تم النشر اليوم 2024/05/16 | افتراضيات الكيمياء الحيوية

الظل والمحيط الحيوي

(1974) إرسال المعلومات إلى الفضاء عن الكيمياء الأساسية للحياة على الأرض.
وبصرف النظر عن احتمال العثور على أشكال مختلفة من الحياة على الكواكب أو الأقمار، فقد اقترح ان الأرض نفسها كمكان للظل الحيوي لللكائنات الدقيقة العير معروفة كيميائيا والتي قد عاشت في الماضي أو قد لا تزال موجودة اليوم.

العلماء الذين نشروا عن هذا الموضوع

إسحاق أزيموف (1920-1992)، الكيميائي وكاتب الخيال العلمي.
وليام باينس, عالم الاحياء المساهم في مجلة البيولوجيا الفلكية.
جون باروس ، الذي ترأس لجنة من العلماء فيالمجلس الوطني للأبحاث بالولايات المتحدة والتي نشرت تقريرا عن شروط الحياة في عام 2007.
جيرالد فاينبيرغ (1933-1992), الفيزيائي..روبرت شابيرو (1935-2011), الصيدلي، مؤلفين كتاب الحياة خارج الأرض.
أكسل فيرسوف(1910-1981), الفلكي البريطاني.
روبرت أ. فريتاس الابن (1952–الوقت الحاضر)، متخصص في تكنولوجيا النانو .
ج. ب. س. هالدين (1892-1964), عالم الوراثة.
جورج بيمنتل (1922-1989) الكيميائي في جامعة كاليفورنيا في بيركلي.
كارل ساجان (1934-1996), عالم الفلك.
بيتر سنيث (1923-2011), الميكروبيولوجي، مؤلف كتاب الكواكب والحياة.

الزرنيخ بديلا للفوسفور

الزرنيخ، وهو مشابه كيميائيا للفوسفور، في حين انه ساما لمعظم أشكال الحياة على الأرض، لكنه مدرج في الكيمياء الحيوية لبعض الكائنات الحية. بعض الطحالب البحرية تتضمن الزرنيخ في الجزيئات العضوية المعقدة. الفطريات والبكتيريا يمكن أن تنتج مركبات الزرنيخ الميثيلية المتطايرة.اختزال وأكسدة الزرنيخقد لوحظ في الميكروبات. بالإضافة إلى ذلك، بعض بدائيات النواةيمكنها استخدام الزرنيخات كمحطة الاستقبال الإلكترون النمو اللاهوائي والبعض يمكنه استخدام الزرنيخ كمتبرع للإلكترون لتوليد الطاقة. وكان قد تردد أن أقدم أشكال الحياة على الأرض قد استخدم الزرنيخ في مكان الفوسفور في بنية الحمض النووي.الاعتراض على هذا السيناريو هو أن استرات الزرنيخأقل استقراراللتحلل من استرات الفوسفاتو بالتاليفالزرنيخ غير مناسب لهذه الوظيفة

الكيمياء الحيوية غير المعتمدة علي الكربون

على الأرض، لدى جميع الكائنات الحية المعروفة هيكل كربوني ونظام. وتكهن العلماء حول إيجابيات وسلبيات استخدام الذرات عدا الكربون لتشكيل الهياكل الجزيئية الضرورية للحياة، ولكن لا أحد قد اقترح نظرية توظيف هذه الذرات لتشكيل جميع الهياكل اللازمة. ومع ذلك، كما جادل كارل ساغان، أنه صعب للغاية التأكد ما إذا كان الذي ينطبق على جميع أشكال الحياة على الأرض سوف يتحول لينطبق على جميع أشكال الحياة في جميع أنحاء الكون. ساجان يستخدم مصطلح «الكربون الشوفينية» لمثل هذا الافتراض. كارل ساجان يعتبر السيليكون والجرمانيوم بدائل الكربون؛ ولكن، من ناحية أخرى، أشار إلى أن الكربون لا يبدو كيميائيا أكثر تنوعا كما أنه أكثر وفرة في الكون. السليكون
هيكل سيلاني ، مناظر غاز الميثان.
هيكل سيليكون (PDMS).
دياتوماتبحرية —الكائنات الحية المعتمدة علي الكربون والتي تستخرج السيليكون من مياه البحر ودمجها في جدران الخلايا
السيليكون ذرة نوقشت كثيرا كأساس بديل للنظام البيوكيميائي، لأن السيليكون لديه العديد من الخصائص الكيميائية مماثلة لتلك التي للكربون وهو في نفس المجموعة في الجدول الدوري، في مجموعة الكربون. مثل الكربون، السليكون يمكن أن يخلق الجزيئات التي هي كبيرة بما فيه الكفاية لحمل المعلومات البيولوجية. ومع ذلك، للسليكون عيوب عدة كبديل للكربون. السليكون، خلافا للكربون، يفتقر إلى القدرة على شكل روابط كيميائية مع أنواع مختلفة من الذرات كما هو ضروري لتعدد المواد الكيميائية المطلوبة للتمثيل الغذائي. العناصر اللازمة لإنشاء المجموعات الوظيفية العضوية مع الكربون تشمل الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين، والفوسفور، والكبريت والمعادن مثل الحديد والمغنيسيوم والزنك. من ناحية أخرى، يتفاعل السليكون، مع عدد قليل جداً من أنواع أخرى من الذرات. وهذا يرجع إلى أن ذرات السيليكون هي أكبر بكثير، لها كتلة أكبر ونصف القطر الذري، وحتى صعوبة تشكيل روابط مزدوجة. كيمياء حيوية معتمدة علي عناصر اخري غريبة
بورانات بشكل خطير متفجرة في الغلاف الجوي للأرض، ولكن ستكون أكثر استقرارا في البيئة الأقل تفاعلية. ومع ذلك، وفرة البورون الكونية منخفضة يجعلها أقل احتمالاً من الكربون كقاعدة للحياة.
المعادن المختلفة، جنبا إلى جنب مع الأكسجين، يمكن أن تشكل هياكل معقدة جداً ومستقرة حرارياً تحاكي تلك المركبات العضوية؛ الأحماض الهيتيروبولية هي واحدة من هذه الأسرة. بعض أكاسيد المعادن أيضا مشابهة للكربون في قدرتها على تشكيل هياكل نانو وبلورات الماس مثل (مثل مكعب زركونيا). التيتانيوم والألمنيوم والمغنزيوم والحديد كل شيء أكثر وفرة في قشرة الأرض من الكربون. ولذلك فان الحياة المستندة علي أكسيد المعادن من المحتمل ان تكون ممكنة تحت ظروف معينة، بما في ذلك (درجات الحرارة العالية) التي ستكون فيها الحياة القائمة على الكربون غير محتملة. عن طريق تعديل مضمون أكسيد المعدن، يمكن الحصول على ثقوب والتي تعمل كغشاء يسهل اختراقه، سامحا بشكل انتقائي دخول وخروج المواد الكيميائية وفقا لحجم.
الكبريت هو أيضا قادر على تشكيل سلسلة طويلة من الجزيئات، لكنه يعاني من نفس مشاكل التفاعل مثل الفوسفور.الاستخدامالبيولوجي للكبريت كبديل الكربون هو محض افتراضية خاصة لأن الكبريت عادة يشكل فقط سلاسل خطية. (الاستخدام البيولوجي للكبريت كإلكترون متقبل على نطاق واسع ويمكن ارجاعه 3.5 مليار سنة على الأرض، وبالتالي يسبق استخدام الأكسجين الجزيئي. البكتيريا المختزلة للكبريتيمكنها الاستفادة من عنصر الكبريت بدلا من الأكسجين، والحد من استخدام الكبريت وكبريتيد الهيدروجين.)

مذيبات غير مائية

بالإضافة إلى مركبات الكربون، كل الحياة الأرضية المعروفة تتطلب أيضا الماء كمذيب. وأدي ذلك إلى إجراء مناقشات حول ما إذا كان الماء السائل الوحيد القادرة على شغل هذا الدور. فكرة أن الحياة خارج الأرض قد تعتمد على مادة مذيبة عدا الماء قد تم اخذه علي محمل الجد في الأدبيات العلمية الحديثة بواسطة ستيفن بينير، واللجنة الفضائية برئاسة جون أ. باروس. المذيبات التي نوقشت في لجنة باروس تشمل الأمونيا، حمض الكبريتيك، الفورماميد، الهيدروكربونات،
و (في درجات حرارة أقل بكثير من الأرض) سائل النيتروجين، أو الهيدروجين في شكل السوائل فوق الحرجة. كارل ساجان يصف نفسه بـ شوفينيالكربونوشوفيني الماء; ومع ذلككان يتوقع الهيدروكربونات، حامض هيدروفلوري، والأمونيا كبدائل ممكنة للمياه. الأمونيا
تصور الفنان كيف تبدو الحياة علي الكوكب مع الأمونيا.
الأمونيا جزيء (NH3)، مثل جزيء الماء متوفر في الكون، كونه مركب من الهيدروجين (أبسط العناصر الشائعة) مع آخر شائع جدا وهو عنصر النيتروجين. الدور الممكن للأمونيا السائلة كبديل للمذيبات هو فكرة تعود على الأقل إلى عام 1954، عندما اثار ج. ب. س. هالدين هذا الموضوع في ندوة عن اصل الحياة. الأمونيا، مثل الماء، إما أن يقبل أو يعطي H+ أيون. عندما يقبل H+, فهو يشكل الأمونيوم الموجب (NH4+)، المماثل للهيدرونيوم(H3O+).وعندما يعطي H+ أيون، فهو يشكل انيون الاميد(NH2−), المماثل إلى هيدروكسيدالأنيون (OH−). بالمقارنة مع المياه فان الأمونيا هو أكثر ميلا لقبول H+ أيون، وأقل ميلا إلى التبرع بواحد; انه نيوكليوفيلقوي. مجموعة الكربونيل (C=O)، والتي تستخدم كثيرا في الكيمياء الحيوية، لن تكون مستقرة في محلول الأمونيا، ولكن مجموعة الامين المماثلة (C=NH) يمكن أن تستخدم بدلا من ذلك. نظرية الهيكل الداخلي لتيتان ، المحيط تحت السطح يظهر بالأزرق.
الميثان والهيدروكربونات الأخرى
الميثان (CH4) هو هيدروكربوني بسيط: هو مركب من اثنين من العناصر الأكثر شيوعا في الكون الهيدروجين والكربون. له وفرة كونيةمقارنة مع الأمونيا. الهيدروكربونات يمكن أن تعمل كمذيب على نطاق واسع من درجات الحرارة، ولكن تفتقر القطبية. إسحاق أسيموف، الكيميائيو كاتب الخيال العلمي، اقترح في عام 1981 أن الدهون يمكن أن تشكل بديلا عن البروتينات في غير المذيبات القطبية مثل غاز الميثان.تتكونالبحيرات من خليط من الهيدروكربونات، بما في ذلك غاز الميثان والإيثان، والتي قد تم الكشف عنها على سطح تيتان من قبل كاسيني الفضائية. فلوريد الهيدروجين
فلوريد الهيدروجين (HF)، مثل الماء، هو جزيء قطبي، بسبب قطبيته يمكنه ان يذيب العديد من المركبات الأيونية.درجة انصهاره-84°C ودرجة الغليان هي 19.54 درجة مئوية (عند الضغط الجوي); الفرق بين الاثنين هو أكثر قليلا من 100 K. HF وأيضا يصنع روابط الهيدروجين مع جارته من الجزيئات، كما يفعل الماء والأمونيا. وقد اعتبر مذيبا ممكنا للحياة من قبل العلماء مثل بيتر سنيث وكارل ساجان. كبريتيد الهيدروجين
كبريتيد الهيدروجين هو المناظر الاقرب كيميائياإلى الماء، ولكن أقل قطبية ومذيب غير عضوي ضعيف. كبريتيد الهيدروجين وفير جدا على قمر كوكب المشتري Io, وقد يكون في شكل سائل على بعد مسافة قصيرة تحت السطح . على كوكب به محيطات من كبريتيد الهيدروجين فان مصدر كبريتيد الهيدروجين يمكن أن يأتي من البراكين، وفي هذه الحالة يمكن أن تكون مختلطة مع قليلا من فلوريد الهيدروجين التي يمكن أن يساعد على إذابة المعادن.الحياة بكبريتيدالهيدروجين يمكنها استخدام خليط من أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون باعتبارها مصدر الكربون. مذيبات اخري
حمض الكبريتيك (H2SO4).
المذيبات الأخرى المقترحة: السوائل فوق الحرجة: ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج والهيدروجين فوق الحرج
مركبات الهيدروجين البسيطة: كلوريد الهيدروجين
المركبات المعقدة: حمض الكبريتيك، الفورماميد، الميثانول
سوائل منخفضة الحرارة: النيتروجين السائل، والهيدروجين
سوائل مرتفعة الحرارة: كلوريد الصوديوم

شرح مبسط

الانواع الافتراضية للكيمياء الحيويةهي أشكال من الكيمياء الحيويةيتكهن أن تكون علميا قابلة للتطبيق من حيث خواصها، ولكن لم يثبت وجودها في هذا الوقت. كل أنواع الكائنات الحية المعروفة حاليا على الأرضتعتمد في تكوينها على مركبات الكربونللوظائف الحيوية والأيض، والماءكـ مذيب. وكل الكائنات الحية على الأرض تعتمد على الحمض النووي أو الحمض النووي الريبوزيلتحديد الشكل والبنية والقيام بالوظائف الحيوية. كالحركة والتغذية والهضم والتناسل وجميع مظاهر الحياة في الكائنات الحية. إذاكانت الحياة موجودة على الكواكب أو الأقمار، فمن الممكن ان تكون مشابه كيميائيا; ومن الممكن أيضا أن هناك كائنات لها كيمياء مختلفة تماما—على سبيل المثال تشمل فئات أخرى من مركبات الكربون والمركبات من عنصر آخر، أو مذيبات آخري تحل مكان الماء.