Биохимия (в основном) Вопросы для научной фантастики

Я позволю другим сосредоточиться на возможных альтернативных конфигурациях биохимии, но я хотел сделать все возможное, чтобы объяснить вам, почему наша биохимия работает так хорошо. Первое, что вам нужно знать, это то, что биохимия связана с высвобождением энергии.

Начнем с основной пищи, в которой нуждаются все живые существа; углеводы. Это углерод, водород и кислород. Что делают эти три элемента? Ну (и это немного упрощенно, но функционально правильно) водород обеспечивает энергию, которую высвобождает кислород, а углерод позволяет нашим клеткам объединять молекулы во многих различных конфигурациях, чтобы либо накапливать, либо высвобождать энергию.

Формы жизни на основе углерода возможны, потому что углерод — относительно простой элемент, который может соединяться с несколькими различными элементами одновременно , образуя сложные молекулы. Вода необходима для жизни, потому что это чрезвычайно стабильная молекула (H2O), в которой хранятся два основных элемента, необходимых для выработки энергии. Вода — это (в буквальном смысле) ракетное топливо, хранящееся в самом низком энергетическом состоянии.

Теперь мы переходим к эндотермическим и экзотермическим реакциям. Все эти слова на самом деле означают, что химические реакции могут либо потреблять энергию (эндотермические), либо выделять энергию (экзотермические). Фотосинтез – эндотермическая реакция. Требуется CO2 и H2O, обе молекулы с низким энергетическим состоянием, применяет солнечный свет, чтобы преобразовать их в O2 и углеводы, которые являются молекулами с более высоким энергетическим состоянием.

Растения (и животные) получают свою энергию, потребляя углеводы, смешивая их с O2, чтобы они возвращались к своим более низким энергетическим состояниям (CO2 и H2O), сохраняя высвобожденную энергию для себя.

Здесь важно отметить, что ВСЕ эти химические элементы относительно просты и в результате относительно распространены во Вселенной. С точки зрения физики вы должны помнить, что наши нынешние теории говорят нам, что единственным элементом, существовавшим в ранней Вселенной, был водород, который преобразовывался в результате синтеза в недрах звезд в более тяжелые элементы. Чем тяжелее элемент, тем крупнее требуется звезда и, следовательно, тем реже она будет (опять же, упрощение, но функционально точное).

Таким образом, хотя такие вещи, как кремний, предлагались в качестве альтернативной основы для жизни, они менее вероятны, потому что это более тяжелый элемент, чем углерод. Опять же, эту область я оставлю для более квалифицированных, чем я, людей, чтобы объяснить.

Что касается ваших вопросов о флоре, ответ, вероятно, нет. Растения на Земле существуют, потому что они могут использовать фотосинтез для создания критических молекул для собственного использования, но для этого им все еще нужна вода. Кроме того, растениям нужна почва (не только для воды, но и для сложных минералов, которые они извлекают из нее). Они также полагаются на множество различных микроскопических бактериальных функций, происходящих в почве, без которых они не могут расти сами. Почва (в отличие от камня) может поглощать воду, видеть, как минералы перемещаются внутри благодаря бактериальным функциям, и обеспечивает среду, в которой корни могут расти, не раскалывая для этого камень. Хлорид натрия (NaCl, также известный как соль) не является альтернативным источником энергии для воды; она гигроскопична (это означает, что она реагирует с водой и хранит ее), поэтому соль может быть полезна для жизни.

Что касается растений, производящих другие химические молекулы, необходимые для дыхания неуглеродных форм жизни; это возможно, но все же потребует эндотермической реакции. Реакция (как в растениях) должна производить избыток молекул, дающих жизнь, которые выделяются в виде «отработанного» газа.

Имейте в виду, что если это так, возможно, что некоторая форма подвижной формы жизни (назовем ее сейчас животным) также может быть способна к фотосинтезу в той или иной форме или к геосинтезу (используя геотермальное тепло для создания того же эффекта). ) или какая-либо другая форма захвата энергии.

В конечном счете, я подозреваю, что если мы действительно найдем внеземную жизнь, она, вероятно, будет основана на углероде исключительно из-за наличия необходимых элементов (вероятность) и более простых химических реакций, необходимых для ее запуска (эффективность). В любом случае, не зацикливайтесь на земной жизни и различиях между растениями и животными. Любая форма жизни, способная накапливать энергию в химической форме посредством эндотермической реакции, может привести к разнообразной экосистеме на своей родной планете.

1: Возможна ли альтернативная биохимия? Если да, то какие элементы могли бы работать для этого? Кремний? Аммиак? Бор? Метан? И как изменится жизнь в зависимости от используемых элементов?

Этот слишком широкий. Об этом много написано.

2: Может ли элемент позволить почти всем формам жизни, даже тем, которые дышат разными вещами, вдыхать его и безопасно работать в атмосфере? Может ли он также каким-то образом производиться инопланетной флорой?

Ваша атмосфера должна состоять из очень стабильного, очень нереакционноспособного и минимально растворимого газа. Наша атмосфера газообразного азота (N2) отвечает некоторым из этих требований. Организмы, которые метаболизируют посредством денитрификации , производят газообразный N2. Этим требованиям могла бы соответствовать и атмосфера благородного газа (аргон, криптон), хотя я не могу представить, как организмы могли бы ее генерировать.

Перфторуглероды создают очень инертную, стабильную и интересную атмосферу. https://www.reddit.com/r/WTF/comments/x4i61/fact_this_mouse_is_alive_and_breathing_liquid/

Проблема с общей атмосферой заключается в требованиях, которые мы предъявляем к атмосфере. Предположим, я хочу разделить атмосферу с дышащим аммиаком. Мне нужен O2 в моей атмосфере, который сожжет аммиачный сапун. Аммиачному дышащему нужен аммиак, который заставит меня кашлять и задыхаться. Даже если это всего лишь след каждого из них в инертном азоте, мы не можем делиться атмосферами.

3а: Может ли натрий (или соль) быть альтернативным источником энергии для инопланетных растений, обитающих на очень сухой планете? Я так думаю, и это классная идея. Гидратация сухой соли выбрасывает много энергии . Если вы возьмете в руку горсть хлорида натрия и осторожно намочите ее, вы почувствуете тепло. С другой солью, такой как хлорид кальция или борат натрия, вы обязательно почувствуете тепло. Организм, который мог бы поглощать сухую соль и гидратировать ее контролируемым образом, определенно мог бы использовать ее для получения энергии. Проблема: вам нужна вода. Но можно сделать воду метаболически.

3b: Может ли флора расти даже на камне без почвы? Как насчет этого лишайника? https://eastplant.blog/category/рок-трип/

1. Альтернативная биохимия осуществима (но никто точно не знает, возможна ли она). Наша жизнь основана на углероде. Другие основания, такие как кремний, азот, бор и т. д., теоретически возможны, но выглядят все более маловероятными. При этом не обязательно менять базу. Вы можете начать с той же углеродной основы, но иметь другой набор элементов (на Земле это в основном азот, кислород и сера), чтобы улучшить основу.

2. Нашим предпочтительным окислителем является кислород. Возможны и другие окислители, такие как хлор или фтор, но для большинства земных форм жизни они смертельно токсичны в высоких концентрациях. На другой планете атмосфера может быть смесью нескольких реактивных газов, и организмы должны быть готовы к этому. Однако маловероятно, чтобы два отдельных царства видов дышали двумя разными газами.

3. Металлический натрий был бы хорошим источником химической энергии, но он очень реакционноспособен и не встречается в природе. Теоретически организм может производить его и хранить внутри себя. Хлорид натрия (широко известный как соль) является очень важным источником элементов, но его энергетическая ценность практически равна нулю.

Примитивная флора, такая как лишайник, может расти на голых камнях. Более сложные растения полагаются на почву, чтобы обеспечить их важными питательными веществами. Есть гидропоника , которая не требует почвы, но это означает, что питательные вещества должны подаваться искусственно.

Итак, для этого я сделаю все возможное, чтобы ответить на ваши первые два вопроса (мало что знаю о двух других), и, надеюсь, это поможет, поэтому для разных элементных баз вам понадобится элемент с 4 валентными электронами, что так и происходит. быть углеродом, кремнием, германием, оловом, свинцом, унанквадием, гоимием и эйнштейнием. Теперь, если ваша жизнь не связана с контролем или использованием ядерного распада, последние три могут быть не для вас, а германий - два необычных, которые, вероятно, будут основой для жизни, поэтому вы останетесь с этими 4. Также один важный момент, который следует учитывать при создании инопланетян, если эти различные элементы являются отходами, под этим я подразумеваю, что когда вы смешиваете углерод и кислород, вы получаете углекислый газ, но когда вы делаете то же самое с кремнием и кислородом, вы получаете двуокись кремния, а двуокись кремния - это песок, так что либо эта форма жизни живет при более высокой температуре, чем земля, либо у нее из носа идет песок. Теперь, если вы хотите сохранить углерод и при этом сохранить экзотическую жизнь, тогда вы можете перейти к жизни, основанной на метане, для которой потребуется прохладное место, где можно встретить трехстороннюю точку метана, где-нибудь вроде Титана. Но жизнь на основе метана — это не просто метан, это смесь метана и этана, и для этого потребуется атмосфера из метана, азота и водорода без какого-либо надоедливого кислорода. Для жизни на основе бора потребуется очень разреженная атмосфера, и она не сможет справиться с нашей, не взорвавшись быстрее, чем скандальное видео PewDiePie, да, это очень реактивно. И нет, никакой элемент не может позволить кучке этих пришельцев делить рабочее пространство вместе, но вы можете размахивать невидимыми атмосферными костюмами. Теперь, если вы хотите сохранить углерод и при этом сохранить экзотическую жизнь, тогда вы можете перейти к жизни, основанной на метане, для которой потребуется прохладное место, где можно встретить трехстороннюю точку метана, где-нибудь вроде Титана. Но жизнь на основе метана — это не просто метан, это смесь метана и этана, и для этого потребуется атмосфера из метана, азота и водорода без какого-либо надоедливого кислорода. Для жизни на основе бора потребуется очень разреженная атмосфера, и она не сможет справиться с нашей, не взорвавшись быстрее, чем скандальное видео PewDiePie, да, это очень реактивно. И нет, никакой элемент не может позволить кучке этих пришельцев делить рабочее пространство вместе, но вы можете размахивать невидимыми атмосферными костюмами. Теперь, если вы хотите сохранить углерод и при этом сохранить экзотическую жизнь, тогда вы можете перейти к жизни, основанной на метане, для которой потребуется прохладное место, где можно встретить трехстороннюю точку метана, где-нибудь вроде Титана. Но жизнь на основе метана — это не просто метан, это смесь метана и этана, и для этого потребуется атмосфера из метана, азота и водорода без какого-либо надоедливого кислорода. Для жизни на основе бора потребуется очень разреженная атмосфера, и она не сможет справиться с нашей, не взорвавшись быстрее, чем скандальное видео PewDiePie, да, это очень реактивно. И нет, никакой элемент не может позволить кучке этих пришельцев делить рабочее пространство вместе, но вы можете размахивать невидимыми атмосферными костюмами. где-то вроде Титана. Но жизнь на основе метана — это не просто метан, это смесь метана и этана, и для этого потребуется атмосфера из метана, азота и водорода без какого-либо надоедливого кислорода. Для жизни на основе бора потребуется очень разреженная атмосфера, и она не сможет справиться с нашей, не взорвавшись быстрее, чем скандальное видео PewDiePie, да, это очень реактивно. И нет, никакой элемент не может позволить кучке этих пришельцев делить рабочее пространство вместе, но вы можете размахивать невидимыми атмосферными костюмами. где-то вроде Титана. Но жизнь на основе метана — это не просто метан, это смесь метана и этана, и для этого потребуется атмосфера из метана, азота и водорода без какого-либо надоедливого кислорода. Для жизни на основе бора потребуется очень разреженная атмосфера, и она не сможет справиться с нашей, не взорвавшись быстрее, чем скандальное видео PewDiePie, да, это очень реактивно. И нет, никакой элемент не может позволить кучке этих пришельцев делить рабочее пространство вместе, но вы можете размахивать невидимыми атмосферными костюмами. Не справиться с нашим, не взорвавшись быстрее, чем скандальное видео PewDiePie, да, это очень реактивно. И нет, никакой элемент не может позволить кучке этих пришельцев делить рабочее пространство вместе, но вы можете размахивать невидимыми атмосферными костюмами. Не справиться с нашим, не взорвавшись быстрее, чем скандальное видео PewDiePie, да, это очень реактивно. И нет, никакой элемент не может позволить кучке этих пришельцев делить рабочее пространство вместе, но вы можете размахивать невидимыми атмосферными костюмами.
Вот несколько ссылок, которые более подробно рассказывают о биохимии пришельцев.

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

https://listverse.com/2015/07/17/10-гипотетические-формы-жизни/

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