelo (a diferencia de la roca) puede absorber agua, ver los minerales que se mueven en el interior a través de las funciones bacterianas y proporcionar un medio en el que las raíces pueden crecer sin tener que dividir la roca para hacerlo. El cloruro de sodio (NaCl, también conocido como sal) no es una fuente de energía alternativa al agua; es higroscópico (es decir, reacciona con el agua y la almacena), por lo que la sal puede ser útil para la vida.

Con respecto a las plantas que producen otras moléculas químicas necesarias para respirar en formas de vida no basadas en carbono; esto es posible pero todavía requeriría una reacción endotérmica. La reacción (como en las plantas) tendría que producir un exceso de moléculas que dan vida, que se liberan como gas "de desecho".

Eso sí, si ese fuera el caso, es posible que alguna forma de vida móvil (por ahora llamémosla un animal) también sea capaz de hacer fotosíntesis de alguna forma, o geosíntesis (usando calor geotérmico para generar el mismo efecto ) o alguna otra forma de captura de energía.

En última instancia, sospecho que si encontramos vida extraterrestre, es probable que se base en el carbono simplemente debido a la disponibilidad de los elementos necesarios (probabilidad) y las reacciones químicas más simples necesarias para que funcione (eficiencia). De cualquier manera, no se obsesione con la vida basada en la Tierra y las distinciones que tenemos entre plantas y animales. Cualquier forma de vida capaz de almacenar energía en forma química a través de una reacción endotérmica podría dar lugar a un ecosistema diverso en su planeta de origen.

1: ¿Es posible la bioquímica alternativa? Si es así, ¿qué elementos podrían funcionar para ello? ¿Silicio? ¿Amoníaco? ¿Boro? ¿Metano? ¿Y cómo sería diferente la vida dependiendo de los elementos utilizados?

Este es demasiado amplio. Hay mucho escrito al respecto.

2: ¿Podría un elemento permitir que casi todas las formas de vida, incluso aquellas que respiran diferentes cosas, lo inhalen y trabajen de manera segura en una atmósfera? ¿Podría también ser producido por flora alienígena de alguna manera?

Su atmósfera tendría que estar compuesta por un gas que fuera muy estable, muy poco reactivo y mínimamente soluble. Nuestra atmósfera de gas nitrógeno (N2) cumple con algunos de esos requisitos. Los organismos que metabolizan a través de la desnitrificación generan gas N2. Una atmósfera de un gas noble (argón, kriptón) también podría cumplir con esos requisitos, aunque no puedo pensar en cómo los organismos lo generarían.

Los perfluorocarbonos crearían una atmósfera muy inerte, estable e interesante. https://www.reddit.com/r/WTF/comments/x4i61/fact_this_mouse_is_alive_and_breathing_liquid/

El problema con una atmósfera compartida son los requisitos que tenemos de atmósfera. Supongamos que quiero compartir atmósfera con un respirador de amoníaco. Quiero O2 en mi atmósfera que quemará el respiradero de amoníaco. El respirador de amoníaco quiere amoníaco, lo que me hará toser y atragantarme. Incluso si es solo un rastro de cada uno en N2 inerte, no podemos compartir atmósferas.

3a: ¿Puede el sodio (o la sal) ser una fuente de energía alternativa para las plantas exóticas que residen en un planeta muy seco? Creo que sí y es una buena idea. La hidratación de una sal seca expulsa mucha energía . Si sostiene una pila de cloruro de sodio en la mano y la humedece suavemente, puede sentir el calor. Con una sal diferente como el cloruro de calcio o el borato de sodio definitivamente sentirá calor. Un organismo que pudiera tomar sal seca e hidratarla de manera controlada definitivamente podría usar eso como energía. El problema: necesitas agua. Pero es posible hacer agua metabólicamente.

3b: ¿Podría la flora incluso crecer en roca sin suelo? ¿Qué tal este liquen? https://easternplant.blog/category/rock-tripe/

1. La bioquímica alternativa es factible (pero nadie sabe realmente si es posible). Nuestra vida está basada en el carbono. Otras bases como el silicio, el nitrógeno, el boro, etc. son teóricamente posibles, pero parecen cada vez más improbables. Sin embargo, no tienes que cambiar la base. Puede comenzar con la misma base de carbono, pero tener un conjunto diferente de elementos (en la Tierra, principalmente nitrógeno, oxígeno y azufre) para mejorar la base.

2. Nuestro oxidante preferido es el oxígeno. Otros oxidantes como el cloro o el flúor son posibles, pero para la mayoría de las formas de vida terrestres son tóxicos mortales en altas concentraciones. En otro planeta, la atmósfera puede ser una mezcla de varios gases reactivos y los organismos deberían estar preparados para tolerar eso. Sin embargo, sería poco probable que dos reinos separados de especies respiraran dos gases diferentes.

3. El sodio metálico sería una buena fuente de energía química, pero es muy reactivo y no se produce de forma natural. Un organismo puede, en teoría, producirlo y almacenarlo internamente. El cloruro de sodio (comúnmente conocido como la sal) es una fuente muy importante de elementos, pero su valor energético es prácticamente cero.

La flora primitiva, como los líquenes, puede crecer sobre rocas desnudas. Las plantas más complejas dependen del suelo para proporcionar nutrientes importantes. Está la hidroponía , que no requiere tierra, pero eso significa que los nutrientes deben ser suministrados artificialmente.

Entonces, para esto, haré todo lo posible para responder sus dos primeras preguntas (no sé mucho sobre las otras dos) y espero que ayude, por lo que para diferentes bases elementales querrá un elemento con 4 electrones de valencia, lo cual sucede. ser carbono, silicio, germanio, estaño, plomo, unanquadio, hoimium y einstenio. Ahora, a menos que su vida tenga la posibilidad de controlar o usar la descomposición nuclear, es posible que los últimos tres no sean para usted y el germanio es poco común para ser una base para la vida, por lo que se queda con esos 4. También una cosa importante a considerar al distinguir a los extraterrestres si estos diferentes elementos es lo que es el producto de desecho, quiero decir que cuando mezclas carbono y oxígeno obtienes dióxido de carbono, pero cuando haces lo mismo con silicio y oxígeno obtienes dióxido de silicio, y el dióxido de silicio es arena, entonces, esta forma de vida vive a una temperatura más alta que la tierra o le sale arena por la nariz. Ahora, si desea mantener el carbono y que la vida siga siendo exótica, puede optar por una vida basada en metano, que necesitaría un lugar frío para vivir para encontrar el punto de tres vías del metano, en algún lugar como Titán. Pero la vida basada en metano no es solo metano, es metano y etano mezclados y requeriría una atmósfera de metano, nitrógeno e hidrógeno sin que nada de ese molesto oxígeno se interponga en el camino. La vida basada en boro requeriría una atmósfera muy delgada y no podría manejar la nuestra sin explotar más rápido que el video contradictorio de PewDiePie, sí, es muy reactivo. Y no, ningún elemento conocido podría permitir que un grupo de estos extraterrestres compartan un espacio de trabajo juntos, pero podrías agitar a mano algunos trajes atmosféricos invisibles. Ahora, si desea mantener el carbono y que la vida siga siendo exótica, puede optar por una vida basada en metano, que necesitaría un lugar frío para vivir para encontrar el punto de tres vías del metano, en algún lugar como Titán. Pero la vida basada en metano no es solo metano, es metano y etano mezclados y requeriría una atmósfera de metano, nitrógeno e hidrógeno sin que nada de ese molesto oxígeno se interponga en el camino. La vida basada en boro requeriría una atmósfera muy delgada y no podría manejar la nuestra sin explotar más rápido que el video contradictorio de PewDiePie, sí, es muy reactivo. 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Aquí hay algunos enlaces que profundizan en la bioquímica extraterrestre.

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

https://listverse.com/2015/07/17/10-hypothetical-forms-of-life/

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