Здесь, на Земле, углерод является основой всей жизни от растений до грибов и животных. Наиболее распространенной существующей альтернативой является кремний, но, безусловно, из более чем 100 элементов, отличных от углерода и кремния, есть и другие варианты жизненных баз. Какие из существующих элементов могут служить основой для жизни? Каковы их преимущества и недостатки по сравнению с углеродом?
В Википедии для этого есть полная статья: https://en.wikipedia.org/wiki/Hypothetical_types_of_biochemistry . Большая часть этого ответа основана на этой статье.
По сути, альтернативная биохимия будет:
Почти все земные аминокислоты имеют L-форму, а сахара имеют D-форму. Но жизнь на какой-то другой планете может принять LL, DL или DD.
Кремний : кремний является наиболее частым кандидатом на замену углерода, но молекулы, созданные из длинных последовательностей кремния (их называют силанами), как правило, гораздо менее химически стабильны, чем их углеродные аналоги. Кроме того, кремний встречается на Земле гораздо чаще, чем углерод, и даже при этом жизнь здесь основана на углероде. Во всяком случае, он остается в качестве возможного кандидата.
Силикон : чередующиеся последовательности кремния и кислорода (также известные как силиконы) гораздо более стабильны, чем длинные последовательности только кремния, поэтому силиконы, как правило, работают лучше, чем силаны. Полисиланолы представляют собой силиконовые соединения, аналоги сахаров на основе углерода, и они растворимы в жидком азоте.
Бор : последовательности бора, называемые боранами, очень взрывоопасны в атмосфере Земли, но могут быть жизнеспособны на какой-нибудь другой планете. Однако бор встречается относительно редко, чтобы его можно было рассматривать как жизнеспособную альтернативу.
Сера или фосфор : они также способны создавать длинные цепи в некоторых ситуациях, однако они, как правило, даже менее стабильны, чем силаны.
Металлы : некоторые металлы, смешанные с кислородом, способны образовывать очень сложные молекулы. Тем не менее, многие металлы относительно редки, поэтому у вас остается только несколько вариантов, а именно титан, алюминий, магний и железо, которых даже больше, чем углерода.
Вода необходима, потому что это жидкость, способная действовать как растворитель для большого набора веществ, а также имеет довольно широкий диапазон температур жидкости. Немногие вещества обладают такими характеристиками, но некоторые из них есть, а именно:
Аммиак : при низких температурах (т.е. на планетах, которые вращаются достаточно далеко от своих звезд-хозяев) аммиак становится жидкостью, способной действовать как растворитель для большого количества веществ, и имеет достаточно большой диапазон температур жидкости. Диапазон жидкости не так велик, как у воды, но на тех холодных планетах, где она остается жидкой, возможно, температура меняется не так сильно, как на Земле. Однако в средах с высоким давлением аммиак имеет даже больший диапазон жидкого состояния, чем вода. Кроме того, аммиак растворяет многие металлы даже лучше, чем вода.
Фтористый водород : имеет подходящий диапазон температур жидкости, аналогичный воде, но при более низких температурах. Он также способен действовать как растворитель для многих веществ. Однако считается, что это слишком редко, чтобы быть жизнеспособным кандидатом.
Сероводород : хороший растворитель, но не такой хороший, как вода или аммиак. Однако, смешанный с небольшой долей фтористого водорода, он становится большим. К сожалению, он имеет узкий диапазон температур жидкости, но может работать при высоких давлениях, где его диапазон жидкости лучше.
Метан и другие простые углеводороды: на Титане есть озера, состоящие из углеводородов, в основном из этана и метана. Между прочим, согласно статье в Википедии, некоторые люди, такие как Даррелл Стробел из Университета Джона Хопкинса, предполагают, что на Титане на самом деле существует жизнь, основанная на углеводородах, которая объединяет углеводороды в водород, восстанавливая этан и ацетилен в метан (что-то аналогичное тому, что многие организмы здесь в Землю делают для того, чтобы дышать). Вода является более сильным растворителем, чем метан, однако это не обязательно противоречит метану, поскольку это может означать, что он более способен, чем вода, избирательно сохранять молекулы, полезные для биологических реакций. Также компьютерные модели показывают, что клеточные мембраны на основе углерода, водорода и азота способны работать в жидком метане (земные клеточные мембраны используют углерод, водород, кислород и фосфор). Подробнее здесь. Кроме того, согласно Крису Макки, жизнь на основе метана может быть более распространена во Вселенной, чем жизнь на основе воды.
Диоксид кремния : на Земле он становится стеклом или песком, твердым телом. Однако при более высоких температурах (выше, чем мы видим на Венере) он становится жидкостью. По-прежнему требуется высокое давление, чтобы поддерживать возможный рабочий диапазон жидкости, не слишком горячей для органических реакций.
Существуют и другие возможные заменители воды при подходящем диапазоне температуры и давления: хлористый водород; цианистый водород; серная кислота; формамид; метанол; жидкий азот; жидкий водород; сверхкритический водород; сверхкритический диоксид углерода; жидкий хлорид натрия (он же соль); и вода, смешанная с перекисью водорода (H 2 O 2 ).
Подробнее о растворителях читайте здесь.
Фосфор является важным атомом в биохимии, участвующим в структуре ДНК и РНК и транспортирующим энергию в составе АТФ. Его можно заменить мышьяком. Несмотря на то, что они ядовиты почти для всей жизни на Земле, существует по крайней мере один известный вид бактерий, способных заменить хотя бы часть своего фосфора мышьяком. Однако мышьяк встречается несколько редко и имеет плохие химические характеристики по сравнению с фосфором.
Некоторые бактерии на самом деле «дышат» серой вместо кислорода. На самом деле бактерии, восстанавливающие серу, были широко распространены на примитивной Земле еще до того, как у нас появилась богатая кислородом атмосфера.
Кроме того, если гипотеза жизни на Титане верна, бактерии Титана должны дышать этаном и ацетиленом вместо кислорода и выделять этан вместо углекислого газа. Или, возможно, поглощать водород, этан и ацетилен, производя метан.
Жизнь, использующая сероводород в качестве растворителя, может дышать монооксидом серы, образуя монооксид углерода и/или диоксид углерода.
ДНК состоит из четырех азотистых оснований - аденина, цитозина, гуанина и тимина. РНК аналогична, но заменяет тимин урацилом. Однако есть и другие возможные азотистые основания, которые были синтезированы в лабораториях или которые могли возникнуть абиотически на ранней Земле и не использовались земной жизнью, чего может не быть на других планетах. Примечателен эксперимент, проведенный в 2014 году в Исследовательском институте Скриппса ( см. здесь ), в котором две искусственные пары азотистых оснований, а именно d5SICS и dNaM, были добавлены в геному Eschera Coli и смогли реплицироваться в их ДНК с высокой точностью без снижения способности размножения бактерий, ни снижения их способности к самовосстановлению повреждений ДНК, ни потери этих искусственных оснований со временем.
Кроме того, генетический код использует триплеты азотистых оснований для синтеза аминокислот, из которых 21 синтезируется в природе, но известны многие нестандартные аминокислоты . Альтернативная биохимия могла бы использовать, возможно, четверки или пары азотистых оснований для образования аминокислот, возможно, используя нестандартные азотистые основания и/или производя нестандартные аминокислоты.
Существует много альтернативных форм ДНК и РНК. Эти альтернативные формы РНК и ДНК вместе называются XNA . Некоторые из них:
ПНК , который является кандидатом на замену ДНК, и было высказано предположение, что очень ранняя жизнь на Земле была основана на ПНК, а не на ДНК, поскольку ПНК может спонтанно полимеризоваться в воде при высоких температурах и давлениях. Известно, что PNA не встречается в природе на Земле, но ее основная молекула естественным образом вырабатывается некоторыми цианобактериями.
ТНА и ГНА . Они были произведены в лабораториях и, как известно, так же хорошо хранят генетическую информацию, как и ДНК. ТНК ведет себя аналогично РНК, а ГНК может заменить либо РНК, либо ДНК. Однако известно, что они не встречаются в природе, они были синтезированы в лабораториях, но предполагается, что они могли возникнуть на примитивной Земле и могли быть предшественниками ДНК и РНК. Кроме того, следует отметить, что GNA проще, стабильнее и термоустойчивее, чем ДНК или РНК. ТНК также структурно проще, чем РНК.
LNA : Возможный заменитель РНК в некоторых ксенобиологических средах.
xDNA : искусственный заменитель ДНК, который содержит четыре дополнительных азотистых основания в дополнение к обычным четырем азотистым основаниям. Эти четыре альтернативных азотистых основания являются модификациями стандартных азотистых оснований, к каждому из которых добавлено дополнительное бензольное кольцо. Полученная молекула (хДНК) более стабильна, чем обычная ДНК, при высоких температурах и несовместима для интеграции в обычную ДНК.
Я понятия не имею, какая молекула может быть заменой нуклеинового основания, аминокислоты, ДНК или РНК, которая не основана на углероде, и я сомневаюсь, что современная наука обладает достаточными знаниями, чтобы предложить любого кандидата на это.
Основываясь на всем этом, я думаю, что некоторые возможные альтернативные биохимии:
(Окружающая среда Титана): Низкая температура. Атмосферное давление на 45% больше, чем на Земле. Метан и этан являются растворителями. Жизнь на основе углерода, которая дышит метаном и этаном и вытесняет ацетилен. Другая возможность - дышать водородом, этаном и ацетиленом, производя метан. Эти две возможности могут дополнять друг друга и жить в одной среде, как это делают растения и животные. Не знаю, потребуется ли какая-то замена ДНК и РНК или нет, и что это может быть. Соответственно этому такому миру было бы полезно вращаться вокруг звезды красного карлика, но это не обязательно.
Подобно Земле, но с заменой ДНК и РНК GNA и TNA. Возможно с разными аминокислотами.
Низкая температура. Высокое давление. Аммиачный растворитель. Углеродная жизнь. Не знаю, потребуется ли какая-то замена ДНК и РНК и какой она может быть.
Низкая температура. Земное давление. Растворитель жидкий азот. Жизнь на основе силикона. Для генетики потребуется что-то совсем другое, чем ДНК и РНК, но я понятия не имею, что это может быть.
Низкая температура. Высокое давление. Сероводородный растворитель, смешанный с небольшим количеством фтористого водорода. Углеродная жизнь, дышащая окисью серы, образующая окись углерода и/или двуокись углерода. Не знаю, потребуется ли какая-то замена ДНК и РНК и какой она может быть.
Низкая температура. Низкое давление. В качестве растворителя используется смесь воды и перекиси воды. Углеродная жизнь. Не знаю, каким будет метаболизм или что заменит ДНК и РНК, но он не должен сильно отличаться от того, что происходит на Земле, по сравнению с другими возможностями.
Высокая температура. Высокое давление. Диоксид кремния и силикаты используются в качестве растворителей. Жизнь на силиконовой или алюминиевой основе. Никакого представления о том, каким будет метаболизм или что заменит ДНК и РНК.
Высокая температура. Высокое давление. Сернокислотный растворитель. Не знаю, на основе углерода или на основе силикона, ни какой будет метаболизм, ни что заменит ДНК и РНК.
Высокая температура. Высокое давление. Растворитель сверхкритического диоксида углерода с небольшим количеством сверхкритической воды. Углеродная жизнь. Не знаю ни метаболизма, ни того, что заменит ДНК и РНК.
Возможных комбинаций может быть гораздо больше, но я думаю, что перечислить их уже достаточно. Знания об альтернативной биохимии все еще находятся в зачаточном состоянии, поэтому существует много спекуляций и неопределенностей и очень мало определенных знаний о том, что может быть или не быть возможной биохимией для инопланетных форм.
Некоторое время назад я написал рассказ «Кривая обучения» ., о жизни на основе кремния, живущей в расплавленных серных водоносных горизонтах на спутнике Юпитера Ио. Ио, по-видимому, обладает физическими характеристиками, которые позволили бы сложным молекулам на основе кремния и серы быть стабильными, поскольку он полностью высушен. Тем не менее, на Ио определенно существует градиент энергии, как тепловой, так и электрический. Жизнь можно определить как самовоспроизводящуюся систему, которая использует градиент энергии для локального обращения вспять энтропийного застоя или коллапса. Конечно, у такой жизни были бы очень чуждые способы использования этой энергии. Одна из интересных особенностей серы заключается в том, что, в отличие от воды, она имеет абсурдно низкое давление паров при температуре плавления или значительно выше нее. Это делает его идеальной жидкостью для организма, живущего почти в вакууме. Защитная оболочка не должна быть такой же устойчивой к давлению, как наши скафандры, хотя теплопроводящая потеря все равно будет проблемой. Большинство возражений против серы как жизненной жидкости основаны на характеристиках чистой серы, чего сера на Ио определенно не имела бы. Примеси в расплавленной сере резко изменят вязкость, растворимость и другие характеристики, увеличивая диапазон возможных химических взаимодействий. Многие люди считают, что кремниевая жизнь состоит из кристаллов, но это так же глупо, как предположить, что жизнь, основанная на углероде, будет выглядеть как двойная спираль. На макроскопическом уровне жизнь на основе кремния может выглядеть не более кристаллической, чем земная. Одна из опасностей заключается в том, что кремниевая сера может загореться или даже взорваться при воздействии земных условий. Большинство возражений против серы как жизненной жидкости основаны на характеристиках чистой серы, чего сера на Ио определенно не имела бы. Примеси в расплавленной сере резко изменят вязкость, растворимость и другие характеристики, увеличивая диапазон возможных химических взаимодействий. Многие люди считают, что кремниевая жизнь состоит из кристаллов, но это так же глупо, как предположить, что жизнь, основанная на углероде, будет выглядеть как двойная спираль. На макроскопическом уровне жизнь на основе кремния может выглядеть не более кристаллической, чем земная. Одна из опасностей заключается в том, что кремниевая сера может загореться или даже взорваться при воздействии земных условий. Большинство возражений против серы как жизненной жидкости основаны на характеристиках чистой серы, чего сера на Ио определенно не имела бы. Примеси в расплавленной сере резко изменят вязкость, растворимость и другие характеристики, увеличивая диапазон возможных химических взаимодействий. Многие люди считают, что кремниевая жизнь состоит из кристаллов, но это так же глупо, как предположить, что жизнь, основанная на углероде, будет выглядеть как двойная спираль. На макроскопическом уровне жизнь на основе кремния может выглядеть не более кристаллической, чем земная. Одна из опасностей заключается в том, что кремниевая сера может загореться или даже взорваться при воздействии земных условий. растворимость и другие характеристики, увеличивающие диапазон возможных химических взаимодействий. Многие люди считают, что кремниевая жизнь состоит из кристаллов, но это так же глупо, как предположить, что жизнь, основанная на углероде, будет выглядеть как двойная спираль. На макроскопическом уровне жизнь на основе кремния может выглядеть не более кристаллической, чем земная. Одна из опасностей заключается в том, что кремниевая сера может загореться или даже взорваться при воздействии земных условий. растворимость и другие характеристики, увеличивающие диапазон возможных химических взаимодействий. Многие люди считают, что кремниевая жизнь состоит из кристаллов, но это так же глупо, как предположить, что жизнь, основанная на углероде, будет выглядеть как двойная спираль. На макроскопическом уровне жизнь на основе кремния может выглядеть не более кристаллической, чем земная. Одна из опасностей заключается в том, что кремниевая сера может загореться или даже взорваться при воздействии земных условий.
Со времен «Вояджера» мы узнали об Ио гораздо больше, и возможность существования подземных серных морей уменьшилась, но не устранена полностью. Я надеюсь, что когда-нибудь увижу «животное», катящееся по охристым пескам Пеле-Патера, в телезритель космического зонда.
Если вы ищете конкретные молекулярные полимеры:
В скобках указаны элементы или радикалы, входящие в состав молекулы. Я получил это от 1 . Насколько я могу судить, вы можете заменить углеводороды биомолекулами по вашему выбору.
кельчк