Biochimie alternativă

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 24 iulie 2021; verificările necesită 49 de modificări .

Biochimia alternativă este o serie de teorii și ipoteze care explică posibilitatea existenței unor forme de viață diferite biochimic parțial sau complet de cele apărute pe Pământ . [1] Diferențele discutate în cadrul ipotezelor includ înlocuirea carbonului din moleculele substanțelor organice cu alți atomi sau înlocuirea apei ca solvent universal cu alte lichide. Astfel de fenomene sunt adesea descrise în literatura științifico-fantastică .

Opțiuni de discuție

Posibilitatea unei vieți diferite din punct de vedere biochimic este o temă comună în science fiction, dar este luată în considerare și în contextul cercetării. Un exemplu recent de astfel de discuții este raportul din 2007 privind limitarea condițiilor de viață, elaborat de un comitet de oameni de știință de la Consiliul Național de Cercetare al Statelor Unite. Acest comitet, prezidat de John A. Baros, a considerat o „chimie alternativă ipotetică a vieții”, inclusiv o gamă de solvenți care ar putea oferi o alternativă la apă. Proiectul intitulat: „Limitele vieții organice în sistemele planetare” postulează că:

Până în prezent, căutarea vieții extraterestre este ghidată de un model de viață bazat pe viața pe care o observăm pe Pământ. Unele caracteristici ale vieții pământești au atras o atenție deosebită:

Viața terestră folosește apa ca solvent;
Este construit din celule și folosește un metabolism care se concentrează pe gruparea carbonil ( ); ${\ce {C=O}}$
Este un proces disipativ termodinamic, folosind gradienți chimico-energetici ;
Viața terestră folosește o arhitectură duală a biopolimerului , care utilizează acizi nucleici pentru a îndeplini majoritatea funcțiilor genetice și proteinele pentru a îndeplini cele mai multe funcții catalitice. [2]

Ca urmare, multe dintre misiunile planificate ale NASA sunt concentrate pe locații în care este probabil să existe apă lichidă, cu accent pe căutarea unor structuri similare cu celulele organismelor terestre. Această abordare ar fi justificată având în vedere lipsa unei înțelegeri comune a cum ar putea arăta viața cu o origine independentă de Pământ. Cu toate acestea, experimentele de laborator dau motive să ne așteptăm că viața se poate baza și pe structuri moleculare care sunt semnificativ diferite de cele de pe Pământ.

Înlocuirea celor mai importante elemente chimice

Acronimul CHNOPS , care înseamnă carbon (carbon), hidrogen (hidrogen), azot (azot), oxigen ( oxigen), fosfor ( fosfor ) și sulf ( sulf ), reprezintă cele mai importante șase elemente chimice. ale căror combinații covalente alcătuiesc majoritatea moleculelor biologice de pe Pământ [3] . Sulful este folosit în aminoacizii cisteină și metionină [4] . Fosforul este un element necesar în formarea fosfolipidelor - o subclasă de lipide - care sunt componenta principală a tuturor membranelor celulare , deoarece pot forma straturi duble lipidice care stochează ioni , proteine și alte molecule acolo unde sunt necesare pentru îndeplinirea funcțiilor celulare , și împiedică pătrunderea lor în zone unde nu ar trebui să fie. Grupările fosfat sunt, de asemenea, o componentă necesară a coloanei vertebrale a acizilor nucleici [5] .

Compoziția elementară a biomoleculelor:

	C	H	N	O	P	S
Carbohidrați	X	X		X
Grasimi	X	X		X
Fosfolipide	X	X	X	X	X
Veverițe	X	X	X	X		X
Nucleotide	X	X	X	X	X
Porfirine	X	X	X	X

Toate tipurile de organisme vii cunoscute în prezent folosesc compuși de carbon pentru funcțiile structurale și metabolice de bază, apa ca solvent și ADN sau ARN pentru a-și defini și controla forma. Dacă viața există pe alte planete , ea poate fi similară din punct de vedere chimic. De asemenea, este posibil să existe organisme cu compoziții chimice complet diferite. Existența, sau cel puțin realitatea, a acestor forme de biochimie nu a fost încă dezvăluită.

Conținutul relativ al diferitelor elemente este foarte important pentru a determina posibilitatea participării lor la biochimie. Pentru referință, iată cele cincisprezece elemente cele mai comune din corpul uman (adică cele care alcătuiesc cel puțin 0,0001% din acesta) și alte sisteme, măsurate prin numărul de atomi.

Conținutul relativ al elementelor (fracția molară a elementelor) în diferite sisteme [6] :

Z	Element	Univers	În scoarța terestră	Apa de mare	Corpul uman	Rolul biologic [7]
unu	Hidrogen	93%	3,1%	66,2%	62%	molecule organice
opt	Oxigen	0,08%	60%	33,1%	24%	molecule organice, respirație
6	Carbon	0,05%	0,31%	0,00144%	12 %	molecule organice
7	Azot	0,009%	0,0029%	<0,0001%	0,22%	aminoacizi , acizi nucleici
cincisprezece	Fosfor	<0,0001%	0,07%	<0,0001%	0,22%	ATP , acizi nucleici, fosfolipide
douăzeci	Calciu	0,0002%	2,6%	<0,0001%	0,22%	calmodulină , biomineralizare
16	Sulf	0,002%	0,027%	0,0179%	0,039%	unii aminoacizi, cum ar fi cisteina
unsprezece	Sodiu	0,0001%	2,1%	0,297%	0,038%	pompa de sodiu-potasiu
19	Potasiu	<0,0001%	0,78%	0,00658%	0,032%	pompa de sodiu-potasiu
17	Clor	<0,0001%	0,01%	0,347%	0,021%	Transportul clorului ATPaza ( pompa de protoni )
12	Magneziu	0,003%	2,5%	0,0337%	0,007%	clorofilă
paisprezece	Siliciu	0,003%	douazeci la suta	<0,0001%	0,0058%	biomineralizare
9	Fluor	<0,0001%	0,059%	<0,0001%	0,0012%	fluorapatită ( smalțul dinților )
26	Fier	0,002%	2,3%	<0,0001%	0,00067%	hemoglobină , citocromi
treizeci	Zinc	<0,0001%	0,0025%	<0,0001%	0,00032%	proteine deget de zinc

Înlocuirea carbonului

Oamenii de știință au vorbit mult despre posibilitatea de a construi molecule organice cu ajutorul altor atomi, dar nimeni nu a propus o teorie care să descrie posibilitatea recreării întregii varietăți de compuși necesari existenței vieții.

Siliciu și oxigen

Printre cei mai probabili candidați pentru rolul unui atom care formează structura în biochimia alternativă este siliciul . Este în același grup al sistemului periodic cu carbonul, proprietățile lor sunt în mare măsură similare. La fel ca și carbonul, siliciul poate crea molecule suficient de mari pentru a transporta informații biologice [8] . Cu toate acestea, atomul de siliciu are o masă și o rază mai mare . Formarea de legături covalente duble sau triple de către siliciu este relativ dificilă, ceea ce poate interfera cu formarea biopolimerilor . Siliciul, spre deosebire de carbon, nu are capacitatea de a forma legături chimice cu diferite tipuri de atomi, ceea ce este necesar pentru versatilitatea chimică necesară pentru metabolism și, totuși, această incapacitate este cea care face siliciul mai puțin susceptibil la legarea cu tot felul de impurități. Elementele care formează grupări funcționale organice cu carbon includ hidrogen, oxigen, azot, fosfor, sulf și metale precum fierul, magneziul și zincul. Siliciul, pe de altă parte, interacționează cu foarte puține alte tipuri de atomi. Compușii de siliciu nu pot fi la fel de diverși ca compușii de carbon. [opt]

Acest lucru se datorează faptului că atomii de siliciu sunt mult mai mari, au o masă și o rază atomică mare și, prin urmare, formează cu greu legături duble (carbonul cu dublu legătură face parte din grupa carbonil, motivul fundamental al compușilor bioorganici pe bază de carbon).

Un avantaj care ar putea duce la existența unor variante de biochimie pe bază de siliciu îl reprezintă zeoliții săi , compuși care sunt utilizați în chimie și pot filtra și cataboliza substanțele într-un mod similar cu enzimele pe bază de carbon. Mecanismele de bază ale vieții pe planeta noastră sunt posibile datorită enzimelor - catalizatori cu purtătorii lor corespunzători (proteine). [9] În timpul evoluției biosferei, s-a format o întreagă colecție a acestora, fiecare fiind specializată într-o funcție, precum hemoglobina , care este responsabilă de schimbul de oxigen, sau ferredoxina , a cărei misiune este să transporte electroni. Ideea originală a fost înlocuirea acestor enzime cu molecule pe bază de siliciu. Aceste materiale sunt un tip de argilă care au o structură moleculară sub forma unei rețele tridimensionale formate din tetraedre și conectate între ele. Această rețea are pori și cavități de dimensiune moleculară, așa că doar acele molecule care sunt suficient de mici le pot traversa. De aceea sunt numite și site moleculare . Zeoliții au un număr mare de asemănări structurale cu proteinele naturale. Prin exploatarea acestor asemănări, se pot forma diferiți catalizatori care combină caracteristicile de stabilitate și stabilitate chimică ale zeoliților cu selectivitatea ridicată și activitatea moleculară a enzimelor. Zeoliții capabili să simuleze comportamentul hemoglobinei, citocromului P450 și proteinei fier-sulf au fost obținuți la Departamentul Central de Cercetare și Dezvoltare al DuPont . ${\ce {SiO4)}$ ${\ce {AlO4}}$

La fel ca carbonul, siliciul poate forma patru legături stabile cu el însuși și cu alte elemente, precum și lanțuri chimice lungi cunoscute sub numele de polimeri silan, care sunt foarte asemănătoare cu hidrocarburile necesare vieții pe Pământ. Siliciul este mai reactiv decât carbonul, ceea ce îl face optim pentru condiții extrem de reci. [10] [11] Compușii de siliciu pot fi utili din punct de vedere biologic la alte temperaturi sau presiuni decât cele de la suprafața Pământului, într-un rol (sau combinație) care este mai puțin direct analog cu carbonul. Polisilanolii , ca și zaharurile , sunt solubili în azot lichid, ceea ce sugerează că pot juca un rol în biochimie la temperaturi foarte scăzute. Silanii - compuși ai siliciului și hidrogenului , similari cu alcanii , sunt mai puțin stabili decât hidrocarburile. Silanii ard spontan într-o atmosferă care conține oxigen la temperaturi relativ scăzute, astfel încât o atmosferă de oxigen poate fi letală pentru viața pe bază de siliciu. Pe de altă parte, merită luat în considerare faptul că alcanii tind să fie destul de inflamabili, dar viața pe bază de carbon de pe Pământ nu stochează energia direct sub formă de alcani, ci sub formă de zaharuri, lipide, alcooli și alți compuși de hidrocarburi cu proprietăți complet diferite. Apa ca solvent va reacționa și cu silanii. Dar, din nou, acest lucru contează doar dacă, din orice motiv, silanii sunt utilizați sau produși în masă de astfel de organisme.

În același timp, siliconii - polimerii , inclusiv lanțurile alternanți de siliciu și atomi de oxigen, sunt mai rezistenți la căldură. Pe această bază, se presupune că viața din siliciu poate exista pe planete cu o temperatură medie semnificativ mai mare decât cea a Pământului. În acest caz, rolul solventului universal ar trebui să fie jucat nu de apă , ci de compuși cu un punct de fierbere mult mai mare.

Deci, de exemplu, se presupune că compușii de siliciu vor fi mai stabili decât moleculele de carbon într-un mediu cu acid sulfuric , adică în condiții care pot exista pe alte planete [12] . În general, moleculele complexe cu un lanț de siliciu-oxigen sunt mai puțin stabile decât omologii lor carbon-oxigen. Hidrocarburile și compușii organici sunt abundenți în meteoriți, comete și nori interstelari, în timp ce omologii lor de siliciu nu au fost niciodată găsiți în natură. Siliciul, cu toate acestea, formează polimeri complecși uni, bidimensionali și tridimensionali în care atomii de oxigen formează punți între atomii de siliciu. Se numesc silicati. Ele sunt persistente și comune pe Pământ și au fost propuse ca bază pentru o formă de evoluție precarbonică pe Pământ.

Dioxidul de siliciu (componenta principală a nisipului), care este un analog al dioxidului de carbon , este o substanță solidă, ușor solubilă. Acest lucru creează dificultăți pentru intrarea siliciului în sistemele biologice bazate pe soluții apoase, chiar dacă existența moleculelor biologice pe baza acestuia se dovedește a fi posibilă. Situația este similară cu plantele terestre existente. De exemplu, orezul este capabil să stocheze până la 10% siliciu în funcție de greutatea uscată a lăstarilor, care este în intervalul sau chiar mai mare decât nivelurile de macronutrienți cheie, cum ar fi azotul, fosfatul și potasiul. Recent, au fost identificați doi transportatori (Lsi1 și Lsi2) care sunt responsabili pentru capacitatea mare de absorbție a siliciului a orezului [13] . Lsi1 aparține subgrupului de acvaporine a proteinelor intrinseci nodulin-26 (NIP III) și este un transportor de acid silicic [14] . Ca și alți macronutrienți, siliciul nu este disponibil pentru plante, fiind insolubil în apă. Cu toate acestea, plantele, ca și în cazul azotului, folosesc bio îngrășăminte naturale - de exemplu. bacterii fixatoare de azot, care transformă azotul atmosferic într-o stare legată, făcându-l disponibil pentru consum de către plante și cu care plantele sunt adesea în simbioză. Organismele pe bază de siliciu, dacă respiră oxigen, sunt susceptibile să emită dioxid de siliciu ( ) ca produs secundar, similar modului în care organismele pe bază de carbon emit dioxid de carbon - . Cu toate acestea, spre deosebire de dioxid de carbon, dioxidul de siliciu ar fi în stare solidă și, prin urmare, ar putea înfunda căile respiratorii cu nisip. Cu toate acestea, ne putem imagina organe excretoare comparabile cu rinichii , care, în cazul acestei biochimie ipotetice, îndepărtează un fel de gel de silice din organism . Într-adevăr, compușii de azot de la animale sunt eliminați ca deșeuri, în principal sub formă de uree. Sau compușii silicați pot fi excretați în formă solidă, deoarece unele șopârle deșertului excretă acid uric prin nări [comm. 1] . Dioxidul de siliciu (având în vedere impuritățile care sunt întotdeauna prezente în țesuturile vii și probabil previn cristalizarea) se află într-o stare agregată de la lichid la așa-numitul sticlos , prin urmare, devine cu cât mai subțire, cu atât temperatura este mai mare. Apoi, viața siliciului poate consta dintr-o topire a „moleculelor biologice de siliciu” în dioxid de siliciu într-un interval larg de temperatură. ${\ce {SiO2)}$ ${\ce {CO2}}$

Cu toată varietatea de molecule care au fost găsite în mediul interstelar , 84 au la bază carbon și doar 8 au la bază siliciu [15] . Mai mult, din acești 8 compuși, 4 includ carbon. (Acest lucru indică indirect o mică posibilitate a unei variante intermediare - siliciu-carbon - a biochimiei.) Raportul aproximativ dintre carbonul cosmic și siliciul cosmic este de 10 la 1. Acest lucru sugerează că compușii complecși de carbon sunt mai des întâlniți în Univers , reducând șansa de formare a vieții pe bază de siliciu, cel puțin în condițiile la care se poate aștepta pe suprafețele planetelor cu condiții similare cu cele ale Pământului.

Pământul, ca și alte planete terestre , are mult siliciu și foarte puțin carbon. Cu toate acestea, viața terestră a evoluat pe baza carbonului. Acest lucru sugerează că carbonul este mai potrivit pentru formarea proceselor biochimice pe planete precum a noastră. Rămâne posibilitatea ca, în alte combinații de temperatură și presiune, siliciul să fie implicat în formarea moleculelor biologice ca înlocuitor pentru carbon.

Chimiștii au lucrat neobosit pentru a crea noi compuși ai siliciului de când Frederic Stanley Kipping ( 1863-1949 ) a arătat că se pot produce într-adevăr mai mulți compuși interesanți . Cel mai înalt premiu internațional în domeniul chimiei siliciului se numește premiul Kipping . Dar, în ciuda anilor de muncă - și în ciuda tuturor reactivilor disponibili pentru oamenii de știință moderni - mulți analogi de siliciu ai compușilor de carbon pur și simplu nu pot fi fabricați. Datele termodinamice confirmă faptul că acești analogi sunt adesea prea instabili sau prea reactivi.

Silice în mare și apă dulce

Siliciul este prezent în apă sub formă de acid silicic:

${\ce {{SiO2}+ 2{H2O}-> {Si(OH)4)))$ , sau . ${\ce {{SiO2}+ {H2O}-> {H2SiO3}))$

Cu o creștere a concentrației soluției la un pH mai mic de 9 sau cu o scădere a pH-ului unei soluții saturate, acidul silicic precipită sub formă de silice amorfă. Deși siliciul este unul dintre cele mai abundente elemente din scoarța terestră, disponibilitatea lui la diatomee este limitată de solubilitatea sa. Conținutul mediu de siliciu în apa de mare este de aproximativ 6 ppm . Diatomeele marine epuizează rapid rezervele de silice dizolvată din apa de suprafață, iar acest lucru limitează reproducerea lor ulterioară.

Trebuie remarcat faptul că compușii de siliciu (în special dioxidul de siliciu) sunt utilizați de unele organisme de pe Pământ. Dintre acestea, diatomeele își formează învelișul , obținând siliciu din apă. Radiolarii , unii bureți și plantele sunt, de asemenea, folosiți ca material structural pentru compușii de siliciu . Siliciul face, de asemenea, parte din țesutul conjunctiv uman .

Pe 25 noiembrie 2016, în revista Science , cercetătorii au raportat [16] că au descoperit proteine găsite în mod obișnuit în bacteriile de izvoare termale islandeze care pot forma molecule legate de carbon-siliciu în celulele vii. „Ceea ce există în natură este deja gata să creeze această chimie complet nouă și o face relativ bine”, spune coautorul Francis Arnold , inginer chimist la Institutul de Tehnologie din California din Pasadena. „Acest lucru deschide calea spre a produce compuși pe care natura nu i-a mai făcut niciodată. În curând vom putea afla ce costuri și beneficii aduc biosistemelor vii.” „Nu este în niciun caz un înlocuitor identic”, spune Arnold. „Viața în condiții normale pe această planetă probabil nu ar funcționa cu siliciu. Probabil, am putea crea componente ale vieții care includ siliciu - poate grăsime de siliciu sau proteine care conțin siliciu - și să ne întrebăm cum este viața legată de asta?... Oferă noi funcții pe care viața nu le avea înainte?

Tot în noiembrie 2016, s-a anunțat că aceeași echipă de oameni de știință a „crescut” o proteină bacteriană care poate crea legături artificiale siliciu-carbon. „Am decis să facem natura să facă ceea ce numai chimiștii pot face, doar mai bine”, spune Francis Arnold. Acest studiu este, de asemenea, primul care arată că natura se poate adapta pentru a încorpora siliciu în moleculele pe bază de carbon, elementele de bază ale vieții. „Niciun organism viu nu poate ține împreună legături siliciu-carbon, deși există atât de mult siliciu în jurul nostru”, spune Jennifer Kahn, cercetător la laboratorul lui Arnold. Cercetătorii au folosit o metodă numită evoluție direcționată, lansată de Arnold la începutul anilor 1990, în care enzime noi și mai bune sunt create în laboratoare prin selecție artificială, la fel ca modul în care crescătorii modifică porumbul. Enzimele sunt o clasă de proteine care catalizează sau facilitează reacțiile chimice. Procesul dirijat al evoluției începe cu o enzimă pe care oamenii de știință doresc să o îmbunătățească. ADN-ul care codifică enzima este mutat mai mult sau mai puțin aleatoriu și enzimele rezultate sunt testate pentru trăsătura dorită. Cea mai eficientă enzimă este apoi mutată din nou, iar procesul se repetă până când se creează o enzimă care are performanțe mult mai bune decât originalul.

Candidatul ideal s-a dovedit a fi o proteină dintr-o bacterie care crește în izvoarele termale ale Islandei. Această proteină, numită citocrom c, donează în mod normal electroni altor proteine, dar cercetătorii au descoperit că acționează și ca o enzimă, creând legături siliciu-carbon la niveluri scăzute. Oamenii de știință au mutat apoi ADN-ul care codifică această proteină într-o regiune care definește porțiunea care conține fier a proteinei, despre care se crede că este responsabilă pentru activitatea sa de legare siliciu-carbon. Apoi au testat aceste enzime mutante pentru capacitatea lor de a crea compuși organosilici mai buni decât cei inițiali.

În doar trei seturi de teste, au creat o enzimă care poate crea selectiv legături siliciu-carbon de 15 ori mai eficient decât cel mai bun catalizator inventat de chimiști. În ceea ce privește întrebarea dacă viața ar putea evolua pentru a folosi siliciul de la sine, Arnold spune că depinde de natură. „Acest studiu arată cât de repede se poate adapta natura la noile provocări”, spune ea. „Mecanismul catalitic codificat de ADN al celulei poate învăța rapid să stimuleze noi reacții chimice dacă oferim noi reactivi și un stimul adecvat sub formă de selecție artificială. Natura ar putea să o facă singură dacă i-ar plăcea.” [17]

Azot și fosfor

Azotul și fosforul sunt considerați alți concurenți pentru rolul de bază pentru moleculele biologice. Ca și carbonul, fosforul poate forma lanțuri de atomi, care, în principiu, ar putea forma macromolecule complexe dacă nu ar fi atât de activ . Cu toate acestea, în complexul cu azot, se pot forma legături covalente mai complexe, ceea ce face posibilă formarea unei game largi de molecule, inclusiv structuri inelare.

În atmosfera Pământului, azotul este de aproximativ 78%, cu toate acestea, din cauza inerției azotului diatomic, „prețul” energetic al formării unei legături trivalente este prea mare. În același timp, unele plante pot fixa azotul din sol în simbioză cu bacteriile anaerobe care trăiesc în sistemul lor radicular. Dacă în atmosferă există o cantitate semnificativă de dioxid de azot sau amoniac , disponibilitatea azotului va fi mai mare. În atmosfera altor planete, în plus, pot exista și alți oxizi de azot .

La fel ca plantele de pe Pământ (cum ar fi leguminoasele ), formele de viață extraterestre ar putea absorbi azotul din atmosferă. În acest caz, s- ar putea forma un proces similar cu fotosinteza , când energia celei mai apropiate stele ar fi cheltuită pentru formarea analogilor de glucoză cu eliberarea de oxigen în atmosferă. La rândul său, viața animală deasupra plantelor din lanțul trofic ar absorbi nutrienții din acestea, eliberând dioxid de azot în atmosferă și compuși ai fosforului în sol.

Într -o atmosferă de amoniac , plantele cu molecule pe bază de fosfor și azot ar obține compuși de azot din atmosfera din jurul lor și fosfor din sol. În celulele lor, amoniacul ar fi oxidat pentru a forma analogi de monozaharide , hidrogenul ar fi eliberat ca produs secundar. În acest caz, animalele vor inspira hidrogen, împărțind analogii polizaharidelor în amoniac și fosfor, adică lanțurile energetice s-ar forma în sens invers față de cele existente pe planeta noastră (am avea metan în loc de amoniac în acest caz ) .

Dezbaterea pe această temă este departe de a fi încheiată, întrucât unele etape ale ciclului bazat pe fosfor și azot sunt deficitare energetice. De asemenea, pare discutabil faptul că în Univers rapoartele acestor elemente apar în proporția necesară pentru apariția vieții.

Azot și bor

Atomii de azot și bor , care se află într-o „legătură”, imită într-o anumită măsură legătura „carbon-carbon”. Deci, este cunoscut borazolul , care uneori este numit „ benzen anorganic ” (ar fi mai corect să-l numim „benzen fără carbon”). Dar totuși, pe baza unei combinații de bor cu azot, este imposibil să se creeze toată varietatea de reacții chimice și compuși cunoscuți în chimia carbonului. Cu toate acestea, nu poate fi exclusă complet posibilitatea fundamentală a unei astfel de înlocuiri sub forma unor fragmente separate de biomolecule artificiale (sau extraterestre). ${\ce {B3N3H6}}$

Azot și hidrogen

La presiune foarte mare (~460 GPa ), compușii de azot și hidrogen sunt din punct de vedere chimic și mai diverși decât hidrocarburile, ceea ce deschide perspective pentru existența derivaților lor mai diversi și mai numeroși decât toți compușii organici existenți și, eventual, chiar viața, construită pe alternative. chimia azoto-hidrogenului. Condiții potrivite pentru existența biochimiei azoto-hidrogenului pot fi găsite în interiorul planetelor gigantice , care conțin cantități uriașe de azot și hidrogen sub o asemenea presiune [18] [19] .

Înlocuirea fosforului

În decembrie 2010, Felisa Wolfe-Simon , cercetător de la NASA Astrobiology Research , a raportat descoperirea bacteriei GFAJ-1 din genul Halomonadaceae , capabilă să înlocuiască fosforul cu arsen în anumite condiții [20] [21] [22] .

Arsenicul, care este similar din punct de vedere chimic cu fosforul, deși otrăvitor pentru majoritatea formelor de viață de pe Pământ, este inclus în biochimia unor organisme. Unele alge marine încorporează arsenul în molecule organice complexe, cum ar fi arsenozaharurile și arsenobetainele. Ciupercile și bacteriile pot produce compuși volatili ai arsenului metilat. Reducerea arseniatului și oxidarea arsenitului au fost observate la microbi ( Chrysiogenes arsenatis ). În plus, unele procariote pot folosi arseniatul ca acceptor terminal de electroni în timpul creșterii anaerobe, iar unii pot folosi arsenitul ca donor de electroni pentru generarea de energie.

S-a sugerat că cele mai timpurii forme de viață de pe Pământ ar fi putut folosi biochimia arsenului în loc de fosfor în structura ADN-ului lor. O obiecție generală la acest scenariu este că esterii de arseniat sunt atât de mai puțin rezistenți la hidroliză decât esterii de fosfat corespunzători, încât arsenul pur și simplu nu este potrivit pentru această funcție.

Autorii unui studiu geomicrobiologic din 2010 susținut parțial de NASA au sugerat că o bacterie, numită GFAJ-1, colectată din sedimentele lacului Mono din estul Californiei, ar putea folosi un astfel de „ADN de arsenic” atunci când este cultivată fără fosfor. Ei au emis ipoteza că bacteria poate folosi niveluri ridicate de poli-β-hidroxibutirat sau alte mijloace pentru a reduce concentrația efectivă de apă și pentru a stabiliza esterii arseniați. Această ipoteză a fost puternic criticată aproape imediat după publicare pentru presupusa lipsă de controale experimentale adecvate. Scriitorul de știință Carl Zimmer a contactat mai mulți oameni de știință pentru o evaluare: „Am contactat o duzină de experți... Aproape unanim, ei cred că oamenii de știință de la NASA nu au reușit să-și susțină opinia”. Alți autori nu au putut să-și reproducă rezultatele și au arătat că studiul a avut probleme cu contaminarea cu fosfat, sugerând că cantitățile scăzute prezente pot susține forme de viață extremofile. Alternativ, s-a propus ca celulele GFAJ-1 să crească prin reciclarea fosfatului din ribozomi degradați, mai degrabă decât prin înlocuirea acestuia cu arseniat. Rezultatele experimentatorilor ulterioare au infirmat teoria includerii arsenului în ADN [23] [24] .

Membru de onoare al Fundației pentru Evoluția Moleculară Aplicată (SUA), Steven Benner, a menționat în discursul său la o conferință de presă la sediul NASA că, deși arsenul seamănă cu fosforul în chimia sa, este totuși încorporat în structura ADN-ului și ARN-ul este " verigă slabă” deoarece legăturile chimice pe care le formează se rup ușor datorită reactivității ridicate a atomului de arsen.

În același timp, reactivitatea crescută a arsenicului, care afectează negativ stabilitatea moleculelor biologice la temperatura camerei, poate fi utilă dacă molecula biologică trebuie să își îndeplinească funcțiile la temperaturi scăzute, cum ar fi, de exemplu, pe luna lui Saturn Titan.

Teoriile despre posibilitatea vieții pe Titan au fost prezentate în 2005 pe baza observațiilor recente, cu toate acestea, Titanul este mult mai rece decât Pământul , așa că nu există apă lichidă pe suprafața sa . Cu toate acestea, pe de altă parte, există lacuri de metan lichid și etan pe Titan , precum și râuri și mări întregi din ele, în plus, pot cădea sub formă de precipitații, ca ploaia din apa de pe Pământ . Unele modele științifice arată că Titan poate susține viața fără apă ( vezi ), deși nu toți oamenii de știință sunt de acord cu aceste teorii, deoarece ele sunt încă subiectul multor discuții și dezbateri în comunitatea științifică, inclusiv în NASA [ 25] [26 ] ] [27] .

Lumea PNK

O ipoteză pentru originea vieții sugerează că viața originală de pe Pământ s-ar fi putut baza pe PNA (acizi nucleici peptidici) și că „lumea PNA” a fost transformată mai târziu într-o „ lume ARN ”. Principalele argumente sunt stabilitatea chimică și simplitatea mai mare a PNA în comparație cu ARN, ceea ce ar permite PNA să se dezvolte și să supraviețuiască în condiții prebiotice primitive. În același timp, PNA poartă informațiile necesare sub formă de nucleotide. Cu toate acestea, o lacună majoră în această teorie este lipsa moleculelor de PNA cu activitate catalitică care ar permite replicarea PNA.

Schimbarea apei

Pe lângă compușii de carbon, toată viața terestră cunoscută în prezent necesită și apă ca solvent. Diferitele proprietăți ale apei care sunt importante pentru procesele de viață includ intervalul larg de temperatură la care este lichidă, o capacitate ridicată de căldură care ajută la reglarea temperaturii, o căldură mare de vaporizare și capacitatea de a dizolva o gamă largă de compuși. Apa este, de asemenea , amfoteră , ceea ce înseamnă că poate dona sau accepta un proton, permițându-i să acționeze ca acid sau bază. Această proprietate este critică în multe reacții organice și biochimice în care apa servește ca solvent, reactant sau produs. Există și alte substanțe chimice cu proprietăți similare care uneori au fost propuse ca alternative la apă. Apa este lichidă la o presiune de 1 atm. în intervalul de la 0 °C la 100 °C, dar există și alți solvenți, precum acidul sulfuric , care rămân în stare lichidă până la o temperatură de 200 °C sau mai mult [28] .

Amoniac

Amoniacul este adesea considerat ca fiind cel mai probabil (după apă) solvent pentru originea vieții pe oricare dintre planete. La o presiune de 100 kPa (1 atm.), Se află în stare lichidă la temperaturi de la -78 la -33 ° C. Molecula de amoniac ( ), ca și molecula de apă, este larg răspândită în univers, fiind o combinație de hidrogen (cel mai simplu și mai comun element) cu un alt element foarte comun, azotul. Posibilul rol al amoniacului lichid ca solvent alternativ pentru viață este o idee care datează cel puțin din 1954, când J. B. S. Haldane a ridicat subiectul la un simpozion despre originea vieții. ${\ce {NH3)}$

Numeroase reacții chimice sunt posibile în soluția de amoniac, iar amoniacul lichid este similar din punct de vedere chimic cu apa. Amoniacul poate dizolva majoritatea moleculelor organice cel puțin la fel de bine ca și apa și, de asemenea, poate dizolva multe metale elementare. Haldane a remarcat că diverși compuși organici comuni asociați cu apa au analogi asociați cu amoniacul; de exemplu, o grupare amino legată de amoniac ( ) este analogă cu o grupare hidroxil legată de apă ( ). ${\ce {-NH2)}$ ${\ce {-OH)}$

Amoniacul, precum apa, poate accepta sau dona un ion . Când amoniacul primește , formează un cation de amoniu ( ), analog hidroniului ( ). Când donează un ion , formează un anion amidă ( ), analog cu un anion hidroxid ( ). Totuși, în comparație cu apa, amoniacul este mai probabil să accepte un ion și mai puțin probabil să doneze unul; este un nucleofil mai puternic . Amoniacul adăugat în apă acționează ca o bază Arrhenius : crește concentrația anionului hidroxid. În schimb, folosind un sistem de determinare a acidității și bazicității într-un sistem de solvent, apa adăugată la amoniacul lichid acționează ca un acid , deoarece crește concentrația cationului de amoniu. Gruparea carbonil ( ), care este utilizată pe scară largă în biochimia terestră, nu va fi stabilă în soluția de amoniac, dar poate fi utilizată în schimb grupa imină analogă ( ). ${\ce {H^+)}$ ${\ce {H^+)}$ ${\ce {NH4^+)}$ ${\ce {H3O^+)}$ ${\ce {H^+)}$ ${\ce {NH2^-}}$ ${\ce {OH^-}}$ ${\ce {H^+)}$ ${\ce {C=O}}$ ${\ce {C=NH}}$

Cu toate acestea, amoniacul are unele probleme ca bază pentru viață. Legăturile de hidrogen dintre moleculele de amoniac sunt mai slabe decât în apă, ceea ce duce la faptul că căldura de vaporizare a amoniacului este jumătate din cea a apei, iar tensiunea superficială este de până la o treime, iar capacitatea de a concentra molecule nepolare datorită scade si efectul hidrofob. Gerald Feinberg și Robert Shapiro s-au întrebat dacă amoniacul ar putea reține suficient de bine moleculele prebiotice pentru a permite apariția unui sistem de auto-replicare. De asemenea, amoniacul se aprinde în oxigen și nu poate exista în mod durabil într-un mediu potrivit pentru metabolismul aerob. Amoniacul lichid seamănă cu apa într-o serie de proprietăți, dar trebuie remarcat că atunci când îngheță, amoniacul solid nu plutește, ci se scufundă (spre deosebire de gheața de apă ).

Prin urmare, oceanul, format din lichid , va îngheța ușor până la fund. În plus, alegerea amoniacului ca solvent elimină beneficiile utilizării oxigenului ca agent biologic. Totuși, acest lucru nu exclude posibilitatea apariției unei vieți alternative pe planetele unde amoniacul este amestecat cu apă [29] . O biosferă pe bază de amoniac este probabil să existe la temperaturi sau presiuni ale aerului care sunt extrem de neobișnuite pentru viața de pe Pământ. Viața pe Pământ există de obicei în punctul de topire și fierbere al apei la presiune normală, între 0 °C (273 K) și 100 °C (373 K); la presiune normală, punctul de topire și de fierbere al amoniacului este de la -78 °C (195 K) la -33 °C (240 K). Reacțiile chimice decurg în general mai lent la temperaturi mai scăzute. Prin urmare, viața pe bază de amoniac, dacă există, se poate metaboliza mai lent și se poate dezvolta mai lent decât viața de pe Pământ. [30] Pe de altă parte, temperaturile mai scăzute pot permite sistemelor vii să folosească substanțe chimice care ar fi prea instabile la temperaturile Pământului pentru a fi utile. [31] ${\ce {NH3)}$

Amoniacul poate fi un lichid la temperaturi similare cu cele ale Pământului, dar la presiuni mult mai mari; de exemplu, la 60 atm amoniacul se topește la -77°C (196 K) și fierbe la 98°C (371 K). [32]

Amestecurile de amoniac și apă rămân lichide la temperaturi cu mult sub punctul de îngheț al apei pure, astfel încât o astfel de biochimie ar putea fi potrivită pentru planetele și lunile care orbitează în afara zonei de locuit pe bază de apă . Astfel de condiții pot exista, de exemplu, sub suprafața celei mai mari luni ale lui Saturn , Titan . [33]

Fluorura de hidrogen

Fluorura de hidrogen seamănă cu apa într- o serie de proprietăți . Deci, este, de asemenea, capabil să formeze legături de hidrogen intermoleculare. Cu toate acestea, trebuie avut în vedere faptul că există 10.000 de atomi de oxigen per 1 atom de fluor în universul observabil , așa că este dificil de imaginat condiții pe orice planetă care ar favoriza formarea unui ocean format din , și nu din . ${\ce {HF)}$ ${\ce {H2O}}$

Un alt argument puternic împotriva acestei posibilități este că suprafața solidă a majorității planetelor (care au una), cu excepția unor planete ipotetice exotice ( planeta de fier, planetă de carbon ), este formată din dioxid de siliciu și aluminosilicați , cu care fluorura de hidrogen reacționează prin reacţie:

{\ce {SiO2 + 6HF ->}}

{\ce {H2SiF6}}

{\ce {+ 2H2O})

Cianură de hidrogen

Acidul cianhidric este, de asemenea, capabil să formeze legături de hidrogen, dar, spre deosebire de acesta, este format din elemente larg distribuite în Univers. Mai mult, se crede că acest compus a jucat un rol semnificativ în chimia prebiologică a Pământului - de exemplu, în formarea de aminoacizi , nucleotide și alte componente ale „ supei primordiale ”. $\mathrm {HCN}$ ${\ce {HF)}$

Cu toate acestea, cianura de hidrogen nu este un solvent potrivit pentru viața alternativă, fie și numai pentru că compusul este instabil termodinamic. Deci, cianura de hidrogen lichidă este rapid rășinificată, mai ales în prezența catalizatorilor (care pot fi acizi , baze , argilă și multe roci ), iar uneori descompunerea are loc cu o explozie . Din aceste motive, nu este capabil să formeze un ocean pe nicio planetă. ${\ce {HCN})$ ${\ce {HCN})$

Metan și etan

Viața poate exista în metanul și etanul lichid de pe suprafața Titanului, care au formă de râuri și lacuri, la fel ca organismele de pe Pământ trăiesc în apă. Astfel de creaturi ar folosi în loc de și ar reacționa cu acetilena în loc de glucoză și ar produce mai degrabă metan decât dioxid de carbon . Există o dezbatere despre eficiența metanului ca solvent pentru viață în comparație cu apa: apa este un solvent mai puternic decât metanul, ceea ce îi permite să transporte materia în celulă mai ușor, dar reactivitatea chimică mai scăzută a metanului îi permite să se formeze mai ușor. structuri mari, cum ar fi proteinele și altele asemenea. ${\ce {H2)}$ ${\ce {O2}}$

O altă sugestie este că organismele care trăiesc în metan lichid sau etan pot folosi diferiți compuși ca solvent. De exemplu, fosfină ( ) și compuși simpli ai fosforului și hidrogenului. La fel ca apa și amoniacul, fosfina are o polaritate, dar există ca lichid la temperaturi mai scăzute decât amoniacul sau apa. În etanul lichid, fosfina este sub formă de picături individuale, ceea ce înseamnă că structurile asemănătoare celulelor ar putea exista fără membrane celulare. ${\ce {PH3)}$

Azotozom

O membrană celulară ipotetică, numită azotozom, capabilă să funcționeze în metan lichid în condițiile Titanului, a fost simulată (pe computer) într-o lucrare publicată în februarie 2015. Se crede că este compus din acrilonitril , o moleculă mică care conține carbon, hidrogen și azot și este stabil și rezistent. Flexibilitatea metanului lichid este comparabilă cu flexibilitatea unui dublu strat fosfolipidic (tipul de membrană celulară pe care o are toată viața de pe Pământ) în apa lichidă. Analiza datelor obținute cu ajutorul Atacama Large Millimeter Array , finalizată în 2017, a confirmat prezența unei cantități semnificative de acrilonitril în atmosfera lui Titan.

Tetraclorura de titan

Un posibil solvent într-un mediu anhidru poate fi tetraclorura de titan. Avantajul său important este polaritatea. În același timp, intervalul său de temperatură al stării lichide de agregare este aproape de două ori mai larg decât cel al apei.

Înlocuirea oxigenului

O caracteristică interesantă a acidului sulfuric este că devine acid doar în prezența apei. Dar apa în procesul de polimerizare a moleculelor de zahăr și aminoacizi nu va fi eliberată dacă atomii de sulf sunt în locul atomilor de oxigen din moleculele organice. Astfel de organisme „sulfuroase” trebuie să existe la o temperatură vizibil mai mare și în ocean din oleum (acid sulfuric anhidru). Astfel de condiții există pe Venus . Deoarece oxigenul molecular, care ar putea forma un strat de ozon care protejează de radiațiile ultraviolete , nu se formează, acest lucru creează dificultăți vieții să ajungă pe pământ. Acest lucru poate explica faptul că viața pe Venus nu a fost încă găsită, deși există dovezi indirecte - prezența în aceleași regiuni și , care nu pot coexista dacă cineva sau ceva nu le produce în mod constant [34] . Ultimele date au relevat și un strat subțire de ozon pe Venus, care, conform oamenilor de știință, se formează din dioxidul de carbon din atmosfera superioară sub influența luminii solare [35] . ${\ce {H2S}}$ ${\ce {SO2)}$

Teoretic, este posibilă înlocuirea oxigenului cu alți calcogeni , dar pentru existența vieții bazate pe aceștia, aceste elemente sunt extrem de rare. De asemenea, este de remarcat faptul că organismele anaerobe sunt cunoscute că folosesc alte elemente ca acceptor de electroni.

Proteine sanguine alternative

Cea mai puțin vizibilă, dar cea mai studiată dintre aceste modificări este utilizarea metaloproteinelor alternative pentru transportul oxigenului în sânge. Chiar și biosfera Pământului poate folosi nu numai hemoglobina , ci și hemocianina (pe bază de cupru ), hemeritrina (o proteină organoiron cu o structură foarte diferită), coboglobină (pe bază de cobalt, obținută în laborator), pinnaglobină (pe bază de mangan) și altele.

Organismele care nu folosesc oxigen pentru respirație ar folosi, fără îndoială, alți compuși de transport.

„Lumea oglinzilor”

În natura vie a Pământului, toți aminoacizii au o configurație L , iar carbohidrații au o configurație D, cu excepția cazurilor extrem de rare, de exemplu, elemente ale învelișului agentului patogen antrax . În principiu, ne putem imagina o „lume oglindă” în care organismele vii au aceeași bază biochimică ca pe Pământ, cu excepția simetriei sale complete în oglindă : într-o astfel de lume, viața s-ar putea baza pe D-aminoacizi și L-carbohidrați. O astfel de posibilitate nu contrazice nici una dintre legile naturii cunoscute în prezent.

Unul dintre paradoxurile unei astfel de lumi ipotetice este faptul că, ajungând într-o astfel de lume (care este o copie în oglindă a Pământului), o persoană ar putea muri de foame, în ciuda abundenței de hrană din jur [36] :13 . În plus, consumul de molecule „oglindă” poate provoca otrăvire [36] :12-13 .

Moduri de viață nechimice

În Evolving the Alien , biologul Jack Cohen și matematicianul Ian Stewart susțin că astrobiologia bazată pe ipoteza unică a Pământului este „limitată și plictisitoare”. Ei au sugerat că planetele asemănătoare Pământului ar putea fi rare, dar formele de viață complexe ar putea apărea în alte medii.

Idei și mai speculative se referă la posibilitatea vieții pe corpuri complet diferite decât planetele asemănătoare Pământului. Astronomul Frank Drake , un cunoscut susținător al căutării vieții extraterestre, a propus viața pe stele neutronice : creaturi cu un ciclu de viață de milioane de ori mai rapid decât cel al organismelor terestre, constând din „molecule nucleare” ultra-mici [37] . Denumită „fantastic și viclean”, această idee a devenit larg răspândită în science fiction [38] . Carl Sagan în 1976 a luat în considerare posibilitatea existenței unor organisme care zboară în atmosfera superioară a lui Jupiter [39] [40] . Cohen și Stewart au luat în considerare și posibilitatea vieții în atmosferele giganților gazosi și chiar pe Soare.

Unii filozofi , de exemplu, Tsiolkovsky , credeau că viața poate lua forma unor plasmoizi capabili să își mențină forma și să se auto-reproducă în anumite condiții , al căror prototip este fulgerul cu minge . Recent, datorită modelării computerizate , posibilitatea existenței formelor de viață plasmatice a primit o oarecare justificare teoretică [41] .