Будет ли биологический процесс «холодного Хабера» истощать мир H2/N2 его H2 или N2?

Ваш «холодный габеровский процесс» уже существует — это то, что делают азотфиксирующие бактерии на Земле! Аммиак, образующийся в результате этого процесса, затем далее трансформируется в нитриты и нитраты, при этом все три формы связанного азота по-разному используются в земной биологии для создания более сложных молекул. Для землян это энергоемкий процесс, потому что нам приходится разделять воду, чтобы фиксировать азот (точно так же, как мы должны разделять воду, чтобы осуществлять фотосинтез), но этого узкого места не существует в вашем мире с восстановительной атмосферой.

На Земле мы не истощаем нашу атмосферу азотом, потому что денитрифицирующие бактерии в конечном итоге снова выделяют его, используя нитраты и/или нитраты (а не чистый кислород) в качестве электронных рецепторов для дыхания, производя воду и газообразный азот в качестве побочных продуктов. Однако в химически восстановительном мире, согласно вашей ссылке на водородный фотосинтез , мы должны ожидать, что средняя биомолекула будет менее окислена, чем средняя земная биомолекула. Таким образом, мы должны ожидать увидеть гораздо меньше нитритных и нитратных групп в восстановительной биологии и гораздо больше амидов и аминов.

Таким образом, эквивалентом денитрифицирующих бактерий в восстановительном мире будут организмы, использующие аммиак, а не свободный водород, в качестве донора электронов для уменьшения биомассы и выработки энергии, что является полной противоположностью земных гетеротрофов, окисляющих биомассу для выработки энергии, которые в в обоих случаях работа, проделанная фотосинтезом в каждой среде, отменяет работу по связыванию этой энергии.

Итак, вопрос сводится к следующему: действительно ли такие денитрифицирующие организмы имеют смысл? Где они будут нужны?

Денитрифицирующие организмы имеют смысл на Земле, потому что кислород не везде попадает. Денитрифицирующие бактерии могут участвовать в высокоэнергетическом окислительном дыхании в бескислородной среде, просто разлагая смешанную биомассу самостоятельно. Верно ли это для водорода в восстанавливающемся мире?

Удивительно, но ответ может быть «да». В каком-то смысле водород должен быть более доступен в восстановительном мире, чем кислород в окислительном мире, потому что свободный водород будет первичным, просачивающимся из горных пород земной коры, а также потому, что он может легче диффундировать через меньшие пространства и быстрее в области, которые в противном случае были бы истощены быстрым «дыханием». Однако водород имеет гораздо более низкую растворимость в воде, чем кислород, в то время как аммиак хорошо растворяется.

Таким образом, как только начнется биологическая фиксация азота (что должно произойти довольно быстро), можно ожидать, что морская жизнь в этом мире довольно быстро научится дышать аммиаком вместо или в дополнение к водороду, таким образом выпуская газообразный азот обратно в окружающую среду. .

Итак, у вас будут следующие циклы:

CH4 + H2O -> CH2O + 2H2 посредством фотосинтеза, возвращая водород в атмосферу.

2N2 + 3H2 -> 2NH3посредством экзотермической фиксации азота, удаляя азот и водород из атмосферы, но добавляя аммиак в атмосферу и океан (а также в озера, реки и т. д.). Поскольку это экзотермический процесс, в отличие от фиксации азота на Земле, можно ожидать, что микроорганизмы будут делать это постоянно, выделяя аммиак в качестве побочного продукта, а не ограничивая скорость до уровня, необходимого для построения биомолекул. Между прочим, аммиак также спонтанно реагирует с двуокисью углерода, поэтому, хотя в этой статье говорится, что соотношения СО2 довольно произвольны и зависят от геологической продуктивности, на самом деле следует ожидать, что перепроизводство аммиака приведет к тому, что почти весь доступный СО2 будет секвестрирован в океаны в виде карбамата аммония. После того, как CO2 исчезнет, ​​начнет накапливаться аммиак.

СН2О + 2Н2 -> СН4 + Н2О

Это основная форма сокращения дыхания, потребления водорода и выброса метана обратно в атмосферу, как аналог CO2 в нашей атмосфере.

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

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

Это восстановительные реакции дыхания с потреблением аммиака, которые пополняют азот в атмосфере и могут выделять или не выделять некоторое количество избыточного водорода.

Итак, у вас есть один процесс, который удаляет из атмосферы и азот, и водород; один процесс, который пополняет атмосферный водород (фотосинтез), и один процесс, который пополняет атмосферный азот (дыхание на основе аммиака).

Я понятия не имею, как определить, каковы будут конечные равновесные концентрации, но представляется вполне вероятным, что и H2, и N2 останутся основными компонентами атмосферы на неопределенный срок. Между тем, у вас будут морские существа, которые могут дышать, используя свободный водород или аммиак, ожидая, что их индивидуальное потребление аммиака не окажет существенного влияния на баланс pH океана и будет уравновешено активностью азотфиксирующих микробов, и наземные существа, которые будут избегать дыхания на основе аммиака и вместо этого будут использовать более свободно доступный атмосферный водород, как для улучшения энергетики, так и потому, что они не могут позволить себе лажу с pH своих изолированных телесных жидкостей.