Лекция
Это окончание невероятной информации про альтернативная биохимия.
...
alt="Альтернативная биохимия CHNOPS" >
Одна гипотеза о происхождении жизни предполагает, что первоначальная жизнь на Земле могла быть основана на ПНК (пептидо-нуклеиновых кислотах) и что позже «мир ПНК» был преобразован в «мир РНК». Основными аргументами являются большая химическая стабильность и простота ПНК по сравнению с РНК, что позволило бы ПНК развиваться и выживать в примитивных пребиотических условиях. В то же время, ПНК несет необходимую информацию в виде нуклеотидов. Однако основным пробелом в этой теории является отсутствие молекул ПНК с каталитической активностью, которые позволили бы репликацию ПНК.
В дополнение к соединениям углерода, для всей известной в настоящее время земной жизни также требуется вода в качестве растворителя. Различные свойства воды, которые важны для процессов жизнедеятельности, включают широкий диапазон температур, при которых она является жидкой, высокую теплоемкость, способствующую регуляции температуры, большую теплоту испарения и способность растворять широкий спектр соединений. Вода также амфотерна, что означает, что она может давать или принимать протон, позволяя ей действовать как кислота или основание. Это свойство имеет решающее значение во многих органических и биохимических реакциях, где вода служит растворителем, реагентом или продуктом. Существуют и другие химические вещества со схожими свойствами, которые иногда предлагались в качестве альтернативы воде. Вода является жидкой при давлении в 1 атм. в интервале от 0 °C до 100 °C, но существуют другие растворители, например, серная кислота, которые остаются в жидком состоянии до температуры в 200 °C и более[28].
Аммиак часто рассматривается в качестве наиболее вероятного (после воды) растворителя для возникновения жизни на какой-либо из планет. При давлении в 100 кПа (1 атм.) он находится в жидком состоянии при температурах от −78 до −33 °C. Молекула аммиака (
), как и молекула воды, широко распространена во Вселенной, являясь соединением водорода (самый простой и самый распространенный элемент) с другим очень распространенным элементом, азотом. Возможная роль жидкого аммиака как альтернативного растворителя для жизни — идея, которая восходит по крайней мере к 1954 году, когда Дж. Б. С. Холдейн поднял эту тему на симпозиуме о происхождении жизни.
В растворе аммиака возможны многочисленные химические реакции, а жидкий аммиак имеет химическое сходство с водой. Аммиак может растворять большинство органических молекул, по крайней мере, так же, как вода, и, кроме того, он способен растворять многие элементарные металлы. Холдейн отметил, что различные общие органические соединения, связанные с водой, имеют аналоги, связанные с аммиаком; например, связанная с аммиаком аминогруппа (
) аналогична связанной с водой гидроксильной группе (
).
Аммиак, как и вода, может принимать или жертвовать ион 
. Когда аммиак принимает , он образует катион аммония (
), аналогичный гидронию (
). Когда он отдает ион , он образует анион амида (
), аналогичный аниону гидроксида (
). Однако, по сравнению с водой, аммиак более склонен принимать ион и менее склонен отдавать его; это более сильный нуклеофил. Аммиак, добавленный в воду, действует как основание Аррениуса: он увеличивает концентрацию гидроксида аниона. И наоборот, используя систему определения кислотности и основности в системе растворителей, вода, добавляемая к жидкому аммиаку, действует как кислота, поскольку увеличивает концентрацию катиона аммония. Карбонильная группа (
), которая широко используется в наземной биохимии, не будет стабильной в растворе аммиака, но вместо нее можно использовать аналогичную иминную группу (
).
Тем не менее, аммиак имеет некоторые проблемы в качестве основы для жизни. Водородные связи между молекулами аммиака слабее, чем в воде, что приводит к тому, что теплота испарения аммиака вдвое меньше, чем у воды, а поверхностное натяжение — до трети, а также уменьшается способность концентрировать неполярные молекулы за счет гидрофобного эффекта. Джеральд Файнберг и Роберт Шапиро подвергли сомнению, мог ли аммиак удерживать молекулы пребиотика достаточно хорошо, чтобы позволить появление самовоспроизводящейся системы. Аммиак также воспламеняется в кислороде и не может устойчиво существовать в среде, подходящей для аэробного метаболизма. Жидкий аммиак по ряду свойств напоминает воду, но следует заметить, что при замерзании твердый аммиак не всплывает вверх, а тонет (в отличие от водного льда).
Поэтому океан, состоящий из жидкого , будет легко промерзать до дна. Кроме того, выбор аммиака в качестве растворителя исключает выгоды от использования кислорода как биологического реагента. Однако это не исключает возможности возникновения альтернативной жизни на планетах, где аммиак имеется в смеси с водой[29]. Биосфера на основе аммиака, вероятно, будет существовать при температурах или давлениях воздуха, которые являются чрезвычайно необычными по отношению к жизни на Земле. Жизнь на Земле обычно существует в пределах температуры плавления и кипения воды при нормальном давлении, между 0 °C (273 К) и 100 °C (373 К); при нормальном давлении температура плавления и кипения аммиака составляет от −78 °C (195 К) до −33 °C (240 К). Химические реакции обычно протекают медленнее при более низкой температуре. Поэтому жизнь на основе аммиака, если она существует, может метаболизироваться медленнее и развиваться медленнее, чем жизнь на Земле.[30]С другой стороны, более низкие температуры могут также позволить живым системам использовать химические вещества, которые были бы слишком нестабильны при температурах Земли, чтобы быть полезными.[31]
Аммиак может быть жидкостью при температурах, подобных земным, но при гораздо более высоких давлениях; например, при 60 атм аммиак плавится при −77 °С (196 К) и кипит при 98 °С (371 К).[32]
Смеси аммиака и воды остаются жидкими при температурах, намного ниже точки замерзания чистой воды, поэтому такая биохимия могла бы хорошо подходить для планет и лун, вращающихся вне зоны обитаемости на водной основе. Такие условия могут существовать, например, под поверхностью самой большой луны Сатурна Титана.[33]
По ряду свойств фтороводород напоминает воду. Так, он тоже способен к образованию межмолекулярных водородных связей. Однако стоит учитывать, что на 1 атом фтора в наблюдаемой вселенной приходится 10000 атомов кислорода, поэтому трудно представить на какой-либо планете условия, которые благоприятствовали бы образованию океана, состоящего из 
, а не из 
.
Другой серьезный аргумент против такой возможности заключается в том, что твердая поверхность большинства планет (которые ее имеют), за исключением некоторых экзотических гипотетических планет (железная планета, углеродная планета), состоит из диоксида кремния и алюмосиликатов, с которыми фтороводород реагирует по реакции:
.
Синильная кислота 
также способна к образованию водородных связей, но в отличие от она состоит из широко распространенных во Вселенной элементов. Более того, считается, что это соединение играло значительную роль в предбиологической химии Земли — например, в образовании аминокислот, нуклеотидов и других компонентов «первичного бульона».
Тем не менее, цианистый водород не подходит в качестве возможного растворителя для альтернативной жизни хотя бы потому, что это соединение термодинамически неустойчиво. Так, жидкий цианистый водород довольно быстро осмоляется, особенно в присутствии катализаторов (в роли которых могут выступать кислоты, основания, глина и многие горные породы), причем иногда разложение 
протекает со взрывом. По этим причинам не способен образовать океан на какой-либо планете.
Жизнь может существовать в жидких метане и этане на поверхности Титана , которые имеют форму рек и озер, так же, как организмы на Земле живут в воде. Такие существа использовали бы 
вместо 
и реагировали с ацетиленом вместо глюкозы, и производили бы метан, а не углекислый газ. Существует дискуссия об эффективности метана в качестве растворителя для жизни по сравнению с водой: вода является более мощным растворителем, чем метан, что позволяет ей легче переносить вещество в клетку, но меньшая химическая реактивность метана позволяет ему легче образовывать крупные структуры, например белки и им подобные.
Другое предположение состоит в том, что организмы, живущие в среде жидкого метана или этана, могут использовать различные соединения в качестве растворителя. Например, фосфин (
) и простые соединения фосфора и водорода. Как вода и аммиак, фосфин имеет полярность, но он существует в виде жидкости при более низких температурах, чем аммиак или вода. В жидком этане фосфин имеет форму отдельных капель, а это означает, что ячейкоподобные структуры могли бы существовать без клеточных мембран.
Гипотетическая клеточная мембрана, названная азотосомой, способной функционировать в жидком метане в условиях Титана, была смоделирована (на компьютере) в статье, опубликованной в феврале 2015 года. Считается, что она состоит из акрилонитрила, небольшой молекулы, содержащей углерод, водород и азот, и обладает стабильностью и устойчивостью. Гибкость в жидком метане сравнима с гибкостью фосфолипидного бислоя (типа клеточной мембраны, которой обладает вся жизнь на Земле) в жидкой воде. Анализ данных, полученных с использованием крупногабаритного / субмиллиметрового массива Atacama (Atacama Large Millimeter Array), завершенного в 2017 году, подтвердил наличие значительного количества акрилонитрила в атмосфере Титана.
Одним из возможных растворителей в безводной среде может быть тетрахлорид титана. Его важным преимуществом является полярность. При этом его диапазон температур жидкого агрегатного состояния почти вдвое шире, чем у воды.
Интересной особенностью серной кислоты является то, что это вещество становится кислотой только в присутствии воды. Но вода в процессе полимеризации молекул сахаров и аминокислот не будет выделяться, если в органических молекулах на месте атомов кислорода будут находиться атомы серы. Такие «серные» организмы должны существовать при заметно более высокой температуре и в океане из олеума (безводной серной кислоты). Такие условия существуют на Венере. Поскольку молекулярный кислород, который бы мог образовать озоновый слой, защищающий от ультрафиолета, не образуется, то это создает сложности для выхода жизни на сушу. Этим можно объяснить то, что жизнь на Венере до сих пор не найдена, хотя есть косвенные свидетельства — наличие в одних и тех же регионах 
и 
, которые не могут сосуществовать, если их кто-то или что-то постоянно не производит[34]. По последним данным также был обнаружен тонкий озоновый слой на Венере, который, по словам ученых, образуется из углекислого газа в верхних слоях атмосферы под воздействием солнечного света[35].
Теоретически возможна замена кислорода другими халькогенами, но для существования жизни на их основе эти элементы встречаются крайне редко. Также стоит отметить, что известны анаэробные организмы, использующие другие элементы в качестве акцептора электронов.
Наименее заметным в глобальном плане, но наиболее изученным из изменений можно считать использование альтернативных металлопротеинов для переноса кислорода в крови. Даже биосфера Земли может использовать не только гемоглобин, но также гемоцианин (на основе меди), гемэритрин (железоорганический белок сильно отличающейся структуры), кобоглобин (на основе кобальта, получен в лабораторных условиях), пиннаглобин (на основе марганца) и другие.
Организмы, не использующие кислород для дыхания, несомненно, использовали бы иные транспортные соединения.
В живой природе Земли все аминокислоты имеют L-конфигурацию, а углеводы — D-конфигурацию, за исключением крайне редких случаев, например, элементов оболочки возбудителя сибирской язвы. В принципе можно представить себе «зеркальный мир», в котором живые организмы имеют ту же биохимическую основу, как и на Земле, — за исключением ее полной зеркальной симметричности: в таком мире жизнь могла бы быть основана на D-аминокислотах и L-углеводах. Такая возможность не противоречит ни одному из известных на сегодня законов природы.
Одним из парадоксов такого гипотетического мира является тот факт, что, попав в такой мир (являющийся зеркальной копией Земли), человек мог бы умереть от голода, несмотря на обилие пищи вокруг[36]:13. Кроме того, употребление в пищу «зеркальных» молекул может вызвать отравление[36]:12—13.
В книге «Evolving the Alien» биолог Джек Коэн (Jack Cohen) и математик Иэн Стюарт (Ian Stewart) утверждают, что астробиология, основанная на гипотезе уникальной Земли, «ограниченна и уныла». Они предположили, что землеподобные планеты могут быть редкими, но сложные формы жизни могут появиться и в других условиях.
Еще более умозрительные идеи касаются возможности жизни на совсем иных телах, нежели землеподобные планеты. Астроном Фрэнк Дрейк, известный сторонник поиска внеземной жизни, предположил жизнь на нейтронных звездах: существа с жизненным циклом в миллионы раз быстрее, чем у земных организмов, состоящие из сверхмалых «ядерных молекул»[37]. Названная «фантазийной и лукавой», эта идея получила широкое распространение в научной фантастике[38]. Карл Саган в 1976 году рассматривал возможность существования организмов, летающих в верхних слоях атмосферы Юпитера[39][40]. Коэн и Стюарт также рассмотрели возможность жизни в атмосфере газовых гигантов и даже на Солнце.
Некоторые философы, например, Циолковский, считали, что жизнь может принимать форму способных к сохранению формы и самовоспроизведению в некоторых условиях плазмоидов, прототипом которых служит шаровая молния. В последнее время благодаря компьютерному моделированию возможность существования плазменных форм жизни получила некоторое теоретическое обоснование[41].
Список ученых, которые рассмотрели возможные альтернативы биохимии типа «углерод-вода», включает:
Исследование, описанное в статье про альтернативная биохимия, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое альтернативная биохимия и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Общая химия
Часть 1 Альтернативная биохимия CHNOPS
Часть 2 Замена воды - Альтернативная биохимия CHNOPS
Комментарии
Оставить комментарий
Общая химия
Термины: Общая химия