معلومة

هل يوجد بالفعل شكل غير كربوني تم اكتشافه للحياة؟


لقد سمعت عن بعض الشائعات التي تدور حول كائن حي قائم على أساس غير الكربون. هل تم إجراء بحث على شكل حقيقي للحياة على أساس غير الكربون؟ أم أن الحياة القائمة على الكربون هي نوع من الحياة فقط ما يعرفه البشر؟

شوفينية الكربون


في كلمة لا. هناك بعض الأسباب الكيميائية الجيدة لتوقع أن تكون جميع أشكال الحياة قائمة على الكربون. بالطبع ، لم يعد تخيل ذكاء اصطناعيًا يمكن اعتباره حياة أمرًا سخيفًا. (لا يزال FAAAARRRR في المستقبل ، على الرغم من ذلك ، إذا كان من أي وقت مضى.)


هل الحياة القائمة على المعدن أو غيره من الكربون واقعية؟

إحدى القصص القصيرة للخيال العلمي التي قرأتها (لا أتذكر العنوان أو المؤلف ، آسف!) تضمنت بعض المخلوقات الصغيرة (غير المسماة) التي تشكلت من المعدن ، بحجة أنه "تمامًا مثل الحياة تطورت على الأرض بقاعدة كربونية ، لماذا لا يمكن للحياة أن تتشكل في مكان آخر بقاعدة معدنية؟ "

هل هذا واقعي؟
هل يوجد شيء مشابه لهذا موجود بالفعل على الأرض
(على سبيل المثال ، الحياة القائمة على شيء آخر غير الكربون)?


9 الحياة القائمة على السيليكون

ربما تكون الحياة القائمة على السيليكون هي الشكل الأكثر شيوعًا للكيمياء الحيوية البديلة التي تم استكشافها في الخيال العلمي الشعبي ، وعلى الأخص في حالة Horta من ستار تريك. المفهوم قديم ، يعود تاريخه إلى تكهنات من قبل HG Wells في عام 1894: & ldquoOne مذهول نحو التخيلات الرائعة من خلال مثل هذا الاقتراح: رؤى كائنات السيليكون والألمنيوم و mdash لماذا لا الرجال السيليكون والألمنيوم في آن واحد؟ دعنا نقول ، على ضفاف بحر من الحديد السائل حوالي ألف درجة أو نحو ذلك فوق درجة حرارة الفرن العالي. & rdquo

يحظى السيليكون بشعبية على وجه التحديد لأنه مشابه جدًا للكربون ويمكنه تكوين أربع روابط تمامًا مثل الكربون ، مما يفتح إمكانية وجود نظام كيميائي حيوي قائم على السيليكون بالكامل. إنه العنصر الأكثر وفرة في قشرة الأرض و rsquos بخلاف الأكسجين. هناك شكل من أشكال الطحالب على الأرض والذي يدمج السيليكون في عملية نموه. يعاني السيليكون من مساوئ لعب دور الكمان الثاني للكربون ، القادر على تكوين هياكل معقدة أكثر استقرارًا وتنوعًا ضرورية للحياة. تشتمل جزيئات الكربون على الأكسجين والنيتروجين ، اللذين يشكلان روابط مستقرة للغاية. الجزيئات المعقدة القائمة على السيليكون لديها ميل مؤسف للانهيار. يعتبر الكربون أيضًا شائعًا للغاية في جميع أنحاء الكون وكان منذ مليارات السنين.

من غير المرجح أن تظهر حياة السيليكون في بيئة شبيهة بالأرض ، لأن معظم السيليكون الحر سيكون محبوسًا في الصخور البركانية والبركانية المصنوعة من معادن السيليكات. يُفترض أن الأشياء قد تكون مختلفة في بيئة شديدة الحرارة ، ولكن لم يتم العثور على دليل. يمكن لعالم متطرف مثل Titan أن يدعم الحياة القائمة على السيليكون ، وربما يشكل أساس الميثانوجينات المذكورة سابقًا ، مثل جزيئات السيليكون مثل silanes و polysilanes التي تحاكي الأرض و rsquos الكيمياء العضوية. ومع ذلك ، على سطح تيتان ، يهيمن الكربون على السطح ، في حين أن معظم السيليكون يكون عميقًا تحت السطح.

توقع عالم الكيمياء الفلكية في ناسا ماكس بيرنشتاين أن الحياة القائمة على السيليكون يمكن أن توجد على كوكب شديد الحرارة مع جو غني بالهيدروجين والفقير بالأكسجين ، مما يسمح لكيمياء السيلان المعقدة مع روابط السيليكون القابلة للعكس مع السيلينيوم أو التيلوريوم ، لكنه اعتقد أن ذلك غير مرجح أو نادر. على الأرض ، سوف تتكاثر هذه الكائنات ببطء شديد ، ولن تشكل الكيمياء الحيوية الخاصة بنا أي تهديد لبعضها البعض. يمكنهم أن يستهلكوا مدننا ببطء ، لكن ، "من المفترض أنه يمكنك استخدام آلة ثقب الصخور. & rdquo


الإجابات والردود

من المحتمل جدًا ، لكنني سعيد لأنك ما زلت تذكر & quotin add & quot.
تمت مناقشة معظم ما ذكرته في رسالتك في كتاب قرأته "مستقبل العقل" للبروفيسور ميتشيو كاكو. إنه كتاب ممتع للغاية. سوف يجيب على سؤالك.

من الواضح أن محرك السيارة أو قاعدة البيانات أو برنامج الكمبيوتر ليسوا على قيد الحياة لأنهم يفتقرون إلى النشر الذاتي لمعلوماتهم. هناك الكثير من الحديث عن مستقبل الذكاء الاصطناعي بالوعي ، مما يعني أن مثل هذه الكيانات ستكون مدركة لذاتها وتتكاثر ذاتيًا. سيكون ذلك & quotlife & quot لأنه ينتقل & quotin information & quot إلى الأجيال القادمة. على الأرض لدينا حياة بيولوجية تعتمد على الكربون. في عوالم أخرى ، قد تكون هناك حياة غير كربونية ، لكنها لا تزال بيولوجية (بمعنى أنها يمكن أن تتطور مثل تطور الحياة على الأرض). من ناحية أخرى ، سيكون AI & quotlife & quot ؛ من أصل غير بيولوجي ، ولكن لا يزال بإمكانه نقل قاعدة معلوماته إلى الأجيال القادمة.

سبب نشر هذا هو البحث عن آراء وأجوبة لسؤالي: & quotألن يكون من الممكن أن يكون بحثنا جيدًا عن ذكاء اصطناعي خارج كوكب الأرض بالإضافة إلى البحث عن الحياة البيولوجية؟ وإذا كان الأمر كذلك ، فما الذي سنبحث عنه ، إن لم يكن عن التوقيع البيوكيميائي للحياة؟ & quot.

تُعرِّف الكتب المدرسية الحديثة لعلوم الحياة الحياة على الأرض بأنها ملكية لكيان:

(1) لديه قاعدة معلومات متأصلة (DNA) ذاتي الانتشار وقادرة على نقل خصائصها إلى الأجيال القادمة.
(2) إنها قادرة على تجميع المواد الخام من بيئتها
(3) توليد الطاقة من بيئتها
(4) استخدم هذه الطاقة لإعادة تجميع المواد الخام وبناء المزيد من النسخ من نفسها بناءً على قاعدة المعلومات الخاصة بها (الحمض النووي في حالة الحياة القائمة على الكربون على الأرض).


محتويات

نظرة عامة على الأنواع الافتراضية للكيمياء الحيوية
نوع أساس ملخص ملاحظات
الجزيئات الحيوية البديلة - chirality الكيمياء الحيوية البديلة أساس مختلف للوظيفة الحيوية ربما تكون الكيمياء الحيوية البديلة الأقل غرابة هي تلك التي تحتوي على تباين مختلف في جزيئاتها الحيوية. في الحياة المعروفة على الأرض ، تكون الأحماض الأمينية تقريبًا من الشكل L والسكريات من الشكل D. قد تكون الجزيئات التي تستخدم الأحماض الأمينية D أو السكريات L جزيئات محتملة لمثل هذا التناظر ، ومع ذلك ، قد تكون غير متوافقة مع الكائنات الحية التي تستخدم جزيئات chirality المتعارضة.
الكيمياء الحيوية للأمونيا المذيبات غير المائية الحياة القائمة على الأمونيا تعود فكرة الدور المحتمل للأمونيا السائلة كمذيب بديل للحياة إلى عام 1954 على الأقل ، عندما أثار ج.ب.س هالدين الموضوع في ندوة حول أصل الحياة.
الكيمياء الحيوية للزرنيخ الكيمياء الحيوية البديلة الحياة على أساس الزرنيخ الزرنيخ ، وهو مشابه كيميائيًا للفوسفور ، في حين أنه سام لمعظم أشكال الحياة على الأرض ، تم دمجه في الكيمياء الحيوية لبعض الكائنات الحية.
الكيمياء الحيوية البوران (كيمياء البورون العضوية) الكيمياء الحيوية البديلة الحياة القائمة على البوران البورانيس ​​قابلة للانفجار بشكل خطير في الغلاف الجوي للأرض ، لكنها ستكون أكثر استقرارًا في بيئة مختزلة. ومع ذلك ، فإن البورون نادر للغاية في الكون مقارنة بجيرانه من الكربون والنيتروجين والأكسجين. من ناحية أخرى ، فإن الهياكل التي تحتوي على تناوب ذرات البورون والنيتروجين ، والتي تشبه مركبات الكربون ، توفر بديلاً محتملاً آخر للهيدروكربونات.
الكيمياء الحيوية القائمة على الغبار والبلازما الحياة غير الكوكبية حياة مصفوفة غريبة في عام 2007 ، اقترح فاديم إن. تسيتوفيتش وزملاؤه أن السلوكيات الواقعية يمكن أن تظهر بواسطة جزيئات الغبار العالقة في البلازما ، في ظل ظروف قد توجد في الفضاء.
المتطرفون بيئة بديلة الحياة في بيئات متغيرة سيكون من الممكن كيميائيًا حيويًا الحفاظ على الحياة في البيئات التي تتوافق بشكل دوري فقط مع الحياة كما نعرفها.
الكيمياء الحيوية الحمضية غير المتجانسة الكيمياء الحيوية البديلة الحياة القائمة على حمض التباين يمكن أن تشكل المعادن المختلفة ، إلى جانب الأكسجين ، هياكل معقدة للغاية ومستقرة حرارياً تنافس تلك الموجودة في المركبات العضوية [ بحاجة لمصدر ] الأحماض غير المتجانسة هي إحدى هذه العائلات.
الكيمياء الحيوية لفلوريد الهيدروجين المذيبات غير المائية الحياة القائمة على فلوريد الهيدروجين تم اعتباره مذيبًا محتملاً للحياة من قبل العلماء مثل Peter Sneath.
الكيمياء الحيوية كبريتيد الهيدروجين المذيبات غير المائية الحياة القائمة على كبريتيد الهيدروجين كبريتيد الهيدروجين هو أقرب نظير كيميائي للماء ، ولكنه أقل قطبية وأضعف مذيب غير عضوي.
الكيمياء الحيوية للميثان (Azotosome) المذيبات غير المائية الحياة القائمة على الميثان الميثان (CH4) عبارة عن هيدروكربون بسيط: أي مركب مكون من عنصرين من أكثر العناصر شيوعًا في الكون: الهيدروجين والكربون. حياة الميثان ممكنة افتراضيًا.
أجهزة التمثيل الضوئي غير الخضراء تكهنات أخرى الحياة النباتية البديلة لاحظ الفيزيائيون أنه على الرغم من أن التمثيل الضوئي على الأرض يشتمل عمومًا على النباتات الخضراء ، إلا أن مجموعة متنوعة من النباتات الملونة الأخرى يمكن أن تدعم أيضًا عملية التمثيل الضوئي ، الضرورية لمعظم الحياة على الأرض ، وأن الألوان الأخرى قد تكون مفضلة في الأماكن التي تتلقى مزيجًا مختلفًا من الإشعاع النجمي من الأرض. على وجه الخصوص ، شبكية العين قادرة على القيام بعملية التمثيل الضوئي وقد لوحظ أنها تقوم بذلك. [4] تُعرف البكتيريا القادرة على التمثيل الضوئي باسم رودوبسين الميكروبي. دائمًا ما يكون النبات أو المخلوق الذي يستخدم عملية التمثيل الضوئي في شبكية العين أرجوانيًا.
ظل المحيط الحيوي بيئة بديلة محيط حيوي خفي على الأرض المحيط الحيوي للظلال هو محيط حيوي جرثومي افتراضي للأرض يستخدم عمليات كيميائية حيوية وجزيئية مختلفة جذريًا عن الحياة المعروفة حاليًا.
الكيمياء الحيوية للسيليكون (السيليكون العضوي) الكيمياء الحيوية البديلة الحياة القائمة على السيليكون مثل الكربون ، يمكن للسيليكون أن يخلق جزيئات كبيرة بما يكفي لنقل المعلومات البيولوجية ، ومع ذلك ، فإن نطاق كيمياء السيليكون الممكنة محدود للغاية مقارنة بالكربون.
الكيمياء الحيوية لثاني أكسيد السيليكون المذيبات غير المائية الحياة القائمة على ثاني أكسيد السيليكون اقترح جيرالد فينبرج وروبرت شابيرو أن صخور السيليكات المنصهرة يمكن أن تعمل كوسيط سائل للكائنات الحية ذات الكيمياء القائمة على السيليكون والأكسجين وعناصر أخرى مثل الألومنيوم.
الكيمياء الحيوية الكبريتية الكيمياء الحيوية البديلة الحياة القائمة على الكبريت يعد الاستخدام البيولوجي للكبريت كبديل للكربون افتراضيًا بحتًا ، خاصة وأن الكبريت عادةً ما يشكل سلاسل خطية فقط بدلاً من سلاسل متفرعة.
الأحماض النووية البديلة الكيمياء الحيوية البديلة تخزين جيني مختلف يمكن استخدام الأحماض النووية Xeno (XNA) بدلاً من RNA أو DNA. XNA هو المصطلح العام للحمض النووي ذو العمود الفقري للسكر المتغير. تتضمن أمثلة XNA ، TNA ، الذي يستخدم threose ، HNA ، والذي يستخدم 1.5-anhydrohexitol ، GNA ، والذي يستخدم الجليكول ، CeNA ، الذي يستخدم سيكلو هكسين ، LNA ، والذي يستخدم شكلاً من أشكال الريبوز الذي يحتوي على رابط إضافي بين الكربون 4 بوصة. و 2 'أكسجين ، FANA ، التي تستخدم أرابينوز ولكن مع ذرة فلور واحدة متصلة بكربونها 2 ، و PNA ، والتي تستخدم ، بدلاً من السكر والفوسفات ، وحدات N- (2-aminoethyl)-glycine متصلة بواسطة روابط الببتيد . [5] وبالمقارنة ، فإن Hachimoji DNA يغير أزواج القواعد بدلاً من العمود الفقري. هذه الأزواج الأساسية الجديدة هي P (2-Aminoimidazo [1،2a] [1،3،5] تريازين -4 (1ح) -one) ، Z (6-Amino-5-nitropyridin-2-one) ، B (Isoguanine) ، و S (rS = Isocytosine لـ RNA ، dS = 1-Methylcytosine للحمض النووي). [6] [7]

المحيط الحيوي للظل هو محيط حيوي جرثومي افتراضي للأرض يستخدم عمليات كيميائية حيوية وجزيئية مختلفة جذريًا عن الحياة المعروفة حاليًا. [8] [9] على الرغم من أن الحياة على الأرض مدروسة جيدًا نسبيًا ، إلا أن الغلاف الحيوي للظل قد يظل غير ملحوظ لأن استكشاف عالم الميكروبات يستهدف في المقام الأول الكيمياء الحيوية للكائنات الحية الكبيرة.

ربما تكون الكيمياء الحيوية البديلة الأقل غرابة هي تلك التي تحتوي على تباين مختلف في جزيئاتها الحيوية. في الحياة المعروفة على الأرض ، تكون الأحماض الأمينية تقريبًا من الشكل L والسكريات من الشكل D. قد تكون الجزيئات التي تستخدم الأحماض الأمينية D أو السكريات L جزيئات محتملة لمثل هذا التناظر ، ومع ذلك ، قد تكون غير متوافقة مع الكائنات الحية التي تستخدم جزيئات chirality المتعارضة. تم العثور على الأحماض الأمينية التي تتعارض مع القاعدة التناظرية على الأرض ، ويُعتقد عمومًا أن هذه المواد ناتجة عن تحلل الكائنات الحية ذات الصبغة الطبيعية. ومع ذلك ، يتكهن الفيزيائي بول ديفيز بأن بعضها قد يكون نتاج حياة "مضادة للشيخوخة". [10]

ومع ذلك ، فمن المشكوك فيه ما إذا كانت هذه الكيمياء الحيوية ستكون غريبة حقًا. على الرغم من أنها ستكون بالتأكيد كيمياء مجسمة بديلة ، إلا أن الجزيئات التي توجد بأغلبية ساحقة في متماثل واحد في جميع أنحاء الغالبية العظمى من الكائنات الحية يمكن العثور عليها في كثير من الأحيان في متماثل آخر في كائنات مختلفة (غالبًا قاعدية) مثل المقارنات بين أعضاء Archaea والمجالات الأخرى ، [ بحاجة لمصدر ] جعله موضوعًا مفتوحًا سواء كانت الكيمياء الفراغية البديلة جديدة حقًا.

على الأرض ، جميع الكائنات الحية المعروفة لها هيكل ونظام قائم على الكربون. تكهن العلماء حول إيجابيات وسلبيات استخدام ذرات أخرى غير الكربون لتشكيل الهياكل الجزيئية اللازمة للحياة ، لكن لم يقترح أحد نظرية تستخدم مثل هذه الذرات لتشكيل جميع الهياكل الضرورية. ومع ذلك ، كما جادل كارل ساجان ، من الصعب للغاية التأكد مما إذا كانت العبارة التي تنطبق على جميع أشكال الحياة على الأرض ستنطبق على جميع أشكال الحياة في جميع أنحاء الكون. [11] استخدم ساجان مصطلح "شوفينية الكربون" لمثل هذا الافتراض. [12] اعتبر السيليكون والجرمانيوم بدائل يمكن تصورها للكربون [12] (تشمل العناصر الأخرى المعقولة على سبيل المثال لا الحصر البلاديوم والتيتانيوم) ولكن ، من ناحية أخرى ، أشار إلى أن الكربون يبدو أكثر تنوعًا كيميائيًا وأكثر وفرة في الكون. [13] ابتكر نورمان هورويتز التجارب لتحديد ما إذا كانت الحياة موجودة على المريخ والتي نفذتها مركبة Viking Lander عام 1976 ، وهي أول مهمة أمريكية تهبط بنجاح مسبارًا غير مأهول على سطح المريخ. جادل هورويتز بأن التنوع الكبير لذرة الكربون يجعلها العنصر الأكثر احتمالا لتقديم الحلول ، حتى الحلول الغريبة ، لمشاكل البقاء على قيد الحياة على الكواكب الأخرى. [14] واعتبر أنه لا يوجد سوى احتمال بعيد بأن أشكال الحياة غير الكربونية يمكن أن توجد مع أنظمة المعلومات الجينية القادرة على التكاثر الذاتي والقدرة على التطور والتكيف.

تحرير الكيمياء الحيوية السيليكون

تمت مناقشة ذرة السيليكون كثيرًا كأساس لنظام كيميائي حيوي بديل ، لأن السيليكون يحتوي على العديد من الخصائص الكيميائية المماثلة لتلك الخاصة بالكربون وهو في نفس المجموعة من الجدول الدوري ، مجموعة الكربون. مثل الكربون ، يمكن للسيليكون تكوين جزيئات كبيرة بما يكفي لنقل المعلومات البيولوجية. [15]

ومع ذلك ، فإن السيليكون له عيوب عديدة كبديل للكربون. السيليكون ، على عكس الكربون ، يفتقر إلى القدرة على تكوين روابط كيميائية مع أنواع مختلفة من الذرات كما هو ضروري للتنوع الكيميائي المطلوب لعملية التمثيل الغذائي ، ومع ذلك فإن هذا العجز الدقيق هو ما يجعل السيليكون أقل عرضة للترابط مع جميع أنواع الشوائب التي ينشأ منها الكربون ، بالمقارنة ، ليست محمية. تشمل العناصر التي تكوِّن مجموعات وظيفية عضوية بالكربون الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والفوسفور والكبريت والمعادن مثل الحديد والمغنيسيوم والزنك. من ناحية أخرى ، يتفاعل السيليكون مع أنواع قليلة جدًا من الذرات. [15] علاوة على ذلك ، في حالة تفاعله مع الذرات الأخرى ، ينتج السيليكون جزيئات تم وصفها بأنها "رتيبة مقارنة بالكون الاندماجي للجزيئات العضوية الكبيرة". [15] ويرجع ذلك إلى أن ذرات السيليكون أكبر بكثير ، ولها كتلة أكبر ونصف قطر ذري ، وبالتالي تجد صعوبة في تكوين روابط مزدوجة (يعتبر الكربون ثنائي الترابط جزءًا من مجموعة الكربونيل ، وهو عنصر أساسي للعضوية الحيوية القائمة على الكربون كيمياء).

السيلانات ، وهي مركبات كيميائية من الهيدروجين والسيليكون مماثلة لهيدروكربونات الألكان ، شديدة التفاعل مع الماء ، وتتحلل السيلانات طويلة السلسلة تلقائيًا. الجزيئات التي تضم بوليمرات من السليكون المتناوب وذرات الأكسجين بدلاً من الروابط المباشرة بين السيليكون ، والمعروفة مجتمعة باسم السيليكون ، تكون أكثر استقرارًا. لقد تم اقتراح أن المواد الكيميائية القائمة على السيليكون ستكون أكثر استقرارًا من الهيدروكربونات المكافئة في بيئة غنية بحمض الكبريتيك ، كما هو موجود في بعض المواقع خارج كوكب الأرض. [16]

من بين أنواع الجزيئات المحددة في الوسط النجمي اعتبارًا من عام 1998 [تحديث] ، يعتمد 84 نوعًا على الكربون ، بينما يعتمد 8 فقط على السيليكون. [17] علاوة على ذلك ، من بين تلك المركبات الثمانية ، 4 تشتمل أيضًا على الكربون بداخلها. تبلغ الوفرة الكونية للكربون إلى السيليكون ما يقرب من 10 إلى 1. وقد يشير هذا إلى تنوع أكبر لمركبات الكربون المعقدة في جميع أنحاء الكون ، مما يوفر أساسًا أقل يمكن بناء البيولوجيا القائمة على السيليكون عليه ، على الأقل في ظل الظروف السائدة على السطح من الكواكب. أيضًا ، على الرغم من أن الأرض والكواكب الأرضية الأخرى غنية بالسيليكون بشكل استثنائي وفقيرة للكربون (الوفرة النسبية للسيليكون للكربون في قشرة الأرض حوالي 925: 1) ، فإن الحياة الأرضية تعتمد على الكربون. قد تكون حقيقة استخدام الكربون بدلاً من السيليكون دليلاً على أن السيليكون غير مناسب للكيمياء الحيوية على الكواكب الشبيهة بالأرض. الأسباب التي تجعل هذا السبب هو أن السيليكون أقل تنوعًا من الكربون في تكوين المركبات ، وأن المركبات التي يتكون منها السيليكون غير مستقرة ، وأنه يمنع تدفق الحرارة. [18]

ومع ذلك ، تستخدم بعض الكائنات الحية على الأرض السيليكا الحيوية ، مثل الهيكل العظمي للسيليكات للدياتومات. وفقًا لفرضية الطين الخاصة بـ A.G.Cairns-Smith ، لعبت معادن السيليكات في الماء دورًا مهمًا في التولد التلقائي: فقد قامت بتكرار هياكلها البلورية ، وتفاعلت مع مركبات الكربون ، وكانت مقدمة للحياة القائمة على الكربون. [19] [20]

على الرغم من عدم ملاحظتها في الطبيعة ، فقد تمت إضافة روابط الكربون والسيليكون إلى الكيمياء الحيوية باستخدام التطور الموجه (الانتقاء الاصطناعي). هيم يحتوي على السيتوكروم ج بروتين من رودوثرموس مارينوس تم تصميمه باستخدام التطور الموجه لتحفيز تكوين روابط كربون-سيليكون جديدة بين مركبات الهيدروسيلان والديازو. [21]

قد تكون مركبات السيليكون مفيدة بيولوجيًا تحت درجات حرارة أو ضغوط مختلفة عن سطح كوكب أرضي ، إما بالاقتران مع الكربون أو في دور أقل تشابهًا بشكل مباشر مع الكربون. Polysilanols ، مركبات السيليكون المقابلة للسكريات ، قابلة للذوبان في النيتروجين السائل ، مما يشير إلى أنها يمكن أن تلعب دورًا في الكيمياء الحيوية ذات درجة الحرارة المنخفضة جدًا. [22] [23]

في الخيال العلمي السينمائي والأدبي ، في الوقت الذي تنتقل فيه الآلات التي صنعها الإنسان من اللاحيا إلى الحياة ، غالبًا ما يُفترض ، [ بواسطة من؟ ] هذا الشكل الجديد سيكون المثال الأول للحياة غير القائمة على الكربون. منذ ظهور المعالجات الدقيقة في أواخر الستينيات ، غالبًا ما يتم تصنيف هذه الآلات على أنها أجهزة كمبيوتر (أو روبوتات موجهة بالكمبيوتر) ويتم تصنيفها ضمن "الحياة القائمة على السيليكون" ، على الرغم من أن مصفوفة دعم السيليكون لهذه المعالجات ليست أساسية تقريبًا عملها كالكربون هو "الحياة الرطبة".

تحرير الكيمياء الحيوية الأخرى المستندة إلى العناصر الغريبة

    قابلة للانفجار بشكل خطير في الغلاف الجوي للأرض ، ولكنها ستكون أكثر استقرارًا في الغلاف الجوي المختزل. ومع ذلك ، فإن الوفرة الكونية المنخفضة للبورون تجعله أقل احتمالا كقاعدة للحياة من الكربون.
  • يمكن أن تشكل المعادن المختلفة ، إلى جانب الأكسجين ، هياكل معقدة للغاية ومستقرة حرارياً تنافس تلك الموجودة في المركبات العضوية [بحاجة لمصدر] الأحماض غير المتجانسة هي إحدى هذه العائلات. تتشابه بعض أكاسيد المعادن أيضًا مع الكربون في قدرتها على تكوين هياكل الأنابيب النانوية والبلورات الشبيهة بالماس (مثل الزركونيا المكعبة). التيتانيوم والألومنيوم والمغنيسيوم والحديد كلها أكثر وفرة في قشرة الأرض من الكربون. لذلك يمكن أن تكون الحياة القائمة على أكسيد المعادن ممكنة في ظل ظروف معينة ، بما في ذلك الظروف (مثل درجات الحرارة المرتفعة) التي يكون فيها العمر القائم على الكربون غير مرجح. أبلغت مجموعة كرونين في جامعة جلاسكو عن تجميع ذاتي لمادة التنجستن بوليوكسوميتالات في كريات تشبه الخلايا. [24] من خلال تعديل محتوى أكسيد المعدن ، يمكن أن تكتسب الكرات ثقوبًا تعمل بمثابة غشاء مسامي ، مما يسمح بشكل انتقائي للمواد الكيميائية بالدخول والخروج من الكرة وفقًا للحجم. [24] قادر أيضًا على تكوين جزيئات طويلة السلسلة ، ولكنه يعاني من نفس مشاكل التفاعل العالي مثل الفوسفور والسيلانات. يعد الاستخدام البيولوجي للكبريت كبديل للكربون افتراضيًا بحتًا ، خاصةً لأن الكبريت عادةً ما يشكل سلاسل خطية فقط بدلاً من سلاسل متفرعة. (الاستخدام البيولوجي للكبريت كمستقبل للإلكترون واسع الانتشار ويمكن إرجاعه إلى 3.5 مليار سنة على الأرض ، وبالتالي يسبق استخدام الأكسجين الجزيئي. كبريتيد.)

الزرنيخ ، وهو مشابه كيميائيًا للفوسفور ، في حين أنه سام لمعظم أشكال الحياة على الأرض ، تم دمجه في الكيمياء الحيوية لبعض الكائنات الحية. [26] بعض الطحالب البحرية تدمج الزرنيخ في جزيئات عضوية معقدة مثل الزرنيخ والزرنيخ. يمكن أن تنتج الفطريات والبكتيريا مركبات الزرنيخ المتطايرة الميثلة. لوحظ اختزال الزرنيخ وأكسدة الزرنيخ في الميكروبات (الكريسوجين أرسيناتيس). [27] بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لبعض بدائيات النوى استخدام الزرنيخ كمستقبل نهائي للإلكترون أثناء النمو اللاهوائي ويمكن للبعض استخدام الزرنيخ كمانح للإلكترون لتوليد الطاقة.

تم التكهن بأن أقدم أشكال الحياة على الأرض ربما تكون قد استخدمت الكيمياء الحيوية للزرنيخ بدلاً من الفوسفور في بنية الحمض النووي الخاص بها. [28] من الاعتراضات الشائعة على هذا السيناريو أن استرات الزرنيخ أقل استقرارًا بكثير للتحلل المائي من استرات الفوسفات المقابلة ، مما يجعل الزرنيخ غير مناسب لهذه الوظيفة. [29]

افترض مؤلفو دراسة علم الأحياء الدقيقة في عام 2010 ، بدعم جزئي من وكالة ناسا ، أن بكتيريا تسمى GFAJ-1 ، تم جمعها في رواسب بحيرة مونو في شرق كاليفورنيا ، يمكن أن تستخدم مثل هذا "الحمض النووي للزرنيخ" عند زراعته بدون الفوسفور. [30] [31] اقترحوا أن تستخدم البكتيريا مستويات عالية من بولي-بيتا هيدروكسي بوتيرات أو وسائل أخرى لتقليل التركيز الفعال للماء وتثبيت إسترات الزرنيخ. [31] تعرض هذا الادعاء لانتقادات شديدة فور نشره بسبب الافتقار الملحوظ إلى الضوابط المناسبة. [32] [33] اتصل الكاتب العلمي كارل زيمر بالعديد من العلماء لإجراء تقييم: "لقد تواصلت مع عشرات الخبراء. تقريبًا بالإجماع ، يعتقدون أن علماء ناسا فشلوا في إثبات قضيتهم". [34] لم يتمكن مؤلفون آخرون من إعادة إنتاج نتائجهم وأظهروا أن الدراسة لديها مشاكل مع تلوث الفوسفات ، مما يشير إلى أن الكميات المنخفضة الموجودة يمكن أن تحافظ على أشكال الحياة المتطرفة. [35] بدلاً من ذلك ، تم اقتراح أن خلايا GFAJ-1 تنمو عن طريق إعادة تدوير الفوسفات من الريبوسومات المتحللة ، بدلاً من استبداله بالزرنيخ. [36]

بالإضافة إلى مركبات الكربون ، تتطلب الحياة الأرضية المعروفة حاليًا أيضًا الماء كمذيب. وقد أدى ذلك إلى مناقشات حول ما إذا كان الماء هو السائل الوحيد القادر على القيام بهذا الدور. إن الفكرة القائلة بأن شكل الحياة خارج كوكب الأرض قد يعتمد على مذيب غير الماء قد تم أخذها على محمل الجد في الأدبيات العلمية الحديثة من قبل عالم الكيمياء الحيوية ستيفن بينر ، [37] ومن قبل لجنة علم الأحياء الفلكية برئاسة جون إيه باروس. [38] المذيبات التي ناقشتها لجنة باروس تشمل الأمونيا ، [39] حمض الكبريتيك ، [40] فورماميد ، [41] الهيدروكربونات ، [41] و (عند درجات حرارة أقل بكثير من درجة حرارة الأرض) النيتروجين السائل ، أو الهيدروجين في شكل السوائل فوق الحرجة. [42]

وصف كارل ساجان نفسه ذات مرة بأنه شوفيني للكربون وشوفيني للمياه [43] ولكن في مناسبة أخرى قال إنه كان شوفينيًا للكربون ولكنه "ليس شوفينيًا للمياه". [44] تكهن بشأن الهيدروكربونات ، [44]: 11 حمض الهيدروفلوريك ، [45] والأمونيا [44] [45] كبدائل محتملة للمياه.

تتضمن بعض خصائص الماء المهمة لعمليات الحياة ما يلي:

  • تعقيد يؤدي إلى عدد كبير من التباديل لمسارات التفاعل المحتملة بما في ذلك الكيمياء الحمضية القاعدية ، وكاتيونات H + ، وأنيونات OH ، وترابط الهيدروجين ، وترابط فان دير فالس ، وتفاعلات ثنائية القطب وتفاعلات قطبية أخرى ، وأقفاص المذيبات المائية ، والتحلل المائي . يوفر هذا التعقيد عددًا كبيرًا من مسارات التطور لإنتاج الحياة والعديد من المذيبات الأخرى [أي؟] لديها ردود فعل محتملة أقل بشكل كبير ، مما يحد بشدة من التطور.
  • الثبات الديناميكي الحراري: الطاقة الحرة لتكوين الماء السائل منخفضة بدرجة كافية (−237.24 كيلوجول / مول) بحيث يخضع الماء لتفاعلات قليلة. المذيبات الأخرى شديدة التفاعل ، خاصة مع الأكسجين.
  • لا يحترق الماء في الأكسجين لأنه بالفعل نتاج احتراق الهيدروجين مع الأكسجين. معظم المذيبات البديلة غير مستقرة في الغلاف الجوي الغني بالأكسجين ، لذلك فمن غير المرجح أن تدعم هذه السوائل الحياة الهوائية.
  • نطاق درجة حرارة كبير يتحول خلاله إلى سائل.
  • قابلية عالية للذوبان للأكسجين وثاني أكسيد الكربون في درجة حرارة الغرفة مما يدعم تطور النباتات المائية الهوائية والحياة الحيوانية.
  • سعة حرارية عالية (تؤدي إلى استقرار أعلى في درجة حرارة البيئة).
  • الماء سائل في درجة حرارة الغرفة يؤدي إلى عدد كبير من حالات التحول الكمي المطلوبة للتغلب على حواجز التفاعل. تحتوي السوائل المبردة (مثل الميثان السائل) على مجموعات حالة انتقالية منخفضة بشكل كبير وهي ضرورية للحياة بناءً على التفاعلات الكيميائية. يؤدي هذا إلى معدلات تفاعل كيميائية قد تكون بطيئة جدًا بحيث تمنع تطور أي حياة قائمة على التفاعلات الكيميائية. [بحاجة لمصدر]
  • تسمح الشفافية الطيفية للإشعاع الشمسي باختراق عدة أمتار في السائل (أو الصلب) ، مما يساعد بشكل كبير على تطور الحياة المائية.
  • حرارة عالية من التبخر تؤدي إلى استقرار البحيرات والمحيطات.
  • القدرة على إذابة مجموعة متنوعة من المركبات.
  • المادة الصلبة (الجليد) أقل كثافة من السائل ، لذلك يطفو الجليد على السائل. هذا هو السبب في تجمد المسطحات المائية ولكن لا تتجمد صلبة (من الأسفل إلى الأعلى). إذا كان الجليد أكثر كثافة من الماء السائل (كما هو الحال بالنسبة لجميع المركبات الأخرى تقريبًا) ، فإن الأجسام الكبيرة من السائل ستتجمد ببطء ، مما لن يؤدي إلى تكوين الحياة.

الماء كمركب وفير كونيًا ، على الرغم من أن الكثير منه في شكل بخار أو جليد. يعتبر الماء السائل تحت السطح محتملًا أو ممكنًا على العديد من الأقمار الخارجية: إنسيلادوس (حيث لوحظت السخانات) ، ويوروبا ، وتيتان ، وجانيميد. الأرض وتيتان هما العالمان الوحيدان المعروفان حاليًا باحتوائهما على أجسام سائلة مستقرة على أسطحهما.

ومع ذلك ، ليست كل خصائص الماء مفيدة بالضرورة للحياة. [46] على سبيل المثال ، يحتوي جليد الماء على درجة عالية من البياض ، [46] مما يعني أنه يعكس كمية كبيرة من الضوء والحرارة من الشمس. خلال العصور الجليدية ، مع تراكم الجليد العاكس على سطح الماء ، تزداد تأثيرات التبريد العالمي. [46]

هناك بعض الخصائص التي تجعل بعض المركبات والعناصر أكثر ملاءمة من غيرها كمذيبات في محيط حيوي ناجح. يجب أن يكون المذيب قادرًا على الوجود في توازن سائل على مدى درجات حرارة يواجهها الجسم الكوكبي عادةً. لأن نقاط الغليان تختلف مع الضغط ، فإن السؤال يميل إلى أن يكون كذلك هل المذيب المحتمل يظل سائلاً ، ولكن في أي ضغط. على سبيل المثال ، يحتوي سيانيد الهيدروجين على نطاق ضيق لدرجة حرارة الطور السائل عند 1 جو ، ولكن في جو به ضغط كوكب الزهرة ، مع 92 بارًا (91 ضغطًا جويًا) من الضغط ، يمكن أن يوجد بالفعل في شكل سائل على مدى درجة حرارة واسعة.

تحرير الأمونيا

جزيء الأمونيا (NH3) ، مثل جزيء الماء ، وفير في الكون ، كونه مركب من الهيدروجين (أبسط العناصر وأكثرها شيوعًا) مع عنصر آخر شائع جدًا ، النيتروجين. [47] الدور المحتمل للأمونيا السائلة كمذيب بديل للحياة هي فكرة تعود على الأقل إلى عام 1954 ، عندما أثار J.B.S Haldane الموضوع في ندوة حول أصل الحياة. [48]

يمكن إجراء العديد من التفاعلات الكيميائية في محلول الأمونيا ، والأمونيا السائلة لها أوجه تشابه كيميائية مع الماء. [47] [49] يمكن للأمونيا إذابة معظم الجزيئات العضوية على الأقل كما يفعل الماء ، بالإضافة إلى أنها قادرة على إذابة العديد من المعادن الأولية. أوضح هالدين أن العديد من المركبات العضوية الشائعة ذات الصلة بالمياه لها نظائر مرتبطة بالأمونيا على سبيل المثال مجموعة الأمين المرتبطة بالأمونيا (−NH2) مشابه لمجموعة الهيدروكسيل المتعلقة بالمياه (−OH). [49]

يمكن للأمونيا ، مثل الماء ، إما قبول أو التبرع بأيون H +. عندما تقبل الأمونيا H + ، فإنها تشكل كاتيون الأمونيوم (NH4 +) ، مشابه للهيدرونيوم (H3س +). عندما تتبرع بأيون H + ، فإنها تشكل أنيون الأميد (NH2 -) ، مشابه لأنيون الهيدروكسيد (OH -). [39] بالمقارنة مع الماء ، فإن الأمونيا أكثر ميلًا لقبول أيون H + ، وأقل ميلًا للتبرع بأحدها فهي من محبي النواة الأقوى. [39] تعمل الأمونيا المضافة إلى الماء كقاعدة أرهينيوس: فهي تزيد من تركيز هيدروكسيد الأنيون. على العكس من ذلك ، باستخدام تعريف نظام المذيبات للحموضة والقاعدية ، يعمل الماء المضاف إلى الأمونيا السائلة كحامض ، لأنه يزيد من تركيز الأمونيوم الموجبة. [49] مجموعة الكربونيل (C = O) ، والتي تُستخدم كثيرًا في الكيمياء الحيوية الأرضية ، لن تكون مستقرة في محلول الأمونيا ، ولكن يمكن استخدام مجموعة imine المماثلة (C = NH) بدلاً من ذلك. [39]

ومع ذلك ، فإن الأمونيا لديها بعض المشاكل كأساس للحياة. الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الأمونيا أضعف من تلك الموجودة في الماء ، مما يتسبب في أن تكون حرارة تبخر الأمونيا نصف حرارة الماء ، وتوترها السطحي ليكون ثلثًا ، وتقليل قدرتها على تركيز الجزيئات غير القطبية من خلال تأثير كاره للماء. تساءل جيرالد فينبرج وروبرت شابيرو عما إذا كانت الأمونيا قادرة على الاحتفاظ بجزيئات البريبايوتك معًا بشكل جيد بما يكفي للسماح بظهور نظام تكاثر ذاتيًا. [50] الأمونيا قابلة للاشتعال أيضًا في الأكسجين ولا يمكن أن توجد بشكل مستدام في بيئة مناسبة لعملية التمثيل الغذائي الهوائي. [51]

من المحتمل أن يوجد الغلاف الحيوي الذي يعتمد على الأمونيا في درجات حرارة أو ضغوط هواء غير عادية للغاية فيما يتعلق بالحياة على الأرض. عادة ما توجد الحياة على الأرض داخل نقطة انصهار الماء ونقطة غليان الماء عند الضغط العادي ، بين 0 درجة مئوية (273 كلفن) و 100 درجة مئوية (373 كلفن) عند الضغط الطبيعي لنقاط انصهار وغليان الأمونيا بين -78 درجة مئوية (195) ك) و 33 درجة مئوية (240 كلفن). عادة ما تستمر التفاعلات الكيميائية بشكل أبطأ عند درجة حرارة منخفضة. لذلك ، فإن الحياة القائمة على الأمونيا ، إن وجدت ، قد تستقلب ببطء أكثر وتتطور بشكل أبطأ من الحياة على الأرض. [51] من ناحية أخرى ، يمكن أن تساعد درجات الحرارة المنخفضة أيضًا الأنظمة الحية على استخدام الأنواع الكيميائية التي قد تكون غير مستقرة في درجات حرارة الأرض لتكون مفيدة. [47]

يمكن أن تكون الأمونيا سائلة في درجات حرارة شبيهة بالأرض ، ولكن عند ضغوط أعلى بكثير على سبيل المثال ، عند 60 ضغط جوي ، تذوب الأمونيا عند -77 درجة مئوية (196 كلفن) وتغلي عند 98 درجة مئوية (371 كلفن). [39]

تظل مخاليط الأمونيا والأمونيا والماء سائلة عند درجات حرارة أقل بكثير من نقطة تجمد الماء النقي ، لذلك قد تكون هذه الكيمياء الحيوية مناسبة تمامًا للكواكب والأقمار التي تدور خارج منطقة الحياة القائمة على الماء. يمكن أن توجد مثل هذه الظروف ، على سبيل المثال ، تحت سطح أكبر أقمار زحل تيتان. [52]

تحرير الميثان والمواد الهيدروكربونية الأخرى

الميثان (CH4) عبارة عن هيدروكربون بسيط: أي مركب مكون من عنصرين من أكثر العناصر شيوعًا في الكون: الهيدروجين والكربون. لديها وفرة كونية مماثلة للأمونيا. [47] يمكن أن تعمل الهيدروكربونات كمذيب على نطاق واسع من درجات الحرارة ، ولكنها تفتقر إلى القطبية. اقترح إسحاق أسيموف ، عالم الكيمياء الحيوية وكاتب الخيال العلمي ، في عام 1981 أن الدهون المتعددة يمكن أن تشكل بديلاً للبروتينات في مذيب غير قطبي مثل الميثان. [47] Lakes composed of a mixture of hydrocarbons, including methane and ethane, have been detected on the surface of Titan by the Cassini spacecraft.

There is debate about the effectiveness of methane and other hydrocarbons as a solvent for life compared to water or ammonia. [53] [54] [55] Water is a stronger solvent than the hydrocarbons, enabling easier transport of substances in a cell. [56] However, water is also more chemically reactive and can break down large organic molecules through hydrolysis. [53] A life-form whose solvent was a hydrocarbon would not face the threat of its biomolecules being destroyed in this way. [53] Also, the water molecule's tendency to form strong hydrogen bonds can interfere with internal hydrogen bonding in complex organic molecules. [46] Life with a hydrocarbon solvent could make more use of hydrogen bonds within its biomolecules. [53] Moreover, the strength of hydrogen bonds within biomolecules would be appropriate to a low-temperature biochemistry. [53]

Astrobiologist Chris McKay has argued, on thermodynamic grounds, that if life does exist on Titan's surface, using hydrocarbons as a solvent, it is likely also to use the more complex hydrocarbons as an energy source by reacting them with hydrogen, reducing ethane and acetylene to methane. [57] Possible evidence for this form of life on Titan was identified in 2010 by Darrell Strobel of Johns Hopkins University a greater abundance of molecular hydrogen in the upper atmospheric layers of Titan compared to the lower layers, arguing for a downward diffusion at a rate of roughly 10 25 molecules per second and disappearance of hydrogen near Titan's surface. As Strobel noted, his findings were in line with the effects Chris McKay had predicted if methanogenic life-forms were present. [56] [57] [58] The same year, another study showed low levels of acetylene on Titan's surface, which were interpreted by Chris McKay as consistent with the hypothesis of organisms reducing acetylene to methane. [56] While restating the biological hypothesis, McKay cautioned that other explanations for the hydrogen and acetylene findings are to be considered more likely: the possibilities of yet unidentified physical or chemical processes (e.g. a non-living surface catalyst enabling acetylene to react with hydrogen), or flaws in the current models of material flow. [59] He noted that even a non-biological catalyst effective at 95 K would in itself be a startling discovery. [59]

Azotosome Edit

A hypothetical cell membrane termed an azotosome capable of functioning in liquid methane in Titan conditions was computer-modeled in an article published in February 2015. Composed of acrylonitrile, a small molecule containing carbon, hydrogen, and nitrogen, it is predicted to have stability and flexibility in liquid methane comparable to that of a phospholipid bilayer (the type of cell membrane possessed by all life on Earth) in liquid water. [60] [61] An analysis of data obtained using the Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), completed in 2017, confirmed substantial amounts of acrylonitrile in Titan's atmosphere. [62] [63]

Hydrogen fluoride Edit

Hydrogen fluoride (HF), like water, is a polar molecule, and due to its polarity it can dissolve many ionic compounds. Its melting point is −84 °C, and its boiling point is 19.54 °C (at atmospheric pressure) the difference between the two is a little more than 100 K. HF also makes hydrogen bonds with its neighbor molecules, as do water and ammonia. It has been considered as a possible solvent for life by scientists such as Peter Sneath [64] and Carl Sagan. [45]

HF is dangerous to the systems of molecules that Earth-life is made of, but certain other organic compounds, such as paraffin waxes, are stable with it. [45] Like water and ammonia, liquid hydrogen fluoride supports an acid–base chemistry. Using a solvent system definition of acidity and basicity, nitric acid functions as a base when it is added to liquid HF. [65]

However, hydrogen fluoride is cosmically rare, unlike water, ammonia, and methane. [66]

Hydrogen sulfide Edit

Hydrogen sulfide is the closest chemical analog to water, [67] but is less polar and a weaker inorganic solvent. [68] Hydrogen sulfide is quite plentiful on Jupiter's moon Io and may be in liquid form a short distance below the surface astrobiologist Dirk Schulze-Makuch has suggested it as a possible solvent for life there. [69] On a planet with hydrogen-sulfide oceans the source of the hydrogen sulfide could come from volcanos, in which case it could be mixed in with a bit of hydrogen fluoride, which could help dissolve minerals. Hydrogen-sulfide life might use a mixture of carbon monoxide and carbon dioxide as their carbon source. They might produce and live on sulfur monoxide, which is analogous to oxygen (O2). Hydrogen sulfide, like hydrogen cyanide and ammonia, suffers from the small temperature range where it is liquid, though that, like that of hydrogen cyanide and ammonia, increases with increasing pressure.

Silicon dioxide and silicates Edit

Silicon dioxide, also known as silica and quartz, is very abundant in the universe and has a large temperature range where it is liquid. However, its melting point is 1,600 to 1,725 °C (2,912 to 3,137 °F), so it would be impossible to make organic compounds in that temperature, because all of them would decompose. Silicates are similar to silicon dioxide and some have lower melting points than silica. Gerald Feinberg and Robert Shapiro have suggested that molten silicate rock could serve as a liquid medium for organisms with a chemistry based on silicon, oxygen, and other elements such as aluminium. [70]

Other solvents or cosolvents Edit

Other solvents sometimes proposed:

    : supercritical carbon dioxide and supercritical hydrogen. [71]
  • Simple hydrogen compounds: hydrogen chloride. [72]
  • More complex compounds: sulfuric acid, [40]formamide, [41]methanol. [72]
  • Very-low-temperature fluids: liquid nitrogen[42] and hydrogen. [42]
  • High-temperature liquids: sodium chloride. [73]

Sulfuric acid in liquid form is strongly polar. It remains liquid at higher temperatures than water, its liquid range being 10 °C to 337 °C at a pressure of 1 atm, although above 300 °C it slowly decomposes. Sulfuric acid is known to be abundant in the clouds of Venus, in the form of aerosol droplets. In a biochemistry that used sulfuric acid as a solvent, the alkene group (C=C), with two carbon atoms joined by a double bond, could function analogously to the carbonyl group (C=O) in water-based biochemistry. [40]

A proposal has been made that life on Mars may exist and be using a mixture of water and hydrogen peroxide as its solvent. [74] A 61.2% (by mass) mix of water and hydrogen peroxide has a freezing point of −56.5 °C and tends to super-cool rather than crystallize. It is also hygroscopic, an advantage in a water-scarce environment. [75] [76]

Supercritical carbon dioxide has been proposed as a candidate for alternative biochemistry due to its ability to selectively dissolve organic compounds and assist the functioning of enzymes and because "super-Earth"- or "super-Venus"-type planets with dense high-pressure atmospheres may be common. [71]

Non-green photosynthesizers Edit

Physicists have noted that, although photosynthesis on Earth generally involves green plants, a variety of other-colored plants could also support photosynthesis, essential for most life on Earth, and that other colors might be preferred in places that receive a different mix of stellar radiation than Earth. [77] [78] These studies indicate that blue plants would be unlikely however yellow or red plants may be relatively common. [78]

Variable environments Edit

Many Earth plants and animals undergo major biochemical changes during their life cycles as a response to changing environmental conditions, for example, by having a spore or hibernation state that can be sustained for years or even millennia between more active life stages. [79] Thus, it would be biochemically possible to sustain life in environments that are only periodically consistent with life as we know it.

For example, frogs in cold climates can survive for extended periods of time with most of their body water in a frozen state, [79] whereas desert frogs in Australia can become inactive and dehydrate in dry periods, losing up to 75% of their fluids, yet return to life by rapidly rehydrating in wet periods. [80] Either type of frog would appear biochemically inactive (i.e. not living) during dormant periods to anyone lacking a sensitive means of detecting low levels of metabolism.

Alanine world and hypothetical alternatives Edit

The genetic code evolved during the transition from the RNA world to a protein world. [81] The Alanine World Hypothesis postulates that the evolution of the genetic code (the so-called GC phase [82] ) started with only four basic amino acids: alanine, glycine, proline and ornithine (now arginine). [83] The evolution of the genetic code ended with 20 proteinogenic amino acids. From a chemical point of view, most of them are Alanine-derivatives particularly suitable for the construction of α-helices and β-sheets – basic secondary structural elements of modern proteins. Direct evidence of this is an experimental procedure in molecular biology known as alanine scanning. The hypothetical "Proline World" would create a possible alternative life with the genetic code based on the proline chemical scaffold as the protein backbone. Similarly, "Glycine" and "Ornithine" worlds are also conceivable, but nature has chosen none of them. [84] Evolution of life with Glycine, Proline or Ornithine as the basic structure for protein-like polymers (foldamers) would lead to parallel biological worlds. They would have morphologically radically different body plans and genetics from the living organisms of the known biosphere. [85]

Dust and plasma-based Edit

In 2007, Vadim N. Tsytovich and colleagues proposed that lifelike behaviors could be exhibited by dust particles suspended in a plasma, under conditions that might exist in space. [86] [87] Computer models showed that, when the dust became charged, the particles could self-organize into microscopic helical structures, and the authors offer "a rough sketch of a possible model of. helical grain structure reproduction".

Life on a neutron star Edit

Frank Drake suggested in 1973 that intelligent life could inhabit neutron stars. [88] Physical models in 1973 implied that Drake's creatures would be microscopic. In 1980, Robert L Forward wrote the science fiction novel Dragon's Egg using Drake's suggestion as a thesis. [89]

Scientists who have considered possible alternatives to carbon-water biochemistry include:


Discovering new species

Scientists and conservationists are regularly updating the inventory of life with the discovery of new species. Last week, scientists at the Smithsonian Institution reported the discovery of a primitive eel in a reef off the coast of the South Pacific island nation of Palau. The new species, Protoanguilla palau, bore little relation to 19 other forms of eel currently in existence and some of its characteristics – such as a second upper jaw – were more in line with fossils from 65m years ago.

Other recent highlights, as compiled by the International Institute for Species Exploration (IISE) at Arizona State University, include the eternal light mushroom, or Mycena luxaeterna, which emits bright yellowish light. The new species was collected from forests near Sao Paulo, Brazil. Another highlight was the golden spotted monitor lizard (Varanus bitatawa), a two-metre long beast discovered on Luzon Island in the Philippines. It has evaded earlier discovery by spending most of its time in the trees.

But most scientists expect the next rush of discovery to come from even smaller organisms, such as bacteria. The IISE also highlighted the discovery of a new bacteria growing on the shipwrecked hull of the Titanic. Halomonas titanicae is an iron oxide-eating bacteria, that could eventually eat the wreck up.


Is there life on other planets?

The ultimate goal of NASA's exoplanet program is to find unmistakable signs of current life on a planet beyond Earth. How soon that can happen depends on two unknowns: the prevalence of life in the galaxy and how lucky we get as we take those first, tentative, exploratory steps.

Our early planet finding missions, such as NASA&rsquos Kepler and its extended incarnation, K2, or the coming James Webb Space Telescope, could yield bare bones evidence of the potentially habitable worlds. James Webb, designed in part to investigate gas giants and super Earths, might find an outsized version of our planet. NASA's Nancy Grace Roman Space Telescope or the Wide-Field Infrared Survey Telescope, could zero in on a distant planet&rsquos reflected light to detect the signatures of oxygen, water vapor, or some other powerful indication of possible life.

But unless we get lucky, the search for signs of life could take decades. Discovering another blue-white marble hidden in the star field, like a sand grain on the beach, will probably require an even larger imaging telescope. Designs are already underway for that next-generation planet finder, to be sent aloft in the 2030s or 2040s.

MIT physics professor Sara Seager looks for possible chemical combinations that could signal the presence of alien life. She and her biochemistry colleagues first focused on the six main elements associated with life on Earth: carbon, nitrogen, oxygen, phosphorous, sulfur and hydrogen.

&ldquoWe&rsquore going to have so few planets, we have to get lucky,&rdquo Seager said. &ldquoI don&rsquot want to miss anything. I don&rsquot want to miss it because we weren&rsquot smart enough to think of some molecule.&rdquo

To find out how about the advanced, space-based telescope technology being developed at NASA to search for life among the stars, read Inventing the Future


Scientists discover first multicellular life that doesn't need oxygen

Light microscopy image of the undescribed species of Spinoloricus, stained with Rose Bengal. The scale bar is 50 micrometers. Image credit: Danovaro, et al.

(PhysOrg.com) -- Oxygen may not be the staple of modern complex life that scientists once thought. Until now, the only life forms known to live exclusively in anoxic conditions were viruses, bacteria and Archaea. But in a new study, scientists have discovered three new multicellular marine species that appear to have never lived in aerobic conditions, and never metabolized oxygen.

The discovery of the new species, which live buried in sediment under the Mediterranean seafloor, is significant in that it marks the first observation of multicellular organisms, or metazoans, that spend their entire lifecycle under permanently anoxic conditions. A few metazoans have been known to tolerate anoxic conditions, but only for limited periods of time.

The team of Italian and Danish researchers, Roberto Danovaro, et al., that discovered the new life forms has identified the creatures as belonging to the animal phylum Loricifera, the most recently described animal phylum. Loriciferans, which have a length of less than one millimeter, typically live in sediment. The three new organisms belong to different genera (Spinoloricus, Rugiloricus, and Pliciloricus), although their species have not yet been named.

Despite belonging to previously known taxonomic groups, the new species possess some radical differences compared with other metazoans. Most significantly, the new species do not have mitochondria, the cellular organelles that use oxygen and sugar to generate the cell’s energy. Instead, the new loriciferans have organelles that resemble hydrogenosomes, which are used by some single-celled eukaryotes to generate energy without oxygen. However, this is the first time that these organelles have been observed in multicellular organisms. Previous research has indicated that hydrogenosomes may have evolved from mitochondria, while other research suggests they evolved independently.

To find the new species, the researchers carried out three oceanographic expeditions from 1998 to 2008 to search for life in the extreme environments located more than 3,000 meters (about two miles) under the Mediterranean Sea. The researchers focused on an area called the L’Atalante basin, which is located off the southern coast of Greece. As the scientists explain, this type of “deep hypersaline anoxic basin” was created by the flooding of mineral sediments from 5.5 million years ago. For the past 50,000 years, the basin has possessed a dense hypersaline brine layer up to 60 meters thick. The brine serves as a physical barrier that prohibits oxygen exchange between the water and sediment, making the basin completely oxygen-free. In addition, the basin is rich in methane and hydrogen sulphide, and is also home to a diverse assembly of prokaryotes that have adapted to these conditions.

Because previous studies have reported the presence of cadaverous metazoans that had sunk to anoxic deep-sea sediments in the Black Sea, the researchers here stained the newly collected specimens with Rose Bengal, a protein binding stain that colors living organisms with a much greater intensity than deceased organisms, demonstrating that the new species were indeed alive. In addition, the scientists observed specimens of the undescribed species of both genera Spinoloricus and Rugiloricus that had a large oocyte in their ovary, which showed a nucleus containing a nucleolus, providing evidence of reproduction.

LM image of the undescribed species of Spinoloricus stained with Rose Bengal showing the presence of an oocyte. Image credit: Roberto Danovaro.

“The results reported here support the hypothesis that the loriciferans inhabiting the anoxic sediments of the L’Atalante basin have developed an obligate anaerobic metabolism and specific adaptations to live without oxygen,” the researchers conclude. “Although the evolutionary/adaptative mechanisms leading to the colonization of such extreme environments by these metazoans remain an enigma, this discovery opens new perspectives for the study of metazoan life in habitats lacking molecular oxygen.”

The work is financially supported by the EU within the framework of the HERMES (Hot Spot Ecosystem Research on the Margins of European Seas) and HERMIONE (Hotspot Ecosystem Research and Man's Impact On European Seas) projects.


New discoveries on deadly fungus—possibly a key for treatment

Aspergillus fumigatus growing on a petri dish. Credit: Jan-Peter Kasper, University of Jena

Aspergillus fumigatus kills as many people as malaria and tuberculosis, but is less known. It is found everywhere, for example in the soil or in our compost, but is not normally dangerous to healthy people.

Those who die from it often have a poor immune system or are hospitalized for lung infections, such as COVID-19.

Aspergillus also constitutes an increasing problem in agriculture, because the fungus causes deadly infections in both plants and animals. In the same way that many bacteria are resistant to antibiotics, also this fungus is now becoming more and more resistant to the limited repertoire of treatments. It is therefore important to find new ways to fight fungal infections.

Researchers at the Department of Biomedicine at the Faculty of Medicine, UiB, together with researchers at the Faculty of Mathematics and Natural Sciences and a German research team, have now discovered an enzyme on the surface of the fungus.

The newly discovered enzyme breaks down a vital molecule that is important for the cells' energy metabolism: the NAD molecule, which is formed in our body from vitamin B3.

Without NAD, cells cannot survive. Therefore, the breakdown of NAD could affect immune cells and weaken our immune system to fight the fungal infection.

Recollected old scientific observations

Similar enzymes are found in bacteria that cause infections such as tuberculosis, streptococci or cholera. The idea that also fungi may have an NAD-degrading enzyme on their surface has been raised already in the 1950's:

"Enzyme activity that degrades NAD had been detected on the surface of a fungus, only the identity of the enzyme was never established. However, that fungus is commonly used in research laboratories and not known to be pathogenic. Probably, this discovery therefore went into the archive," says Professor Mathias Ziegler, leader of the study.

They want to re-examine the hypothesis that an enzyme, which breaks down NAD, may contribute to pathogenic mechanisms in fungi such as Aspergillus fumigatus.

"We measured strong enzyme activity on the surface of spores from Aspergillus fumigatus. It surprised us," says researcher and first author Øyvind Strømland.

Modern technology makes it possible to study the enzyme

"Using an elegant biochemical method, we identified fragments of the protein sequence from this enzyme. Since the entire genome of the fungus is known, we could then use these fragments to identify the gene that encodes the enzyme," says Ziegler.

"The next step was to use the genetic information and create a version of this gene that can be used by laboratory cell lines "trained" to produce sufficient amounts of the protein for detailed molecular studies," he continues.

In this way, researchers have been able to study how the enzyme breaks down NAD.

"There are two things that are central here. Highly sensitive analytical technology enabled identification of enzyme fragments. The other important element is that we now have the genome sequence and could easily identify the gene. That was not possible in the 50s," says Ziegler.

May design new drugs against the fungus

The researchers are clear that even though it is known from other diseases that similar bacterial enzymes break down NAD in infected cells, it cannot be said for sure that this is the case with the enzyme from Aspergillus fumigatus.

However, they know a lot more about the enzyme now through their research, and the hope is that the knowledge can help to discover new treatments for fungal infections.

Intriguingly, their bioinformatics analyses revealed that this type of enzyme is predominantly present in pathogenic fungi.

"If we could make a drug with molecules that resemble NAD, they might block the enzyme in our cells," the researchers suggest.


Possibility of Silicon-Based Life Grows

Science fiction has long imagined alien worlds inhabited by silicon-based life, such as the rock-eating Horta from the original Star Trek series. Now, scientists have for the first time shown that nature can evolve to incorporate silicon into carbon-based molecules, the building blocks of life on Earth.

Artist rendering of organosilicon-based life. Organosilicon compounds contain carbon-silicon bonds. Recent research from the laboratory of Frances Arnold shows, for the first time, that bacteria can create organosilicon compounds. This does not prove that silicon- or organosilicon-based life is possible, but shows that life could be persuaded to incorporate silicon into its basic components. Credit: Lei Chen and Yan Liang (BeautyOfScience.com) for Caltech

As for the implications these findings might have for alien chemistry on distant worlds, “my feeling is that if a human being can coax life to build bonds between silicon and carbon, nature can do it too,” said the study’s senior author Frances Arnold, a chemical engineer at the California Institute of Technology in Pasadena. The scientists detailed their findings recently in the journal علم.

Carbon is the backbone of every known biological molecule. Life on Earth is based on carbon, likely because each carbon atom can form bonds with up to four other atoms simultaneously. This quality makes carbon well-suited to form the long chains of molecules that serve as the basis for life as we know it, such as proteins and DNA.

Still, researchers have long speculated that alien life could have a completely different chemical basis than life on Earth. For example, instead of relying on water as the solvent in which biological molecules operate, perhaps aliens might depend on ammonia or methane. And instead of relying on carbon to create the molecules of life, perhaps aliens could use silicon.

Carbon and silicon are chemically very similar in that silicon atoms can also each form bonds with up to four other atoms simultaneously. Moreover, silicon is one of the most common elements in the Universe. For example, silicon makes up almost 30 percent of the mass of the Earth’s crust, and is roughly 150 times more abundant than carbon in the Earth’s crust.

Scientists have long known that life on Earth is capable of chemically manipulating silicon. For instance, microscopic particles of silicon dioxide called phytoliths can be found in grasses and other plants, and photosynthetic algae known as diatoms incorporate silicon dioxide into their skeletons. However, there are no known natural instances of life on Earth combining silicon and carbon together into molecules.

Still, chemists have artificially synthesized molecules comprised of both silicon and carbon. These organo-silicon compounds are found in a wide range of products, including pharmaceuticals, sealants, caulks, adhesives, paints, herbicides, fungicides, and computer and television screens. Now, scientists have discovered a way to coax biology to chemically bond carbon and silicon together.

“We wanted to see if we could use what biology already does to expand into whole new areas of chemistry that nature has not yet explored,” Arnold said.

The researchers steered microbes into creating molecules never before seen in nature through a strategy known as ‘directed evolution,’ which Arnold pioneered in the early 1990s. Just as farmers have long modified crops and livestock by breeding generations of organisms for the traits they want to appear, so too have scientists bred microbes to create the molecules they desire.

Scientists have used directed evolutionary strategies for years to create household goods such as detergents, and to develop environmentally-friendly ways to make pharmaceuticals, fuels and other industrial products. (Conventional chemical manufacturing processes can require toxic chemicals in contrast, directed evolutionary strategies use living organisms to create molecules and generally avoid chemistry that would prove harmful to life.)

Arnold and her team — synthetic organic chemist Jennifer Kan, bioengineer Russell Lewis, and chemist Kai Chen — focused on enzymes, the proteins that catalyze or accelerate chemical reactions. Their aim was to create enzymes that could generate organo-silicon compounds.

“My laboratory uses evolution to design new enzymes,” Arnold said. “No one really knows how to design them — they are tremendously complicated. But we are learning how to use evolution to make new ones, just as nature does.”

Researchers in Frances Arnold’s lab at Caltech have persuaded living organisms to make chemical bonds not found in nature. The finding may change how medicines and other chemicals are made in the future. Credit: Caltech

First, the researchers started with enzymes they suspected could, in principle, chemically manipulate silicon. Next, they mutated the DNA blueprints of these proteins in more or less random ways and tested the resulting enzymes for the desired trait. The enzymes that performed best were mutated again, and the process was repeated until the scientists reached the results they wanted.

Arnold and her colleagues started with enzymes known as heme proteins, which all have iron at their hearts and are capable of catalyzing a wide variety of reactions. The most widely recognized heme protein is likely hemoglobin, the red pigment that helps blood carry oxygen.

After testing a variety of heme proteins, the scientists concentrated on one from Rhodothermus marinus, a bacterium from hot springs in Iceland. The heme protein in question, known as cytochrome c, normally shuttles electrons to other proteins in the microbe, but Arnold and her colleagues found that it could also generate low levels of organo-silicon compounds.

After analyzing cytochrome c’s structure, the researchers suspected that only a few mutations might greatly enhance the enzyme’s catalytic activity. Indeed, only three rounds of mutations were enough to turn this protein into a catalyst that could generate carbon-silicon bonds more than 15 times more efficiently than the best synthetic techniques currently available. The mutant enzyme could generate at least 20 different organo-silicon compounds, 19 of which were new to science, Arnold said. It remains unknown what applications people might be able to find for these new compounds.

“The biggest surprise from this work is how easy it was to get new functions out of biology, new functions perhaps never selected for in the natural world that are still useful to human beings,” Arnold said. “The biological world always seems poised to innovate.”

In addition to showing that the mutant enzyme could self-generate organo-silicon compounds in a test tube, the scientists also showed that بكتريا قولونية bacteria, genetically engineered to produce the mutant enzyme within themselves, could also create organo-silicon compounds. This result raises the possibility that microbes somewhere could have naturally evolved the ability to create these molecules.

“In the universe of possibilities that exist for life, we’ve shown that it is a very easy possibility for life as we know it to include silicon in organic molecules,” Arnold said. “And once you can do it somewhere in the Universe, it’s probably being done.”

It remains an open question why life on Earth is based on carbon when silicon is more prevalent in Earth’s crust. Previous research suggests that compared to carbon, silicon can form chemical bonds with fewer kinds of atoms, and it often forms less complex kinds of molecular structures with the atoms that it can interact with. By giving life the ability to create organo-silicon compounds, future research can test why life here or elsewhere may or may not have evolved to incorporate silicon into biological molecules.

In addition to the astrobiology implications, the researchers noted that their work suggests biological processes could generate organo-silicon compounds in ways that are more environmentally friendly and potentially much less expensive than existing methods of synthesizing these molecules. For example, current techniques for creating organo-silicon compounds often require precious metals and toxic solvents.

The mutant enzyme also makes fewer unwanted byproducts. In contrast, existing techniques typically require extra steps to remove undesirable byproducts, adding to the cost of making these molecules.

“I’m talking to several chemical companies right now about potential applications for our work,” Arnold said. “These compounds are hard to make synthetically, so a clean biological route to produce these compounds is very attractive.”

Future research can explore what advantages and disadvantages the ability to create organo-silicon compounds might have for organisms. “By giving this capability to an organism, we might see if there is, or is not, a reason why we don’t stumble across it in the natural world,” Arnold said.

The research was funded by the National Science Foundation, the Caltech Innovation Initiative program, and the Jacobs Institute for Molecular Engineering for Medicine at Caltech.


شاهد الفيديو: تم اكتشاف كوكب أرض عملاق صالح للحياة (كانون الثاني 2022).