На uCrazy 9 лет 6 месяцев
Внеземная жизнь: какой биохимией она могла бы обладать...
Жизнь на Земле основана исключительно на биохимии углерода, поэтому ученые говорят об «углеродной жизни». Углерод - это биомолекулярная структура всех клеток земной жизни и рассматривается частью научного сообщества как единственный элемент, способный выполнять эту роль во Вселенной. Однако, многие исследователи изучали гипотетическую возможность существования биохимии без углерода, особенно в отношении потенциальной внеземной жизни.
Благодаря своей четырехвалентности углерод способен образовывать ковалентные связи со многими другими атомами и, таким образом, соединяться в сложные молекулы в сочетании с кислородом, водородом, азотом. Именно это свойство делает его основным элементом всех биомолекул и земной биохимии.
Это всеобщее присутствие углерода привело некоторых ученых в начале 1970-х годов к рассмотрению углерода как единственного химического элемента, способного структурировать жизнь. Эта идея стала известна как «углеродный шовинизм». Однако, для подтверждения этой гипотезы должны быть изучены все химические комбинации во всех возможных средах. После выдвижения этой идеи биохимики задумались о возможности внеземной гипотетической биохимии, основанной не на углероде и воде а на онове других элементов и других растворителях.
Альтернатива углеродной биохимии
Органическая химия - углеродная химия она учит нас, что основной характеристикой углерода является его способность образовывать углеродные цепи неопределенной длины, которые могут быть воспроизведены. Таким образом, биомолекулы (органические молекулы) представляют собой углеродные цепи, сложность которых практически безгранична. Тем не менее, несмотря на это впечатляющее свойство углерода, ученые теоретизировали возможность других форм биохимии.
Кремний
Кремний, как и углерод, относится к 14 группе периодической таблицы и также имеет 4 валентных электрона. Эти химические свойства кремний разделяет с углеродом, что делает его наиболее вероятным вторичным элементом в качестве основы жизни. Он также способен образовывать длинные кремниевые соединения, стабильность которых в кислых средах будет больше, чем в случае углеродных цепей, а такие среды находятся на ряде планет.
На Земле Bacillariophyta, более известная как диатомовые водоросли, представляет собой вездесущие одноклеточные микроводоросли, внешняя оболочка которых полностью состоит из кремния. Таким образом, внеземная жизнь могла бы использовать кремний, чтобы образовать ее экзоскелет. Однако, это означает, что такая форма жизни анатомически значительно отличалась бы от земных организмов.
Действительно, на Земле организмы, которые дышат кислородом, выделяют углекислый газ в виде аэробных отходов. Организм на основе кремния, который дышит кислородом, производил бы не диоксид углерода, а диоксид кремния. Но последний является твердым, а не газообразным веществом, которое не может отторгаться внутренними органами, такими как легкие.
Также кремний страдает от ряда других недостатков. Начиная с его больших размеров, который создает трудности формирования двойных или тройных ковалентных связей, а очень низкая растворимость диоксида кремния делает его несовместимым с биохимией на водной основе. Да и доля углерода, обнаруженного в сложных молекулах межзвездной среды по сравнению с кремнием, указывает на большее обилие в космосе углерода по сравнению с кремнием.
Другие кандидаты
Помимо кремния, для экзотической внеземной биохимии были предложены другие атомы. Это касается азота, фосфора, хлора и серы.
Комбинация фосфор-азот (PN) особенно интересна в средах, где биомасса не основана на углеродном цикле, а на оксидах азота.
Атмосфера, состоящая в основном из аммиака, позволит организмам с биохимией PN окислять аммиак для получения соединений водорода и азота. Тем не менее, цикл оксидов азота остается маловероятным из-за его общего отрицательного энергетического баланса.
Сера рассматривается как заменитель кислорода в метаболической цепи. Такой механизм используется несколькими экстремофильными бактериями, использующими серу вместо кислорода путем восстановления сероводорода.
Сульфоокислительные фототрофные бактерии, такие как сернистые зеленые бактерии, представляют собой фотосинтетические бактерии, которые заменили углеродный цикл на серный. Следы таких микроорганизмов были обнаружены в отложениях, относящихся к 3,5 миллиардам лет назад.
Хлор также предлагается в качестве заменителя кислорода для различных биохимических веществ, включая биохимический углерод.
Однако, конституция стабильных хлорорганических соединений оказывается чрезвычайно сложной в отношении высокой реакционной способности хлора в гидрированной среде. Именно эта реакционная способность может вызвать хлор для растворения любого гидрогенизированного соединения в хлористом водороде, что делает любую молекулярную структуру, включая наиболее нейтральную, очень неустойчивой. Кроме того, присутствие хлора в космосе очень низкое.
Вода - уникальный органический растворитель?
Как и углерод, вода обладает многими характеристиками, которые делают эту молекулу единственным растворителем, используемым в земной жизни. Однако и здесь ученые предложили некоторые альтернативные растворители.
Как и вода, аммиак позволяет развивать несколько химических реакций биосинтеза и обладает квази-идентичной способностью растворения по отношению к биомолекулам и белкам.
Кроме того, аммиак обладает хорошей теплоемкостью, что делает его эффективным для регулирования температуры. Несмотря на то, что аммиак быстро окисляется, он устойчив в высокогидрогенизированных средах.
Недостатком аммиака является то, что его температура плавления и кипения, при нормальном давлении -78 ° C и -33 ° C соответственно . Эти низкие температуры значительно влияют на кинетику биохимических реакций за счет снижения их скорости. Чтобы поддерживать аммиак в жидком состоянии при комнатной температуре, следует создать среду с очень высоким давлением (около 60 атмосфер). Кроме того, неустойчивость его водородных связей и его низкое поверхностное натяжение также являются препятствиями.
Также в качестве возможной альтернативы воде предлагается фторид водорода. Он обладает свойствами растворения, подобным воде и аммиаку, и также может образовывать многомолекулярные комплексы, образовывая несколько устойчивых водородных связей. Наконец, он имеет температурный диапазон для жидкого состояния около 100 ° С.
Но, не смотря на все исследования ученых, возможно, где-то во Вселенной, со всем ее многообразием, существуют формы жизни, основанные на совершенно отличных биохимических принципах и еще неизвестных науке химических соединениях.
Это всеобщее присутствие углерода привело некоторых ученых в начале 1970-х годов к рассмотрению углерода как единственного химического элемента, способного структурировать жизнь. Эта идея стала известна как «углеродный шовинизм». Однако, для подтверждения этой гипотезы должны быть изучены все химические комбинации во всех возможных средах. После выдвижения этой идеи биохимики задумались о возможности внеземной гипотетической биохимии, основанной не на углероде и воде а на онове других элементов и других растворителях.
Альтернатива углеродной биохимии
Органическая химия - углеродная химия она учит нас, что основной характеристикой углерода является его способность образовывать углеродные цепи неопределенной длины, которые могут быть воспроизведены. Таким образом, биомолекулы (органические молекулы) представляют собой углеродные цепи, сложность которых практически безгранична. Тем не менее, несмотря на это впечатляющее свойство углерода, ученые теоретизировали возможность других форм биохимии.
Углерод является основным конститутивным элементом всех земных биомолекул.
Кремний
Кремний, как и углерод, относится к 14 группе периодической таблицы и также имеет 4 валентных электрона. Эти химические свойства кремний разделяет с углеродом, что делает его наиболее вероятным вторичным элементом в качестве основы жизни. Он также способен образовывать длинные кремниевые соединения, стабильность которых в кислых средах будет больше, чем в случае углеродных цепей, а такие среды находятся на ряде планет.
На Земле Bacillariophyta, более известная как диатомовые водоросли, представляет собой вездесущие одноклеточные микроводоросли, внешняя оболочка которых полностью состоит из кремния. Таким образом, внеземная жизнь могла бы использовать кремний, чтобы образовать ее экзоскелет. Однако, это означает, что такая форма жизни анатомически значительно отличалась бы от земных организмов.
Диатомовые водоросли - это одноклеточные водоросли, экзоскелет которых полностью состоит из кремния. Фото: Анна Пишкова
Действительно, на Земле организмы, которые дышат кислородом, выделяют углекислый газ в виде аэробных отходов. Организм на основе кремния, который дышит кислородом, производил бы не диоксид углерода, а диоксид кремния. Но последний является твердым, а не газообразным веществом, которое не может отторгаться внутренними органами, такими как легкие.
Также кремний страдает от ряда других недостатков. Начиная с его больших размеров, который создает трудности формирования двойных или тройных ковалентных связей, а очень низкая растворимость диоксида кремния делает его несовместимым с биохимией на водной основе. Да и доля углерода, обнаруженного в сложных молекулах межзвездной среды по сравнению с кремнием, указывает на большее обилие в космосе углерода по сравнению с кремнием.
Другие кандидаты
Помимо кремния, для экзотической внеземной биохимии были предложены другие атомы. Это касается азота, фосфора, хлора и серы.
Комбинация фосфор-азот (PN) особенно интересна в средах, где биомасса не основана на углеродном цикле, а на оксидах азота.
Атмосфера, состоящая в основном из аммиака, позволит организмам с биохимией PN окислять аммиак для получения соединений водорода и азота. Тем не менее, цикл оксидов азота остается маловероятным из-за его общего отрицательного энергетического баланса.
Сера рассматривается как заменитель кислорода в метаболической цепи. Такой механизм используется несколькими экстремофильными бактериями, использующими серу вместо кислорода путем восстановления сероводорода.
Сульфоокислительные фототрофные бактерии, такие как сернистые зеленые бактерии, представляют собой фотосинтетические бактерии, которые заменили углеродный цикл на серный. Следы таких микроорганизмов были обнаружены в отложениях, относящихся к 3,5 миллиардам лет назад.
Хлор также предлагается в качестве заменителя кислорода для различных биохимических веществ, включая биохимический углерод.
Однако, конституция стабильных хлорорганических соединений оказывается чрезвычайно сложной в отношении высокой реакционной способности хлора в гидрированной среде. Именно эта реакционная способность может вызвать хлор для растворения любого гидрогенизированного соединения в хлористом водороде, что делает любую молекулярную структуру, включая наиболее нейтральную, очень неустойчивой. Кроме того, присутствие хлора в космосе очень низкое.
Вода - уникальный органический растворитель?
Как и углерод, вода обладает многими характеристиками, которые делают эту молекулу единственным растворителем, используемым в земной жизни. Однако и здесь ученые предложили некоторые альтернативные растворители.
Как и вода, аммиак позволяет развивать несколько химических реакций биосинтеза и обладает квази-идентичной способностью растворения по отношению к биомолекулам и белкам.
Кроме того, аммиак обладает хорошей теплоемкостью, что делает его эффективным для регулирования температуры. Несмотря на то, что аммиак быстро окисляется, он устойчив в высокогидрогенизированных средах.
Художественное представление планеты, в основном состоящей из аммиака.
Недостатком аммиака является то, что его температура плавления и кипения, при нормальном давлении -78 ° C и -33 ° C соответственно . Эти низкие температуры значительно влияют на кинетику биохимических реакций за счет снижения их скорости. Чтобы поддерживать аммиак в жидком состоянии при комнатной температуре, следует создать среду с очень высоким давлением (около 60 атмосфер). Кроме того, неустойчивость его водородных связей и его низкое поверхностное натяжение также являются препятствиями.
Также в качестве возможной альтернативы воде предлагается фторид водорода. Он обладает свойствами растворения, подобным воде и аммиаку, и также может образовывать многомолекулярные комплексы, образовывая несколько устойчивых водородных связей. Наконец, он имеет температурный диапазон для жидкого состояния около 100 ° С.
Но, не смотря на все исследования ученых, возможно, где-то во Вселенной, со всем ее многообразием, существуют формы жизни, основанные на совершенно отличных биохимических принципах и еще неизвестных науке химических соединениях.
Комментарии3
