Гипотетические типы биохимии

редактировать
Ложные цвета Кассини радиолокационная мозаика северной полярной области Титана; синие области - озера жидких углеводородов. «Существование озер жидких углеводородов на Титане открывает возможность для растворителей и источников энергии, которые являются альтернативой тем, что находятся в нашей биосфере и могут поддерживать новые формы жизни, в целом отличные от земных» - Дорожная карта астробиологии НАСА, 2008 г.

Гипотетические типы биохимии - это формы биохимии, признанные научно жизнеспособными, но существование которых в настоящее время не доказано. Все виды живых организмов, известные в настоящее время на Земле, используют соединения углерода для основных структурных и метаболических функций, воду в качестве растворителя, а также ДНК или РНК для определения и контроля своей формы. Если жизнь существует на других планетах или лунах, она может быть похожей по химическому составу, хотя также возможно, что существуют организмы с совершенно другим химическим составом - например, с участием других классов соединений углерода, соединений другого элемента или другого растворителя вместо воды..

Возможность существования форм жизни на основе «альтернативной» биохимии является темой продолжающейся научной дискуссии, основанной на том, что известно о внеземной окружающей среде и о химическом поведении различных элементов и соединений. Это представляет интерес для синтетической биологии, а также является обычным предметом в научной фантастике.

Элемент кремний много обсуждается как гипотетическая альтернатива углероду. Кремний находится в той же группе, что и углерод в периодической таблице, и, как и углерод, он четырехвалентен. Гипотетические альтернативы воде включают аммиак, который, как и вода, является полярной молекулой и присутствует в большом количестве в космосе; и неполярные углеводородные растворители, такие как метан и этан, которые, как известно, существуют в жидкой форме на поверхности Титана.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Обзор
  • 2 Теневая биосфера
  • 3 Биомолекулы с альтернативной хиральностью
  • 4 Биохимия, не основанная на углероде
    • 4.1 Биохимия кремния
    • 4.2 Другие биохимические процессы, основанные на экзотических элементах
  • 5 Мышьяк как альтернатива фосфору
  • 6 Безводные растворители
    • 6.1 Аммиак
    • 6.2 Метан и другие углеводороды
      • 6.2.1 Азотосома
    • 6.3 Фтороводород
    • 6.4 Сероводород
    • 6.5 Диоксид кремния и силикаты
    • 6.6 Другие растворители или сорастворители
  • 7 Другие предположения
    • 7.1 Незеленые фотосинтезаторы
    • 7.2 Переменная среда
    • 7.3 Аланинский мир и гипотетические альтернативы
  • 8 Непланетная жизнь
    • 8.1 Пыльный плазменный
    • 8.2 Космическое ожерелье на основе
    • 8.3 Жизнь на нейтронной звезде
  • 9 ученых, публиковавшихся по этой теме
  • 10 См. Также
  • 11 Источники
  • 12 Дальнейшее чтение
  • 13 Внешние ссылки

Обзор

Обзор гипотетических типов биохимии
Тип Основа Синопсис Замечания
Альтернатива - хиральность биомолекул Альтернативная биохимия Биохимия зеркального отображения Возможно, наименее необычной альтернативной биохимией будет биохимия с другой хиральностью биомолекул. В известной земной жизни аминокислоты почти всегда имеют L- форму, а сахара - D- форму. Возможны молекулы, в которых используются D- аминокислоты или L- сахара, но они несовместимы с организмами, использующими молекулы противоположной хиральности.
Биохимия аммиака Безводные растворители Аммиачная жизнь Аммиак относительно широко распространен во Вселенной и имеет химическое сходство с водой. Идея о возможной роли жидкого аммиака в качестве альтернативного растворителя для жизни возникла по крайней мере в 1954 году, когда Дж. Б. С. Холдейн поднял эту тему на симпозиуме о происхождении жизни.
Биохимия мышьяка Альтернативная биохимия Жизнь на основе мышьяка Мышьяк, который химически похож на фосфор, хотя и ядовит для большинства форм жизни на Земле, включен в биохимию некоторых организмов.
Биохимия борана ( борорганическая химия ) Альтернативная биохимия Жизнь на основе борана Бораны опасно взрывоопасны в атмосфере Земли, но были бы более стабильными в восстановительной среде. Однако бор чрезвычайно редок во Вселенной по сравнению с его соседями углеродом, азотом и кислородом. С другой стороны, структуры, содержащие чередующиеся атомы бора и азота, обладают некоторыми общими свойствами с углеводородами.
Космическое ожерелье на основе биологии Внепланетная жизнь Нехимическая жизнь В 2020 году Луис А. Анкордок и Евгений Чудновский выдвинули гипотезу о том, что жизнь, состоящая из магнитных полуполей, соединенных космическими нитями, может развиваться внутри звезд.
Биология на основе пыльной плазмы Внепланетная жизнь Нехимическая жизнь В 2007 году Вадим Н. Цытович и его коллеги предположили, что реалистичное поведение может проявляться частицами пыли, взвешенными в плазме, в условиях, которые могут существовать в космосе.
Экстремофилы Альтернативная среда Жизнь в изменчивой среде Было бы биохимически возможно поддерживать жизнь в окружающей среде, которая лишь периодически согласуется с жизнью, какой мы ее знаем.
Биохимия гетерополикислот Альтернативная биохимия Жизнь на основе гетерополикислот Различные металлы могут образовывать сложные структуры с кислородом, например гетерополикислоты.
Биохимия фтороводорода Безводные растворители Жизнь на основе фтороводорода Такие ученые, как Питер Снит, рассматривали фтористый водород как возможный растворитель для жизни.
Биохимия сероводорода Безводные растворители Жизнь на основе сероводорода Сероводород - химический аналог воды, но менее полярный и более слабый неорганический растворитель.
Биохимия метана ( азотосома ) Безводные растворители Жизнь на основе метана Метан (CH 4) относительно распространен в Солнечной системе и во Вселенной и, как известно, существует в жидкой форме на Титане, самом большом спутнике Сатурна. У Титана есть шанс иметь жизнь на поверхности, поскольку он очень похож на Землю. Если так, то, скорее всего, это будет жизнь на основе метана.
Незеленые фотосинтезаторы Другие предположения Альтернативная жизнь растений Физики отметили, что, хотя фотосинтез на Земле обычно включает в себя зеленые растения, множество других окрашенных растений также могут поддерживать фотосинтез, необходимый для большинства форм жизни на Земле, и что другие цвета могут быть предпочтительнее в местах, которые получают другое сочетание звездного излучения. чем Земля. В частности, сетчатка способна к фотосинтезу и, как было замечено, к ней. Бактерии, способные к фотосинтезу, известны как микробные родопсины. Растение или существо, использующее фотосинтез сетчатки, всегда фиолетового цвета.
Теневая биосфера Альтернативная среда Скрытая биосфера жизни на Земле Теневая биосфера - это гипотетическая микробная биосфера Земли, в которой используются совершенно иные биохимические и молекулярные процессы, нежели известная в настоящее время жизнь.
Биохимия кремния ( кремнийорганический ) Альтернативная биохимия Жизнь на основе кремния Как и углерод, кремний может создавать достаточно большие молекулы, чтобы нести биологическую информацию; однако область возможного химического состава кремния гораздо более ограничена, чем у углерода.
Биохимия диоксида кремния Безводные растворители Срок службы на основе диоксида кремния Джеральд Файнберг и Роберт Шапиро предположили, что расплавленная силикатная порода может служить жидкой средой для организмов, химический состав которых основан на кремнии, кислороде и других элементах, таких как алюминий.
Биохимия серы Альтернативная биохимия Жизнь на основе серы Биологическое использование серы в качестве альтернативы углероду является чисто гипотетическим, особенно потому, что сера обычно образует только линейные цепи, а не разветвленные.
Альтернативные нуклеиновые кислоты Альтернативная биохимия Различное генетическое хранилище Ксенонуклеиновые кислоты (XNA), возможно, могут использоваться вместо РНК или ДНК. XNA - это общий термин для нуклеиновой кислоты с измененным сахарным остовом. Примеры XNA включают TNA, которая использует треозу, HNA, которая использует 1,5-ангидрогексит, GNA, которая использует гликоль, CeNA, которая использует циклогексен, LNA, которая использует форму рибозы, которая содержит дополнительную связь между его 4 'углеродом. и 2 'кислород, FANA, в котором используется арабиноза, но с одним атомом фтора, присоединенным к его 2' атому углерода, и PNA, в котором вместо сахара и фосфата используются N- (2-аминоэтил) -глициновые звенья, связанные пептидными связями.. Для сравнения, ДНК Хатимодзи изменяет пары оснований вместо остова. Эти новые пары оснований представляют собой P ( 2-аминоимидазо [1,2a] [1,3,5] триазин-4 (1 H) -он ), Z ( 6-амино-5-нитропиридин-2-он ), B ( Изогуанин ) и S (rS = изоцитозин для РНК, dS = 1-метилцитозин для ДНК).

Теневая биосфера

Основная статья: Теневая биосфера Сообщение Аресибо (1974) отправило в космос информацию об основах химии земной жизни.

Теневая биосфера - это гипотетическая микробная биосфера Земли, в которой используются совершенно иные биохимические и молекулярные процессы, нежели известная в настоящее время жизнь. Хотя жизнь на Земле относительно хорошо изучена, теневая биосфера может все еще оставаться незамеченной, потому что исследование микробного мира нацелено в первую очередь на биохимию макроорганизмов.

Биомолекулы с альтернативной хиральностью

Возможно, наименее необычной альтернативной биохимией будет биохимия с другой хиральностью биомолекул. В известной земной жизни аминокислоты почти всегда имеют L- форму, а сахара - D- форму. Возможны молекулы, использующие D- аминокислоты или L- сахара; Однако молекулы такой хиральности были бы несовместимы с организмами, использующими молекулы противоположной хиральности. Аминокислоты, хиральность которых противоположна норме, встречаются на Земле, и обычно считается, что эти вещества являются результатом распада организмов с нормальной хиральностью. Однако физик Пол Дэвис предполагает, что некоторые из них могут быть продуктами «антихиральной» жизни.

Однако сомнительно, будет ли такая биохимия действительно чуждой. Хотя было бы, конечно, быть альтернативой стереохимии, молекулы, которые в подавляющем большинстве случаев найдены в одном энантиомере в течение подавляющего большинства организмов, тем не менее часто можно найти в другом энантиомере в различном (часто базальные ) организмах, такие как при сравнении между членами Archaea и другими областями, сделать это открытой темой, действительно ли альтернативная стереохимия нова.

Биохимия, не основанная на углероде

На Земле все известные живые существа имеют структуру и систему на основе углерода. Ученые размышляли о плюсах и минусах использования атомов, отличных от углерода, для формирования молекулярных структур, необходимых для жизни, но никто не предложил теории, использующей такие атомы для образования всех необходимых структур. Однако, как утверждал Карл Саган, очень трудно быть уверенным в том, что утверждение, применимое ко всей жизни на Земле, применимо ко всей жизни во Вселенной. Саган использовал термин « углеродный шовинизм » для такого предположения. Он рассматривал кремний и германий как возможные альтернативы углероду (другие вероятные элементы включают, но не ограничиваются этим, палладий и титан ); но, с другой стороны, он отметил, что углерод действительно кажется более химически разносторонним и его больше в космосе). Норман Горовиц разработал эксперименты, чтобы определить, может ли существовать жизнь на Марсе, которые были проведены спускаемым аппаратом « Викинг» в 1976 году, первой миссией США по успешной посадке беспилотного зонда на поверхность Марса. Горовиц утверждал, что огромная универсальность атома углерода делает его элементом, который, скорее всего, предоставит решения, даже экзотические решения проблем выживания на других планетах. Он считал, что существует лишь малая вероятность того, что неуглеродные формы жизни могут существовать с генетическими информационными системами, способными к самовоспроизведению и способными развиваться и адаптироваться.

Биохимия кремния

Смотрите также: Кремнийорганический Состав силана, аналог метана Структура силиконового полидиметилсилоксана (ПДМС) Морские диатомеи  - организмы на основе углерода, которые извлекают кремний из морской воды в виде его оксида (кремнезема) и встраивают его в свои клеточные стенки.

Атом кремния много обсуждался как основа альтернативной биохимической системы, потому что кремний имеет многие химические свойства, аналогичные свойствам углерода, и находится в той же группе периодической таблицы, группе углерода. Как и углерод, кремний может создавать достаточно большие молекулы, чтобы нести биологическую информацию.

Однако кремний как альтернатива углю имеет ряд недостатков. Кремний, в отличие от углерода, не обладает способностью образовывать химические связи с различными типами атомов, что необходимо для химической универсальности, необходимой для метаболизма, и тем не менее именно эта неспособность делает кремний менее восприимчивым к связыванию со всеми видами примесей, из которых углерод, для сравнения, не экранирован. Элементы, создающие органические функциональные группы с углеродом, включают водород, кислород, азот, фосфор, серу и металлы, такие как железо, магний и цинк. Кремний, с другой стороны, взаимодействует с очень немногими другими типами атомов. Более того, там, где он взаимодействует с другими атомами, кремний создает молекулы, которые были описаны как «монотонные по сравнению с комбинаторной вселенной органических макромолекул». Это связано с тем, что атомы кремния намного больше, имеют большую массу и атомный радиус, и поэтому им трудно образовывать двойные связи (углерод с двойной связью является частью карбонильной группы, фундаментального мотива биоорганической химии на основе углерода).

Силаны, которые являются химические соединения из водорода и кремния, которые аналогичны алкановых углеводородов, обладают высокой реакционной способностью с водой, и длинные цепи силаны самопроизвольно разлагаются. Молекулы, содержащие полимеры чередующихся атомов кремния и кислорода вместо прямых связей между кремнием, известные под общим названием силиконы, намного более стабильны. Было высказано предположение, что химические вещества на основе силикона будут более стабильными, чем эквивалентные углеводороды, в среде, богатой серной кислотой, которая встречается в некоторых внеземных местах.

Из разновидностей молекул, идентифицированных в межзвездной среде по состоянию на 1998 год, 84 основаны на углероде и только 8 основаны на кремнии. Более того, из этих 8 соединений 4 также включают в себя углерод. Космическое изобилие углерода в кремний составляет примерно от 10 до 1. Это может предложить большее разнообразие комплексных соединений углерода по всему космосу, обеспечивая меньше фундамента, на котором строится на основе кремния биологий, по крайней мере, при условиях, распространенных на поверхности планет. Кроме того, хотя Земля и другие планеты земной группы исключительно богаты кремнием и бедны углеродом (относительное содержание кремния и углерода в земной коре составляет примерно 925: 1), земная жизнь основана на углероде. Тот факт, что вместо кремния используется углерод, может свидетельствовать о том, что кремний плохо подходит для биохимии на планетах земного типа. Причины этого могут заключаться в том, что кремний менее универсален, чем углерод, в образовании соединений, что соединения, образованные кремнием, нестабильны и что он блокирует поток тепла.

Тем не менее, биогенный кремнезем используется некоторыми земными жизнями, такими как силикатный скелет диатомовых водорослей. В соответствии с глинистой гипотезой о AG Cairns-Smith, силикатные минералы в воде играют решающую роль в абиогенезе : они реплицируются их кристаллические структуры, взаимодействовали с соединениями углерода, и были предшественниками на основе углерода жизни.

Связи углерод-кремний, хотя и не наблюдаемые в природе, были добавлены в биохимию с помощью направленной эволюции (искусственного отбора). Гем, содержащий белок цитохрома c из Rhodothermus marinus, был сконструирован с использованием направленной эволюции, чтобы катализировать образование новых углерод-кремниевых связей между гидросиланами и диазосоединениями.

Соединения кремния, возможно, могут быть биологически полезными при температурах или давлениях, отличных от поверхности планеты земного типа, либо в сочетании с углеродом, либо в роли, менее прямо аналогичной ему. Полисиланолы, соединения кремния, соответствующие сахарам, растворимы в жидком азоте, что позволяет предположить, что они могут играть роль в биохимии при очень низких температурах.

В кинематографической и литературной фантастике часто утверждается, что в момент, когда созданные человеком машины переходят от неживого к живому, эта новая форма будет первым примером жизни, не связанной с углеродом. С момента появления микропроцессоров в конце 1960-х годов эти машины часто классифицируются как компьютеры (или управляемые компьютером роботы ) и относятся к категории «кремниевый ресурс», хотя кремниевая опорная матрица этих процессоров не так важна для их работа в качестве углерода предназначена для «влажной жизни».

Биохимия на основе других экзотических элементов

Смотрите также: борорганическое соединение
  • Бораны опасно взрывоопасны в атмосфере Земли, но были бы более стабильными в восстановительной атмосфере. Однако низкое космическое содержание бора делает его менее вероятным источником жизни, чем углерод.
  • Различные металлы вместе с кислородом могут образовывать очень сложные и термически стабильные структуры, не уступающие органическим соединениям; в гетерополикислотах являются одним из такой семьи. Некоторые оксиды металлов также похожи на углерод по своей способности образовывать как структуры нанотрубок, так и алмазоподобные кристаллы (например, кубический диоксид циркония ). Титана, алюминия, магния и железа в земной коре больше, чем углерода. Следовательно, жизнь на основе оксидов металлов может быть возможной при определенных условиях, включая те (например, при высоких температурах), при которых жизнь на основе углерода была бы маловероятной. Группа Cronin из Университета Глазго сообщила о самосборке полиоксометаллатов вольфрама в клеточно-подобные сферы. Изменяя содержание оксидов металлов, в сферах могут образовываться отверстия, которые действуют как пористая мембрана, избирательно позволяя химическим веществам входить и выходить из сферы в зависимости от размера.
  • Сера также способна образовывать длинноцепочечные молекулы, но страдает теми же проблемами высокой реакционной способности, что и фосфор и силаны. Биологическое использование серы в качестве альтернативы углероду является чисто гипотетическим, особенно потому, что сера обычно образует только линейные цепи, а не разветвленные. (Биологическое использование серы в качестве акцептора электронов широко распространено и может быть прослежено на Земле 3,5 миллиарда лет назад, что предшествовало использованию молекулярного кислорода. Сероредуцирующие бактерии могут использовать элементарную серу вместо кислорода, восстанавливая серу до сероводорода. )

Мышьяк как альтернатива фосфору

См. Также: GFAJ-1

Мышьяк, который химически похож на фосфор, хотя и ядовит для большинства форм жизни на Земле, включен в биохимию некоторых организмов. Некоторые морские водоросли включают мышьяк в сложные органические молекулы, такие как арсеносахара и арсенобетаины. Грибы и бактерии могут производить летучие метилированные соединения мышьяка. Восстановление арсената и окисление арсенита наблюдались у микробов ( Chrysiogenes arsenatis ). Кроме того, некоторые прокариоты могут использовать арсенат в качестве концевого акцептора электронов во время анаэробного роста, а некоторые могут использовать арсенит в качестве донора электронов для выработки энергии.

Было высказано предположение, что самые ранние формы жизни на Земле могли использовать биохимию мышьяка вместо фосфора в структуре своей ДНК. Распространенное возражение против этого сценария состоит в том, что сложные эфиры арсената настолько менее устойчивы к гидролизу, чем соответствующие эфиры фосфорной кислоты, что мышьяк плохо подходит для этой функции.

Авторы геомикробиологического исследования 2010 года, частично поддержанного НАСА, предположили, что бактерия под названием GFAJ-1, собранная в отложениях озера Моно в восточной Калифорнии, может использовать такую ​​«мышьяковую ДНК» при культивировании без фосфора. Они предположили, что бактерия может использовать высокие уровни поли-β-гидроксибутирата или другие средства для снижения эффективной концентрации воды и стабилизации ее сложных эфиров арсената. Это заявление было подвергнуто резкой критике почти сразу после публикации за предполагаемое отсутствие надлежащего контроля. Научный писатель Карл Циммер связался с несколькими учеными для оценки: «Я обратился к дюжине экспертов... Они почти единодушно считают, что ученые НАСА не смогли обосновать свою точку зрения». Другие авторы не смогли воспроизвести свои результаты и показали, что в исследовании были проблемы с загрязнением фосфатами, предполагая, что присутствующие небольшие количества могут поддерживать экстремофильные формы жизни. В качестве альтернативы было высказано предположение, что клетки GFAJ-1 растут за счет рециркуляции фосфата из деградированных рибосом, а не за счет его замены арсенатом.

Безводные растворители

В дополнение к углеродным соединениям, все известные в настоящее время виды земной жизни также нуждаются в воде в качестве растворителя. Это привело к дискуссиям о том, является ли вода единственной жидкостью, способной выполнять эту роль. Идея о том, что внеземная форма жизни может быть основана на растворителе, отличном от воды, была серьезно воспринята в недавней научной литературе биохимиком Стивеном Беннером и астробиологическим комитетом под председательством Джона А. Баросса. Растворители, обсуждаемые комитетом Баросса, включают аммиак, серную кислоту, формамид, углеводороды и (при температурах намного ниже земных) жидкий азот или водород в виде сверхкритической жидкости.

Карл Саган однажды назвал себя и угольным шовинистом, и водным шовинистом; однако в другом случае он сказал, что он углеродный шовинист, но «не такой уж водяной шовинист». Он размышлял об углеводородах, фтористоводородной кислоте и аммиаке как возможных альтернативах воде.

Некоторые из свойств воды, которые важны для жизненных процессов, включают:

  • Сложность, которая приводит к большому количеству перестановок возможных путей реакции, включая кислотно-щелочную химию, катионы H +, анионы OH -, водородные связи, ван-дер-ваальсовы связи, диполь-дипольные и другие полярные взаимодействия, клетки с водным растворителем и гидролиз. Эта сложность предлагает большое количество путей для эволюции, порождающей жизнь, многие другие растворители имеют значительно меньше возможных реакций, что серьезно ограничивает эволюцию.
  • Термодинамическая стабильность: свободная энергия образования жидкой воды достаточно мала (-237,24 кДж / моль), чтобы вода претерпевала мало реакций. Другие растворители обладают высокой реакционной способностью, особенно по отношению к кислороду.
  • Вода не сгорает в кислороде, потому что она уже является продуктом сгорания водорода с кислородом. Большинство альтернативных растворителей нестабильны в богатой кислородом атмосфере, поэтому маловероятно, что эти жидкости могут поддерживать аэробную жизнь.
  • Большой температурный диапазон, в котором он находится в жидком состоянии.
  • Высокая растворимость кислорода и углекислого газа при комнатной температуре способствует развитию аэробных водных растений и животных.
  • Высокая теплоемкость (что приводит к более высокой стабильности температуры окружающей среды).
  • Вода представляет собой жидкость при комнатной температуре, которая приводит к образованию большого количества квантовых переходных состояний, необходимых для преодоления барьеров реакции. Криогенные жидкости (такие как жидкий метан) имеют экспоненциально более низкие популяции переходных состояний, которые необходимы для жизни на основе химических реакций. Это приводит к скорости химических реакций, которые могут быть настолько медленными, что препятствуют развитию любой жизни, основанной на химических реакциях.
  • Спектроскопическая прозрачность, позволяющая солнечному излучению проникать в жидкость (или твердое тело) на несколько метров, что в значительной степени способствует развитию водных организмов.
  • Высокая температура испарения приводит к стабильным озерам и океанам.
  • Способность растворять самые разные соединения.
  • Твердое тело (лед) имеет меньшую плотность, чем жидкость, поэтому лед плавает по жидкости. Поэтому водоемы замерзают, но не замерзают (снизу вверх). Если бы лед был плотнее жидкой воды (как это верно почти для всех других соединений), то большие массы жидкости медленно замерзали бы, что не способствовало бы образованию жизни.

Вода как соединение присутствует в большом количестве, хотя большая часть ее находится в форме пара или льда. Подземная жидкая вода считается вероятной или возможной на нескольких внешних лунах: Энцеладе (где наблюдались гейзеры), Европе, Титане и Ганимеде. Земля и Титан - единственные известные в настоящее время миры, на поверхности которых есть устойчивые тела жидкости.

Однако не все свойства воды обязательно полезны для жизни. Например, водяной лед имеет высокое альбедо, что означает, что он отражает значительное количество солнечного света и тепла. Во время ледниковых периодов, когда на поверхности воды накапливается отражающий лед, эффекты глобального похолодания усиливаются.

Есть некоторые свойства, которые делают одни соединения и элементы более предпочтительными, чем другие, в качестве растворителей в успешной биосфере. Растворитель должен существовать в жидком равновесии в диапазоне температур, с которым обычно сталкивается планетарный объект. Поскольку точки кипения меняются в зависимости от давления, вопрос, как правило, заключается не в том, остается ли предполагаемый растворитель жидким, а в том, при каком давлении. Например, цианистый водород имеет узкий диапазон температур жидкой фазы в 1 атмосферу, но в атмосфере с давлением Венеры с давлением 92 бара (91 атм) он действительно может существовать в жидкой форме в широком диапазоне температур.

Аммиак

Представление художника о том, как может выглядеть планета с жизнью на основе аммиака

Молекула аммиака (NH 3), как и молекула воды, широко распространена во Вселенной и представляет собой соединение водорода (самый простой и наиболее распространенный элемент) с другим очень распространенным элементом - азотом. Идея о возможной роли жидкого аммиака в качестве альтернативного растворителя для жизни возникла по крайней мере в 1954 году, когда Дж. Б. С. Холдейн поднял эту тему на симпозиуме о происхождении жизни.

В растворе аммиака возможны многочисленные химические реакции, а жидкий аммиак имеет химическое сходство с водой. Аммиак может растворять большинство органических молекул не хуже, чем вода, и, кроме того, он способен растворять многие элементарные металлы. Холдейн указал на то, что различные распространенные органические соединения, связанные с водой, имеют аналоги, связанные с аммиаком; например, связанная с аммиаком аминогруппа (-NH 2) аналогична связанной с водой гидроксильной группе (-OH).

Аммиак, как и вода, может принимать или отдавать ион H +. Когда аммиак принимает H +, он образует катион аммония (NH 4 +), аналогичный гидроксонию (H 3 O +). Когда он отдает ион H +, он образует амид- анион (NH 2 -), аналогичный гидроксид- аниону (OH -). Однако по сравнению с водой аммиак более склонен принимать ион H + и менее склонен отдавать его; это более сильный нуклеофил. Аммиак, добавленный в воду, действует как основание Аррениуса : он увеличивает концентрацию гидроксида аниона. И наоборот, используя определение кислотности и основности системы растворителей, вода, добавляемая к жидкому аммиаку, действует как кислота, потому что она увеличивает концентрацию катиона аммония. Карбонильная группа (C = O), которая широко используется в земной биохимии, не будет стабильной в растворе аммиака, но вместо нее можно использовать аналогичную иминную группу (C = NH).

Однако у аммиака есть проблемы как основа жизни. В водородных связей между молекулами аммиака слабее, чем в воде, в результате чего аммиака в теплоту парообразования, чтобы быть в два раза меньше воды, ее поверхностное натяжение, чтобы быть третьим, и снижая его способность концентрировать неполярные молекулы через гидрофобный эффект. Джеральд Файнберг и Роберт Шапиро задаются вопросом, может ли аммиак удерживать молекулы пребиотиков достаточно хорошо, чтобы позволить возникновение самовоспроизводящейся системы. Аммиак также легко воспламеняется в кислороде и не может устойчиво существовать в среде, подходящей для аэробного метаболизма.

Предполагаемая внутренняя структура Титана, подводный океан показан синим цветом

Биосферы на основе аммиака, скорее всего, существует при температурах или давлении воздуха, которые являются чрезвычайно необычным по отношению к жизни на Земле. Жизнь на Земле обычно существует в пределах температуры плавления и кипения воды при нормальном давлении от 0 ° C (273  K ) до 100 ° C (373 K); при нормальном давлении точки плавления и кипения аммиака находятся в диапазоне от -78 ° C (195 K) до -33 ° C (240 K). Химические реакции обычно протекают медленнее при более низкой температуре. Следовательно, жизнь на основе аммиака, если она существует, могла бы метаболизироваться медленнее и развиваться медленнее, чем жизнь на Земле. С другой стороны, более низкие температуры могут также позволить живым системам использовать химические вещества, которые были бы слишком нестабильны при температурах Земли, чтобы быть полезными.

Аммиак может быть жидкостью при земных температурах, но при гораздо более высоких давлениях; например, при 60  атм аммиак плавится при -77 ° C (196 K) и кипит при 98 ° C (371 K).

Аммиак и смеси аммиака с водой остаются жидкими при температурах намного ниже точки замерзания чистой воды, поэтому такая биохимия может хорошо подходить для планет и лун, вращающихся вокруг водной зоны обитаемости. Такие условия могут существовать, например, под поверхностью Сатурн по величине лунного Титана.

Метан и другие углеводороды

Метан (CH 4) - простой углеводород: соединение двух наиболее распространенных элементов в космосе: водорода и углерода. Его космическое изобилие сравнимо с аммиаком. Углеводороды могут действовать как растворители в широком диапазоне температур, но не имеют полярности. Айзек Азимов, то биохимик и автор научной фантастики, предложенный в 1981 году, что поли- липидов может служить заменителем для белков в неполярном растворителе, таком как метан. Озера, состоящие из смеси углеводородов, включая метан и этан, были обнаружены на поверхности Титана космическим кораблем Кассини.

Ведутся споры об эффективности метана и других углеводородов в качестве растворителя для жизни по сравнению с водой или аммиаком. Вода является более сильным растворителем, чем углеводороды, что облегчает перенос веществ в клетке. Однако вода также более химически активна и может разрушать большие органические молекулы в результате гидролиза. Форма жизни, растворителем которой является углеводород, не столкнется с угрозой разрушения ее биомолекул таким образом. Кроме того, склонность молекулы воды к образованию прочных водородных связей может мешать внутренним водородным связям в сложных органических молекулах. Жизнь с углеводородным растворителем могла бы больше использовать водородные связи в своих биомолекулах. Более того, прочность водородных связей внутри биомолекул будет соответствовать низкотемпературной биохимии.

Астробиолог Крис Маккей утверждал, исходя из термодинамических соображений, что, если жизнь действительно существует на поверхности Титана, использующей углеводороды в качестве растворителя, она, вероятно, также будет использовать более сложные углеводороды в качестве источника энергии, реагируя на них с водородом, восстанавливая этан и ацетилен до метан. Возможное свидетельство этой формы жизни на Титане было обнаружено в 2010 году Дарреллом Штробелем из Университета Джона Хопкинса ; большее количество молекулярного водорода в верхних слоях атмосферы Титана по сравнению с нижними слоями, что свидетельствует о нисходящей диффузии со скоростью примерно 10 25 молекул в секунду и исчезновении водорода у поверхности Титана. Как заметил Штробель, его результаты совпадали с предсказанными Крисом МакКеем эффектами, если присутствовали метаногенные формы жизни. В том же году другое исследование показало низкие уровни ацетилена на поверхности Титана, которые были интерпретированы Крисом МакКеем как соответствующие гипотезе организмов, восстанавливающих ацетилен до метана. Повторяя биологическую гипотезу, Маккей предупредил, что следует рассматривать другие объяснения выводов водорода и ацетилена более вероятными: возможности еще не идентифицированных физических или химических процессов (например, неживой поверхностный катализатор, позволяющий ацетилену реагировать с водородом) или недостатки существующих моделей материального потока. Он отметил, что даже небиологический катализатор, эффективный при 95 К, сам по себе был бы ошеломляющим открытием.

Азотосома

Гипотетическая клеточная мембрана, называемая азотосомой, способная функционировать в жидком метане в условиях Титана, была смоделирована на компьютере в статье, опубликованной в феврале 2015 года. Предполагается, что она будет стабильной, состоящей из акрилонитрила, небольшой молекулы, содержащей углерод, водород и азот. и гибкость жидкого метана сравнима с гибкостью фосфолипидного бислоя (тип клеточной мембраны, которой обладает все живое на Земле) в жидкой воде. Анализ данных, полученных с помощью большой миллиметровой / субмиллиметровой матрицы Атакамы (ALMA), завершенный в 2017 году, подтвердил наличие значительного количества акрилонитрила в атмосфере Титана.

Фтористый водород

Фтористый водород (HF), как и вода, является полярной молекулой и благодаря своей полярности может растворять многие ионные соединения. Его точка плавления составляет -84 ° C, а температура кипения составляет 19,54 ° C (при атмосферном давлении ); разница между ними составляет немногим более 100 К. HF также образует водородные связи со своими соседними молекулами, как вода и аммиак. Такие ученые, как Питер Снит и Карл Саган, рассматривали его как возможный растворитель для жизни.

HF опасен для систем молекул, из которых состоит земная жизнь, но некоторые другие органические соединения, такие как парафиновые воски, устойчивы к нему. Подобно воде и аммиаку, жидкий фтористый водород поддерживает кислотно-щелочной химический состав. Используя определение кислотности и основности системы растворителей, азотная кислота действует как основание, когда ее добавляют в жидкий HF.

Однако фтороводород космически редок, в отличие от воды, аммиака и метана.

Сульфид водорода

Сероводород - ближайший химический аналог воды, но менее полярный и более слабый неорганический растворитель. Сероводород довольно много на спутнике Юпитера Ио и может находиться в жидкой форме на небольшом расстоянии от поверхности; астробиолог Дирк Шульце-Макух предположил, что это возможный растворитель для жизни там. На планете с сероводородным океаном источником сероводорода могут быть вулканы, и в этом случае он может быть смешан с небольшим количеством фтороводорода, который может помочь растворить минералы. Сероводородная жизнь может использовать смесь оксида углерода и диоксида углерода в качестве источника углерода. Они могут производить и питаться монооксидом серы, который аналогичен кислороду (O 2). Сероводород, как цианистый водород и аммиак, страдает от небольшого диапазона температур, в котором он находится в жидком состоянии, хотя этот диапазон, как и у цианистого водорода и аммиака, увеличивается с увеличением давления.

Диоксид кремния и силикаты

Диоксид кремния, также известный как диоксид кремния и кварц, очень распространен во Вселенной и имеет большой температурный диапазон, где он находится в жидком состоянии. Однако его температура плавления составляет от 1600 до 1725 ° C (от 2912 до 3137 ° F), поэтому было бы невозможно получить органические соединения при такой температуре, потому что все они разложились бы. Силикаты похожи на диоксид кремния, и некоторые из них имеют более низкие температуры плавления, чем кремнезем. Файнберг и Шапиро предположили, что расплавленная силикатная порода может служить жидкой средой для организмов с химическим составом, основанным на кремнии, кислороде и других элементах, таких как алюминий.

Прочие растворители или сорастворители

Серная кислота (H 2 SO 4)

Иногда предлагаются другие растворители:

Серная кислота в жидкой форме сильно полярна. Он остается жидким при более высоких температурах, чем вода, его жидкий диапазон составляет от 10 ° C до 337 ° C при давлении 1 атм, хотя выше 300 ° C он медленно разлагается. Известно, что серная кислота содержится в облаках Венеры в виде аэрозольных капель. В биохимии, которая использует серную кислоту в качестве растворителя, алкеновая группа (C = C) с двумя атомами углерода, соединенными двойной связью, может функционировать аналогично карбонильной группе (C = O) в водной биохимии.

Было сделано предположение, что жизнь на Марсе может существовать и использовать смесь воды и перекиси водорода в качестве растворителя. 61,2% (по массе) смеси воды и перекиси водорода имеет точку замерзания -56,5 ° C и имеет тенденцию к супер-охлаждения, а не кристаллизуются. Кроме того, он гигроскопичен, что является преимуществом в условиях дефицита воды.

Сверхкритический диоксид углерода был предложен в качестве кандидата для альтернативной биохимии из-за его способности избирательно растворять органические соединения и способствовать функционированию ферментов, а также потому, что планеты типа «суперземля» или «супер-Венера» с плотной атмосферой высокого давления. может быть обычным явлением.

Другие предположения

Незеленые фотосинтезаторы

Физики отметили, что, хотя фотосинтез на Земле обычно связан с зелеными растениями, множество других окрашенных растений также могут поддерживать фотосинтез, необходимый для большей части жизни на Земле, и что другие цвета могут быть предпочтительнее в местах, которые получают другое сочетание звездного излучения. чем Земля. Эти исследования показывают, что появление синих растений маловероятно; однако желтые или красные растения могут быть относительно обычными.

Переменная среда

Многие земные растения и животные претерпевают серьезные биохимические изменения в течение своего жизненного цикла в ответ на изменение условий окружающей среды, например, из-за наличия спор или состояния гибернации, которое может сохраняться годами или даже тысячелетиями между более активными этапами жизни. Таким образом, было бы биохимически возможно поддерживать жизнь в окружающей среде, которая лишь периодически согласуется с жизнью, какой мы ее знаем.

Например, лягушки в холодном климате могут выжить в течение продолжительных периодов времени, оставив большую часть воды в организме в замороженном состоянии, тогда как пустынные лягушки в Австралии могут стать неактивными и обезвоживаться в засушливые периоды, теряя до 75% своей жидкости, но возвращаясь. к жизни за счет быстрой регидратации во влажные периоды. Любой тип лягушки будет казаться биохимически неактивным (то есть не живым) в периоды покоя любому, у кого нет чувствительных средств обнаружения низкого уровня метаболизма.

Аланинский мир и гипотетические альтернативы

Ранняя стадия генетического кода (GC-Code) с «аланиновым миром» и его возможные альтернативы.

Генетический код, выделяющийся при переходе от мира РНКА к белковому миру. Гипотеза аланинового мира постулирует, что эволюция генетического кода (так называемая фаза GC) началась всего с четырех основных аминокислот : аланина, глицина, пролина и орнитина (теперь аргинина ). Эволюция генетического кода завершилась на 20 протеиногенных аминокислотах. С химической точки зрения, большинство из них являются производными аланина, особенно подходящими для построения α-спиралей и β-листов  - основных вторичных структурных элементов современных белков. Прямым доказательством этого является экспериментальная процедура в молекулярной биологии, известная как сканирование аланина. Гипотетический «мир пролина» мог бы создать возможную альтернативную жизнь с генетическим кодом, основанным на химическом каркасе пролина в качестве основы белка. Точно так же возможны миры «глициновый» и «орнитиновый», но природа не выбрала ни один из них. Эволюция жизни с глицином, пролином или орнитином в качестве базовой структуры для белковоподобных полимеров ( фолдамеров ) приведет к параллельным биологическим мирам. У них будет морфологически радикально отличное строение тела и генетика от живых организмов известной биосферы.

Внепланетная жизнь

Пыльная плазменная основа

См. Также: Пыльная плазма

В 2007 году Вадим Н. Цытович и его коллеги предположили, что реалистичное поведение может проявляться частицами пыли, взвешенными в плазме, в условиях, которые могут существовать в космосе. Компьютерные модели показали, что когда пыль становится заряженной, частицы могут самоорганизовываться в микроскопические спиральные структуры, и авторы предлагают «грубый набросок возможной модели... воспроизведения спиральной зернистой структуры».

Космическое ожерелье на основе

В 2020 году Луис А. Анчордок и Юджин М. Чудновский из Городского университета Нью-Йорка выдвинули гипотезу о том, что жизнь на основе космического ожерелья, состоящая из магнитных полуполей, соединенных космическими нитями, может развиваться внутри звезд.

Жизнь на нейтронной звезде

В 1973 году Фрэнк Дрейк предположил, что разумная жизнь может населять нейтронные звезды. Физические модели 1973 года предполагали, что существа Дрейка будут микроскопическими. В 1980 году Роберт Л. Форвард написал научно-фантастический роман «Яйцо дракона», используя предложение Дрейка в качестве диссертации.

Ученые, публиковавшиеся по этой теме

Ученые, которые рассмотрели возможные альтернативы биохимии углерода и воды, включают:

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки

Последняя правка сделана 2023-03-21 08:06:58
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте