¿Un proceso biológico de "haber frío" agotaría un mundo H2/N2 de su H2 o N2?

Su "proceso de Haber en frío" ya existe: ¡es lo que hacen las bacterias fijadoras de nitrógeno en la Tierra! El amoníaco generado por ese proceso se transforma luego en nitritos y nitratos, y las tres formas de nitrógeno enlazado se utilizan de diversas formas en la biología terrestre para construir moléculas más complejas. Este es un proceso que consume mucha energía para los terrícolas, porque tenemos que dividir el agua para fijar el nitrógeno (al igual que tenemos que dividir el agua para realizar la fotosíntesis), pero ese cuello de botella no existe en su mundo de atmósfera reductora.

En la Tierra, evitamos agotar el nitrógeno de nuestra atmósfera porque las bacterias desnitrificantes eventualmente lo liberan nuevamente, al usar nitratos y/o nitratos (en lugar de oxígeno puro) como receptores de electrones para la respiración, produciendo agua y gas nitrógeno como subproductos. Sin embargo, en un mundo químicamente reductor, según su referencia sobre la fotosíntesis hidrogenada , deberíamos esperar que la biomolécula promedio esté menos oxidada que la biomolécula terrestre promedio. Por lo tanto, deberíamos esperar ver muchos menos grupos nitrito y nitrato en la biología reductora, y muchas más amidas y aminas.

El equivalente del mundo reductor de las bacterias desnitrificantes, entonces, serían los organismos que usan amoníaco, en lugar de hidrógeno libre, como donante de electrones para reducir la biomasa y generar energía, exactamente lo contrario de los heterótrofos terrestres que oxidan la biomasa para generar energía, lo que en en ambos casos se deshace el trabajo realizado por la fotosíntesis en cada ambiente para ligar esa energía.

Entonces, la pregunta se reduce a esto: ¿realmente tienen sentido tales organismos desnitrificantes? ¿Dónde se necesitarían?

Los organismos desnitrificantes tienen sentido en la Tierra porque el oxígeno no llega a todas partes. Las bacterias desnitrificantes pueden participar en la respiración oxidante de alta energía en ambientes anóxicos simplemente descomponiendo la biomasa mixta por sí sola. ¿Es eso cierto para el hidrógeno en un mundo reductor?

Sorprendentemente, la respuesta puede ser "sí". En cierto sentido, el hidrógeno debería estar más fácilmente disponible en un mundo reductor que el oxígeno en un mundo oxidado, porque el hidrógeno libre será primordial, se filtrará desde las rocas de la corteza y también porque puede difundirse más fácilmente a través de espacios más pequeños y más rápidamente hacia el interior. áreas que de otro modo se agotarían por la rápida "respiración". Sin embargo, el hidrógeno tiene una solubilidad en agua mucho menor que el oxígeno, mientras que el amoníaco es altamente soluble.

Por lo tanto, una vez que se inicia la fijación biológica de nitrógeno (lo que debería ocurrir con bastante rapidez), se puede esperar que la vida marina en este mundo aprenda con bastante rapidez a respirar amoníaco, en lugar o además del hidrógeno, liberando así gas nitrógeno de nuevo al medio ambiente. .

Entonces, tendrás los siguientes ciclos:

CH4 + H2O -> CH2O + 2H2 a través de la fotosíntesis, restaurando hidrógeno a la atmósfera.

2N2 + 3H2 -> 2NH3a través de la fijación exotérmica de nitrógeno, eliminando tanto el nitrógeno como el hidrógeno de la atmósfera pero introduciendo amoníaco en la atmósfera y el océano (y lagos y ríos, etc.). Debido a que este es un proceso exotérmico, a diferencia de la fijación de nitrógeno terrestre, puede esperar que los microorganismos lo hagan continuamente, liberando amoníaco como subproducto, en lugar de limitar la tasa a lo que se necesita para la construcción de biomoléculas. Por cierto, el amoníaco también reaccionará espontáneamente con el dióxido de carbono, por lo que, aunque ese documento dice que las proporciones de CO2 son bastante arbitrarias y dependen de la producción geológica, de hecho, debe esperar que la sobreproducción de amoníaco resulte en que casi todo el CO2 disponible sea secuestrado en los océanos como carbamato de amonio. Después de que el CO2 se haya ido, el amoníaco comenzará a acumularse.

CH2O + 2H2 -> CH4 + H2O

Esta es la forma básica de reducir la respiración, consumir hidrógeno y liberar metano a la atmósfera, como un análogo del CO2 en nuestra atmósfera.

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

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

Estas son reacciones de reducción de la respiración que consumen amoníaco, que reponen el nitrógeno en la atmósfera y pueden o no liberar un exceso de hidrógeno.

Entonces, tiene un proceso que elimina tanto el nitrógeno como el hidrógeno de la atmósfera; un proceso que repone el hidrógeno atmosférico (fotosíntesis) y un proceso que repone el nitrógeno atmosférico (respiración a base de amoníaco).

No tengo ni idea de cómo determinar cuáles serían las concentraciones de equilibrio final, pero parece que es perfectamente plausible que tanto el H2 como el N2 permanezcan indefinidamente como componentes principales de la atmósfera. Mientras tanto, tendrá criaturas marinas que pueden respirar usando hidrógeno libre o amoníaco, esperando que su consumo individual de amoníaco no afecte significativamente el equilibrio del pH del océano y se equilibre con la actividad de los microbios fijadores de nitrógeno y las criaturas terrestres que evitarían la respiración a base de amoníaco y, en cambio, explotarían el hidrógeno atmosférico más libremente disponible, tanto para una mejor energía como porque no pueden permitirse el lujo de alterar el pH de sus fluidos corporales aislados.