Los tipos hipotéticos de bioquímica son formas de bioquímica acordadas como científicamente viables, pero que no se ha demostrado que existan en este momento. [2] Todos los tipos de organismos vivos que se conocen actualmente en la Tierra utilizan compuestos de carbono para funciones estructurales y metabólicas básicas , agua como disolvente y ADN o ARN para definir y controlar su forma. Si existe vida en otros planetas o lunas , puede ser químicamente similar, aunque también es posible que haya organismos con químicas bastante diferentes [3] - por ejemplo, involucrando otras clases de compuestos de carbono, compuestos de otro elemento u otro solvente en lugar de agua.
La posibilidad de que las formas de vida se basen en bioquímicas "alternativas" es el tema de una discusión científica en curso, informada por lo que se sabe sobre los entornos extraterrestres y sobre el comportamiento químico de varios elementos y compuestos. Es de interés en biología sintética y también es un tema común en la ciencia ficción .
El elemento silicio se ha discutido mucho como una alternativa hipotética al carbono. El silicio está en el mismo grupo que el carbono en la tabla periódica y, como el carbono, es tetravalente . Las alternativas hipotéticas al agua incluyen el amoníaco , que, como el agua, es una molécula polar y cósmicamente abundante; y disolventes de hidrocarburos no polares como el metano y el etano , que se sabe que existen en forma líquida en la superficie de Titán .
Descripción general
Tipo | Base | Sinopsis | Observaciones |
---|---|---|---|
Biomoléculas de quiralidad alternativa | Bioquímica alternativa | Diferentes bases de biofunción. | Quizás la bioquímica alternativa menos inusual sería una con diferente quiralidad de sus biomoléculas. En la vida conocida basada en la Tierra, los aminoácidos son casi universalmente de la forma L y los azúcares son de la forma D. Pueden ser posibles moléculas que utilicen D aminoácidos o L azúcares; Sin embargo, las moléculas de tal quiralidad serían incompatibles con los organismos que utilizan las moléculas de quiralidad opuestas. |
Bioquímica del amoniaco | Disolventes distintos del agua | Vida a base de amoniaco | El posible papel del amoníaco líquido como disolvente alternativo para la vida es una idea que se remonta al menos a 1954, cuando J. B. S. Haldane planteó el tema en un simposio sobre el origen de la vida. |
Bioquímica del arsénico | Bioquímica alternativa | Vida a base de arsénico | El arsénico , que es químicamente similar al fósforo , aunque es venenoso para la mayoría de las formas de vida en la Tierra, se incorpora a la bioquímica de algunos organismos. |
Bioquímica de borane ( química de organoboro ) | Bioquímica alternativa | Vida basada en boranos | Los boranos son peligrosamente explosivos en la atmósfera terrestre, pero serían más estables en un entorno reductor. El boro, sin embargo, es extremadamente raro en el universo en comparación con sus vecinos carbono, nitrógeno y oxígeno. Por otro lado, las estructuras que contienen átomos alternos de boro y nitrógeno, al ser similares a los compuestos de carbono, proporcionan otro posible sustituto de los hidrocarburos. |
Bioquímica basada en polvo y plasma | Vida no planetaria | Vida de matriz exótica | En 2007, Vadim N. Tsytovich y sus colegas propusieron que las partículas de polvo suspendidas en un plasma podrían exhibir comportamientos realistas en las condiciones que podrían existir en el espacio. |
Extremófilos | Entorno alternativo | Vida en entornos variables | Bioquímicamente sería posible sustentar la vida en entornos que solo son consistentes periódicamente con la vida tal como la conocemos. |
Bioquímica de heteropoliácidos | Bioquímica alternativa | Vida basada en heteropoliácidos | Varios metales, junto con el oxígeno, pueden formar estructuras muy complejas y térmicamente estables que rivalizan con las de los compuestos orgánicos; [ cita requerida ] los heteropoliácidos son una de esas familias. |
Bioquímica del fluoruro de hidrógeno | Disolventes distintos del agua | Vida a base de fluoruro de hidrógeno | Ha sido considerado como un posible solvente para la vida por científicos como Peter Sneath. |
Bioquímica del sulfuro de hidrógeno | Disolventes distintos del agua | Vida a base de sulfuro de hidrógeno | El sulfuro de hidrógeno es el análogo químico más cercano al agua , pero es menos polar y un disolvente inorgánico más débil. |
Bioquímica del metano ( azotosoma ) | Disolventes distintos del agua | Vida a base de metano | El metano (CH 4 ) es un hidrocarburo simple: es decir, un compuesto de dos de los elementos más comunes del cosmos: hidrógeno y carbono. La vida del metano es hipotéticamente posible. |
Fotosintetizadores no verdes | Otras especulaciones | Vida vegetal alternativa | Los físicos han notado que, aunque la fotosíntesis en la Tierra generalmente involucra plantas verdes, una variedad de plantas de otros colores también podría apoyar la fotosíntesis, esencial para la mayoría de la vida en la Tierra, y que otros colores podrían ser preferidos en lugares que reciben una mezcla diferente de radiación estelar. que la Tierra. En particular, la retina es capaz de realizar la fotosíntesis y se ha observado que lo hace. [4] Las bacterias capaces de realizar la fotosíntesis se conocen como rodopsinas microbianas . Una planta o criatura que utiliza la fotosíntesis de la retina siempre es de color púrpura . |
Biosfera de las sombras | Entorno alternativo | Una biosfera de vida oculta en la Tierra | Una biosfera en la sombra es una hipotética biosfera microbiana de la Tierra que utiliza procesos bioquímicos y moleculares radicalmente diferentes a los de la vida conocida actualmente. |
Bioquímica del silicio ( organosilicio ) | Bioquímica alternativa | Vida basada en silicio | Al igual que el carbono, el silicio puede crear moléculas lo suficientemente grandes como para transportar información biológica; sin embargo, el alcance de la posible química del silicio es mucho más limitado que el del carbono. |
Bioquímica del dióxido de silicio | Disolventes distintos del agua | Vida basada en dióxido de silicio | Gerald Feinberg y Robert Shapiro han sugerido que la roca de silicato fundido podría servir como medio líquido para organismos con una química basada en silicio, oxígeno y otros elementos como el aluminio . |
Bioquímica del azufre | Bioquímica alternativa | Vida a base de azufre | El uso biológico del azufre como alternativa al carbono es puramente hipotético, especialmente porque el azufre generalmente forma solo cadenas lineales en lugar de ramificadas. |
Ácidos nucleicos alternativos | Bioquímica alternativa | Diferente almacenamiento genético | Posiblemente se pueden usar ácidos xenonucleicos (XNA) en lugar de ARN o ADN. XNA es el término general para un ácido nucleico con una estructura de azúcar alterada. Ejemplos de XNA incluyen TNA , que usa treosa , HNA, que usa 1,5-anhidrohexitol, GNA , que usa glicol , CeNA, que usa ciclohexeno , LNA , que utiliza una forma de ribosa que contiene un enlace adicional entre su carbono 4 ' y oxígeno 2 ', FANA, que usa arabinosa pero con un solo átomo de flúor unido a su carbono 2', y PNA, que usa, en lugar de azúcar y fosfato, unidades de N- (2-aminoetil) -glicina conectadas por enlaces peptídicos . [5] En comparación, el ADN de Hachimoji cambia los pares de bases en lugar de la columna vertebral. Estos nuevos pares de bases son P ( 2-Aminoimidazo [1,2a] [1,3,5] triazin-4 (1 H ) -one ), Z ( 6-Amino-5-nitropiridin-2-one ), B ( Isoguanina ) y S ( rS = isocitosina para ARN, dS = 1-metilcitosina para ADN). [6] [7] |
Biosfera de las sombras
Una biosfera en la sombra es una hipotética biosfera microbiana de la Tierra que utiliza procesos bioquímicos y moleculares radicalmente diferentes a los de la vida conocida actualmente. [8] [9] Aunque la vida en la Tierra está relativamente bien estudiada, la biosfera de la sombra puede pasar desapercibida porque la exploración del mundo microbiano se dirige principalmente a la bioquímica de los macroorganismos.
Biomoléculas de quiralidad alternativa
Quizás la bioquímica alternativa menos inusual sería una con diferente quiralidad de sus biomoléculas. En la vida conocida basada en la Tierra, los aminoácidos son casi universalmente de la forma L y los azúcares son de la forma D. Pueden ser posibles moléculas que utilicen D aminoácidos o L azúcares; Sin embargo, las moléculas de tal quiralidad serían incompatibles con los organismos que utilizan las moléculas de quiralidad opuestas. Los aminoácidos cuya quiralidad es opuesta a la norma se encuentran en la Tierra, y generalmente se cree que estas sustancias son el resultado de la descomposición de organismos de quiralidad normal. Sin embargo, el físico Paul Davies especula que algunos de ellos podrían ser productos de la vida "anti-quiral". [10]
Sin embargo, es cuestionable si tal bioquímica sería realmente extraña. Aunque ciertamente sería una estereoquímica alternativa , las moléculas que se encuentran abrumadoramente en un enantiómero en la gran mayoría de los organismos, no obstante, a menudo se pueden encontrar en otro enantiómero en diferentes organismos (a menudo basales ), como en las comparaciones entre miembros de Archaea y otros dominios , [ cita requerida ] por lo que es un tema abierto si una estereoquímica alternativa es realmente novedosa.
Bioquímicas no basadas en carbono
En la Tierra, todos los seres vivos conocidos tienen una estructura y un sistema basados en carbono. Los científicos han especulado sobre los pros y los contras de usar átomos distintos del carbono para formar las estructuras moleculares necesarias para la vida, pero nadie ha propuesto una teoría que emplee tales átomos para formar todas las estructuras necesarias. Sin embargo, como argumentó Carl Sagan , es muy difícil estar seguro de si una afirmación que se aplica a toda la vida en la Tierra resultará aplicable a toda la vida en todo el universo. [11] Sagan usó el término " chovinismo del carbono " para tal suposición. [12] Consideró el silicio y el germanio como alternativas concebibles al carbono [12] (otros elementos plausibles incluyen, entre otros, el paladio y el titanio ); pero, por otro lado, señaló que el carbono parece más versátil químicamente y es más abundante en el cosmos. [13] Norman Horowitz ideó los experimentos para determinar si podría existir vida en Marte que fueron llevados a cabo por el Viking Lander de 1976 , la primera misión estadounidense en aterrizar con éxito una sonda no tripulada en la superficie de Marte. Horowitz argumentó que la gran versatilidad del átomo de carbono lo convierte en el elemento con más probabilidades de proporcionar soluciones, incluso exóticas, a los problemas de supervivencia en otros planetas. [14] Consideró que sólo existía una remota posibilidad de que pudieran existir formas de vida sin carbono con sistemas de información genética capaces de autorreplicarse y con la capacidad de evolucionar y adaptarse.
Bioquímica del silicio
El átomo de silicio se ha discutido mucho como la base de un sistema bioquímico alternativo, porque el silicio tiene muchas propiedades químicas similares a las del carbono y está en el mismo grupo de la tabla periódica , el grupo del carbono . Al igual que el carbono, el silicio puede crear moléculas lo suficientemente grandes como para transportar información biológica. [15]
Sin embargo, el silicio tiene varios inconvenientes como alternativa al carbono. El silicio, a diferencia del carbono, carece de la capacidad de formar enlaces químicos con diversos tipos de átomos como es necesario para la versatilidad química requerida para el metabolismo y, sin embargo, esta incapacidad precisa es lo que hace que el silicio sea menos susceptible de unirse con todo tipo de impurezas de las cuales el carbono, en comparación, no está protegido. Los elementos que crean grupos funcionales orgánicos con carbono incluyen hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo, azufre y metales como hierro, magnesio y zinc. El silicio, por otro lado, interactúa con muy pocos otros tipos de átomos. [15] Además, cuando interactúa con otros átomos, el silicio crea moléculas que se han descrito como "monótonas en comparación con el universo combinatorio de macromoléculas orgánicas". [15] Esto se debe a que los átomos de silicio son mucho más grandes, tienen una masa y un radio atómico más grandes y , por lo tanto, tienen dificultades para formar enlaces dobles (el carbono de doble enlace es parte del grupo carbonilo , un motivo fundamental de los compuestos bioorgánicos basados en el carbono). química).
Los silanos , que son compuestos químicos de hidrógeno y silicio que son análogos a los hidrocarburos alcanos , son altamente reactivos con el agua y los silanos de cadena larga se descomponen espontáneamente. Las moléculas que incorporan polímeros de átomos alternos de silicio y oxígeno en lugar de enlaces directos entre el silicio, conocidas colectivamente como siliconas , son mucho más estables. Se ha sugerido que los productos químicos a base de silicona serían más estables que los hidrocarburos equivalentes en un entorno rico en ácido sulfúrico, como se encuentra en algunas ubicaciones extraterrestres. [dieciséis]
De las variedades de moléculas identificadas en el medio interestelar a partir de 1998[actualizar], 84 se basan en carbono, mientras que solo 8 se basan en silicio. [17] Además, de esos 8 compuestos, 4 también incluyen carbono dentro de ellos. La abundancia cósmica de carbono a silicio es aproximadamente de 10 a 1. Esto puede sugerir una mayor variedad de compuestos complejos de carbono en todo el cosmos, lo que proporciona una base menor sobre la cual construir biologías basadas en silicio, al menos bajo las condiciones predominantes en la superficie. de planetas. Además, aunque la Tierra y otros planetas terrestres son excepcionalmente ricos en silicio y pobres en carbono (la abundancia relativa de silicio a carbono en la corteza terrestre es aproximadamente 925: 1), la vida terrestre se basa en el carbono. El hecho de que se utilice carbono en lugar de silicio puede ser una prueba de que el silicio no es adecuado para la bioquímica en planetas similares a la Tierra. Esto puede deberse a que el silicio es menos versátil que el carbono en la formación de compuestos, que los compuestos formados por el silicio son inestables y que bloquea el flujo de calor. [18]
Aun así, la sílice biogénica es utilizada por algunas formas de vida en la Tierra, como la estructura esquelética de silicato de las diatomeas . Según la hipótesis de la arcilla de AG Cairns-Smith , los minerales de silicato en el agua jugaron un papel crucial en la abiogénesis : replicaron sus estructuras cristalinas, interactuaron con compuestos de carbono y fueron los precursores de la vida basada en el carbono. [19] [20]
Aunque no se observan en la naturaleza, los enlaces carbono-silicio se han agregado a la bioquímica mediante la evolución dirigida (selección artificial). Se diseñó un hemo que contiene proteína citocromo c de Rhodothermus marinus usando evolución dirigida para catalizar la formación de nuevos enlaces carbono-silicio entre hidrosilanos y compuestos diazo. [21]
Es posible que los compuestos de silicio sean biológicamente útiles a temperaturas o presiones diferentes a las de la superficie de un planeta terrestre, ya sea en conjunción con o en un papel menos directamente análogo al carbono. Los polisilanoles, los compuestos de silicio correspondientes a los azúcares , son solubles en nitrógeno líquido, lo que sugiere que podrían desempeñar un papel en la bioquímica de temperaturas muy bajas. [22] [23]
En la ciencia ficción cinematográfica y literaria, en un momento en el que las máquinas creadas por el hombre pasan de no vivientes a vivientes, a menudo se postula, [¿ por quién? ] esta nueva forma sería el primer ejemplo de vida no basada en carbono. Desde la llegada del microprocesador a fines de la década de 1960, estas máquinas a menudo se clasifican como computadoras (o robots guiados por computadora ) y se clasifican como "vida basada en silicio", aunque la matriz de respaldo de silicio de estos procesadores no es tan fundamental para su funcionamiento como carbono es para "vida húmeda".
Otras bioquímicas basadas en elementos exóticos
- Los boranos son peligrosamente explosivos en la atmósfera terrestre, pero serían más estables en una atmósfera reductora . Sin embargo, la baja abundancia cósmica del boro lo hace menos probable como base para la vida que el carbono.
- Varios metales, junto con el oxígeno, pueden formar estructuras muy complejas y térmicamente estables que rivalizan con las de los compuestos orgánicos; [ cita requerida ] los heteropoliácidos son una de esas familias. Algunos óxidos metálicos también son similares al carbono en su capacidad para formar tanto estructuras de nanotubos como cristales de tipo diamante (como la zirconia cúbica ). El titanio , el aluminio , el magnesio y el hierro son más abundantes en la corteza terrestre que el carbono. Por lo tanto, la vida basada en óxido de metal podría ser una posibilidad bajo ciertas condiciones, incluidas aquellas (como las altas temperaturas) en las que la vida basada en el carbono sería poco probable. El grupo Cronin de la Universidad de Glasgow informó sobre el autoensamblaje de polioxometalatos de tungsteno en esferas similares a células. [24] Al modificar su contenido de óxido metálico, las esferas pueden adquirir agujeros que actúan como membranas porosas, permitiendo selectivamente que los químicos entren y salgan de la esfera según el tamaño. [24]
- El azufre también puede formar moléculas de cadena larga, pero sufre los mismos problemas de alta reactividad que el fósforo y los silanos. El uso biológico del azufre como alternativa al carbono es puramente hipotético, especialmente porque el azufre generalmente forma solo cadenas lineales en lugar de ramificadas. (El uso biológico del azufre como aceptor de electrones está muy extendido y se remonta a 3.500 millones de años en la Tierra, por lo que es anterior al uso de oxígeno molecular. [25] Las bacterias reductoras de azufre pueden utilizar azufre elemental en lugar de oxígeno, reduciendo el azufre a hidrógeno. sulfuro .)
Arsénico como alternativa al fósforo
El arsénico , que es químicamente similar al fósforo , aunque es venenoso para la mayoría de las formas de vida en la Tierra, se incorpora a la bioquímica de algunos organismos. [26] Algunas algas marinas incorporan arsénico en moléculas orgánicas complejas como arsenosazúcares y arsenobetaínas . Los hongos y las bacterias pueden producir compuestos volátiles de arsénico metilado. Se ha observado reducción y oxidación de arsenito en microbios ( Chrysiogenes arsenatis ). [27] Además, algunos procariotas pueden utilizar el arseniato como aceptor de electrones terminales durante el crecimiento anaeróbico y algunos pueden utilizar el arsenito como donante de electrones para generar energía.
Se ha especulado que las primeras formas de vida de la Tierra pueden haber utilizado la bioquímica del arsénico en lugar del fósforo en la estructura de su ADN. [28] Una objeción común a este escenario es que los ésteres de arsenato son mucho menos estables a la hidrólisis que los correspondientes ésteres de fosfato que el arsénico es poco adecuado para esta función. [29]
Los autores de un estudio de geomicrobiología de 2010 , apoyado en parte por la NASA, han postulado que una bacteria, llamada GFAJ-1 , recolectada en los sedimentos del lago Mono en el este de California , puede emplear tal 'ADN de arsénico' cuando se cultiva sin fósforo. [30] [31] Propusieron que la bacteria puede emplear altos niveles de poli-β-hidroxibutirato u otros medios para reducir la concentración efectiva de agua y estabilizar sus ésteres de arseniato. [31] Esta afirmación fue fuertemente criticada casi inmediatamente después de su publicación por la aparente falta de controles apropiados. [32] [33] El escritor científico Carl Zimmer se puso en contacto con varios científicos para una evaluación: "Me comuniqué con una docena de expertos ... Casi unánimemente, piensan que los científicos de la NASA no han logrado defender su caso". [34] Otros autores no pudieron reproducir sus resultados y mostraron que el estudio tenía problemas con la contaminación por fosfato, lo que sugiere que las bajas cantidades presentes podrían sostener formas de vida extremófilas. [35] Alternativamente, se sugirió que las células GFAJ-1 crezcan reciclando el fosfato de los ribosomas degradados, en lugar de reemplazarlo con arsenato. [36]
Disolventes distintos del agua
Además de los compuestos de carbono, toda la vida terrestre conocida actualmente también requiere agua como disolvente. Esto ha llevado a discusiones sobre si el agua es el único líquido capaz de cumplir esa función. La idea de que una forma de vida extraterrestre podría estar basada en un solvente diferente al agua ha sido tomada en serio en la literatura científica reciente por el bioquímico Steven Benner , [37] y por el comité astrobiológico presidido por John A. Baross. [38] Los disolventes discutidos por el comité Baross incluyen amoníaco , [39] ácido sulfúrico , [40] formamida , [41] hidrocarburos, [41] y (a temperaturas mucho más bajas que las de la Tierra) nitrógeno líquido o hidrógeno en forma de fluido supercrítico . [42]
Carl Sagan se describió una vez a sí mismo como un chovinista del carbono y un chovinista del agua; [43] sin embargo, en otra ocasión dijo que era un chovinista del carbono pero "no tanto del agua". [44] Él especuló sobre los hidrocarburos, [44] : 11 ácido fluorhídrico , [45] y amoníaco [44] [45] como posibles alternativas al agua.
Algunas de las propiedades del agua que son importantes para los procesos de la vida incluyen:
- Una complejidad que conduce a una gran cantidad de permutaciones de posibles vías de reacción, incluida la química ácido-base, cationes H + , aniones OH - , enlaces de hidrógeno, enlaces de van der Waals, dipolo-dipolo y otras interacciones polares, jaulas de disolventes acuosos e hidrólisis. . Esta complejidad ofrece una gran cantidad de vías para que la evolución produzca vida, muchos otros solventes [ ¿cuáles? ] tienen dramáticamente menos reacciones posibles, lo que limita severamente la evolución.
- Estabilidad termodinámica: la energía libre de formación de agua líquida es lo suficientemente baja (−237,24 kJ / mol) para que el agua experimente pocas reacciones. Otros solventes son altamente reactivos, particularmente con oxígeno.
- El agua no se quema en oxígeno porque ya es el producto de la combustión del hidrógeno con oxígeno. La mayoría de los disolventes alternativos no son estables en una atmósfera rica en oxígeno, por lo que es muy poco probable que esos líquidos puedan soportar la vida aeróbica.
- Un amplio rango de temperatura sobre el que es líquido .
- Alta solubilidad de oxígeno y dióxido de carbono a temperatura ambiente, lo que favorece la evolución de la vida animal y vegetal acuática aeróbica.
- Una alta capacidad calorífica (que conduce a una mayor estabilidad de la temperatura ambiental).
- El agua es un líquido a temperatura ambiente que conduce a una gran población de estados de transición cuántica necesarios para superar las barreras de reacción. Los líquidos criogénicos (como el metano líquido) tienen poblaciones en estado de transición exponencialmente más bajas que son necesarias para la vida según las reacciones químicas. Esto conduce a velocidades de reacción química que pueden ser tan lentas que impidan el desarrollo de cualquier vida basada en reacciones químicas. [ cita requerida ]
- Transparencia espectroscópica que permite que la radiación solar penetre varios metros en el líquido (o sólido), contribuyendo enormemente a la evolución de la vida acuática.
- Un gran calor de vaporización que conduce a lagos y océanos estables.
- La capacidad de disolver una amplia variedad de compuestos.
- El sólido (hielo) tiene menor densidad que el líquido, por lo que el hielo flota sobre el líquido. Esta es la razón por la que los cuerpos de agua se congelan pero no se solidifican (de abajo hacia arriba). Si el hielo fuera más denso que el agua líquida (como ocurre con casi todos los demás compuestos), entonces grandes cuerpos de líquido se congelarían lentamente, lo que no conduciría a la formación de vida.
El agua como compuesto es cósmicamente abundante, aunque gran parte se encuentra en forma de vapor o hielo. El agua líquida subsuperficial se considera probable o posible en varias de las lunas exteriores: Encelado (donde se han observado géiseres), Europa , Titán y Ganímedes . La Tierra y Titán son los únicos mundos que se sabe que tienen cuerpos líquidos estables en sus superficies.
Sin embargo, no todas las propiedades del agua son necesariamente ventajosas para la vida. [46] Por ejemplo, el hielo de agua tiene un alto albedo , [46] lo que significa que refleja una cantidad significativa de luz y calor del Sol. Durante las edades de hielo , a medida que el hielo reflectante se acumula sobre la superficie del agua, aumentan los efectos del enfriamiento global. [46]
Hay algunas propiedades que hacen que ciertos compuestos y elementos sean mucho más favorables que otros como solventes en una biosfera exitosa. El disolvente debe poder existir en equilibrio líquido en un rango de temperaturas que normalmente encontraría el objeto planetario. Debido a que los puntos de ebullición varían con la presión, la pregunta no suele ser si el posible disolvente permanece líquido, sino a qué presión . Por ejemplo, el cianuro de hidrógeno tiene un estrecho rango de temperatura en fase líquida a 1 atmósfera, pero en una atmósfera con la presión de Venus , con 92 bares (91 atm) de presión, de hecho puede existir en forma líquida en un amplio rango de temperatura.
Amoníaco
La molécula de amoníaco (NH 3 ), al igual que la molécula de agua, es abundante en el universo, siendo un compuesto de hidrógeno (el elemento más simple y común) con otro elemento muy común, el nitrógeno. [47] El posible papel del amoníaco líquido como disolvente alternativo para la vida es una idea que se remonta al menos a 1954, cuando J. B. S. Haldane planteó el tema en un simposio sobre el origen de la vida. [48]
Son posibles numerosas reacciones químicas en una solución de amoníaco, y el amoníaco líquido tiene similitudes químicas con el agua. [47] [49] El amoníaco puede disolver la mayoría de las moléculas orgánicas al menos tan bien como el agua y, además, es capaz de disolver muchos metales elementales. Haldane señaló que varios compuestos orgánicos comunes relacionados con el agua tienen análogos relacionados con el amoníaco; por ejemplo, el grupo amina relacionado con el amoníaco (-NH 2 ) es análogo al grupo hidroxilo relacionado con el agua (-OH). [49]
El amoníaco, como el agua, puede aceptar o donar un ion H + . Cuando el amoníaco acepta un H + , forma el catión amonio (NH 4 + ), análogo al hidronio (H 3 O + ). Cuando dona un ion H + , forma el anión amida (NH 2 - ), análogo al anión hidróxido (OH - ). [39] En comparación con el agua, sin embargo, el amoníaco es más propenso a aceptar un ion H + y menos a donar uno; es un nucleófilo más fuerte . [39] El amoníaco agregado al agua funciona como base de Arrhenius : aumenta la concentración del anión hidróxido. Por el contrario, usando una definición de sistema solvente de acidez y basicidad, el agua agregada al amoníaco líquido funciona como un ácido, porque aumenta la concentración del catión amonio. [49] El grupo carbonilo (C = O), que se usa mucho en bioquímica terrestre, no sería estable en solución de amoníaco, pero el grupo imina análogo (C = NH) podría usarse en su lugar. [39]
Sin embargo, el amoníaco tiene algunos problemas como base de vida. Los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de amoníaco son más débiles que los del agua, lo que hace que el calor de vaporización del amoníaco sea la mitad que el del agua, su tensión superficial sea un tercio y reduzca su capacidad para concentrar moléculas no polares a través de un efecto hidrofóbico . Gerald Feinberg y Robert Shapiro han cuestionado si el amoníaco podría mantener unidas las moléculas prebióticas lo suficientemente bien como para permitir el surgimiento de un sistema de autorreproducción. [50] El amoníaco también es inflamable en oxígeno y no podría existir de manera sostenible en un entorno adecuado para el metabolismo aeróbico . [51]
Es probable que exista una biosfera basada en amoníaco a temperaturas o presiones del aire que son extremadamente inusuales en relación con la vida en la Tierra. La vida en la Tierra generalmente existe dentro del punto de fusión y el punto de ebullición del agua a presión normal , entre 0 ° C (273 K ) y 100 ° C (373 K); a presión normal, los puntos de fusión y ebullición del amoniaco están entre -78 ° C (195 K) y -33 ° C (240 K). Las reacciones químicas generalmente proceden más lentamente a una temperatura más baja. Por lo tanto, la vida basada en amoníaco, si existe, podría metabolizarse más lentamente y evolucionar más lentamente que la vida en la Tierra. [51] Por otro lado, las temperaturas más bajas también podrían permitir que los sistemas vivos usen especies químicas que serían demasiado inestables a la temperatura de la Tierra para ser útiles. [47]
El amoníaco podría ser un líquido a temperaturas similares a las de la Tierra, pero a presiones mucho más altas; por ejemplo, a 60 atm , el amoníaco se funde a -77 ° C (196 K) y hierve a 98 ° C (371 K). [39]
Las mezclas de amoníaco y amoníaco-agua permanecen líquidas a temperaturas muy por debajo del punto de congelación del agua pura, por lo que tales bioquímicas podrían ser adecuadas para planetas y lunas que orbitan fuera de la zona de habitabilidad basada en el agua . Podrían existir Tales condiciones, por ejemplo, bajo la superficie de Saturno luna más grande 's Titan . [52]
Metano y otros hidrocarburos
El metano (CH 4 ) es un hidrocarburo simple: es decir, un compuesto de dos de los elementos más comunes del cosmos: hidrógeno y carbono. Tiene una abundancia cósmica comparable con el amoníaco. [47] Los hidrocarburos podrían actuar como solventes en un amplio rango de temperaturas, pero carecerían de polaridad . Isaac Asimov, el bioquímico escritor y ciencia ficción, sugirió en 1981 que poli- lípidos podrían formar un sustituto de las proteínas en un disolvente no polar tal como metano. [47] Lagos compuestos por una mezcla de hidrocarburos, incluidos metano y etano , han sido detectados en la superficie de Titán por la nave espacial Cassini .
Existe un debate sobre la eficacia del metano y otros hidrocarburos como disolvente de por vida en comparación con el agua o el amoníaco. [53] [54] [55] El agua es un solvente más fuerte que los hidrocarburos, lo que facilita el transporte de sustancias en una celda. [56] Sin embargo, el agua también es más reactiva químicamente y puede descomponer grandes moléculas orgánicas a través de la hidrólisis. [53] Una forma de vida cuyo disolvente fuera un hidrocarburo no enfrentaría la amenaza de que sus biomoléculas fueran destruidas de esta manera. [53] Además, la tendencia de la molécula de agua a formar enlaces de hidrógeno fuertes puede interferir con los enlaces de hidrógeno internos en moléculas orgánicas complejas. [46] La vida con un disolvente de hidrocarburo podría hacer un mayor uso de los enlaces de hidrógeno dentro de sus biomoléculas. [53] Además, la fuerza de los enlaces de hidrógeno dentro de las biomoléculas sería apropiada para una bioquímica de baja temperatura. [53]
El astrobiólogo Chris McKay ha argumentado, sobre bases termodinámicas, que si existe vida en la superficie de Titán, usando hidrocarburos como solvente, es probable que también use los hidrocarburos más complejos como fuente de energía haciéndolos reaccionar con hidrógeno, reduciendo etano y acetileno a metano. [57] La posible evidencia de esta forma de vida en Titán fue identificada en 2010 por Darrell Strobel de la Universidad Johns Hopkins ; una mayor abundancia de hidrógeno molecular en las capas atmosféricas superiores de Titán en comparación con las capas inferiores, lo que aboga por una difusión hacia abajo a una velocidad de aproximadamente 10 25 moléculas por segundo y la desaparición de hidrógeno cerca de la superficie de Titán. Como señaló Strobel, sus hallazgos estaban en línea con los efectos que Chris McKay había predicho si las formas de vida metanogénicas estuvieran presentes. [56] [57] [58] El mismo año, otro estudio mostró niveles bajos de acetileno en la superficie de Titán, que fueron interpretados por Chris McKay como consistentes con la hipótesis de organismos que reducen el acetileno a metano. [56] Mientras reafirmaba la hipótesis biológica, McKay advirtió que otras explicaciones para los hallazgos de hidrógeno y acetileno deben considerarse más probables: las posibilidades de procesos físicos o químicos aún no identificados (por ejemplo, un catalizador de superficie no vivo que permita al acetileno reaccionar con hidrógeno ), o fallas en los modelos actuales de flujo de materiales. [59] Señaló que incluso un catalizador no biológico eficaz a 95 K sería en sí mismo un descubrimiento sorprendente. [59]
Azotosoma
Una membrana celular hipotética denominada azotosoma capaz de funcionar en metano líquido en condiciones de Titán fue modelada por computadora en un artículo publicado en febrero de 2015. Compuesto de acrilonitrilo , una pequeña molécula que contiene carbono, hidrógeno y nitrógeno, se predice que tendrá estabilidad y flexibilidad en metano líquido comparable a la de una bicapa de fosfolípidos (el tipo de membrana celular que posee toda la vida en la Tierra) en agua líquida. [60] [61] Un análisis de los datos obtenidos utilizando el Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), completado en 2017, confirmó cantidades sustanciales de acrilonitrilo en la atmósfera de Titán. [62] [63]
Fluoruro de hidrógeno
El fluoruro de hidrógeno (HF), como el agua, es una molécula polar y, debido a su polaridad, puede disolver muchos compuestos iónicos. Su punto de fusión es de -84 ° C y su punto de ebullición es de 19,54 ° C (a presión atmosférica ); la diferencia entre los dos es un poco más de 100 K. El HF también forma enlaces de hidrógeno con sus moléculas vecinas, al igual que el agua y el amoníaco. Ha sido considerado como un posible solvente para la vida por científicos como Peter Sneath [64] y Carl Sagan. [45]
El HF es peligroso para los sistemas de moléculas de los que está hecha la vida terrestre, pero algunos otros compuestos orgánicos, como las ceras de parafina , son estables con él. [45] Al igual que el agua y el amoníaco, el fluoruro de hidrógeno líquido apoya una química ácido-base. Usando una definición de sistema solvente de acidez y basicidad, el ácido nítrico funciona como base cuando se agrega al HF líquido. [sesenta y cinco]
Sin embargo, el fluoruro de hidrógeno es cósmicamente raro, a diferencia del agua, el amoníaco y el metano. [66]
Sulfuro de hidrógeno
El sulfuro de hidrógeno es el análogo químico más cercano al agua , [67] pero es menos polar y un solvente inorgánico más débil. [68] El sulfuro de hidrógeno es bastante abundante en la luna Io de Júpiter y puede estar en forma líquida a poca distancia debajo de la superficie; El astrobiólogo Dirk Schulze-Makuch lo ha sugerido como un posible solvente para la vida allí. [69] En un planeta con océanos de sulfuro de hidrógeno, la fuente del sulfuro de hidrógeno podría provenir de los volcanes, en cuyo caso podría mezclarse con un poco de fluoruro de hidrógeno , que podría ayudar a disolver los minerales. La vida del sulfuro de hidrógeno puede utilizar una mezcla de monóxido de carbono y dióxido de carbono como fuente de carbono. Pueden producir y vivir de monóxido de azufre , que es análogo al oxígeno (O 2 ). El sulfuro de hidrógeno, como el cianuro de hidrógeno y el amoníaco, sufre del pequeño rango de temperatura en el que es líquido, aunque eso, como el del cianuro de hidrógeno y el amoníaco, aumenta al aumentar la presión.
Dióxido de silicio y silicatos
El dióxido de silicio , también conocido como sílice y cuarzo, es muy abundante en el universo y tiene un amplio rango de temperatura donde es líquido. Sin embargo, su punto de fusión es de 1.600 a 1.725 ° C (2.912 a 3.137 ° F), por lo que sería imposible producir compuestos orgánicos a esa temperatura, porque todos se descompondrían. Los silicatos son similares al dióxido de silicio y algunos tienen puntos de fusión más bajos que la sílice. Gerald Feinberg y Robert Shapiro han sugerido que la roca de silicato fundido podría servir como medio líquido para organismos con una química basada en silicio, oxígeno y otros elementos como el aluminio . [70]
Otros disolventes o codisolventes
A veces se proponen otros disolventes:
- Fluidos supercríticos : dióxido de carbono supercrítico e hidrógeno supercrítico. [71]
- Compuestos de hidrógeno simples: cloruro de hidrógeno . [72]
- Compuestos más complejos: ácido sulfúrico , [40] formamida , [41] metanol . [72]
- Fluidos de muy baja temperatura: nitrógeno líquido [42] e hidrógeno . [42]
- Líquidos a alta temperatura: cloruro de sodio . [73]
El ácido sulfúrico en forma líquida es fuertemente polar. Permanece líquido a temperaturas más altas que el agua, su rango de líquido es de 10 ° C a 337 ° C a una presión de 1 atm, aunque por encima de 300 ° C se descompone lentamente. Se sabe que el ácido sulfúrico es abundante en las nubes de Venus , en forma de gotitas de aerosol . En una bioquímica que utiliza ácido sulfúrico como disolvente, el grupo alqueno (C = C), con dos átomos de carbono unidos por un doble enlace, podría funcionar de forma análoga al grupo carbonilo (C = O) en la bioquímica basada en agua. [40]
Se ha propuesto que la vida en Marte puede existir y utilizar una mezcla de agua y peróxido de hidrógeno como disolvente. [74] Un 61,2% (en masa) de la mezcla de agua y peróxido de hidrógeno tiene un punto de -56,5 ° C congelación y tiende a super-enfriar en lugar de cristalizar. También es higroscópico , una ventaja en un entorno con escasez de agua. [75] [76]
El dióxido de carbono supercrítico se ha propuesto como candidato para la bioquímica alternativa debido a su capacidad para disolver de forma selectiva compuestos orgánicos y ayudar al funcionamiento de las enzimas y porque los planetas del tipo "super-Tierra" o "super-Venus" con atmósferas densas de alta presión puede ser común. [71]
Otras especulaciones
Fotosintetizadores no verdes
Los físicos han notado que, aunque la fotosíntesis en la Tierra generalmente involucra plantas verdes, una variedad de plantas de otros colores también podría apoyar la fotosíntesis, esencial para la mayoría de la vida en la Tierra, y que otros colores podrían ser preferidos en lugares que reciben una mezcla diferente de radiación estelar. que la Tierra. [77] [78] Estos estudios indican que las plantas azules serían poco probables; sin embargo, las plantas amarillas o rojas pueden ser relativamente comunes. [78]
Entornos variables
Muchas plantas y animales terrestres sufren cambios bioquímicos importantes durante sus ciclos de vida como respuesta a las condiciones ambientales cambiantes, por ejemplo, al tener un estado de esporas o hibernación que puede mantenerse durante años o incluso milenios entre etapas de vida más activas. [79] Por lo tanto, sería bioquímicamente posible sustentar la vida en entornos que solo son consistentes periódicamente con la vida tal como la conocemos.
Por ejemplo, las ranas en climas fríos pueden sobrevivir durante largos períodos de tiempo con la mayor parte del agua de su cuerpo en estado congelado, [79] mientras que las ranas del desierto en Australia pueden volverse inactivas y deshidratadas en períodos secos, perdiendo hasta el 75% de sus líquidos. , pero vuelve a la vida rehidratándose rápidamente en períodos húmedos. [80] Cualquiera de los dos tipos de rana parecería bioquímicamente inactivo (es decir, no vivo) durante los períodos de inactividad para cualquiera que carezca de un medio sensible para detectar niveles bajos de metabolismo.
Mundo alanina y alternativas hipotéticas
El código genético evolucionó durante la transición del mundo del ARN al mundo de las proteínas . [81] La Hipótesis Mundial de la Alanina postula que la evolución del código genético (la llamada fase GC [82] ) comenzó con sólo cuatro aminoácidos básicos : alanina , glicina , prolina y ornitina (ahora arginina ). [83] La evolución del código genético terminó con 20 aminoácidos proteinogénicos . Desde un punto de vista químico, la mayoría de ellos son derivados de la alanina particularmente adecuados para la construcción de hélices α y láminas β, elementos estructurales secundarios básicos de las proteínas modernas. La evidencia directa de esto es un procedimiento experimental en biología molecular conocido como escaneo de alanina . El hipotético "Mundo Prolina" crearía una posible vida alternativa con el código genético basado en el andamio químico de la prolina como columna vertebral de la proteína . De manera similar, los mundos "glicina" y "ornitina" también son concebibles, pero la naturaleza no ha elegido ninguno de ellos. [84] La evolución de la vida con glicina, prolina u ornitina como la estructura básica de los polímeros similares a las proteínas ( foldameros ) conduciría a mundos biológicos paralelos. Tendrían planes corporales y genética morfológicamente radicalmente diferentes de los organismos vivos de la biosfera conocida . [85]
Vida no planetaria
A base de polvo y plasma
En 2007, Vadim N. Tsytovich y sus colegas propusieron que las partículas de polvo suspendidas en un plasma podrían exhibir comportamientos realistas en las condiciones que podrían existir en el espacio. [86] [87] Los modelos informáticos mostraron que, cuando el polvo se cargaba, las partículas podían autoorganizarse en estructuras helicoidales microscópicas, y los autores ofrecen "un bosquejo aproximado de un posible modelo de ... reproducción de la estructura de grano helicoidal".
La vida en una estrella de neutrones
Frank Drake sugirió en 1973 que la vida inteligente podría habitar estrellas de neutrones. [88] Los modelos físicos en 1973 implicaron que las criaturas de Drake serían microscópicas. En 1980, Robert L Forward escribió la novela de ciencia ficción Dragon's Egg usando la sugerencia de Drake como tesis. [89]
Científicos que han publicado sobre este tema
Los científicos que han considerado posibles alternativas a la bioquímica del carbono y el agua incluyen:
- JBS Haldane (1892-1964), genetista conocido por su trabajo sobre abiogénesis . [48]
- V. Axel Firsoff (1910-1981), astrónomo británico. [90]
- Isaac Asimov (1920-1992), bioquímico y escritor de ciencia ficción. [47]
- Fred Hoyle (1915-2001), astrónomo y escritor de ciencia ficción.
- Norman Horowitz (1915-2005) Genetista de Caltech que ideó los primeros experimentos llevados a cabo para detectar vida en Marte. [14]
- George C. Pimentel (1922-1989), químico estadounidense, Universidad de California, Berkeley. [91]
- Peter Sneath (1923-2011), microbiólogo, autor del libro Planets and Life . [64]
- Gerald Feinberg (1933–1992), físico y Robert Shapiro (1935–2011), químico, coautores del libro Life Beyond Earth . [92] [93]
- Carl Sagan (1934-1996), astrónomo, [91] divulgador de la ciencia yproponente de SETI .
- Jonathan Lunine , (n. 1959) Científico y físico planetario estadounidense.
- Robert A. Freitas Jr. (1952-presente), especialista en nanotecnología y nanomedicina; autor del libro Xenology . [94] [95]
- William Bains , biólogo de Cambridge, colaborador de la revista Astrobiology . [96]
- John Baross , oceanógrafo y astrobiólogo, quien presidió un comité de científicos del Consejo Nacional de Investigación de los Estados Unidos que publicó un informe sobre las condiciones limitantes de la vida en 2007. [97] El informe aborda la preocupación de que una agencia espacial pueda realizar una búsqueda con recursos suficientes. para la vida en otros mundos "y luego no reconocerlo si se encuentra". [98]
Ver también
- Abiogénesis
- Astrobiología
- Chovinismo del carbono
- Vida basada en carbono
- Formas de vida más antiguas conocidas
- Vida extraterrestre
- ADN de Hachimoji
- Hipótesis mundial hierro-azufre
- Nexus para la ciencia del sistema de exoplanetas
- Vida no celular
- Aminoácidos no proteinogénicos
- Análogos de ácidos nucleicos
- Habitabilidad planetaria
- Biosfera de las sombras
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Otras lecturas
- W. Bains (2004). "Muchas químicas podrían utilizarse para construir sistemas vivos". Astrobiología . 4 (2): 137-167. Código bibliográfico : 2004AsBio ... 4..137B . doi : 10.1089 / 153110704323175124 . PMID 15253836 . S2CID 27477952 .
enlaces externos
- Preguntas frecuentes sobre astronomía
- Vida a base de amoniaco
- Vida basada en silicio