Hypotetické typy biochemie - Hypothetical types of biochemistry

Falešná barva radarové mozaiky Cassini severní polární oblasti Titanu; modré oblasti jsou jezera kapalných uhlovodíků.
„Existence jezer kapalných uhlovodíků na Titanu otevírá možnost pro rozpouštědla a zdroje energie, které jsou alternativami k těm v naší biosféře a které by mohly podporovat nové formy života zcela odlišné od těch na Zemi.“ - NASA Astrobiology Roadmap 2008

Hypotetické typy biochemie jsou formy biochemie, které byly dohodnuty jako vědecky životaschopné, ale neprokázaly, že v současné době existují. Druhy živých organismů, které jsou v současné době na Zemi známy, všechny používají sloučeniny uhlíku pro základní strukturální a metabolické funkce, vodu jako rozpouštědlo a DNA nebo RNA k definování a ovládání jejich formy. Pokud existuje život na jiných planetách nebo měsících , může být chemicky podobný, i když je také možné, že existují organismy se zcela odlišnými chemickými složkami - například zahrnující jiné třídy sloučenin uhlíku, sloučeniny jiného prvku nebo jiné rozpouštědlo místo vody .

Možnost, že by formy života vycházely z „alternativních“ biochemií, je tématem probíhající vědecké diskuse informované o tom, co je známo o mimozemském prostředí a o chemickém chování různých prvků a sloučenin. Zajímá se o syntetickou biologii a je také běžným předmětem ve sci -fi .

Prvek křemík byl hodně diskutován jako hypotetická alternativa uhlíku. Křemík je v periodické tabulce ve stejné skupině jako uhlík a stejně jako uhlík je čtyřmocný . Mezi hypotetické alternativy vody patří amoniak , který je stejně jako voda polární molekulou a je kosmicky hojný; a nepolární uhlovodíková rozpouštědla, jako je metan a etan , o kterých je známo, že existují v kapalné formě na povrchu Titanu .

Přehled

Přehled hypotetických typů biochemie
Typ Základ Synopse Poznámky
Alternativa- biomolekuly chirality Alternativní biochemie Biochemie zrcadlového obrazu Snad nejméně neobvyklou alternativní biochemií by byla biochemie s různou chiralitou jejích biomolekul. Ve známém životě na Zemi jsou aminokyseliny téměř všeobecně ve formě L a cukry jsou ve formě D. Molekuly využívající D aminokyseliny nebo L cukry jsou možné, i když by byly nekompatibilní s organismy využívajícími protichůdné molekuly chirality.
Biochemie amoniaku Bezvodá rozpouštědla Život na bázi amoniaku Amoniak je ve vesmíru poměrně hojný a má chemické podobnosti s vodou. Možnou úlohou kapalného amoniaku jako alternativního rozpouštědla pro život je myšlenka, která sahá přinejmenším do roku 1954, kdy J. B. S. Haldane nastolil toto téma na sympoziu o původu života.
Biochemie arzenu Alternativní biochemie Život na bázi arsenu Arsen , který je chemicky podobný fosforu , zatímco je jedovatý pro většinu forem života na Zemi, je začleněn do biochemie některých organismů.
Boranová biochemie ( organoboronová chemie ) Alternativní biochemie Boranesův život Borany jsou v zemské atmosféře nebezpečně výbušné, ale v redukujícím prostředí by byly stabilnější. Bor je však ve vesmíru mimořádně vzácný ve srovnání se sousedními uhlíky, dusíkem a kyslíkem. Na druhé straně struktury obsahující střídající se atomy boru a dusíku sdílejí některé vlastnosti s uhlovodíky.
Biologie založená na kosmickém náhrdelníku Neplanetární život Nechemický život V roce 2020 Luis A. Anchordoqu a Eugene M. Chudnovsky vyslovili hypotézu, že život složený z magnetických semipólů spojených kosmickými strunami by se mohl vyvíjet uvnitř hvězd
Prašná biologie na bázi plazmy Neplanetární život Nechemický život V roce 2007 Vadim N. Tsytovich a jeho kolegové navrhli, že by se realistické chování mohlo projevit prachovými částicemi suspendovanými v plazmě za podmínek, které by mohly existovat ve vesmíru.
Extremofilové Alternativní prostředí Život v proměnlivých prostředích Bylo by biochemicky možné udržet život v prostředích, která jsou jen periodicky v souladu se životem, jak ho známe.
Heteropolykyselinová biochemie Alternativní biochemie Heteropolykyselinový život Různé kovy mohou s kyslíkem vytvářet složité struktury, například heteropolykyseliny .
Biochemie fluorovodíku Bezvodá rozpouštědla Život na bázi fluorovodíku Vědci jako Peter Sneath považovali fluorovodík za možné rozpouštědlo pro život.
Biochemie sirovodíku Bezvodá rozpouštědla Život na bázi sirovodíku Sirovodík je chemický analog vody , ale je méně polární a slabší anorganické rozpouštědlo.
Metanová biochemie ( Azotosome ) Bezvodá rozpouštědla Metanový život Metan (CH 4 ) je ve sluneční soustavě a vesmíru poměrně hojný a je známo, že existuje v kapalné formě na Titanu , největším měsíci Saturnu . Titan má pravděpodobně šanci mít život na povrchu, protože je velmi podobný Zemi. Pokud ano, bude to s největší pravděpodobností život založený na metanu.
Nezelené fotosyntetizátory Další spekulace Alternativní život rostlin Fyzici poznamenali, že ačkoli fotosyntéza na Zemi obecně zahrnuje zelené rostliny, fotosyntézu, nezbytnou pro většinu života na Zemi, by mohla podporovat i řada jiných barevných rostlin a že v místech, která přijímají jinou kombinaci hvězdného záření, mohou být upřednostňovány jiné barvy než Země. Retinál je zejména schopen fotosyntézy a byl u něj pozorován. Bakterie schopné fotosyntézy jsou známé jako mikrobiální rhodopsiny . Rostlina nebo tvor, který používá fotosyntézu sítnice, je vždy purpurový .
Stínová biosféra Alternativní prostředí Biosféra skrytého života na Zemi Stínová biosféra je hypotetická mikrobiální biosféra Země, která využívá radikálně odlišné biochemické a molekulární procesy, než je v současnosti známý život.
Biochemie křemíku ( organokřemičitý ) Alternativní biochemie Životnost na bázi křemíku Stejně jako uhlík může křemík vytvářet molekuly, které jsou dostatečně velké na to, aby nesly biologické informace; rozsah možné chemie křemíku je však mnohem omezenější než u uhlíku.
Biochemie oxidu křemičitého Bezvodá rozpouštědla Život na bázi oxidu křemičitého Gerald Feinberg a Robert Shapiro navrhli, že roztavená silikátová hornina by mohla sloužit jako kapalné médium pro organismy s chemií založenou na křemíku, kyslíku a dalších prvcích, jako je hliník .
Biochemie síry Alternativní biochemie Život na bázi síry Biologické použití síry jako alternativy uhlíku je čistě hypotetické, zejména proto, že síra obvykle tvoří pouze lineární řetězce než rozvětvené.
Alternativní nukleové kyseliny Alternativní biochemie Různé genetické úložiště Místo RNA nebo DNA mohou být případně použity xeno nukleové kyseliny (XNA). XNA je obecný termín pro nukleovou kyselinu se změněným základním cukrem. Příklady XNA zahrnují TNA , která používá threózu , HNA, která používá 1,5-anhydrohexitol, GNA , která používá glykol , CeNA, která používá cyklohexen , LNA , která využívá formu ribózy, která obsahuje zvláštní vazbu mezi jejím 4 'uhlíkem a 2 'kyslík, FANA, který používá arabinosu, ale s jedním atomem fluoru připojeným k jeho 2' uhlíku, a PNA, který místo cukru a fosfátu používá jednotky N- (2-aminoethyl) -glycinu spojené peptidovými vazbami . Pro srovnání, DNA Hachimoji mění páry základen místo páteře. Tyto nové páry bází jsou P ( 2-aminoimidazo [1,2a] [1,3,5] triazin-4 ( 1H ) -on ), Z ( 6-amino-5-nitropyridin-2-on ), B ( Isoguanine ), a S (rS = Isocytosine pro RNA, dS = 1-Methylcytosine pro DNA).

Stínová biosféra

Zpráva Arecibo (1974) vyslala do vesmíru informace o základní chemii života na Zemi.

Stínová biosféra je hypotetická mikrobiální biosféra Země, která využívá radikálně odlišné biochemické a molekulární procesy, než je v současnosti známý život. Přestože je život na Zemi relativně dobře studován, stínová biosféra může stále zůstat bez povšimnutí, protože průzkum mikrobiálního světa se zaměřuje především na biochemii makroorganismů.

Biomolekuly alternativní chirality

Snad nejméně neobvyklou alternativní biochemií by byla ta s různou chiralitou jejích biomolekul. Ve známém životě na Zemi jsou aminokyseliny téměř univerzálně ve formě L a cukry jsou ve formě D. Molekuly využívající D aminokyseliny nebo L cukry mohou být možné; molekuly takové chirality by však byly nekompatibilní s organismy využívajícími protichůdné molekuly chirality. Aminokyseliny, jejichž chiralita je v rozporu s normou, se nacházejí na Zemi a obecně se předpokládá, že tyto látky pocházejí z rozpadu organismů s normální chiralitou. Fyzik Paul Davies však spekuluje, že některé z nich mohou být produkty „anti-chirálního“ života.

Je však otázkou, zda by taková biochemie byla skutečně mimozemská. Ačkoli by to byla určitě alternativní stereochemie , molekuly, které se v drtivé většině nacházejí v jednom enantiomeru v naprosté většině organismů, lze přesto často nalézt v jiném enantiomeru v různých (často bazálních ) organismech, například při srovnávání členů Archaea a jiných domén , což z něj činí otevřené téma, zda je alternativní stereochemie skutečně nová.

Biochemie na bázi uhlíku

Na Zemi mají všechny známé živé věci strukturu a systém na bázi uhlíku. Vědci spekulovali o výhodách a nevýhodách použití jiných atomů než uhlíku k vytvoření molekulárních struktur nezbytných pro život, ale nikdo nenavrhl teorii využívající takové atomy k vytvoření všech potřebných struktur. Jak však tvrdil Carl Sagan , je velmi obtížné si být jisti, zda prohlášení, které platí pro veškerý život na Zemi, bude platit i pro veškerý život v celém vesmíru. Pro takový předpoklad použil Sagan výraz „ uhlíkový šovinismus “. Křemík a germánium považoval za myslitelné alternativy uhlíku (další přijatelné prvky zahrnují, ale nejsou omezeny na palladium a titan ); ale na druhou stranu poznamenal, že uhlík se zdá být chemicky univerzálnější a je v kosmu hojnější). Norman Horowitz vymyslel experimenty, aby zjistil, zda na Marsu může existovat život, které provedl Viking Lander z roku 1976 , první americké mise, která úspěšně přistála bezpilotní sondu na povrchu Marsu. Horowitz tvrdil, že velká univerzálnost atomu uhlíku z něj činí prvek, který s největší pravděpodobností poskytne řešení, dokonce i exotická řešení, problémů přežití na jiných planetách. Domníval se, že existuje jen malá možnost, že by mohly existovat nekarbonové formy života s genetickými informačními systémy schopnými vlastní replikace a schopností vyvíjet se a přizpůsobovat se.

Biochemie křemíku

Struktura silanu , analog metanu
Struktura silikonového polydimethylsiloxanu (PDMS)
Mořské rozsivky  -organismy na bázi uhlíku, které získávají křemík z mořské vody ve formě jeho oxidu (oxidu křemičitého) a začleňují jej do buněčných stěn

Atom křemíku byl hodně diskutován jako základ alternativního biochemického systému, protože křemík má mnoho chemických vlastností podobných těm z uhlíku a je ve stejné skupině periodické tabulky , uhlíkové skupině . Stejně jako uhlík může křemík vytvářet molekuly, které jsou dostatečně velké na to, aby nesly biologické informace.

Jako alternativa k uhlíku má křemík několik nevýhod. Křemík, na rozdíl od uhlíku, postrádá schopnost vytvářet chemické vazby s různými typy atomů, což je nezbytné pro chemickou univerzálnost požadovanou pro metabolismus, a přesto tato přesná neschopnost činí křemík méně citlivým na vazbu se všemi druhy nečistot, z nichž uhlík, ve srovnání není stíněné. Mezi prvky vytvářející organické funkční skupiny s uhlíkem patří vodík, kyslík, dusík, fosfor, síra a kovy, jako je železo, hořčík a zinek. Na druhé straně křemík interaguje s velmi malým počtem dalších typů atomů. Kromě toho, kde křemík interaguje s jinými atomy, vytváří molekuly, které byly popsány jako „monotónní ve srovnání s kombinatorickým vesmírem organických makromolekul“. Důvodem je to, že atomy křemíku jsou mnohem větší, mají větší hmotnost a atomový poloměr , a proto mají potíže s vytvářením dvojných vazeb (dvojná vazba uhlíku je součástí karbonylové skupiny, což je základní motiv bioorganické chemie na bázi uhlíku).

Silany , které jsou chemické sloučeniny z vodíku a křemíku, které jsou analogické k alkanových uhlovodíků , jsou vysoce reaktivní s vodou , a silany s dlouhým řetězcem spontánně rozkládají. Molekuly obsahující polymery střídajících se atomů křemíku a kyslíku namísto přímých vazeb mezi křemíkem, souhrnně známé jako silikony , jsou mnohem stabilnější. Bylo navrženo, že chemikálie na bázi silikonu by byly stabilnější než ekvivalentní uhlovodíky v prostředí bohatém na kyselinu sírovou, jak se vyskytuje v některých mimozemských lokalitách.

Z odrůd molekul identifikovaných v mezihvězdném médiu z roku 1998 je 84 založeno na uhlíku, zatímco pouze 8 je založeno na křemíku. Navíc z těchto 8 sloučenin 4 také obsahují uhlík. Kosmický hojnost uhlíku ke křemíku je zhruba 10 až 1. Toto může navrhnout různé větší komplexních sloučenin uhlíku v celém vesmíru, které poskytují méně základu, na které se staví na bázi křemíku Biologické, alespoň za podmínek převládajících na povrchu planet. I když jsou Země a další pozemské planety výjimečně bohaté na křemík a chudé na uhlík (relativní množství křemíku vůči uhlíku v zemské kůře je zhruba 925: 1), pozemský život je založen na uhlíku. Skutečnost, že se místo křemíku používá uhlík, může být důkazem, že křemík je pro biochemii na planetách podobných Zemi špatně vhodný. Důvodem může být to, že křemík je při vytváření sloučenin méně univerzální než uhlík, že sloučeniny tvořené křemíkem jsou nestabilní a že blokují tok tepla.

I přesto biogenní oxid křemičitý používá nějaký pozemský život, například silikátová kosterní struktura rozsivek . Podle jílu hypotézy o AG Cairns-Smith , silikátové minerály ve vodě hraje klíčovou roli v abiogenesis : jsou replikovány své krystalické struktury, ve styku s sloučenin uhlíku, a byly prekurzory života na bázi uhlíku.

I když to není v přírodě pozorováno, vazby uhlík -křemík byly přidány do biochemie pomocí řízené evoluce (umělá selekce). Hem obsahující protein cytochromu c z Rhodothermus marinus byl zkonstruován pomocí řízené evoluce k katalyzaci tvorby nových vazeb uhlík -křemík mezi hydrosilany a diazosloučeninami .

Sloučeniny křemíku mohou být biologicky užitečné při teplotách nebo tlacích odlišných od povrchu pozemské planety, a to buď ve spojení nebo v roli méně analogické uhlíku. Polysilanoly, sloučeniny křemíku odpovídající cukrům , jsou rozpustné v kapalném dusíku, což naznačuje, že by mohly hrát roli v biochemii při velmi nízkých teplotách.

V kinematografické a literární sci-fi, ve chvíli, kdy člověkem vyrobené stroje přecházejí z neživého do živého, se často předpokládá, tato nová forma by byla prvním příkladem života bez uhlíku. Od příchodu mikroprocesoru na konci šedesátých let jsou tyto stroje často klasifikovány jako počítače (nebo počítačem řízené roboty ) a jsou uloženy pod „životem na bázi křemíku“, přestože křemíková matice těchto procesorů není zdaleka tak zásadní pro jejich provoz jako uhlíku je pro „mokrý život“.

Jiné biochemie založené na exotických prvcích

  • Borany jsou v zemské atmosféře nebezpečně výbušné, ale v redukční atmosféře by byly stabilnější . Nízký kosmický výskyt bóru však činí jeho základem života méně pravděpodobným než uhlík.
  • Různé kovy spolu s kyslíkem mohou tvořit velmi složité a tepelně stabilní struktury, které soupeří se strukturami organických sloučenin; jsou heteropolykyseliny kyseliny jsou jeden takový rodiny. Některé oxidy kovů jsou také podobné uhlíku ve své schopnosti vytvářet jak nanotrubičkové struktury, tak krystaly podobné diamantům (například kubický zirkon ). Titan , hliník , hořčík a železo jsou v zemské kůře hojnější než uhlík. Životnost na bázi oxidu kovu by proto mohla být za určitých podmínek, včetně těch (jako jsou vysoké teploty), při nichž by životnost na bázi uhlíku nepravděpodobná. Skupina Cronin na univerzitě v Glasgow hlásila vlastní montáž polyoxometalátů wolframu do buněčných sfér. Úpravou obsahu oxidu kovu mohou koule získat otvory, které fungují jako porézní membrána, a podle velikosti selektivně propouští chemikálie dovnitř a ven z koule.
  • Síra je také schopna vytvářet molekuly s dlouhým řetězcem, ale trpí stejnými problémy s vysokou reaktivitou jako fosfor a silany. Biologické využití síry jako alternativy uhlíku je čistě hypotetické, zejména proto, že síra obvykle tvoří pouze lineární řetězce než rozvětvené. (Biologické využití síry jako akceptoru elektronů je velmi rozšířené a lze jej vysledovat 3,5 miliardy let na Zemi, což předchází použití molekulárního kyslíku. Bakterie snižující obsah síry mohou místo kyslíku využívat elementární síru, což redukuje síru na sirovodík .)

Arsen jako alternativa k fosforu

Arsen , který je chemicky podobný fosforu , zatímco je jedovatý pro většinu forem života na Zemi, je začleněn do biochemie některých organismů. Některé mořských řas Začlenit arsenu do složitých organických molekul, jako jsou arsenosugars a arsenobetaines . Houby a bakterie mohou produkovat těkavé methylované sloučeniny arsenu. U mikrobů ( Chrysiogenes arsenatis ) byla pozorována redukce arsenátu a oxidace arsenitu . Navíc některé prokaryoty mohou používat arseničnan jako koncový akceptor elektronů během anaerobního růstu a některé mohou využívat arsenit jako donor elektronů k výrobě energie.

Spekulovalo se, že nejčasnější formy života na Zemi mohly místo fosforu ve struktuře své DNA použít biochemii arsenu . Běžnou námitkou proti tomuto scénáři je, že estery arzeničitanu jsou tak méně stabilní vůči hydrolýze než odpovídající estery fosfátů, že arsen je pro tuto funkci špatně vhodný.

Autoři geomikrobiologické studie z roku 2010 , podporované částečně NASA, předpokládají, že bakterie pojmenovaná GFAJ-1 , shromážděná v sedimentech Mono Lake ve východní Kalifornii , může při kultivaci bez fosforu použít takovou 'arzenovou DNA'. Navrhli, aby bakterie používala vysoké hladiny poly-β-hydroxybutyrátu nebo jiné prostředky ke snížení účinné koncentrace vody a stabilizaci jejích esterů arzeničitanu. Toto tvrzení bylo téměř okamžitě po zveřejnění silně kritizováno kvůli vnímanému nedostatku vhodných kontrol. Vědecký spisovatel Carl Zimmer kontaktoval několik vědců za účelem posouzení: „Oslovil jsem tucet odborníků ... Téměř jednomyslně si myslí, že se vědcům NASA nepodařilo prosadit“. Jiní autoři nebyli schopni reprodukovat své výsledky a ukázali, že studie měla problémy s kontaminací fosfáty, což naznačuje, že přítomná malá množství mohou udržet extrémofilní formy života. Alternativně bylo navrženo, aby buňky GFAJ-1 rostly recyklací fosfátu z degradovaných ribozomů, spíše než jeho nahrazením arzenátem.

Bezvodá rozpouštědla

Kromě sloučenin uhlíku vyžaduje veškerý v současnosti známý pozemský život také vodu jako rozpouštědlo. To vedlo k diskusím o tom, zda je voda jedinou kapalinou schopnou tuto roli plnit. Myšlenku, že mimozemská forma života může být založena na jiném rozpouštědle, než je voda, vzal v nedávné vědecké literatuře vážně biochemik Steven Benner a astrobiologický výbor, kterému předsedal John A. Baross. Mezi rozpouštědla projednávaná Barossovým výborem patří čpavek , kyselina sírová , formamid , uhlovodíky a (při teplotách mnohem nižších než na Zemi) kapalný dusík nebo vodík ve formě superkritické tekutiny .

Carl Sagan se jednou charakterizoval jako karbonský šovinista i vodní šovinista; při jiné příležitosti však řekl, že byl uhlíkovým šovinistou, ale „ne tak moc vodním šovinistou“. Spekuloval na uhlovodíky, kyselinu fluorovodíkovou a amoniak jako možné alternativy k vodě.

Mezi některé vlastnosti vody, které jsou důležité pro životní procesy, patří:

  • Složitost, která vede k velkému počtu permutací možných reakčních cest včetně acidobazické chemie, H + kationtů, OH - aniontů, vodíkových vazeb, van der Waalsových vazeb, dipól -dipólových a dalších polárních interakcí, klecí vodného rozpouštědla a hydrolýzy . Tato složitost nabízí velký počet cest evoluce k produkci života, mnoho dalších rozpouštědel má dramaticky méně možných reakcí, což evoluci výrazně omezuje.
  • Termodynamická stabilita: volná energie tvorby kapalné vody je dostatečně nízká (−237,24 kJ/mol), takže voda prochází několika reakcemi. Jiná rozpouštědla jsou vysoce reaktivní, zejména s kyslíkem.
  • Voda nespaluje v kyslíku, protože je již spalovacím produktem vodíku s kyslíkem. Většina alternativních rozpouštědel není v atmosféře bohaté na kyslík stabilní, takže je velmi nepravděpodobné, že by tyto kapaliny mohly podporovat aerobní život.
  • Velký teplotní rozsah, ve kterém je kapalný .
  • Vysoká rozpustnost kyslíku a oxidu uhličitého při pokojové teplotě podporující vývoj aerobního života vodních rostlin a živočichů.
  • Vysoká tepelná kapacita (vedoucí k vyšší teplotní stabilitě prostředí).
  • Voda je kapalina o pokojové teplotě, která vede k velké populaci kvantových přechodových stavů potřebných k překonání reakčních bariér. Kryogenní kapaliny (jako je kapalný metan) mají exponenciálně nižší populace přechodových stavů, které jsou pro život na základě chemických reakcí potřebné. To vede k rychlostem chemických reakcí, které mohou být tak pomalé, že vylučují vývoj jakéhokoli života na základě chemických reakcí.
  • Spektroskopická průhlednost umožňující slunečnímu záření proniknout několik metrů do kapaliny (nebo pevné látky), což výrazně napomáhá vývoji vodního života.
  • Velké výparné teplo vedoucí ke stabilním jezerům a oceánům.
  • Schopnost rozpouštět širokou škálu sloučenin.
  • Pevná látka (led) má nižší hustotu než kapalina, takže led na kapalině plave. To je důvod, proč vodní útvary zamrzají, ale nezmrazují pevné látky (zdola nahoru). Pokud by byl led hustší než kapalná voda (což platí pro téměř všechny ostatní sloučeniny), velká tělesa kapaliny by pomalu zmrazila tuhou látku, což by nevedlo k tvorbě života.

Voda jako sloučenina je kosmicky hojná, i když velká část je ve formě páry nebo ledu. Podpovrchová kapalná voda je považována za pravděpodobnou nebo možnou na několika vnějších měsících: Enceladus (kde byly pozorovány gejzíry), Europa , Titan a Ganymede . Země a Titan jsou jediné světy, o kterých je v současné době známo, že mají na povrchu stabilní tělesa kapaliny.

Ne všechny vlastnosti vody jsou však nutně výhodné pro život. Například vodní led má vysoké albedo , což znamená, že odráží značné množství světla a tepla ze Slunce. V dobách ledových , jak se na hladině vody hromadí reflexní led, se účinky globálního ochlazování zvyšují.

Existují určité vlastnosti, díky nimž jsou určité sloučeniny a prvky mnohem výhodnější než jiné jako rozpouštědla v úspěšné biosféře. Rozpouštědlo musí být schopno existovat v kapalinové rovnováze v rozsahu teplot, s nimiž by se planetární objekt normálně setkal. Protože se body varu mění s tlakem, otázkou není , zda budoucí rozpouštědlo zůstane kapalné, ale při jakém tlaku . Například, kyanovodík má úzký rozsah teplot v kapalné fázi při tlaku 1 atmosféry, ale v atmosféře s tlakem Venuše , s 92 bar (91 MPa) tlaku, může se skutečně existují v tekuté formě v širokém rozsahu teplot.

Amoniak

Umělcova představa o tom, jak by mohla vypadat planeta se životem na bázi amoniaku

Amoniaku molekula (NH 3 ), stejně jako molekuly vody, je hojná ve vesmíru, je sloučenina vodíku (nejjednodušší a nejběžnější prvek) s dalším velmi společný prvek, dusíku. Možnou úlohou kapalného amoniaku jako alternativního rozpouštědla pro život je myšlenka, která sahá přinejmenším do roku 1954, kdy J. B. S. Haldane toto téma nastolil na sympoziu o původu života.

V roztoku amoniaku je možná řada chemických reakcí a kapalný amoniak má chemickou podobnost s vodou. Amoniak dokáže rozpustit většinu organických molekul přinejmenším stejně dobře jako voda a navíc je schopen rozpustit mnoho elementárních kovů. Haldane poukázal na to, že různé běžné organické sloučeniny související s vodou mají analogy související s amoniakem; například čpavek související aminová skupina (= NH 2 je analogický s vodou související) hydroxylové skupiny (-OH).

Amoniak, stejně jako voda, může buď přijmout, nebo darovat iont H + . Když amoniak přijme H + , vytvoří amonný kation (NH 4 + ), analogický s hydroniem (H 3 O + ). Když se daruje H + iont, to tvoří amidovou anion (NH 2 - ), analogického hydroxidu aniontu (OH - ). Ve srovnání s vodou je však amoniak náchylnější přijímat ionty H + a méně ochotný jej darovat; je to silnější nukleofil . Amoniak přidávaný do vody funguje jako báze Arrhenius : zvyšuje koncentraci hydroxidu aniontu. Naopak při použití definice kyselosti a zásaditosti v systému rozpouštědel funguje voda přidaná do kapalného amoniaku jako kyselina, protože zvyšuje koncentraci kationtového amoniaku. Karbonylová skupina (C = O), která se hodně používá v pozemské biochemii, by nebyla stabilní v roztoku amoniaku, ale místo ní by mohla být použita analogická iminová skupina (C = NH).

Čpavek má však určité problémy jako základ pro život. Tyto vodíkové vazby mezi molekulami amoniaku jsou slabší, než ve vodě, což způsobuje amoniak se výparné teplo , aby se polovina, že z vody, jeho povrchové napětí , aby třetiny, a snižuje jeho schopnost soustředit se nepolární molekuly přes hydrofobní účinek. Gerald Feinberg a Robert Shapiro zpochybnili, zda by amoniak mohl dostatečně dobře držet prebiotické molekuly pohromadě, aby umožnil vznik samoreprodukčního systému. Amoniak je také hořlavý v kyslíku a nemohl by existovat udržitelně v prostředí vhodném pro aerobní metabolismus .

Titanova teoretická vnitřní struktura, podpovrchový oceán zobrazený modře

Biosféra na bázi amoniaku by pravděpodobně existovat při teplotě či tlaku vzduchu, které jsou velmi neobvyklé ve vztahu k životu na Zemi. Život na Zemi obvykle existuje v rozmezí bodu tání a bodu varu vody za normálního tlaku , mezi 0 ° C (273  K ) a 100 ° C (373 K); za normálního tlaku jsou teploty tání a teploty varu amoniaku mezi -78 ° C (195 K) a -33 ° C (240 K). Chemické reakce obecně probíhají pomaleji při nižší teplotě. Život na bázi amoniaku, pokud existuje, by proto mohl metabolizovat pomaleji a vyvíjet se pomaleji než život na Zemi. Na druhé straně by nižší teploty mohly také umožnit živým systémům používat chemické druhy, které by byly příliš nestabilní při teplotách Země, než aby byly užitečné.

Amoniak by mohl být kapalinou při teplotách podobných Zemi, ale při mnohem vyšších tlacích; například při 60  atm taje čpavek při -77 ° C (196 K) a vře při 98 ° C (371 K).

Amoniak a směsi amoniaku a vody zůstávají tekuté při teplotách hluboko pod bodem mrazu čisté vody, takže takové biochemie mohou být vhodné pro planety a měsíce obíhající mimo zónu obyvatelnosti založenou na vodě . Takové podmínky by mohly existovat například pod povrchem největšího měsíce Saturnu Titan .

Metan a jiné uhlovodíky

Metan (CH 4 ) je jednoduchý uhlovodík: to znamená sloučenina dvou nejběžnějších prvků v kosmu: vodíku a uhlíku. Má kosmickou hojnost srovnatelnou s čpavkem. Uhlovodíky by mohly působit jako rozpouštědlo v širokém rozsahu teplot, ale postrádal by polaritu . Isaac Asimov se biochemik a spisovatel sci-fi, je navrženo v roce 1981, že poly- lipidy mohou tvořit náhražku proteinů v nepolárním rozpouštědle, jako je metan. Vesmírná loď Cassini detekovala na povrchu Titanu jezera složená ze směsi uhlovodíků, včetně metanu a ethanu .

Diskutuje se o účinnosti metanu a dalších uhlovodíků jako rozpouštědla pro život ve srovnání s vodou nebo čpavkem. Voda je silnější rozpouštědlo než uhlovodíky, což umožňuje snadnější transport látek v buňce. Voda je však také chemicky reaktivnější a může rozkládat velké organické molekuly hydrolýzou. Forma života, jejíž rozpouštědlem byl uhlovodík, nebude čelit hrozbě, že budou její biomolekuly zničeny tímto způsobem. Také tendence molekuly vody vytvářet silné vodíkové vazby může interferovat s vnitřní vodíkovou vazbou ve složitých organických molekulách. Život s uhlovodíkovým rozpouštědlem by mohl více využívat vodíkové vazby v jeho biomolekulách. Síla vodíkových vazeb v biomolekulách by navíc byla vhodná pro nízkoteplotní biochemii.

Astrobiolog Chris McKay z termodynamických důvodů tvrdil, že pokud na povrchu Titanu existuje život, přičemž jako rozpouštědlo použijí uhlovodíky, pravděpodobně také použije složitější uhlovodíky jako zdroj energie jejich reakcí s vodíkem, redukcí ethanu a acetylenu na metan. Možné důkazy pro tuto formu života na Titanu identifikoval v roce 2010 Darrell Strobel z Johns Hopkins University ; větší množství molekulárního vodíku v horních atmosférických vrstvách Titanu ve srovnání s dolními vrstvami, argumentující sestupnou difúzí rychlostí zhruba 10 25 molekul za sekundu a mizením vodíku v blízkosti povrchu Titanu. Jak poznamenal Strobel, jeho zjištění byla v souladu s účinky, které Chris McKay předpovídal, pokud byly přítomny metanogenní formy života. Ve stejném roce další studie ukázala nízké hladiny acetylenu na povrchu Titanu, které Chris McKay interpretoval jako konzistentní s hypotézou organismů redukujících acetylen na metan. Při opakování biologické hypotézy McKay varoval, že za pravděpodobnější je třeba považovat jiná vysvětlení nálezů vodíku a acetylenu: možnosti dosud neidentifikovaných fyzikálních nebo chemických procesů (např. Neživý povrchový katalyzátor umožňující reakci acetylenu s vodíkem), popř. nedostatky v současných modelech materiálového toku. Poznamenal, že i nebiologický katalyzátor účinný při 95 K by sám o sobě byl překvapivým objevem.

Azotosome

Hypotetická buněčná membrána označovaná jako azotosom , schopná fungovat v kapalném metanu v podmínkách Titanu, byla počítačově modelována v článku publikovaném v únoru 2015. Je složen z akrylonitrilu , malé molekuly obsahující uhlík, vodík a dusík, a předpokládá se, že bude mít stabilitu a flexibilita v kapalném metanu srovnatelná s fosfolipidovou dvojvrstvou (typ buněčné membrány, kterou vlastní veškerý život na Zemi) v kapalné vodě. Analýza dat získaná pomocí Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), dokončená v roce 2017, potvrdila značné množství akrylonitrilu v atmosféře Titanu.

Fluorovodík

Fluorovodík (HF), stejně jako voda, je polární molekula a díky své polaritě dokáže rozpustit mnoho iontových sloučenin. Jeho teplota tání je -84 ° C a teplota varu je 19,54 ° C (za atmosférického tlaku ); rozdíl mezi těmito dvěma je o něco více než 100 K. HF také vytváří vodíkové vazby se svými sousedními molekulami, stejně jako voda a amoniak. Vědci jako Peter Sneath a Carl Sagan to považovali za možné životní rozpouštědlo.

HF je nebezpečný pro systémy molekul, ze kterých se skládá život na Zemi, ale některé další organické sloučeniny, jako jsou parafínové vosky , jsou s ním stabilní. Stejně jako voda a čpavek podporuje kapalný fluorovodík acidobazickou chemii. Pomocí definice kyselosti a zásaditosti v systému rozpouštědel funguje kyselina dusičná jako báze, když se přidává do kapalného HF.

Na rozdíl od vody, amoniaku a metanu je však fluorovodík kosmicky vzácný.

Sirovodík

Sirovodík je nejbližší chemický analog k vodě , ale je méně polární a slabší anorganické rozpouštědlo. Sirovodík je na Jupiterově měsíci Io poměrně hojný a může být v kapalné formě kousek pod povrchem; astrobiolog Dirk Schulze-Makuch to navrhl jako možné rozpouštědlo pro tamní život. Na planetě se sirovodíkovými oceány by zdroj sirovodíku mohl pocházet ze sopek, v takovém případě by mohl být smíchán s trochou fluorovodíku , který by mohl pomoci rozpustit minerály. Životnost sirovodíku může jako zdroj uhlíku využívat směs oxidu uhelnatého a oxidu uhličitého. Mohou produkovat a žít na oxidu uhelnatém , který je analogický s kyslíkem (O 2 ). Sirovodík, stejně jako kyanovodík a amoniak, trpí malým teplotním rozsahem, kde je kapalný, ačkoli ten, stejně jako kyanovodík a amoniak, roste se zvyšujícím se tlakem.

Oxid křemičitý a křemičitany

Oxid křemičitý , také známý jako oxid křemičitý a křemen, je ve vesmíru velmi hojný a má velký teplotní rozsah, kde je kapalný. Jeho teplota tání je však 1 600 až 1 725 ° C (2 912 až 3 137 ° F), takže by při této teplotě nebylo možné vyrábět organické sloučeniny, protože všechny by se rozložily. Silikáty jsou podobné oxidu křemičitému a některé mají nižší teploty tání než oxid křemičitý. Feinberg a Shapiro navrhli, že roztavená silikátová hornina by mohla sloužit jako kapalné médium pro organismy s chemií založenou na křemíku, kyslíku a dalších prvcích, jako je hliník .

Jiná rozpouštědla nebo pomocná rozpouštědla

Kyselina sírová (H 2 SO 4 )

Někdy se navrhují další rozpouštědla:

Kyselina sírová v kapalné formě je silně polární. Zůstává kapalný při vyšších teplotách než voda, jeho rozmezí kapalin je 10 ° C až 337 ° C při tlaku 1 atm, i když nad 300 ° C se pomalu rozkládá. Je známo, že kyselina sírová je v oblacích Venuše hojná ve formě aerosolových kapiček. V biochemii, která používala jako rozpouštědlo kyselinu sírovou , mohla alkenová skupina (C = C) se dvěma atomy uhlíku spojenými dvojnou vazbou fungovat analogicky s karbonylovou skupinou (C = O) v biochemii na vodní bázi.

Byl předložen návrh, aby mohl existovat život na Marsu a jako rozpouštědlo bylo použito směsi vody a peroxidu vodíku . 61,2% (hmotnostní) směs vody a peroxidu vodíku má bod tuhnutí -56,5 ° C a má tendenci spíše chladit než krystalizovat. Je také hygroskopický , což je výhoda v prostředí s nedostatkem vody.

Nadkritický oxid uhličitý byl navržen jako kandidát alternativní biochemie díky své schopnosti selektivně rozpouštět organické sloučeniny a napomáhat fungování enzymů a protože planety typu „super-země“ nebo „super-Venuše“ s hustou atmosférou vysokého tlaku může být běžné.

Další spekulace

Nezelené fotosyntetizátory

Fyzici poznamenali, že ačkoli fotosyntéza na Zemi obecně zahrnuje zelené rostliny, fotosyntézu, nezbytnou pro většinu života na Zemi, by mohla podporovat i řada jiných barevných rostlin a že v místech, která přijímají jinou kombinaci hvězdného záření, mohou být upřednostňovány jiné barvy než Země. Tyto studie ukazují, že modré rostliny by byly nepravděpodobné; žluté nebo červené rostliny však mohou být relativně běžné.

Variabilní prostředí

Mnoho pozemských rostlin a živočichů prochází během svých životních cyklů velkými biochemickými změnami v reakci na měnící se podmínky prostředí, například tím, že má stav spor nebo hibernace, který může mezi aktivními fázemi života přetrvávat roky nebo dokonce tisíciletí. Bylo by tedy biochemicky možné udržet život v prostředích, která jsou pouze periodicky v souladu se životem, jak ho známe.

Například žáby v chladném podnebí mohou přežít delší dobu s většinou vody v těle ve zmrazeném stavu, zatímco pouštní žáby v Austrálii se mohou v období sucha deaktivovat a dehydratovat, ztratit až 75% tekutin a přesto se vrátit k životu rychlou rehydratací ve vlhkých obdobích. Každý typ žáby by se během spícího období jevil jako biochemicky neaktivní (tj. Nežije) každému, komu chybí citlivý způsob detekce nízké úrovně metabolismu.

Alaninový svět a hypotetické alternativy

Počáteční fáze genetického kódu (GC-Code) s „alaninovým světem“ a jeho možnými alternativami.

Genetický kód se vyvinul v průběhu přechodu z RNA světa k proteinu světě. Tyto alanin světová hypotéza předpokládá, že vývoj genetického kódu (tzv GC fáze) začal se čtyřmi základními aminokyselin : alanin , glycin , prolin a ornithin (nyní arginin ). Vývoj genetického kódu skončil 20 proteinogenními aminokyselinami . Z chemického hlediska se většinou jedná o alaninové deriváty zvláště vhodné pro konstrukci a-helixů a β-listů  -základních sekundárních strukturních prvků moderních proteinů. Přímým důkazem toho je experimentální postup v molekulární biologii známý jako alaninové skenování . Hypotetický „prolinový svět“ by vytvořil možný alternativní život s genetickým kódem založeným na prolinovém chemickém lešení jako proteinové páteři . Podobně jsou na mysli také světy „glycin“ a „ornithin“, ale příroda si nevybrala žádný z nich. Evoluce života s glycinem, prolinem nebo ornithinem jako základní strukturou proteinových polymerů ( foldamers ) by vedla k paralelním biologickým světům. Měli by morfologicky radikálně odlišné tělesné plány a genetiku od živých organismů známé biosféry .

Neplanetární život

Zaprášený na bázi plazmy

V roce 2007 Vadim N. Tsytovich a jeho kolegové navrhli, že by se realistické chování mohlo projevit prachovými částicemi suspendovanými v plazmě za podmínek, které by mohly existovat ve vesmíru. Počítačové modely ukázaly, že když se prach nabije, částice se mohou samy organizovat do mikroskopických šroubovicových struktur a autoři nabízejí „hrubý náčrt možného modelu ... reprodukce struktury šroubovicových zrn“.

Kosmický náhrdelník

V roce 2020 Luis A. Anchordoqu a Eugene M. Chudnovsky z City University of New York vyslovili hypotézu, že život založený na kosmickém náhrdelníku složený z magnetických semipólů spojených kosmickými strunami by se mohl vyvíjet uvnitř hvězd.

Život na neutronové hvězdě

Frank Drake v roce 1973 navrhl, že inteligentní život může obývat neutronové hvězdy . Fyzické modely v roce 1973 naznačovaly, že Drakeova stvoření budou mikroskopická. V roce 1980 napsal Robert L Forward sci -fi román Dračí vejce pomocí Drakeova návrhu jako diplomové práce.

Vědci, kteří na toto téma publikovali

Vědci, kteří zvažovali možné alternativy biochemie uhlík-voda, zahrnují:

  • JBS Haldane (1892–1964), genetik známý svou prací na abiogenezi .
  • V. Axel Firsoff (1910–1981), britský astronom.
  • Isaac Asimov (1920–1992), biochemik a spisovatel sci -fi.
  • Fred Hoyle (1915-2001), astronom a spisovatel sci -fi.
  • Norman Horowitz (1915–2005) Caltechský genetik, který vymyslel první experimenty prováděné za účelem zjištění života na Marsu.
  • George C. Pimentel (1922–1989), americký chemik, Kalifornská univerzita, Berkeley.
  • Peter Sneath (1923–2011), mikrobiolog, autor knihy Planety a život .
  • Gerald Feinberg (1933–1992), fyzik a Robert Shapiro (1935–2011), chemik, spoluautoři knihy Life Beyond Earth .
  • Carl Sagan (1934-1996), astronom, popularizátor vědy apropagátor SETI .
  • Jonathan Lunine , (nar. 1959) americký planetární vědec a fyzik.
  • Robert A. Freitas Jr. (1952 – dosud), specialista na nanotechnologie a nano-medicínu; autor knihy Xenologie .
  • John Baross , oceánograf a astrobiolog, který předsedal výboru vědců v rámci Národní rady pro výzkum Spojených států , který v roce 2007 zveřejnil zprávu o životních mezních podmínkách. Zpráva se zabývá obavou, že vesmírná agentura by mohla provést dobře zajištěné hledání života na jiných světů „a pak jej nerozpozná, pokud na něj narazí“.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy