Vaihtoehtoinen biokemia

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 24. heinäkuuta 2021 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 49 muokkausta .

Vaihtoehtoinen biokemia  on sarja teorioita ja hypoteeseja, jotka selittävät sellaisten elämänmuotojen olemassaolon mahdollisuuden, jotka poikkeavat biokemiallisesti osittain tai kokonaan maan päällä syntyneistä . [1] Hypoteesien puitteissa käsiteltyjä eroja ovat orgaanisten aineiden molekyylien hiilen korvaaminen muilla atomeilla tai veden korvaaminen yleisenä liuottimena muilla nesteillä. Tällaisia ​​ilmiöitä kuvataan usein tieteiskirjallisuudessa .

Keskusteluvaihtoehdot

Biokemiallisesti erilaisen elämän mahdollisuus on yleinen teema tieteiskirjallisuudessa, mutta sitä pohditaan myös tutkimuskontekstissa. Tuore esimerkki tällaisesta keskustelusta on Yhdysvaltain kansallisen tutkimusneuvoston tutkijakomitean laatima vuoden 2007 raportti elinolojen rajoittamisesta. Tämä John A. Barosin johtama komitea piti "hypoteettista vaihtoehtoista elämän kemiaa", joka sisältää useita liuottimia, jotka voisivat tarjota vaihtoehdon vedelle. Projekti nimeltä "Orgaanisen elämän rajat planeettajärjestelmissä" olettaa, että:

Toistaiseksi maan ulkopuolisen elämän etsintää ohjaa elämämalli, joka perustuu maapallolla havaittuun elämään. Jotkut maallisen elämän piirteet ovat herättäneet erityistä huomiota:

Tämän seurauksena suurin osa NASAn suunnitelluista tehtävistä keskittyy paikkoihin, joissa nestemäistä vettä todennäköisesti esiintyy, ja painopisteenä on maaorganismien soluja muistuttavien rakenteiden etsiminen. Tämä lähestymistapa olisi perusteltu, koska ei ole yhteistä ymmärrystä siitä, miltä elämä voisi näyttää maasta riippumattoman alkuperän kanssa. Laboratoriokokeet antavat kuitenkin aihetta olettaa, että elämä voi perustua myös molekyylirakenteisiin, jotka eroavat merkittävästi maan rakenteista.

Tärkeimpien kemiallisten alkuaineiden vaihtaminen

Lyhenne CHNOPS , joka tarkoittaa C -hiiliä (hiili), H vetyä (vetyä), typpeä (typpi), O happi (happi), P -fosfori ( fosfori ) ja S rikki ( rikki ), edustaa kuutta tärkeintä kemiallista alkuainetta. joiden kovalenttiset yhdistelmät muodostavat suurimman osan maapallon biologisista molekyyleistä [3] . Rikkiä käytetään aminohapoissa kysteiini ja metioniini [4] . Fosfori on välttämätön elementti fosfolipidien - lipidien  alaluokan - muodostumisessa, jotka ovat kaikkien solukalvojen pääkomponentti , koska ne voivat muodostaa lipidikaksoiskerroksia , jotka varastoivat ioneja , proteiineja ja muita molekyylejä sinne, missä niitä tarvitaan solutoimintojen suorittamiseen . ja estää niiden pääsyn alueille, joissa niiden ei pitäisi olla. Fosfaattiryhmät ovat myös välttämätön komponentti nukleiinihappojen rungossa [5] .

Biomolekyylien alkuainekoostumus:
C H N O P S
Hiilihydraatit X X X
Rasvat X X X
Fosfolipidit X X X X X
Oravat X X X X X
Nukleotidit X X X X X
Porfyriinit X X X X

Kaikki tällä hetkellä tunnetut elävät organismit käyttävät hiiliyhdisteitä perusrakenne- ja aineenvaihduntatoimintoihin, vettä liuottimena ja DNA :ta tai RNA :ta muotonsa määrittelemiseen ja säätelyyn. Jos elämää on muilla planeetoilla , se voi olla kemiallisesti samanlaista. On myös mahdollista, että on olemassa organismeja, joiden kemiallinen koostumus on täysin erilainen. Näiden biokemian muotojen olemassaoloa tai ainakaan todellisuutta ei ole vielä paljastettu.

Eri alkuaineiden suhteellinen pitoisuus on erittäin tärkeä määritettäessä niiden mahdollisuutta osallistua biokemiaan. Viitteeksi tässä on viisitoista yleisintä elementtiä ihmiskehossa (eli ne, jotka muodostavat vähintään 0,0001% siitä) ja muissa järjestelmissä mitattuna atomien lukumäärällä.

Alkuaineiden suhteellinen pitoisuus (alkuaineiden mooliosuus) eri järjestelmissä [6] :

Z Elementti Universumi Maankuoressa Merivesi Ihmisruumis Biologinen rooli [7]
yksi Vety 93 % 3,1 % 66,2 % 62 % orgaanisia molekyylejä
kahdeksan Happi 0,08 % 60 % 33,1 % 24 % orgaaniset molekyylit, hengitys
6 Hiili 0,05 % 0,31 % 0,00144 % 12 % orgaanisia molekyylejä
7 Typpi 0,009 % 0,0029 % <0,0001 % 0,22 % aminohapot , nukleiinihapot
viisitoista Fosfori <0,0001 % 0,07 % <0,0001 % 0,22 % ATP , nukleiinihapot, fosfolipidit
kaksikymmentä Kalsium 0,0002 % 2,6 % <0,0001 % 0,22 % kalmoduliini , biomineralisaatio
16 Rikki 0,002 % 0,027 % 0,0179 % 0,039 % jotkut aminohapot, kuten kysteiini
yksitoista Natrium 0,0001 % 2,1 % 0,297 % 0,038 % natrium-kalium pumppu
19 kalium <0,0001 % 0,78 % 0,00658 % 0,032 % natrium-kalium pumppu
17 Kloori <0,0001 % 0,01 % 0,347 % 0,021 % Klooria kuljettava ATPaasi ( protonipumppu )
12 Magnesium 0,003 % 2,5 % 0,0337 % 0,007 % klorofylli
neljätoista Pii 0,003 % kaksikymmentä % <0,0001 % 0,0058 % biomineralisaatio
9 Fluori <0,0001 % 0,059 % <0,0001 % 0,0012 % fluorapatiitti ( hammaskiille )
26 Rauta 0,002 % 2,3 % <0,0001 % 0,00067 % hemoglobiini , sytokromit
kolmekymmentä Sinkki <0,0001 % 0,0025 % <0,0001 % 0,00032 % sinkkisormen proteiineja

Hiilen vaihto

Tiedemiehet ovat puhuneet paljon mahdollisuudesta rakentaa orgaanisia molekyylejä muiden atomien avulla, mutta kukaan ei ole ehdottanut teoriaa, joka kuvaa mahdollisuutta luoda uudelleen kaikki elämän olemassaolon kannalta välttämättömät yhdisteet.

Pii ja happi

Todennäköisimpiä ehdokkaita rakennetta muodostavan atomin rooliin vaihtoehtoisessa biokemiassa on pii . Se on samassa jaksollisen järjestelmän ryhmässä kuin hiili, niiden ominaisuudet ovat suurelta osin samanlaiset. Hiilen tavoin pii voi luoda molekyylejä, jotka ovat riittävän suuria kuljettamaan biologista tietoa [8] . Piiatomilla on kuitenkin suurempi massa ja säde . Kaksois- tai kolmoiskovalenttisten sidosten muodostaminen piillä on suhteellisen vaikeaa, mikä voi häiritä biopolymeerien muodostumista . Piillä, toisin kuin hiilellä, ei ole kykyä muodostaa kemiallisia sidoksia erityyppisten atomien kanssa, mikä on välttämätöntä aineenvaihdunnan edellyttämän kemiallisen monipuolisuuden kannalta, ja kuitenkin tämä kyvyttömyys tekee piistä vähemmän herkkiä sitoutumaan kaikenlaisiin epäpuhtauksiin. Alkuaineita, jotka muodostavat orgaanisia funktionaalisia ryhmiä hiilen kanssa, ovat vety, happi, typpi, fosfori, rikki ja metallit, kuten rauta, magnesium ja sinkki. Pii puolestaan ​​​​on vuorovaikutuksessa hyvin harvojen muuntyyppisten atomien kanssa. Piiyhdisteet eivät voi olla yhtä erilaisia ​​kuin hiiliyhdisteet. [kahdeksan]

Tämä johtuu siitä, että piiatomit ovat paljon suurempia, niillä on suuri massa ja atomisäde, ja siksi niillä on vaikea muodostaa kaksoissidoksia (kaksoissidos hiili on osa karbonyyliryhmää, hiilipohjaisten bioorgaanisten yhdisteiden perusmotiivia).

Etu, joka voisi johtaa piipohjaisen biokemian muunnelmien olemassaoloon, ovat sen zeoliitit  , kemiassa käytetyt yhdisteet, jotka voivat suodattaa ja kataboloida aineita samalla tavalla kuin hiilipohjaiset entsyymit. Elämän perusmekanismit planeetallamme ovat mahdollisia entsyymien - katalyyttien ja vastaavien kantajien (proteiinien) ansiosta. [9] Biosfäärin evoluution aikana niistä on muodostunut kokonainen kokoelma, joista jokainen on erikoistunut johonkin toimintoon, kuten hemoglobiiniin , joka vastaa hapenvaihdosta, tai ferredoksiiniin , jonka tehtävänä on kuljettaa elektroneja. Alkuperäinen idea oli korvata nämä entsyymit piipohjaisilla molekyyleillä. Nämä materiaalit ovat eräänlaista savea, jolla on molekyylirakenne kolmiulotteisen verkoston muodossa, jonka muodostavat tetraedrit ja jotka liittyvät toisiinsa. Tässä hilassa on molekyylikokoisia huokosia ja onteloita, joten vain riittävän pienet molekyylit voivat ylittää ne. Tästä syystä niitä kutsutaan myös molekyyliseuloiksi . Zeoliiteilla on suuri määrä rakenteellisia yhtäläisyyksiä luonnollisten proteiinien kanssa. Näitä yhtäläisyyksiä hyödyntämällä voidaan muodostaa erilaisia ​​katalyyttejä , jotka yhdistävät zeoliittien stabiilisuuden ja kemiallisen stabiilisuuden ominaisuudet entsyymien korkeaan selektiivisyyteen ja molekyyliaktiivisuuteen. Zeoliitteja, jotka pystyvät simuloimaan hemoglobiinin, sytokromi P450 :n ja rauta-rikkiproteiinin käyttäytymistä, on saatu DuPontin tutkimus- ja kehitysosastolta .

Hiilen tavoin pii voi muodostaa neljä vakaata sidosta itsensä ja muiden alkuaineiden kanssa sekä pitkiä kemiallisia ketjuja, jotka tunnetaan silaanipolymeereinä ja jotka ovat hyvin samanlaisia ​​kuin maapallon elämälle tarvittavat hiilivedyt. Pii on reaktiivisempi kuin hiili, joten se on optimaalinen erittäin kylmiin olosuhteisiin. [10] [11] Piiyhdisteet voivat olla biologisesti käyttökelpoisia muissa lämpötiloissa tai paineissa kuin Maan pinnalla roolissa (tai yhdistelmässä), joka on vähemmän analoginen hiilen kanssa. Polysilanolit , kuten sokerit , liukenevat nestemäiseen typpeen, mikä viittaa siihen, että niillä voi olla rooli biokemiassa hyvin alhaisissa lämpötiloissa. Silaanit  - piin ja vedyn yhdisteet, jotka ovat samanlaisia ​​kuin alkaanit , ovat vähemmän stabiileja kuin hiilivedyt. Silaanit palavat spontaanisti happea sisältävässä ilmakehässä suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa, joten happiatmosfääri voi olla tappava piipohjaiselle elämälle. Toisaalta on syytä ottaa huomioon, että alkaanit ovat yleensä melko syttyviä, mutta hiilipohjainen elämä maapallolla ei varastoi energiaa suoraan alkaanien, vaan sokereiden, lipidien, alkoholien ja muiden hiilivetyyhdisteiden muodossa. täysin erilaisia ​​ominaisuuksia. Vesi liuottimena reagoi myös silaanien kanssa. Mutta jälleen kerran, tällä on merkitystä vain, jos tällaiset organismit käyttävät tai massatuottavat jostain syystä silaaneja.

Samanaikaisesti silikonit  - polymeerit , mukaan lukien vuorottelevien pii- ja happiatomien ketjut, ovat lämmönkestävämpiä. Tämän perusteella oletetaan, että piielämää voi esiintyä planeetoilla , joiden keskilämpötila on huomattavasti korkeampi kuin Maan. Tässä tapauksessa yleisen liuottimen roolia ei pitäisi pelata vedellä , vaan yhdisteillä, joilla on paljon korkeampi kiehumispiste.

Joten esimerkiksi oletetaan, että piiyhdisteet ovat stabiilimpia kuin hiilimolekyylit rikkihappoympäristössä , toisin sanoen olosuhteissa, joita voi olla muilla planeetoilla [12] . Yleensä monimutkaiset molekyylit, joissa on pii-happiketju, ovat vähemmän stabiileja kuin niiden hiili-happi-vastineet. Hiilivetyjä ja orgaanisia yhdisteitä on runsaasti meteoriiteissa, komeetoissa ja tähtienvälisissä pilvissä, kun taas niiden piitä ei ole koskaan löydetty luonnosta. Pii kuitenkin muodostaa monimutkaisia ​​yksi-, kaksi- ja kolmiulotteisia polymeerejä, joissa happiatomit muodostavat siltoja piiatomien välille. Niitä kutsutaan silikaateiksi. Ne ovat pysyviä ja yleisiä maan päällä, ja niitä on ehdotettu pohjaksi hiiltä edeltävälle evoluution muodolle maapallolla.

Piidioksidi (hiekan pääkomponentti), joka on hiilidioksidin analogi , on kiinteä, heikosti liukeneva aine. Tämä vaikeuttaa piin pääsyä vesiliuoksiin perustuviin biologisiin järjestelmiin, vaikka siihen perustuvien biologisten molekyylien olemassaolo osoittautuisikin mahdolliseksi. Tilanne on samanlainen olemassa olevien maakasvien kanssa. Esimerkiksi riisi pystyy varastoimaan jopa 10 % piitä versojen kuivapainosta laskettuna, mikä on keskeisten makroravinteiden, kuten typen, fosfaatin ja kaliumin, tasoa tai jopa enemmän. Äskettäin on tunnistettu kaksi kuljettajaa (Lsi1 ja Lsi2), jotka ovat vastuussa riisin korkeasta piinottokapasiteetista [13] . Lsi1 kuuluu noduliini-26:n (NIP III) luontaisen proteiinin akvaporiinialaryhmään ja on piihapon kuljettaja [14] . Kuten muutkin makroravinteet, piitä ei ole saatavilla kasveille, koska se on veteen liukenematon. Kuitenkin kasvit, kuten typen tapauksessa, käyttävät luonnollisia biolannoitteita  - esimerkiksi. typpeä sitovat bakteerit, jotka muuttavat ilmakehän typen sitoutuneeseen tilaan, jolloin se on kasvien saatavilla ja joiden kanssa kasvit ovat usein symbioosissa. Piipohjaiset organismit, jos ne hengittävät happea, vapauttavat todennäköisesti piidioksidia ( ) sivutuotteena, samalla tavalla kuin hiilipohjaiset organismit vapauttavat hiilidioksidia - . Toisin kuin hiilidioksidi, piidioksidi olisi kuitenkin kiinteässä tilassa ja siksi se voi tukkia hengitystiet hiekalla. Voidaan kuitenkin kuvitella munuaisiin verrattavia erityselimiä , jotka tämän hypoteettisen biokemian tapauksessa poistavat kehosta eräänlaista silikageeliä . Eläinten typpiyhdisteet poistuvatkin jätetuotteina pääasiassa urean muodossa. Tai silikaattiyhdisteet voivat erittyä kiinteässä muodossa, koska jotkut aavikkoliskot erittävät virtsahappoa sieraimiensa kautta [comm. 1] . Piidioksidi (ottaen huomioon epäpuhtaudet, jotka ovat aina läsnä elävissä kudoksissa ja ehkäisevät kiteytymistä) on aggregoituneessa tilassa nestemäisestä ns. lasimaiseen , joten sitä ohuempi, mitä korkeampi lämpötila on. Tällöin piin elinikä voi koostua "pii-biologisten molekyylien" sulasta piidioksidissa laajalla lämpötila-alueella.

Kaikista tähtienvälisestä väliaineesta löydetyistä molekyyleistä 84 perustuu hiileen ja vain 8 piihin [15] . Lisäksi näistä kahdeksasta yhdisteestä 4 sisältää hiiltä. (Tämä osoittaa epäsuorasti pientä mahdollisuutta biokemian välituotteelle - pii-hiili -muunnelma.) Kosmisen hiilen ja kosmisen piin likimääräinen suhde on 10:1. Tämä viittaa siihen, että monimutkaiset hiiliyhdisteet ovat yleisempiä universumissa , mikä vähentää mahdollisuutta piipohjaisen elämän muodostumisesta, ainakin sellaisissa olosuhteissa, joita voidaan odottaa planeettojen pinnoilla, joiden olosuhteet ovat samanlaiset kuin Maan.

Maapallolla, kuten muilla maanpäällisillä planeetoilla , on paljon piitä ja hyvin vähän hiiltä. Maanpäällinen elämä on kuitenkin kehittynyt hiilen pohjalta. Tämä viittaa siihen, että hiili soveltuu paremmin biokemiallisten prosessien muodostumiseen meidän kaltaisillamme planeetoilla. On edelleen mahdollista, että muissa lämpötilan ja paineen yhdistelmissä pii voi olla mukana biologisten molekyylien muodostumisessa hiilen korvikkeena.

Kemistit ovat työskennelleet väsymättä luodakseen uusia piiyhdisteitä siitä lähtien, kun Frederic Stanley Kipping ( 1863-1949 ) osoitti, että useita mielenkiintoisia yhdisteitä voidaan todellakin valmistaa . Piikemian alan korkein kansainvälinen palkinto on nimeltään Kipping Award . Mutta huolimatta vuosien työstä - ja huolimatta kaikista nykyaikaisten tiedemiesten käytettävissä olevista reagensseista - monia hiiliyhdisteiden piianalogeja ei yksinkertaisesti voida valmistaa. Termodynaamiset tiedot vahvistavat, että nämä analogit ovat usein liian epävakaita tai liian reaktiivisia.

Piidioksidi meressä ja makeassa vedessä

Piidioksidia on vedessä piihapon muodossa:

, tai .

Piihappo saostuu amorfisena piidioksidina, kun liuoksen pitoisuus kasvaa pH:ssa alle 9 tai kylläisen liuoksen pH laskee. Vaikka pii on yksi maankuoren runsaimmista alkuaineista, sen liukoisuus rajoittaa piilevien saatavuutta. Meriveden piipitoisuus on keskimäärin noin 6 ppm . Meren piilevät kuluttavat nopeasti pintaveden liuenneen piidioksidin varastot, mikä rajoittaa niiden lisääntymistä.

On huomattava, että jotkut maapallon organismit käyttävät piiyhdisteitä (erityisesti piidioksidia). Näistä piilevät muodostavat kuorensa ja saavat piitä vedestä. Radiolaaria , joitain sieniä ja kasveja käytetään myös piiyhdisteiden rakennemateriaalina . Pii on myös osa ihmisen sidekudosta .

Tutkijat raportoivat 25. marraskuuta 2016 Science-lehdessä [16] , että he ovat löytäneet proteiineja, joita yleisesti löytyy Islannin kuuman lähteen bakteereista, jotka voivat muodostaa hiili-pii-sidottuja molekyylejä elävissä soluissa. "Se, mitä luonnossa on, on jo valmis luomaan tämän täysin uuden kemian ja tekee sen suhteellisen hyvin", sanoo toinen kirjoittaja Francis Arnold , kemianinsinööri Kalifornian teknologiainstituutista Pasadenassa. ”Tämä avaa tien valmistaa yhdisteitä, joita luonto ei ole koskaan ennen tehnyt. Pian voimme selvittää, mitä kustannuksia ja hyötyjä ne tuovat eläville biosysteemeille." "Se ei ole missään nimessä identtinen korvaaminen", Arnold sanoo. "Elämä normaaleissa olosuhteissa tällä planeetalla ei todennäköisesti toimisi piin kanssa. Oletettavasti voisimme luoda elämän komponentteja, jotka sisältävät piitä - ehkä piirasvaa tai piipitoisia proteiineja - ja kysyä, miten elämä liittyy tähän?... Tarjoaako se uusia toimintoja, joita elämällä ei ennen ollut?

Myös marraskuussa 2016 ilmoitettiin, että sama tutkijaryhmä oli "kasvattanut" bakteeriproteiinin, joka voi luoda keinotekoisia pii-hiilisidoksia. "Päätimme saada luonnon tekemään sen, mitä vain kemistit voivat tehdä, vain paremmin", sanoo Francis Arnold. Tämä tutkimus on myös ensimmäinen, joka osoittaa, että luonto voi mukautua sisällyttämään piitä hiilipohjaisiin molekyyleihin, elämän rakennuspalikoihin. "Mikään elävä organismi ei voi pitää pii-hiilisidoksia yhdessä, vaikka ympärillämme on niin paljon piitä", sanoo Jennifer Kahn, Arnoldin laboratorion tutkija. Tutkijat käyttivät Arnoldin 1990-luvun alussa pioneeriksi kutsuttua ohjattua evoluutiota menetelmää, jossa uusia ja parempia entsyymejä luodaan laboratorioissa keinotekoisen valinnan avulla, aivan kuten jalostajat muokkaavat maissia. Entsyymit ovat luokka proteiineja, jotka katalysoivat tai helpottavat kemiallisia reaktioita. Suunnattu evoluutioprosessi alkaa entsyymistä, jota tutkijat haluavat parantaa. Entsyymiä koodaava DNA mutatoidaan enemmän tai vähemmän satunnaisesti ja tuloksena olevat entsyymit testataan halutun ominaisuuden suhteen. Tehokkain entsyymi mutatoidaan sitten uudelleen ja prosessia toistetaan, kunnes syntyy entsyymi, joka toimii paljon paremmin kuin alkuperäinen.

Ihanteellinen ehdokas osoittautui proteiiniksi bakteerista, joka kasvaa Islannin kuumissa lähteissä. Tämä proteiini, jota kutsutaan sytokromi c:ksi, luovuttaa normaalisti elektroneja muille proteiineille, mutta tutkijat havaitsivat, että se toimii myös entsyyminä luoden pii-hiili-sidoksia alhaisilla tasoilla. Sitten tutkijat mutatoivat tätä proteiinia koodaavan DNA:n alueella, joka määrittää proteiinin rautaa sisältävän osan, jonka uskotaan olevan vastuussa sen pii-hiilisidosaktiivisuudesta. Sitten he testasivat näiden mutanttientsyymien kykyä luoda organopiiyhdisteitä paremmin kuin alkuperäiset.

Vain kolmella testisarjalla he loivat entsyymin , joka voi selektiivisesti luoda pii-hiili-sidoksia 15 kertaa tehokkaammin kuin paras kemistien keksimä katalyytti. Mitä tulee kysymykseen siitä, voisiko elämä kehittyä käyttämään piitä yksinään, Arnold sanoo, että se riippuu luonnosta. "Tämä tutkimus osoittaa, kuinka nopeasti luonto pystyy sopeutumaan uusiin haasteisiin", hän sanoo. ”Solun DNA-koodattu katalyyttinen mekanismi voi nopeasti oppia stimuloimaan uusia kemiallisia reaktioita, jos tarjoamme uusia reagensseja ja sopivan ärsykkeen keinotekoisen valinnan muodossa. Luonto voisi tehdä sen itse, jos hän haluaisi." [17]

Typpi ja fosfori

Typpeä ja fosforia pidetään muina kilpailijoina biologisten molekyylien perustan rooliin. Hiilen tavoin fosfori voi muodostaa atomiketjuja, jotka periaatteessa voisivat muodostaa monimutkaisia ​​makromolekyylejä, jos se ei olisi niin aktiivista . Kompleksissa typen kanssa voi kuitenkin muodostua monimutkaisempia kovalenttisia sidoksia, mikä mahdollistaa monenlaisten molekyylien muodostamisen, mukaan lukien rengasrakenteet.

Maan ilmakehässä typpeä on noin 78 %, mutta kaksiatomisen typen inertsyyden vuoksi kolmiarvoisen sidoksen muodostumisen energian "hinta" on liian korkea. Samaan aikaan jotkut kasvit voivat sitoa typpeä maaperästä symbioosissa juurijärjestelmässään elävien anaerobisten bakteerien kanssa. Jos ilmakehässä on merkittävä määrä typpidioksidia tai ammoniakkia , typen saatavuus on korkeampi. Muiden planeettojen ilmakehässä voi lisäksi esiintyä muita typen oksideja .

Kuten maan kasvit (kuten palkokasvit ), vieraat elämänmuodot voivat imeä typpeä ilmakehästä. Tässä tapauksessa voi muodostua fotosynteesin kaltainen prosessi , jolloin lähimmän tähden energiaa kulutettaisiin glukoosianalogien muodostumiseen ja hapen vapautumiseen ilmakehään. Kasvien yläpuolella oleva eläinelämä ravintoketjussa puolestaan ​​imeisi niistä ravinteita, jolloin ilmakehään vapautuisi typpidioksidia ja maaperään fosforiyhdisteitä.

Ammoniakkiilmakehässä kasvit, joissa on fosfori- ja typpipohjaisia ​​molekyylejä, saisivat typpiyhdisteitä ympäröivästä ilmakehästä ja fosforia maaperästä. Heidän soluissaan ammoniakki hapettuisi muodostamaan monosakkaridianalogeja , sivutuotteena vapautuisi vetyä. Tässä tapauksessa eläimet hengittävät vetyä ja jakavat polysakkaridien analogit ammoniakiksi ja fosforiksi, eli energiaketjut muodostuisivat päinvastaiseen suuntaan kuin planeetallamme (tässä tapauksessa ammoniakin sijaan olisi metaania ) . .

Keskustelu tästä aiheesta ei ole vielä läheskään ohi, sillä jotkin fosforiin ja typen kiertokulkuun perustuvat vaiheet ovat energiavajaisia. Vaikuttaa myös kiistanalaiselta, että universumissa näiden alkuaineiden suhteet esiintyvät elämän syntymiselle välttämättömässä suhteessa.

Typpi ja boori

Typpi- ja booriatomit , jotka ovat "sidoksessa", jäljittelevät "hiili-hiili" -sidosta jossain määrin. Joten boratsoli tunnetaan , jota joskus kutsutaan "epäorgaaniseksi bentseeniksi " (oikeampaa olisi kutsua sitä "ei-hiilibentseeniksi"). Mutta silti, boorin ja typen yhdistelmän perusteella on mahdotonta luoda kaikkia erilaisia ​​​​hiilikemiassa tunnettuja kemiallisia reaktioita ja yhdisteitä. Kuitenkaan ei voida täysin sulkea pois tällaisen korvaamisen perustavanlaatuista mahdollisuutta joidenkin erillisten keinotekoisten (tai vieraiden) biomolekyylien fragmenttien muodossa.

Typpi ja vety

Erittäin korkeassa paineessa (~460  GPa ) typpi- ja vetyyhdisteet ovat kemiallisesti jopa monimuotoisempia kuin hiilivedyt, mikä avaa mahdollisuuksia niiden johdannaisten olemassaololle, joka on monimuotoisempi ja lukuisempi kuin kaikki olemassa olevat orgaaniset yhdisteet, ja mahdollisesti jopa elämä, joka perustuu vaihtoehtoisiin aineisiin. typpi-vetykemia. Typpi-vetybiokemian olemassaololle sopivat olosuhteet löytyvät jättiläisplaneettojen sisältä , jotka sisältävät valtavia määriä typpeä ja vetyä tällaisessa paineessa [18] [19] .

Fosforin korvaaminen

Joulukuussa 2010 NASA Astrobiology Researchin tutkija Felisa Wolfe-Simon raportoi Halomonadaceae-suvun GFAJ-1-bakteerin löytämisestä , joka pystyy korvaamaan fosforin arseenilla tietyissä olosuhteissa [20] [21] [22] .  

Arseeni, joka on kemiallisesti samanlainen kuin fosfori, vaikka se on myrkyllistä useimmille maapallon elämänmuodoille, sisältyy joidenkin organismien biokemiaan. Jotkut merilevät sisältävät arseenia monimutkaisiin orgaanisiin molekyyleihin, kuten arsenosokereihin ja arsenobetaineihin. Sienet ja bakteerit voivat tuottaa haihtuvia metyloidun arseenin yhdisteitä. Arsenaatin pelkistymistä ja arseniitin hapettumista on havaittu mikrobeissa ( Chrysiogenes arsenatis ). Lisäksi jotkut prokaryootit voivat käyttää arsenaattia terminaalina elektronien vastaanottajana anaerobisen kasvun aikana, ja jotkut voivat käyttää arseniittia elektronien luovuttajana energiantuotantoon.

On ehdotettu, että maapallon varhaisimmat elämänmuodot ovat saattaneet käyttää arseenibiokemiaa fosforin sijaan DNA-rakenteessaan. Yleinen vastalause tälle skenaariolle on, että arsenaattiesterit ovat niin vähemmän vastustuskykyisiä hydrolyysille kuin vastaavat fosfaattiesterit, että arseeni ei yksinkertaisesti sovellu tehtävään.

NASAn osittain tukeman vuoden 2010 geomikrobiologisen tutkimuksen kirjoittajat ehdottivat, että Itä-Kaliforniassa sijaitsevan Mono Laken sedimenteistä kerätty bakteeri, nimeltään GFAJ-1, voisi käyttää tällaista "arseeni-DNA:ta", kun sitä viljellään ilman fosforia. He olettivat, että bakteeri voi käyttää korkeita pitoisuuksia poly-β-hydroksibutyraattia tai muita keinoja tehokkaan vesipitoisuuden vähentämiseksi ja arsenaattiestereiden stabiloimiseksi. Tätä hypoteesia kritisoitiin voimakkaasti lähes välittömästi sen julkaisemisen jälkeen asianmukaisten kokeellisten kontrollien väitetystä puutteesta. Tiedekirjoittaja Carl Zimmer otti yhteyttä useisiin tutkijoihin arvioidakseen: "Olen ottanut yhteyttä tusinaan asiantuntijaan... Melkein yksimielisesti he ajattelevat, että NASAn tutkijat eivät ole pystyneet perustelemaan mielipidettään." Muut kirjoittajat eivät ole pystyneet toistamaan tuloksiaan ja ovat osoittaneet, että tutkimuksessa oli ongelmia fosfaattikontaminaation kanssa, mikä viittaa siihen, että läsnä olevat pienet määrät voivat tukea extremofiilisiä elämänmuotoja. Vaihtoehtoisesti on ehdotettu, että GFAJ-1-solut kasvavat kierrättämällä fosfaattia hajonneista ribosomeista sen sijaan, että se korvattaisiin arsenaatilla. Seuraavien kokeiden tulokset kumosivat teorian arseenin sisällyttämisestä DNA:han [23] [24] .

Säätiön Applied Molecular Evolution (USA) kunniajäsen Steven Benner totesi NASAn päämajassa pitämässään lehdistötilaisuudessa pitämässään puheessa, että vaikka arseeni muistuttaa kemialtaan fosforia, se on kuitenkin sisällytetty DNA:n rakenteeseen ja RNA on " heikko lenkki", koska sen muodostamat kemialliset sidokset katkeavat helposti arseeniatomin korkean reaktiivisuuden vuoksi.

Samaan aikaan arseenin lisääntynyt reaktiivisuus, joka vaikuttaa negatiivisesti biologisten molekyylien stabiilisuuteen huoneenlämpötilassa, voi olla hyödyllistä, jos biologisen molekyylin on suoritettava tehtävänsä alhaisissa lämpötiloissa, kuten esimerkiksi Saturnuksen kuussa Titanissa.

Teorioita elämän mahdollisuudesta Titanilla esitettiin vuonna 2005 viimeaikaisten havaintojen perusteella, mutta Titan on paljon kylmempi kuin Maa , joten sen pinnalla ei ole nestemäistä vettä . Kuitenkin toisaalta Titanilla on nestemäisen metaanin ja etaanin järviä sekä niistä jokia ja kokonaisia ​​meriä, minkä lisäksi ne voivat pudota sateena, kuten sade vedestä maan päällä . Jotkut tieteelliset mallit osoittavat, että Titan voi tukea ei-veteen perustuvaa elämää ( katso ), vaikka kaikki tiedemiehet eivät ole samaa mieltä näiden teorioiden kanssa, koska niistä keskustellaan edelleen paljon tiedeyhteisössä, mukaan lukien NASA [25] [26 ]. ] [27] .

World of PNK

Eräs elämän syntyä koskeva hypoteesi viittaa siihen, että alkuperäinen elämä maapallolla saattoi perustua PNA :ihin (peptidinukleiinihappoihin) ja että "PNA-maailma" muutettiin myöhemmin " RNA-maailmaksi ". Pääargumentit ovat PNA:n suurempi kemiallinen stabiilius ja yksinkertaisuus verrattuna RNA:han, mikä mahdollistaisi PNA:n kehittymisen ja selviytymisen primitiivisissä prebioottisissa olosuhteissa. Samaan aikaan PNA kuljettaa tarvittavaa tietoa nukleotidien muodossa. Suurin aukko tässä teoriassa on kuitenkin katalyyttisen aktiivisuuden omaavien PNA-molekyylien puute, joka sallisi PNA:n replikaation.

Vedenvaihto

Hiiliyhdisteiden lisäksi kaikki tällä hetkellä tunnettu maanpäällinen elämä vaatii liuottimena myös vettä. Veden elämänprosessien kannalta tärkeitä ominaisuuksia ovat laaja lämpötila-alue, jossa se on nestemäistä, korkea lämpökapasiteetti, joka auttaa lämpötilan säätelyssä, korkea höyrystymislämpö ja kyky liuottaa monenlaisia ​​yhdisteitä. Vesi on myös amfoteeristä , mikä tarkoittaa, että se voi luovuttaa tai vastaanottaa protonin, jolloin se voi toimia happona tai emäksenä. Tämä ominaisuus on kriittinen monissa orgaanisissa ja biokemiallisissa reaktioissa, joissa vesi toimii liuottimena, lähtöaineena tai tuotteena. On olemassa muita kemikaaleja, joilla on samanlaiset ominaisuudet ja joita on joskus ehdotettu vaihtoehtoina vedelle. Vesi on nestemäistä paineessa 1 atm. välillä 0 °C - 100 °C, mutta on muitakin liuottimia, kuten rikkihappoa , jotka pysyvät nestemäisessä tilassa 200 °C tai korkeampaan lämpötilaan asti [28] .

Ammoniakki

Ammoniakkia pidetään usein todennäköisimpänä (veden jälkeen) liuottimena elämän syntymiselle millä tahansa planeetalla. 100 kPa:n (1 atm) paineessa se on nestemäisessä tilassa -78 - -33 °C:n lämpötiloissa. Ammoniakkimolekyyli ( ), kuten vesimolekyyli, on laajalle levinnyt maailmankaikkeudessa, koska se on vedyn (yksinkertaisin ja yleisin alkuaine) yhdistelmä toisen hyvin yleisen alkuaineen, typen kanssa. Nestemäisen ammoniakin mahdollinen rooli vaihtoehtoisena elämän liuottimena on ajatus, joka juontaa juurensa ainakin vuoteen 1954, jolloin J. B. S. Haldane otti aiheen esille elämän syntyä käsittelevässä symposiumissa.

Ammoniakkiliuoksessa on mahdollisia lukuisia kemiallisia reaktioita, ja nestemäinen ammoniakki on kemiallisesti samanlainen kuin vesi. Ammoniakki voi liuottaa useimpia orgaanisia molekyylejä vähintään yhtä hyvin vettä, ja se voi myös liuottaa monia alkuainemetalleja. Haldane totesi, että useilla yleisillä veteen liittyvillä orgaanisilla yhdisteillä on ammoniakkiin liittyviä analogeja; esimerkiksi ammoniakkiin sitoutunut aminoryhmä ( ) on analoginen veteen sitoutuneen hydroksyyliryhmän kanssa ( ).

Ammoniakki, kuten vesi, voi vastaanottaa tai luovuttaa ioneja . Kun ammoniakki imeytyy , se muodostaa ammoniumkationin ( ), joka on analoginen hydroniumin ( ) kanssa. Kun se luovuttaa ionin , se muodostaa amidianionin ( ), joka on analoginen hydroksidianionin ( ) kanssa . Veteen verrattuna ammoniakki kuitenkin ottaa todennäköisemmin vastaan ​​ionin ja vähemmän todennäköisemmin luovuttaa sellaisen; se on vahvempi nukleofiili . Veteen lisätty ammoniakki toimii Arrhenius-emäksenä : se lisää hydroksidianionin pitoisuutta. Sitä vastoin, kun käytetään järjestelmää happamuuden ja emäksisyyden määrittämiseksi liuotinjärjestelmässä, nestemäiseen ammoniakille lisätty vesi toimii happona , koska se lisää ammoniumkationin pitoisuutta. Karbonyyliryhmä ( ), jota käytetään laajasti maanpäällisessä biokemiassa, ei ole stabiili ammoniakkiliuoksessa, mutta sen sijaan voidaan käyttää analogista imiiniryhmää ( ).

Kuitenkin ammoniakilla on joitain ongelmia elämän perustana. Vetysidokset ammoniakkimolekyylien välillä ovat heikompia kuin vedessä, mikä johtaa siihen, että ammoniakin höyrystymislämpö on puolet veden höyrystä ja pintajännitys  on jopa kolmannes, ja kykyyn keskittyä ei-polaarisia molekyylejä. myös hydrofobinen vaikutus heikkenee. Gerald Feinberg ja Robert Shapiro kyseenalaistivat, voisiko ammoniakki pitää prebioottisia molekyylejä tarpeeksi hyvin, jotta itsestään replikoituva järjestelmä voisi syntyä. Ammoniakki syttyy myös hapessa, eikä sitä voi esiintyä kestävästi aerobiseen aineenvaihduntaan sopivassa ympäristössä. Nestemäinen ammoniakki muistuttaa vettä useilta ominaisuuksiltaan, mutta on huomioitava, että jäätyessään kiinteä ammoniakki ei kellu ylös, vaan uppoaa (toisin kuin vesijää ).

Siksi valtameri, joka koostuu nesteestä , jäätyy helposti pohjaan. Lisäksi ammoniakin valinta liuottimeksi eliminoi hapen käytön edut biologisena aineena. Tämä ei kuitenkaan sulje pois vaihtoehtoisen elämän syntymistä planeetoille, joilla ammoniakki on sekoittunut veteen [29] . Ammoniakkipohjainen biosfääri on todennäköisesti olemassa lämpötiloissa tai ilmanpaineissa, jotka ovat äärimmäisen epätavallisia maapallon elämälle. Elämää maapallolla on tyypillisesti veden sulamis- ja kiehumispisteessä normaalipaineessa, 0 °C (273 K) ja 100 °C (373 K) välillä; normaalipaineessa ammoniakin sulamis- ja kiehumispiste on -78 °C (195 K) - -33 °C (240 K). Kemialliset reaktiot etenevät yleensä hitaammin alemmissa lämpötiloissa. Siksi ammoniakkipohjainen elämä, jos sitä on, voi metaboloitua hitaammin ja kehittyä hitaammin kuin elämä maan päällä. [30] Toisaalta viileämmät lämpötilat voivat myös antaa eläville järjestelmille mahdollisuuden käyttää kemikaaleja, jotka olisivat liian epävakaita Maan lämpötiloissa ollakseen hyödyllisiä. [31]

Ammoniakki voi olla nestettä samanlaisissa lämpötiloissa kuin Maan, mutta paljon korkeammissa paineissa; esimerkiksi 60 atm:ssä ammoniakki sulaa -77°C:ssa (196 K) ja kiehuu 98°C:ssa (371 K). [32]

Ammoniakin ja veden seokset pysyvät nestemäisinä lämpötiloissa, jotka ovat selvästi puhtaan veden jäätymispisteen alapuolella, joten tällainen biokemia voisi sopia hyvin vesipohjaisen asumisvyöhykkeen ulkopuolella kiertäville planeetoille ja kuuille . Tällaisia ​​olosuhteita voi olla esimerkiksi Saturnuksen suurimman kuun Titanin pinnan alla . [33]

Fluorivety

Fluorivety muistuttaa vettä useilta ominaisuuksiltaan . Joten se pystyy myös muodostamaan molekyylien välisiä vetysidoksia. On kuitenkin pidettävä mielessä, että havainnoitavissa olevassa maailmankaikkeudessa on 10 000 happiatomia yhtä fluoriatomia kohti , joten on vaikea kuvitella millä tahansa planeetalla olosuhteita, jotka suosivat valtameren muodostumista, joka koostuu , mutta ei .

Toinen vahva argumentti tätä mahdollisuutta vastaan ​​on se, että useimpien planeettojen (joilla on yksi) kiinteä pinta, lukuun ottamatta joitain eksoottisia hypoteettisia planeettoja ( rautaplaneetta , hiiliplaneetta ), koostuu piidioksidista ja alumiinisilikaateista , joiden kanssa fluorivety reagoi reaktio:

.

Syaanivety

Syaanivetyhappo pystyy myös muodostamaan vetysidoksia, mutta toisin kuin se, se koostuu alkuaineista, jotka ovat laajalti jakautuneet universumissa. Lisäksi tällä yhdisteellä uskotaan olleen merkittävä rooli maapallon esibiologisessa kemiassa  - esimerkiksi aminohappojen , nukleotidien ja muiden " alkukeiton " komponenttien muodostumisessa.

Vetysyanidi ei kuitenkaan ole sopiva liuotin vaihtoehtoiseen elämään, jo pelkästään siksi, että yhdiste on termodynaamisesti epästabiili. Nestemäinen syaanivetysyanidi siis hartsinoituu nopeasti, erityisesti katalyyttien (jotka voivat olla happoja , emäksiä , savea ja monia kiviä ) läsnä ollessa, ja joskus hajoaminen etenee räjähdyksellä . Näistä syistä se ei pysty muodostamaan valtamerta millekään planeetalle.

Metaani ja etaani

Elämää voi esiintyä Titanin pinnalla olevassa nestemäisessä metaanissa ja etaanissa , jotka ovat jokien ja järvien muotoisia, aivan kuten maapallon organismit elävät vedessä. Tällaiset olennot käyttäisivät asetyleeniä glukoosin sijasta ja reagoisivat sen kanssa ja tuottaisivat metaania hiilidioksidin sijaan . Metaanin tehokkuudesta elämän liuottimena veteen verrattuna käydään keskustelua: vesi on metaania tehokkaampi liuotin, minkä ansiosta se kuljettaa ainetta soluun helpommin, mutta metaanin pienempi kemiallinen reaktiivisuus mahdollistaa sen muodostumisen helpommin. suuria rakenteita, kuten proteiineja ja vastaavia.

Toinen ehdotus on, että nestemäisessä metaanissa tai etaanissa elävät organismit voivat käyttää erilaisia ​​yhdisteitä liuottimena. Esimerkiksi fosfiini ( ) ja yksinkertaiset fosforin ja vedyn yhdisteet. Kuten vedellä ja ammoniakilla, fosfiinilla on polaarisuus, mutta se esiintyy nesteenä alemmissa lämpötiloissa kuin joko ammoniakki tai vesi. Nestemäisessä etaanissa fosfiini on yksittäisten pisaroiden muodossa, mikä tarkoittaa, että solumaisia ​​rakenteita voisi olla ilman solukalvoja.

Azotosomi

Helmikuussa 2015 julkaistussa paperissa simuloitiin (tietokoneella) hypoteettista solukalvoa, jota kutsutaan atsotosomiksi ja joka pystyy toimimaan nestemäisessä metaanissa Titanin olosuhteissa. Sen uskotaan koostuvan akryylinitriilistä , pienestä hiiltä, ​​vetyä ja typpeä sisältävästä molekyylistä, ja se on vakaa ja kestävä. Nestemäisen metaanin joustavuus on verrattavissa nestemäisessä vedessä olevan fosfolipidikaksoiskerroksen (solukalvon tyyppi, joka on kaikella maapallon elämällä) joustavuuteen. Vuonna 2017 valmistuneen Atacama Large Millimeter Array -järjestelmän avulla saatujen tietojen analyysi vahvisti, että Titanin ilmakehässä on merkittävä määrä akryylinitriiliä.

Titaanitetrakloridi

Yksi mahdollinen liuotin vedettömässä väliaineessa voi olla titaanitetrakloridi. Sen tärkeä etu on napaisuus. Samaan aikaan sen lämpötila-alue nestemäisessä aggregaatiotilassa on lähes kaksi kertaa leveämpi kuin veden.

Hapen vaihto

Rikkihapon mielenkiintoinen ominaisuus on, että se muuttuu hapoksi vain veden läsnä ollessa. Mutta sokeri- ja aminohappomolekyylien polymerointiprosessissa olevaa vettä ei vapaudu, jos rikkiatomit ovat happiatomien tilalla orgaanisissa molekyyleissä. Tällaisten "rikkipitoisten" organismien on oltava olemassa huomattavasti korkeammassa lämpötilassa ja valtameressä oleumista (vedetön rikkihappo). Tällaiset olosuhteet ovat olemassa Venuksella . Koska molekulaarista happea, joka voisi muodostaa ultraviolettisäteilyltä suojaavan otsonikerroksen , ei muodostu, se vaikeuttaa elämän pääsyä maahan. Tämä voi selittää sen tosiasian, että elämää Venukselta ei ole vielä löydetty, vaikka on olemassa epäsuoraa näyttöä - läsnäolo samoilla alueilla ja , jotka eivät voi esiintyä rinnakkain, jos joku tai jokin ei jatkuvasti tuota niitä [34] . Uusimmat tiedot paljastivat myös ohuen otsonikerroksen Venuksella, joka tutkijoiden mukaan muodostuu ilmakehän yläkerran hiilidioksidista auringonvalon vaikutuksesta [35] .

Teoriassa happi on mahdollista korvata muilla kalkogeeneillä , mutta niihin perustuvan elämän olemassaolon kannalta nämä alkuaineet ovat erittäin harvinaisia. On myös syytä huomata, että anaerobisten organismien tiedetään käyttävän muita alkuaineita elektronien vastaanottajina.

Vaihtoehtoiset veren proteiinit

Näistä muutoksista vähiten näkyvä, mutta tutkituin on vaihtoehtoisten metalloproteiinien käyttö hapen kuljettamiseen veressä. Jopa maapallon biosfäärissä voidaan käyttää hemoglobiinin lisäksi hemosyaniinia (kuparipohjainen ), hemerytriiniä (orgaaninen rautaproteiini , jolla on hyvin erilainen rakenne), koboglobiinia (kobolttipohjainen, saatu laboratoriosta), pinnaglobiinia (mangaanipohjainen) ja muita.

Organismit, jotka eivät käytä happea hengitykseen, käyttäisivät epäilemättä muita kuljetusyhdisteitä.

"Peilimaailma"

Maan elävässä luonnossa kaikilla aminohapoilla on L-konfiguraatio ja hiilihydraatilla  D-konfiguraatio, lukuun ottamatta erittäin harvinaisia ​​tapauksia, esimerkiksi pernaruttopatogeenin kuoren elementtejä . Periaatteessa voidaan kuvitella "peilimaailmaa", jossa elävillä organismeilla on sama biokemiallinen perusta kuin maan päällä, lukuun ottamatta sen täydellistä peilisymmetriaa : sellaisessa maailmassa elämä voisi perustua D-aminohappoihin ja L-hiilihydraatteihin. Tällainen mahdollisuus ei ole ristiriidassa minkään tällä hetkellä tunnetun luonnonlain kanssa.

Yksi tällaisen hypoteettisen maailman paradokseista on se tosiasia, että tällaiseen maailmaan (joka on peilikopio maapallosta) päässyt ihminen voi kuolla nälkään huolimatta siitä, että ruoka on runsasta ympärillä [36] :13 . Lisäksi "peili"-molekyylien syöminen voi aiheuttaa myrkytyksen [36] :12-13 .

Ei-kemialliset elämäntavat

Biologi Jack Cohen ja matemaatikko Ian Stewart väittävät teoksessaan Evolving the Alien , että ainutlaatuiseen Maan hypoteesiin perustuva astrobiologia on "rajoittunutta ja tylsää". He ehdottivat, että Maan kaltaiset planeetat saattavat olla harvinaisia, mutta monimutkaisia ​​elämänmuotoja saattaa esiintyä muissa ympäristöissä.

Vielä spekulatiivisemmat ajatukset koskevat elämän mahdollisuutta täysin erilaisissa kappaleissa kuin Maan kaltaisilla planeetoilla. Tähtitieteilijä Frank Drake , tunnettu maapallon ulkopuolisen elämän etsimisen kannattaja, on ehdottanut elämää neutronitähdissä : olentoja, joiden elinkaari on miljoonia kertoja nopeampi kuin maanpäällisten organismien ja jotka koostuvat erittäin pienistä "ydinmolekyyleistä" [37] . Tämä "fantastiseksi ja viekkaaksi" kutsuttu ajatus on yleistynyt tieteiskirjallisuudessa [38] . Carl Sagan pohti vuonna 1976 Jupiterin yläilmakehässä lentävien organismien olemassaoloa [39] [40] . Cohen ja Stewart harkitsivat myös elämän mahdollisuutta kaasujättiläisten ilmakehässä ja jopa Auringossa.

Jotkut filosofit , esimerkiksi Tsiolkovsky , uskoivat, että elämä voi olla plasmoidien muodossa, jotka pystyvät säilyttämään muodon ja lisääntymään tietyissä olosuhteissa ja joiden prototyyppi on pallosalama . Äskettäin tietokonemallinnuksen ansiosta plasman elämänmuotojen olemassaolon mahdollisuus on saanut jonkin verran teoreettista perustetta [41] .

Vaihtoehtoinen biokemia fiktiossa

  • Neuvostoliiton tiedemiehen ja tieteiskirjailijan Ivan Efremovin scifi-tarinassa " Käärmeen sydän " ( 1958 ) kuvataan maanihmisten kontaktia vieraan humanoidi-sivilisaatioon, jonka syntyperäisen planeetan biokemiassa fluori toimii hapen roolissa. . Tämä sivilisaatio ei huolellisista etsinnöistä huolimatta löytänyt ainuttakaan planeettaa, jonka biokemia olisi samanlainen kuin he - kaikilla muilla avaruussivilisaatioilla, joita he kohtasivat, oli happipohja.
  • Englantilaisen tähtitieteilijän Fred Hoylen klassisessa tieteisromaanissa " Musta pilvi " ( 1957 ) kuvataan maanihmisten kosketusta tähtien välissä liikkuvaan elävään valtavaan mustaan ​​pilveen, joka koostuu tähtienvälisestä kaasusta .
  • Englantilaisen kirjailijan Arthur Conan Doylen scifi-novelli " Kun maa itki " ( 1928 ) kuvaa elävää maapalloa, jonka elämä perustuu maankuoren mineraaleihin ja nesteisiin (erityisesti öljyyn) .
  • Michael Crichtonin tieteisromaani The Andromeda Strain sisältää maan ulkopuolisen viruksen, jolla on kuusikulmaisiin kiteisiin perustuva vaihtoehtoinen biokemia.
  • A. Dneprovin scifi-tarina " Savijumala " käsittelee elämää piin pohjalta .
  • A. Konstantinovin scifi-tarina " Contact on Lenzeven " käsittelee myös piipohjaista elämää. Tutkijat joutuvat kaukaiselle planeetalle ja löytävät itsensä hylätystä kaupungista, jossa on patsaita kaikkialla. Lopulta käy ilmi, että patsaat ovat tämän planeetan pii-asukkaita, joiden elämänprosessit ovat satoja kertoja hitaampia kuin maanpäällisten elämänmuotojen.
  • Puolalaisen kirjailijan Stanisław Lemin scifi-tarinassa Pravda "tähtielämän" katsotaan perustuvan korkean lämpötilan plasmaan satunnaisesti luodun "ameeban" muodossa, joka romahti sähkömagneettisen kentän putoamisen seurauksena. Tämän tarinan lisäksi mukana on plasmaan perustuva elämä: Olaf Stapledonilla " The Starmaker " -elokuvassa on eläviä tähtiä; Edmond Hamiltonin " Children of the Stars" ja Arthur C. Clarken "Out of the Sun's Womb" -eläviä olentoja tähtien syvyyksissä; Sergei Lukjanenko dilogiassa " Tähdet - kylmät lelut " - jättiläismäiset älykkäät plasmoidit Torpp.
  • Francis Karsakin tieteisromaani Aliens from Nowhere käsittelee elämää, joka perustuu matalan lämpötilan suprajohtavuuteen . Olennot, joiden aineenvaihdunta perustuu suprajohtavuuteen (Mysliki), tarvitsivat alhaisia ​​lämpötiloja. Sopivia planeettoja oli vähän, joten Mislikit alkoivat mukauttaa olemassa olevia planeettoja elämään - sammuttaakseen tähdet, joiden ympärillä nämä planeetat pyörivät.
  • Monet Paul W. Andersonin kirjoituksista kuvaavat elämää käyttämällä ammoniakkia veden sijasta. Erityisesti: " Call me Joe " (1957), " Conquer three worlds " (1964) ja muut.
  • Frederick Brownin novelli The Wavers (1954) kuvaa sähkömagneettisiin aaltoihin perustuvaa elämänmuotoa.
  • Firewalker (2x09) -sarjan X-Files- sarjassa tulivuoren kraatterista löydettiin piielämän muoto - loissieniä. Tämän sienen itiöt kuolivat muutamassa sekunnissa " hedelmärungon " ilmestymisen jälkeen, elleivät he ehtineet löytää isäntää .
  • Komediaelokuva Evolution sisältää typpipohjaisen avaruusolennon, jossa on 10 emäsparia. Evolution - animaatiosarjassa , joka on tehty elokuvan jatkoksi, nämä olennot ovat yksi superorganismi .
  • Star Trek: The Original Series -jaksossa " The Devil in the Dark " (1x25) olento Hort esiintyy piipohjaisella biokemialla.
  • Star Trek: The Animated Series -sarjan jaksossa "Planet Vanishing" (1x03) ilmestyy jättimäinen antimatteriolento, joka ruokkii normaaleja aineplaneettoja.
  • Samanniminen avaruusolioiden fiktiivinen rotu maailmankaikkeudesta on piielämän muoto.
  • Star Trek: Voyager -sarjan jaksossa "The Good Shepherd" (6x20) kohdataan elävä olento, joka koostuu pimeästä aineesta .
  • Kuvitteellisessa Mass Effectin universumissa on turiaani- ja kvariaanirotuja , jotka toisin kuin muiden tuntevien rotujen edustajat sisältävät D-aminohappoja. On myös rotu volus  - alakokoisia humanoideja, joiden biokemia on sidottu ammoniakkiin korkeissa paineissa.
  • Stargate : SG-1 -sarjassa sarjassa "Scorched Earth" (4x09) on pitkälle kehittynyt Gadmir-rotu, jonka biokemiallinen perusta (samoin kuin muut organismit, joiden kanssa he loivat biosfäärin) on rikki hiilen sijaan.
  • Kira Bulychevin novelli "The Snow Maiden" kuvaa humanoidisivilisaatiota, joka perustuu ammoniakkiin veden sijaan.
  • Krona, Green Lantern: Emerald Knightsin tärkein antagonisti, koostuu antimateriasta.
  • Monissa kuvitteellisissa universumeissa on puhtaan energian olentoja.
  • Vuoden 2000 animaatioelokuva "Titan After the Destruction of the Earth" sisältää puhtaan energian olentoja, jotka tuhoavat sivilisaatioita.
  • Frank Herbert Dune -universumissa hiekkamato Shai-Hulud on organopiin elämänmuoto.
  • Anathem , Neil Stevensonin tieteiskirjallisuusromaani , kuvaa ihmisten joutuvan kosketukseen ihmisten kanssa vaihtoehtoisista universumeista, joiden biokemia perustuu erilaiseen aminohappokonfiguraatioon.
  • James Whiten tieteisromaanien ja novellien sarjassa Space Hospital, päähenkilöt ovat galaksin eri älykkäiden rotujen lääkäreitä, myös ei-humanoidisia.
  • Vuonna 1894 kuuluisa kirjailija HG Wells kirjoitti: "Seuraava oletus johtaa fantastisiin fantasioihin: visioita pii-alumiiniorganismeista - miksi ei heti pii-alumiini-ihmisiä? - vaeltaa kaasumaisen rikin ilmakehässä, sanotaanpa niin. nestemäisen raudan rannalla, useita tuhansia asteita masuunin lämpötilan yläpuolella." [42]

Tiedemiehet ja vaihtoehtoinen biokemia

Luettelo tutkijoista, jotka ovat harkinneet mahdollisia vaihtoehtoja hiili-vesibiokemialle, sisältää:

  • John Burdon Sanderson Haldane (1892–1964), geneetikko, joka tunnettiin abiogeneesiä koskevasta työstään .
  • Isaac Asimov (1920–1992), biokemisti ja tieteiskirjailija.
  • Ivan Efremov (1908-1972), paleontologi , biologisten tieteiden tohtori, koko paleontologian - tafonomian - osan perustaja .
  • George Pimentel (1922-1989), amerikkalainen kemisti, Kalifornian yliopisto, Berkeley.
  • William Baines, Cambridgen biologi, Astrobiology-lehden kirjoittaja.
  • Peter Snit (1923–2011), mikrobiologi, Planets and Life -kirjan kirjoittaja.
  • Carl Sagan (1934–1996), tähtitieteilijä, tieteen popularisoija ja SETI :n kannattaja .
  • W. Axel Firsoff (1910–1981), brittiläinen tähtitieteilijä
  • Gerald Feinberg (1933–1992), fyysikko ja Robert Shapiro (1935–2011), kemisti, Life Beyond Earthin yhteiskirjoittajat.
  • Jonathan Lunin, (s. 1959), yhdysvaltalainen planeettatieteilijä ja fyysikko.
  • Robert A. Fritas, Jr. (1952–tähden), nanoteknologian ja nanolääketieteen asiantuntija; Xenology-kirjan kirjoittaja.
  • John Baross, valtameritutkija ja astrobiologi, joka johti tiedekomiteaa Yhdysvaltain kansallisessa tutkimusneuvostossa, joka julkaisi raportin elämää rajoittavista olosuhteista vuonna 2007. Raportissa käsiteltiin huolta siitä, että avaruusjärjestö saattaa etsiä hyvin resursseilla varustettua elämää muista maailmoista "ja sitten ei tunnista sitä, jos se löydetään".

Katso myös

Muistiinpanot

Kommentit
  1. ↑ Lintuissa, useissa matelijoissa ja useimmissa maan päällä elävissä hyönteisissä virtsahappo on sekä puriinien että proteiinien aineenvaihdunnan lopputuote. Virtsahapon biosynteesijärjestelmä (eikä urea, kuten useimmissa selkärankaisissa) mekanismina sitoa kehoon myrkyllisempää typen aineenvaihdunnan tuotetta - ammoniakkia - kehittyi näille eläimille niiden ominaisen rajoitetun vesitasapainon vuoksi (virtsahappo on erittyy elimistöstä vähimmäismäärällä vettä tai jopa kiinteässä muodossa)
Lähteet
  1. ↑ Alfonso F. Davila, Christopher P. McKay. Mahdollisuus ja välttämättömyys biokemiassa: vaikutukset maan ulkopuolisten biomarkkerien etsimiseen Maan kaltaisissa ympäristöissä   // Astrobiology . – 2014-06. — Voi. 14 , iss. 6 . - s. 534-540 . - ISSN 1557-8070 1531-1074, 1557-8070 . doi : 10.1089 / ast.2014.1150 . Arkistoitu alkuperäisestä 16. heinäkuuta 2020.
  2. ↑ Planetaaristen järjestelmien orgaanisen elämän rajoja käsittelevä komitea, Elämän alkuperää ja kehitystä käsittelevä komitea, Kansallinen tutkimusneuvosto; The Limits of Organic Life in Planetary Systems Arkistoitu 7. kesäkuuta 2011 Wayback Machinessa ; National Academies Press, 2007.
  3. ↑ Yliopistobiologian opetuksessa on käytetty myös lyhennettä SP Cohn edustamaan näitä kuutta elementtiä. Koulutus CHNOPS: Elämän kuusi runsainta elementtiä . Pearson koulutus . Pearson BioCoach (2010). - "Useimmat biologiset molekyylit on valmistettu kuuden tärkeän alkuaineen kovalenttisista yhdistelmistä, joiden kemialliset symbolit ovat CHNOPS. ... Vaikka biomolekyyleistä löytyy yli 25 alkuainetta, kuusi alkuainetta on yleisimpiä. Näitä kutsutaan CHNOPS-elementeiksi; kirjaimet tarkoittavat hiilen, vedyn, typen, hapen, fosforin ja rikin kemiallisia lyhenteitä." Käyttöpäivä: 10. joulukuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 27. heinäkuuta 2017.
  4. ↑ Brosnan JT, Brosnan ME Rikkiä sisältävät aminohapot: yleiskatsaus  // The  Journal of Nutrition : päiväkirja. - 2006. - Kesäkuu ( osa 136 , nro 6 Suppl ). - P. 1636S-1640S . — PMID 16702333 .
  5. ↑ Campbell, Neil A.; Brad Williamson; Robin J. Heyden. Biologia: Elämän tutkiminen . - Boston, Massachusetts: Pearson Prentice Hall , 2006. - ISBN 0-13-250882-6 .  (vaatii tilauksen)
  6. ↑ Vaihtoehtoinen biokemia | Speculative Evolution Wiki | fandomia . Haettu 15. marraskuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 13. marraskuuta 2021.
  7. ↑ Hilary L. Doyle, Tom Jentz. Jagdpanzer 38 'Hetzer' 1944-45 (linkki ei saatavilla) . Käyttöpäivä: 30. syyskuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 1. joulukuuta 2014. 
  8. ↑ 1 2 Pace, N. R. (2001). "Biokemian universaali luonne". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United of America. 98(3): 805-808. Bibcode: 2001PNAS…98..805P. doi: 10.1073/pnas.98.3.805. PMC 33372. PMID 11158550 .
  9. ↑ Biokemiallinen evoluutio. I. Polymerointi dealuminoitujen zeoliittien ja maasälpien sisäisillä organofiilisilla piidioksidipinnoilla | PNAS . Haettu 20. maaliskuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 17. marraskuuta 2018.
  10. ↑ William Baines. "Astrobiologia - elämän luonne". WilliamBains.co.uk. Haettu 20. maaliskuuta 2015.
  11. ↑ William Baines (kesäkuu 2004). "Monien kemian avulla voidaan luoda eläviä järjestelmiä." Astrobiologia. 4(2): 137-167. Bibcode: 2004AsBio...4...137B. DOI: 10.1089 / 153110704323175124. PMID 15253836 . S2CID 27477952 .
  12. ↑ Gillette, Stephen. maailman rakentaminen. - Writer's Digest Books.
  13. ↑ (Ma et al., 2006, 2007a)
  14. ↑ Yamaji N., Mitatni N., Ma JF Kuljettaja, joka säätelee piin jakautumista riisin versoissa  // Plant Cell  : Journal  . - 2008. - Voi. 20 , ei. 5 . - s. 1381-1389 . - doi : 10.1105/tpc.108.059311 . — PMID 18515498 .
  15. ↑ Lazio, Joseph F.10 Miksi oletamme, että muiden olentojen on perustuttava hiileen? Miksi organismit eivät voi perustua muihin aineisiin? . [sci.astro] ET Life (Astronomy Frequently Asked Questions) . Haettu 21. heinäkuuta 2006. Arkistoitu alkuperäisestä 8. kesäkuuta 2020.
  16. ↑ Etsitkö piipohjaista muukalaiselämää? Älä pidätä hengitystäsi. | Populaari Tiede . Haettu 8. maaliskuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 15. lokakuuta 2019.
  17. ↑ Piin herättäminen henkiin | www.caltech.edu . Haettu 27. marraskuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 27. marraskuuta 2021.
  18. ↑ Tutkijat ovat löytäneet potentiaalisen vaihtoehdon hiilen elämänmuodoille - Nauka-TASS . Haettu 10. elokuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 10. elokuuta 2021.
  19. ↑ Stabiilisten typpien monipuolinen kemia ja vaikutukset planeetta- ja materiaalitieteisiin | tieteellisiä raportteja . Haettu 10. elokuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 10. elokuuta 2021.
  20. ↑ Wolfe-Simon F., Blum JS, Kulp TR, et ai. Bakteeri, joka voi kasvaa käyttämällä arseenia fosforin sijaan  //  Science : Journal. - 2010 - joulukuu. - doi : 10.1126/tiede.1197258 . — PMID 21127214 .
  21. ↑ Arseenia syövä mikrobi voi määritellä  elämän kemian uudelleen . luontouutisia. Käyttöpäivä: 26. tammikuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 24. helmikuuta 2012.
  22. ↑ Astrobiologinen löytö johtaa myrkyllistä elämää (linkki ei saavutettavissa) . kalvo. Käyttöpäivä: 26. tammikuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 28. tammikuuta 2012. 
  23. ↑ Elena Kleschenko. Kaksi naista, DNA ja arseeni . Elements.ru. Käyttöpäivä: 18. tammikuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 20. tammikuuta 2013.
  24. ↑ Biologit ovat yrittäneet vihdoin kumota "arseenin elämän" teorian . Lenta.ru (4. lokakuuta 2012). Haettu 18. tammikuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 23. syyskuuta 2020.
  25. ↑ http://www.nasa.gov/topics/solarsystem/features/titan20100603.html Arkistoitu 22. elokuuta 2011. Mikä kuluttaa vetyä ja asetyleeniä Titanilla? (eng)
  26. ↑ http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=liquid-lake-on-titan Arkistoitu 10. lokakuuta 2012. Tutkijat vahvistavat nestemäisten järvien ja "rantojen" olemassaolon Saturnuksen kuun Titanilla
  27. ↑ http://www.space.com/8547-strange-discovery-titan-leads-speculation-alien-life.html Arkistoitu 4. huhtikuuta 2019 Wayback Machinessa . Strange Discovery on Titan johtaa avaruuselämän spekulaatioihin
  28. ↑ Eksoottista elämää maan ulkopuolella? Etsimme elämää sellaisena kuin emme sitä  tunne . europlaneetta. Käyttöpäivä: 26. tammikuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 24. helmikuuta 2012.
  29. ↑ Krion - Fantasiaolennot Wiki
  30. ↑ Schulze-Makuch, Dirk; Irvine, Louis Neal (2008). Life in the Universe: Expectations and Limitations (2. painos). Springer. 119. ISBN 9783540768166 .
  31. ↑ Isaac Asimov (Talvi 1981). "Ei se, mitä tiedämme - elämän kemia". Avaruushaku. North American Astrophysical Observatory (9 (Vol. 3 No. 1)).
  32. ↑ Planetaaristen järjestelmien orgaanisen elämän rajoja käsittelevä komitea, Elämän syntyä ja kehitystä käsittelevä komitea, Kansallinen tutkimusneuvosto; Orgaanisen elämän rajat planeettajärjestelmissä; The National Academies Press, 2007; 72.
  33. ↑ Fortes, AD (1999). "Eksobiologiset seuraukset mahdollisesta ammoniakki-vesivaltamerestä Titanin sisällä" [1] Arkistoitu 16. heinäkuuta 2011 Wayback Machinessa . Haettu 7. kesäkuuta 2010.
  34. ↑ Elämä Maan vieressä. Ensimmäinen osa (linkki ei ole käytettävissä) . kalvo. Käyttöpäivä: 26. tammikuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 5. maaliskuuta 2013. 
  35. ↑ Otsonikerros löytyi Venuksesta . Lenta.ru (7. lokakuuta 2011). Haettu 14. huhtikuuta 2014. Arkistoitu alkuperäisestä 21. huhtikuuta 2014.
  36. ↑ 1 2 Elävien epäsymmetriasta // Biologia / Comp. S. T. Ispailovin osat. - 3. painos - M . : Avanta + , 1996. - T. 2. - 704 s. - (Lasten tietosanakirja). – 50 000 kappaletta.  — ISBN 5-86529-012-6 .
  37. ↑ Drake, Frank. Elämä neutronitähdellä  (englanniksi)  // Astrobiology : Journal. - 1973. - Voi. 1 , ei. 5 . — s. 5 .
  38. ↑ Rakas, David Neutron tähti, elämä  jatkuu . Astrobiologian, astronomian ja avaruuslentojen tietosanakirja. Haettu 5. syyskuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 11. maaliskuuta 2012.
  39. ↑ Sagan, C.; Salpeter, EE Hiukkaset, ympäristöt ja mahdolliset ekologiat Jovian ilmakehässä  //  The Astrophysical Journal  : Journal. - IOP Publishing , 1976. - Voi. 32 . - s. 633-637 . - doi : 10.1086/190414 . - .
  40. ↑ Kultas, David Jupiter, elämää eteenpäin . Astrobiologian, astronomian ja avaruuslentojen tietosanakirja. Haettu 6. elokuuta 2007. Arkistoitu alkuperäisestä 11. maaliskuuta 2012.
  41. ↑ Pölyinen plasma vihjaa elämän molekyyliin (pääsemätön linkki) . kalvo. Haettu 26. tammikuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 20. toukokuuta 2012. 
  42. ↑ Opeta tähtitiedettä - Pii vastaan ​​hiili . Haettu 27. marraskuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 27. marraskuuta 2021.

Kirjallisuus

  • Topunov A. F., Shumaev K. B. Vaihtoehtoinen biokemia ja elämän esiintyvyys. SAO:n tiedote. 2006. T. 60-61.
  • Horowitz N. Etsi elämää aurinkokunnassa. Per. englannista. cand. biol. Tieteet V. A. Otroshchenko, toim. Dr. Biol. Tieteet M. S. Kritsky. M. , Mir, 1988, s. 77-79.
  • Paul Davis. Vieraita omiensa joukossa.  "Etsiessään todisteita siitä, että elämä on syntynyt maan päällä useammin kuin kerran, tutkijat tutkivat huolellisesti ekologisia markkinarakoja, joissa mikro-organismit voisivat elää ja jotka ovat radikaalisti erilaisia ​​kuin meille niin tutut. "TIETEEN MAAILMASSA", maaliskuu 2008 nro 3
  • membrana: Kemistit ovat näyttäneet tien epäorgaaniseen elämään Arkistoitu 23. maaliskuuta 2013 Wayback Machinessa