Альтернативная биохимия. Интернетмарафон Узнай современное искусство 1 августа 30 сентября 2019
 Скачать 221.81 Kb.
|
|
Интернет-марафон «Узнай современное искусство» 1 августа — 30 сентября 2019  Альтернативная биохимия [править | править код] Материал из Википедии — свободной энциклопедии Перейти к навигацииПерейти к поиску
У этого термина существуют и другие значения, см. Биохимия (значения). Для термина «Альтернатива» см. также другие значения. Альтернативная биохимия изучает возможность существования форм жизни, которым свойственны биохимические процессы, полностью отличающиеся от возникших на Земле. Обсуждаемые отличия включают замену углерода в молекулах органических веществ на другие атомы, либо воды в качестве растворителя на другие жидкости. Подобные явления нередко описываются в фантастической литературе. Содержание 1Параметры дискуссии 2Замена наиболее важных химических элементов 3Замена углерода 3.1Кремний и кислород 3.2Азот и фосфор 3.3Азот и бор 4Замена фосфора 5Замена воды 5.1Аммиак 5.2Фтороводород 5.3Цианистый водород 5.4Метан и этан 6Замена кислорода 7«Зеркальный мир» 8Нехимические способы жизни 9Альтернативная биохимия в фантастических произведениях 10Ученые и альтернативная биохимия 11См. также 12Примечания 13Литература Параметры дискуссии[править | править код] Возможность внеземной жизни, основанная на «альтернативной» биохимии, является общей темой научной фантастики, но она также рассматривается в научном контексте. Недавним примером такого обсуждения является отчет за 2007 год об ограничивающих условиях жизни, подготовленных комитетом в составе ученых при Национальном исследовательском совете Соединенных Штатов. Этот комитет под председательством Джона А. Бароса рассматривал «гипотетическую альтернативную химию жизни», включая ряд растворителей, которые могли бы стать альтернативой воде. В проекте под названием: «Пределы органической жизни в планетных системах» постулируется, что: На сегодняшний день c этим поиском (внеземной жизни) руководствуются моделью жизни, основанной на жизни, которую мы знаем на Земле. Некоторые особенности земной жизни привлекли особое внимание: Земная жизнь использует воду в качестве растворителя; Она построенa из клеток и использует метаболизм, который фокусируется на карбонильной группе (С=O); Это термодинамически диссипативный процесс, использующий химико-энергетические градиенты; Она использует архитектуру с двумя биополимерами, которая использует нуклеиновые кислоты для выполнения большинства генетических функций и белки для выполнения большинства каталитических функций.[1] Как следствие, большая часть планирования миссий НАСА сосредоточена на местах, где возможна жидкая вода, и в ней делается акцент на поисках структур, которые напоминают клетки земных организмов. Этот подход был бы оправдан, учитывая отсутствие общего понимания того, как может выглядеть жизнь, имеющая происхождение, независимое от Земли. Однако лабораторные эксперименты предполагают, что жизнь может основываться на молекулярных структурах, существенно отличающихся от земных. Замена наиболее важных химических элементов[править | править код] Акроним CHNOPS, расшифровывающийся как Carbon (углерод), Hydrogen (водород), Nitrogen (азот), Oxygen (кислород), Phosphorus (фосфор) и Sulfur (сера), представляет шесть наиболее важных химических элементов, чьи ковалентные комбинации составляют большую часть биологических молекул на Земле[2]. Сера используется в аминокислотах цистеин и метионин[3]. Фосфор — необходимый элемент в формировании фосфолипидов, класса липидов, которые являются главным компонентом всех клеточных мембран, так как они могут формировать двойные липидные слои, которые сохраняют ионы, протеины и другие молекулы там, где они нужны для выполнения функций клетки, и предотвращают от их проникновения в те зоны, где их не должно быть. Фосфатные группы также являются необходимым компонентом основы аминокислот[4].
Все виды живых организмов, известные в настоящее время, используют углеродные соединения для основных структурных и метаболических функций, воду в качестве растворителя и ДНК или РНК для определения и контроля их формы. Если жизнь существует на других планетах, она может быть химически похожа; также возможно, что существуют организмы с совершенно разными химическими составами. Существование или, по крайней мере, реальность этих форм биохимии еще не была продемонстрирована. Замена углерода[править | править код] См. также: Углеродный шовинизм Учёные немало высказывались на тему возможности построения органических молекул с помощью других атомов, но никто не предложил теорию, описывающую возможность воссоздания всего многообразия соединений, необходимых для существования жизни. Кремний и кислород[править | править код] Среди наиболее вероятных претендентов на роль структурообразующего атома в альтернативной биохимии называют кремний. Он находится в той же группе периодической системы, что и углерод, их свойства во многом схожи. Однако атомы кремния имеют бо́льшую массу и радиус, они сложнее образуют двойную или тройную ковалентную связь, что может помешать образованию биополимеров. Соединения кремния не могут быть настолько разнообразны, как соединения углерода.  Структура силана, аналог метана.  Структура силиконового полидиметилсилоксана (ПДМС). Преимуществом, которое может привести к существованию вариантов биохимии на основе кремния, являются его цеолиты, соединения, которые используются в химии и могут фильтровать и катаболизировать вещества аналогично углеродным ферментам: основные механизмы жизни на нашей планете возможны благодаря ферментам, серии катализаторов с соответствующими им носителями (белками).[5] Природа разработала целую коллекцию из них, каждая из которых специализировалась на функции, такой как гемоглобин, отвечающий за обмен кислорода, или ферредоксин, миссия которого заключается в электронном переносе. Первоначальная идея — заменить эти ферменты молекулами на основе кремния. Эти материалы представляют собой разновидность глин, которые имеют молекулярную структуру в виде трехмерной сетки, образованной тетраэдрами из SiO 4 и AlO 4, соединенных вместе. Эта решетка имеет поры и полости молекулярного размера, поэтому их могут пересекать только те молекулы, которые имеют достаточно маленький размер. Вот почему их также называют молекулярными ситами. Цеолиты имеют большое количество структурных сходств с природными белками. При использовании этих сходств могут образовываться разные катализаторы, которые сочетают в себе характеристики стойкости и химической стабильности цеолитов с высокой селективностью и молекулярной активностью ферментов. В Центральном департаменте исследований и разработок компании DuPont были получены цеолиты, способные моделировать поведение гемоглобина, цитохрома P450 и железо-серного белка. Как и углерод, кремний может образовывать четыре устойчивые связи с самим собой и другими элементами, а также длинные химические цепи, известные как силановые полимеры, которые очень похожи на углеводороды, необходимые для жизни на Земле. Кремний более активен, чем углерод, что делает его оптимальным для экстремально холодных условий. Соединения кремния могут быть биологически полезными при температурах или давлениях, отличных от поверхности земной планеты, в роли (либо в сочетании), которая менее прямо аналогична углероду. Полисиланолы, соединения кремния, соответствующие сахарам, растворимы в жидком азоте, что позволяет предположить, что они могут играть роль в биохимии при очень низких температурах. Силаны — соединения кремния и водорода, являющиеся аналогом алканов (соединений углерода и водорода), менее устойчивы, чем углеводороды. Силаны самопроизвольно горят в присутствии кислорода при относительно низких температурах, поэтому кислородная атмосфера может быть смертельной для жизни на основе кремния. С другой стороны, стоит учитывать, что алканы, как правило, довольно легко воспламеняются, но жизнь на основе углерода на Земле не накапливает энергию непосредственно в виде алканов, а в виде сахаров, липидов, спиртов и других углеводородных соединений с совершенно разными свойствами. Вода как растворитель также будет реагировать с силанами, но, опять же, это имеет значение только в том случае, если по каким-либо причинам силаны используются или массово производятся такими организмами. В то же время, силиконы — полимеры, включающие цепочки чередующихся атомов кремния и кислорода, более жаропрочны. На этом основании предполагается, что кремниевая жизнь может существовать на планетах со средней температурой, значительно превышающей земную. В этом случае, роль универсального растворителя должна играть не вода, а соединения со значительно более высокой температурой кипения. Так, например, предполагается, что соединения кремния будут стабильнее углеродных молекул в среде серной кислоты, то есть в условиях, которые могут существовать на других планетах[6]. В целом же, сложные молекулы с кремниево-кислородной цепью менее устойчивы по сравнению с углеродными аналогами. Углеводородов и органических соединений много в метеоритах, кометах и межзвездных облаках, в то время как их кремниевые аналоги никогда не встречались в природе. Кремний, однако, образует сложные одно-, двух- и трехмерные полимеры, в которых атомы кислорода образуют мостики между атомами кремния. Они называются силикатами . Они устойчивы и распространены в земных условиях и были предложены в качестве основы для предорганической формы эволюции на Земле. Диоксид кремния (основной компонент песка), являющийся аналогом углекислого газа в углеродных формах жизни, представляет собой твёрдое, плохорастворимое вещество. Это создаёт трудности для поступления кремния в биологические системы, основанные на водных растворах, даже если окажется возможным существование биологических молекул на его основе. Схожaя ситуация существует и с существующими наземными растениями. Например рис способен накапливать до 10 % кремния от сухого веса побегов, что находится в диапазоне или даже выше, чем уровни основных макронутриентов, таких как азот, фосфат и калий. Недавно были идентифицированы два переносчика (Lsi1 и Lsi2), ответственные за высокую способность риса к поглощению Si[7]. Lsi1 относится к подгруппе аквапоринов внутреннего белка nodulin-26 (NIP III) и является переносчиком кремниевой кислоты.[8]Как и другие макронутриенты кремний недоступен растениям будучи нерастворим в воде. Однако растения как и в случае с азотом используют природные биоудобрения то есть напр. азотофиксирующие бактерии (которые переводят атмосферный азот в связанное состояние, что делает его доступным для потребления растениями) с которыми растения зачастую состоят в симбиотических отношениях. Организмы на основе кремния, если они дышат кислородом, вероятно, выделяют диоксид кремния (SiO 2) в качестве побочного продукта который они выделяют как углеродные организмы диоксид углерода — CO 2, Однако в отличие от диоксида углерода SiO 2 был бы в твердом состоянии и поэтомy мог бы забить дыхательные пути песком. Можно однако представить выделительные органы, сравнимые с почками, которые в случае этой гипотетической биохимии эвакуируют своего рода силикатный гель. Ведь в качестве отходов азотные соединения у животных удаляются в основном в виде мочевины. Или же силикатные соединения могут выделятся в твердой форме, как например некоторые ящерицы обитающие в пустыне, выделяют мочевую кислоту через ноздри.[9] Диоксид кремния (учитывая примеси, всегда присутствующие в живых тканях и, вероятно, препятствующие кристаллизации) находится в агрегатном состоянии от жидкого до так называемого стеклообразного, поэтому становится тем жиже, чем выше температура. Тогда кремниевая жизнь может состоять из расплава «кремниево-биологических молекул» в диоксиде кремния в широком температурном диапазоне. При всём разнообразии молекул, которые были обнаружены в межзвёздной среде, 84 основаны на углероде и лишь 8 — на кремнии[10]. Более того, из этих 8 соединений 4 включают углерод. (Это косвенно указывает на небольшую возможность промежуточного — кремний-углеродного — варианта биохимии.) Примерное соотношение космического углерода к кремнию — 10 к 1. Это даёт основание предполагать, что сложные углеродные соединения более распространены во Вселенной, уменьшая шанс формирования жизни на основе кремния, по крайней мере в тех условиях, что можно ожидать на поверхностях планет. На Земле, как и на других планетах земной группы, много кремния и очень мало углерода. Однако, земная жизнь развилась на основе углерода. Это свидетельствует в пользу того, что углерод более подходит для формирования биохимических процессов на планетах, подобных нашей. Остаётся возможность того, что при других комбинациях температуры и давления кремний может участвовать в формировании биологических молекул в качестве замены углероду. Химики неустанно работали над созданием новых соединений кремния, с тех пор как Фредерик Стэнли Киппинг (Frederic Kipping) (1863—1949) показал, что действительно можно сделать несколько интересных соединений. Самая высокая международная премия в области кремния называется Kipping Award. Но, несмотря на годы работы — и несмотря на все реагенты, доступные современным ученым — многие кремниевые аналоги углеродных соединений просто не могут быть получены. Термодинамические данные подтверждают, что эти аналоги часто слишком нестабильны или слишком реактивны. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
