Bioquímica alternativa

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La bioquímica alternativa  es una serie de teorías e hipótesis que explican la posibilidad de la existencia de formas de vida parcial o totalmente diferentes bioquímicamente a las que surgieron en la Tierra . [1] Las diferencias discutidas en el marco de las hipótesis incluyen el reemplazo del carbono en las moléculas de sustancias orgánicas con otros átomos, o el reemplazo del agua como solvente universal con otros líquidos. Tales fenómenos se describen a menudo en la literatura de ciencia ficción .

Opciones de discusión

La posibilidad de una vida bioquímicamente diferente es un tema común en la ciencia ficción, pero también se considera en un contexto de investigación. Un ejemplo reciente de tal discusión es el informe de 2007 sobre las condiciones de vida limitantes preparado por un comité de científicos del Consejo Nacional de Investigación de los Estados Unidos. Este comité, presidido por John A. Baros, consideró una "química alternativa hipotética de la vida", incluida una gama de disolventes que podrían proporcionar una alternativa al agua. El proyecto titulado: “Límites de la vida orgánica en los sistemas planetarios” postula que:

Hasta la fecha, la búsqueda de vida extraterrestre está guiada por un modelo de vida basado en la vida que observamos en la Tierra. Algunas características de la vida terrenal han llamado especialmente la atención:

Como resultado, gran parte de las misiones planificadas de la NASA se centran en lugares donde es probable que exista agua líquida, con énfasis en la búsqueda de estructuras similares a las células de los organismos terrestres. Este enfoque estaría justificado dada la falta de una comprensión común de cómo podría ser la vida con un origen independiente de la Tierra. Sin embargo, los experimentos de laboratorio dan motivos para esperar que la vida también pueda basarse en estructuras moleculares que son significativamente diferentes de las de la Tierra.

Sustitución de los elementos químicos más importantes

El acrónimo CHNOPS , que significa C arbon (carbono), H ydrogen (hidrógeno), Nitrogen (nitrógeno), O xygen (oxígeno), P hosphorus ( fósforo ) y S ulphur ( azufre ), representa los seis elementos químicos más importantes cuyas combinaciones covalentes constituyen la mayoría de las moléculas biológicas en la Tierra [3] . El azufre se utiliza en los aminoácidos cisteína y metionina [4] . El fósforo es un elemento necesario en la formación de fosfolípidos  -una subclase de lípidos- que son el principal componente de todas las membranas celulares , ya que pueden formar dobles capas lipídicas que almacenan iones , proteínas y otras moléculas donde se necesitan para realizar las funciones celulares . y evitar su penetración a zonas donde no deberían estar. Los grupos fosfato también son un componente necesario de la columna vertebral de los ácidos nucleicos [5] .

Composición elemental de las biomoléculas:
C H norte O PAGS S
carbohidratos X X X
Grasas X X X
fosfolípidos X X X X X
Ardillas X X X X X
nucleótidos X X X X X
porfirinas X X X X

Todos los tipos de organismos vivos actualmente conocidos 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 , puede ser químicamente similar. También es posible que existan organismos con composiciones químicas completamente diferentes. La existencia, o al menos la realidad, de estas formas de bioquímica aún no ha sido revelada.

El contenido relativo de varios elementos es muy importante para determinar la posibilidad de su participación en la bioquímica. A modo de referencia, aquí están los quince elementos más comunes en el cuerpo humano (es decir, aquellos que constituyen al menos el 0,0001 % del mismo) y otros sistemas, medidos por el número de átomos.

Contenido relativo de elementos (fracción molar de elementos) en varios sistemas [6] :

Z Elemento Universo En la corteza terrestre Agua de mar El cuerpo humano Rol biológico [7]
una Hidrógeno 93% 3,1% 66,2% 62% moléculas orgánicas
ocho Oxígeno 0,08% 60% 33,1% 24% moléculas orgánicas, aliento
6 Carbón 0,05% 0,31% 0.00144% 12 % moléculas orgánicas
7 Nitrógeno 0.009% 0.0029% <0.0001% 0,22% aminoácidos , ácidos nucleicos
quince Fósforo <0.0001% 0,07% <0.0001% 0,22% ATP , ácidos nucleicos, fosfolípidos
veinte Calcio 0.0002% 2,6% <0.0001% 0,22% calmodulina , biomineralización
dieciséis Azufre 0.002% 0.027% 0.0179% 0.039% algunos aminoácidos, como la cisteína
once Sodio 0.0001% 2,1% 0.297% 0.038% bomba de sodio-potasio
19 Potasio <0.0001% 0,78% 0.00658% 0.032% bomba de sodio-potasio
17 Cloro <0.0001% 0.01% 0.347% 0.021% Transporte de cloro ATPasa ( bomba de protones )
12 Magnesio 0.003% 2,5% 0.0337% 0.007% clorofila
catorce Silicio 0.003% veinte % <0.0001% 0.0058% biomineralización
9 Flúor <0.0001% 0.059% <0.0001% 0.0012% fluorapatita ( esmalte dental )
26 Hierro 0.002% 2,3% <0.0001% 0.00067% hemoglobina , citocromos
treinta Zinc <0.0001% 0.0025% <0.0001% 0.00032% Proteínas con dedos de zinc

Reemplazo de carbono

Los científicos han hablado mucho sobre la posibilidad de construir moléculas orgánicas con la ayuda de otros átomos, pero nadie ha propuesto una teoría que describa la posibilidad de recrear toda la variedad de compuestos necesarios para la existencia de la vida.

Silicio y oxígeno

Entre los candidatos más probables para el papel de átomo formador de estructuras en la bioquímica alternativa se encuentra el silicio . Está en el mismo grupo del sistema periódico que el carbono, sus propiedades son muy similares. Al igual que el carbono, el silicio puede crear moléculas lo suficientemente grandes como para transportar información biológica [8] . Sin embargo, el átomo de silicio tiene una masa y un radio mayores . La formación de enlaces covalentes dobles o triples por parte del silicio es relativamente difícil, lo que puede interferir con la formación de biopolímeros . El silicio, a diferencia del carbono, no tiene la capacidad de formar enlaces químicos con diferentes tipos de átomos, lo cual es necesario para la versatilidad química requerida para el metabolismo y, sin embargo, es esta incapacidad la que hace que el silicio sea menos susceptible de unirse con todo tipo de impurezas. Los elementos que forman 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. Los compuestos de silicio no pueden ser tan diversos como los compuestos de carbono. [ocho]

Esto se debe a que los átomos de silicio son mucho más grandes, tienen una masa y un radio atómico grandes y, por lo tanto, tienen dificultades para formar dobles enlaces (el carbono con doble enlace es parte del grupo carbonilo, el motivo fundamental de los compuestos bioorgánicos a base de carbono).

Una ventaja que podría propiciar la existencia de variantes de la bioquímica a base de silicio son sus zeolitas  , compuestos que se utilizan en química y que pueden filtrar y catabolizar sustancias de forma similar a las enzimas a base de carbono. Los mecanismos básicos de la vida en nuestro planeta son posibles gracias a las enzimas - catalizadores con sus correspondientes transportadores (proteínas). [9] Durante la evolución de la biosfera se ha formado toda una colección de ellos, cada uno de los cuales se especializa en una función, como la hemoglobina , que se encarga del intercambio de oxígeno, o la ferredoxina , cuya misión es transportar electrones. La idea original era reemplazar estas enzimas con moléculas a base de silicio. Estos materiales son un tipo de arcilla que tienen una estructura molecular en forma de red tridimensional formada por tetraedros de y conectados entre sí. Esta red tiene poros y cavidades de tamaño molecular, por lo que solo aquellas moléculas que son lo suficientemente pequeñas pueden cruzarlos. Por eso también se les llama tamices moleculares . Las zeolitas tienen un gran número de similitudes estructurales con las proteínas naturales. Aprovechando estas similitudes, se pueden formar diferentes catalizadores que combinan las características de estabilidad y estabilidad química de las zeolitas con la alta selectividad y actividad molecular de las enzimas. En el Departamento Central de Investigación y Desarrollo de DuPont se han obtenido zeolitas capaces de simular el comportamiento de la hemoglobina, el citocromo P450 y la proteína hierro-azufre .

Al igual que el carbono, el silicio puede formar cuatro enlaces estables consigo mismo y con otros elementos, así como largas cadenas químicas conocidas como polímeros de silano, que son muy similares a los hidrocarburos necesarios para la vida en la Tierra. El silicio es más reactivo que el carbono, lo que lo hace óptimo para condiciones de frío extremo. [10] [11] Los compuestos de silicio pueden ser biológicamente útiles a temperaturas o presiones diferentes a las de la superficie de la Tierra, en un papel (o combinación) que es menos directamente análogo al carbono. Los polisilanoles , como los azúcares , son solubles en nitrógeno líquido, lo que sugiere que pueden desempeñar un papel en la bioquímica a temperaturas muy bajas. Silanos  : compuestos de silicio e hidrógeno , similares a los alcanos , son menos estables que los hidrocarburos. Los silanos se queman espontáneamente en una atmósfera que contiene oxígeno a temperaturas relativamente bajas, por lo que una atmósfera de oxígeno puede ser letal para la vida basada en silicio. Por otro lado, vale la pena considerar que los alcanos tienden a ser bastante inflamables, pero la vida basada en el carbono en la Tierra no almacena energía directamente en forma de alcanos, sino en forma de azúcares, lípidos, alcoholes y otros compuestos de hidrocarburos con propiedades completamente diferentes. El agua como disolvente también reaccionará con los silanos. Pero, de nuevo, esto solo importa si, por alguna razón, dichos organismos utilizan o producen en masa silanos.

Al mismo tiempo, las siliconas  , los polímeros , incluidas las cadenas de átomos alternantes de silicio y oxígeno, son más resistentes al calor. Sobre esta base, se supone que la vida de silicio puede existir en planetas con una temperatura promedio significativamente más alta que la de la Tierra. En este caso, el papel del solvente universal no debe ser jugado por agua , sino por compuestos con un punto de ebullición mucho más alto.

Así, por ejemplo, se supone que los compuestos de silicio serán más estables que las moléculas de carbono en un entorno de ácido sulfúrico , es decir, en condiciones que puedan existir en otros planetas [12] . En general, las moléculas complejas con una cadena de silicio-oxígeno son menos estables que sus contrapartes de carbono-oxígeno. Los hidrocarburos y los compuestos orgánicos abundan en meteoritos, cometas y nubes interestelares, mientras que sus equivalentes de silicio nunca se han encontrado en la naturaleza. El silicio, sin embargo, forma polímeros complejos de una, dos y tres dimensiones en los que los átomos de oxígeno forman puentes entre los átomos de silicio. Se llaman silicatos. Son persistentes y comunes en la Tierra y se han propuesto como base para una forma de evolución anterior al carbono en la Tierra.

El dióxido de silicio (el componente principal de la arena), que es un análogo del dióxido de carbono , es una sustancia sólida, ligeramente soluble. Esto crea dificultades para la entrada del silicio en los sistemas biológicos basados ​​en soluciones acuosas, incluso si resulta posible la existencia de moléculas biológicas basadas en él. La situación es similar con las plantas terrestres existentes. Por ejemplo, el arroz puede almacenar hasta un 10 % de silicio en función del peso seco de los brotes, que está en el rango o incluso más que los niveles de macronutrientes clave como nitrógeno, fosfato y potasio. Recientemente, se han identificado dos transportadores (Lsi1 y Lsi2) que son responsables de la alta capacidad de absorción de silicio del arroz [13] . Lsi1 pertenece al subgrupo de acuaporina de la proteína intrínseca nodulina-26 (NIP III) y es un transportador de ácido silícico [14] . Al igual que otros macronutrientes, el silicio no está disponible para las plantas, siendo insoluble en agua. Sin embargo, las plantas, como en el caso del nitrógeno, utilizan biofertilizantes naturales  , por ejemplo. bacterias fijadoras de nitrógeno, que convierten el nitrógeno atmosférico en un estado ligado, haciéndolo disponible para el consumo de las plantas y con las que las plantas a menudo están en simbiosis. Los organismos a base de silicio, si respiran oxígeno, probablemente emitan dióxido de silicio ( ) como subproducto, de forma similar a como los organismos a base de carbono emiten dióxido de carbono - . Sin embargo, a diferencia del dióxido de carbono, el dióxido de silicio estaría en estado sólido y por lo tanto podría obstruir las vías respiratorias con arena. Uno puede, sin embargo, imaginar órganos excretores comparables a los riñones , que, en el caso de esta hipotética bioquímica, extraen una especie de gel de sílice del cuerpo . De hecho, los compuestos de nitrógeno en los animales se eliminan como productos de desecho, principalmente en forma de urea. O los compuestos de silicato pueden excretarse en forma sólida, como algunos lagartos del desierto excretan ácido úrico a través de sus fosas nasales [comm. 1] . El dióxido de silicio (teniendo en cuenta las impurezas que siempre están presentes en los tejidos vivos y probablemente impiden la cristalización) se encuentra en un estado agregado de líquido a lo que se denomina vítreo , por lo tanto, se vuelve más delgado cuanto mayor es la temperatura. Entonces, la vida del silicio puede consistir en una fusión de "moléculas biológicas de silicio" en dióxido de silicio en un amplio rango de temperatura.

De toda la variedad de moléculas que se han encontrado en el medio interestelar , 84 están basadas en carbono y solo 8 están basadas en silicio [15] . Además, de estos 8 compuestos, 4 incluyen carbono. (Esto indica indirectamente una pequeña posibilidad de una variante bioquímica intermedia , silicio-carbono). de formación de vida a base de silicio, al menos en las condiciones que se pueden esperar en las superficies de los planetas con condiciones similares a la Tierra.

La Tierra, como otros planetas terrestres , tiene mucho silicio y muy poco carbono. Sin embargo, la vida terrestre evolucionó sobre la base del carbono. Esto sugiere que el carbono es más adecuado para la formación de procesos bioquímicos en planetas como el nuestro. Queda la posibilidad de que, bajo otras combinaciones de temperatura y presión, el silicio pueda estar involucrado en la formación de moléculas biológicas como reemplazo del carbono.

Los químicos han estado trabajando incansablemente para crear nuevos compuestos de silicio desde que Frederic Stanley Kipping ( 1863-1949 ) demostró que , de hecho, se pueden fabricar varios compuestos interesantes . El premio internacional más alto en el campo de la química del silicio se llama Kipping Award . Pero a pesar de años de trabajo, ya pesar de todos los reactivos disponibles para los científicos modernos, muchos análogos de silicio de los compuestos de carbono simplemente no pueden fabricarse. Los datos termodinámicos confirman que estos análogos suelen ser demasiado inestables o demasiado reactivos.

Sílice en agua de mar y agua dulce

La sílice está presente en el agua en forma de ácido silícico:

, o .

Con un aumento de la concentración de la solución a un pH inferior a 9, o con una disminución del pH de una solución saturada, el ácido silícico precipita en forma de sílice amorfa. Aunque el silicio es uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre, su disponibilidad para las diatomeas está limitada por su solubilidad. El contenido medio de silicio en el agua de mar es de unas 6 ppm . Las diatomeas marinas agotan rápidamente las reservas de sílice disuelto en el agua superficial, y esto limita su reproducción.

Cabe señalar que algunos organismos de la Tierra utilizan compuestos de silicio (en particular, dióxido de silicio). De estas, las diatomeas forman su caparazón , obteniendo silicio del agua. Los radiolarios , algunas esponjas y plantas también se utilizan como material estructural para compuestos de silicio . El silicio también forma parte del tejido conectivo humano .

El 25 de noviembre de 2016 en la revista Science , los investigadores informaron [16] que habían descubierto proteínas que se encuentran comúnmente en las bacterias de aguas termales islandesas que pueden formar moléculas unidas por carbono y silicio en células vivas. "Lo que existe en la naturaleza ya está listo para crear esta química completamente nueva y lo está haciendo relativamente bien", dice el coautor Francis Arnold , ingeniero químico del Instituto de Tecnología de California en Pasadena. “Esto abre el camino para hacer compuestos que la naturaleza nunca antes había hecho. Pronto podremos averiguar qué costos y beneficios aportan a los biosistemas vivos”. “De ninguna manera es un reemplazo idéntico”, dice Arnold. “La vida en condiciones normales en este planeta probablemente no funcionaría con silicio. Presumiblemente, podríamos crear componentes de la vida que incluyan silicio -quizás grasa de silicio o proteínas que contengan silicio- y preguntarnos ¿cómo se relaciona la vida con esto?... ¿Proporciona nuevas funciones que la vida no tenía antes?

También en noviembre de 2016, se anunció que el mismo equipo de científicos había "creado" una proteína bacteriana que puede crear enlaces artificiales de silicio y carbono. “Decidimos hacer que la naturaleza hiciera lo que solo los químicos pueden hacer, solo que mejor”, dice Francis Arnold. Este estudio también es el primero en mostrar que la naturaleza puede adaptarse para incorporar silicio en moléculas basadas en carbono, los componentes básicos de la vida. "Ningún organismo vivo puede mantener unidos los enlaces silicio-carbono, a pesar de que hay tanto silicio a nuestro alrededor", dice Jennifer Kahn, investigadora del laboratorio de Arnold. Los investigadores utilizaron un método llamado evolución dirigida, iniciado por Arnold a principios de la década de 1990, en el que se crean enzimas nuevas y mejores en los laboratorios a través de la selección artificial, de forma muy similar a cómo los mejoradores modifican el maíz. Las enzimas son una clase de proteínas que catalizan o facilitan reacciones químicas. El proceso dirigido de evolución comienza con una enzima que los científicos quieren mejorar. El ADN que codifica la enzima se muta de forma más o menos aleatoria y las enzimas resultantes se analizan en busca del rasgo deseado. Luego, la enzima más eficiente se muta nuevamente y el proceso se repite hasta que se crea una enzima que funciona mucho mejor que la original.

El candidato ideal resultó ser una proteína de una bacteria que crece en las aguas termales de Islandia. Esta proteína, llamada citocromo c, normalmente dona electrones a otras proteínas, pero los investigadores descubrieron que también actúa como una enzima, creando enlaces de silicio y carbono en niveles bajos. Luego, los científicos mutaron el ADN que codifica esta proteína en una región que define la porción de la proteína que contiene hierro, que se cree que es responsable de su actividad de unión de carbono y silicio. Luego probaron estas enzimas mutantes por su capacidad para crear compuestos de organosilicio mejores que los originales.

En solo tres conjuntos de pruebas, crearon una enzima que puede crear selectivamente enlaces silicio-carbono 15 veces más eficientemente que el mejor catalizador inventado por los químicos. En cuanto a la pregunta de si la vida podría evolucionar para usar silicio por sí sola, Arnold dice que depende de la naturaleza. “Este estudio muestra cuán rápido la naturaleza puede adaptarse a los nuevos desafíos”, dice ella. “El mecanismo catalítico codificado por ADN de la célula puede aprender rápidamente a estimular nuevas reacciones químicas si proporcionamos nuevos reactivos y un estímulo apropiado en forma de selección artificial. La naturaleza podría hacerlo ella misma si quisiera". [17]

Nitrógeno y fósforo

El nitrógeno y el fósforo se consideran otros contendientes por el papel de base de las moléculas biológicas. Al igual que el carbono, el fósforo puede formar cadenas de átomos que, en principio, podrían formar macromoléculas complejas si no fuera tan activo . Sin embargo, en el complejo con nitrógeno se pueden formar enlaces covalentes más complejos, lo que permite formar una amplia variedad de moléculas, incluidas estructuras de anillo.

En la atmósfera terrestre, el nitrógeno es alrededor del 78%, sin embargo, debido a la inercia del nitrógeno diatómico, el "precio" energético de la formación de un enlace trivalente es demasiado alto. Al mismo tiempo, algunas plantas pueden fijar nitrógeno del suelo en simbiosis con bacterias anaerobias que viven en su sistema radicular. Si hay una cantidad significativa de dióxido de nitrógeno o amoníaco presente en la atmósfera, la disponibilidad de nitrógeno será mayor. En la atmósfera de otros planetas, además, pueden existir otros óxidos de nitrógeno .

Al igual que las plantas en la Tierra (como las legumbres ), las formas de vida extraterrestre podrían absorber nitrógeno de la atmósfera. En este caso, podría formarse un proceso similar a la fotosíntesis , cuando la energía de la estrella más cercana se gastaría en la formación de análogos de glucosa con liberación de oxígeno a la atmósfera. A su vez, la vida animal por encima de las plantas en la cadena alimenticia absorbería los nutrientes de ellas, liberando dióxido de nitrógeno a la atmósfera y compuestos de fósforo al suelo.

En una atmósfera de amoníaco , las plantas con moléculas basadas en fósforo y nitrógeno obtendrían compuestos nitrogenados de la atmósfera que les rodea y fósforo del suelo. En sus células, el amoníaco se oxidaría para formar análogos de monosacáridos y se liberaría hidrógeno como subproducto. En este caso, los animales inhalarán hidrógeno, desdoblando los análogos de polisacáridos en amoníaco y fósforo, es decir, se formarían cadenas energéticas en sentido contrario a las existentes en nuestro planeta (tendríamos metano en lugar de amoníaco en este caso ) .

El debate sobre este tema está lejos de terminar, ya que algunas etapas del ciclo basado en fósforo y nitrógeno son deficientes en energía. También parece discutible que en el Universo las proporciones de estos elementos se den en la proporción necesaria para el surgimiento de la vida.

Nitrógeno y boro

Los átomos de nitrógeno y boro , que están en un "enlace", imitan hasta cierto punto el enlace "carbono-carbono". Entonces, se conoce el borazol , que a veces se llama " benceno inorgánico " (sería más correcto llamarlo "benceno sin carbono"). Pero aun así, sobre la base de una combinación de boro con nitrógeno, es imposible crear toda la variedad de reacciones químicas y compuestos conocidos en la química del carbono. Sin embargo, la posibilidad fundamental de tal reemplazo en la forma de algunos fragmentos separados de biomoléculas artificiales (o alienígenas) no puede descartarse por completo.

Nitrógeno e hidrógeno

A muy alta presión (~460  GPa ), los compuestos de nitrógeno e hidrógeno son químicamente incluso más diversos que los hidrocarburos, lo que abre perspectivas para la existencia de sus derivados más diversos y numerosos que todos los compuestos orgánicos existentes, y posiblemente incluso la vida, construida sobre alternativas. química del hidrógeno nítrico. Las condiciones adecuadas para la existencia de la bioquímica del nítrico-hidrógeno se pueden encontrar en el interior de los planetas gigantes , que contienen enormes cantidades de nitrógeno e hidrógeno bajo tal presión [18] [19] .

Reposición de fósforo

En diciembre de 2010, Felisa Wolfe-Simon , investigadora de Astrobiology Research de la NASA , informó del descubrimiento de la bacteria GFAJ-1 del género Halomonadaceae , capaz de sustituir el fósforo por arsénico en determinadas condiciones [20] [21] [22] .  

El arsénico, que es químicamente similar al fósforo, aunque venenoso para la mayoría de las formas de vida en la Tierra, está incluido en la bioquímica de algunos organismos. Algunas algas marinas incorporan arsénico en moléculas orgánicas complejas, como arsenoazúcares y arsenobetaínas. Los hongos y las bacterias pueden producir compuestos volátiles de arsénico metilado. Se han observado reducción de arseniato y oxidación de arsenito en microbios ( Chrysiogenes arsenatis ). Además, algunos procariotas pueden usar arsenato como aceptor terminal de electrones durante el crecimiento anaeróbico, y algunos pueden usar arsenito como donante de electrones para la generación de energía.

Se ha sugerido que las primeras formas de vida en la Tierra pueden haber usado bioquímica de arsénico en lugar de fósforo en su estructura de ADN. Una objeción general a este escenario es que los ésteres de arseniato son tan menos resistentes a la hidrólisis que los correspondientes ésteres de fosfato que el arsénico simplemente no es adecuado para la función.

Los autores de un estudio geomicrobiológico de 2010 apoyado en parte por la NASA sugirieron que una bacteria, llamada GFAJ-1, recolectada de los sedimentos del lago Mono en el este de California, podría usar ese "ADN de arsénico" cuando se cultiva sin fósforo. Ellos plantearon la hipótesis de que la bacteria puede usar altos niveles de poli-β-hidroxibutirato u otros medios para reducir la concentración efectiva de agua y estabilizar los ésteres de arseniato. Esta hipótesis fue muy criticada casi inmediatamente después de su publicación por la supuesta falta de controles experimentales adecuados. El escritor científico Carl Zimmer se puso en contacto con varios científicos para obtener una evaluación: "Me comuniqué con una docena de expertos... Casi unánimemente, creen que los científicos de la NASA no han corroborado su opinión". Otros autores no han podido reproducir sus resultados y han demostrado que el estudio tuvo problemas con la contaminación por fosfato, lo que sugiere que las bajas cantidades presentes pueden sustentar formas de vida extremófilas. Alternativamente, se ha propuesto que las células GFAJ-1 crezcan reciclando el fosfato de los ribosomas degradados en lugar de reemplazarlo con arseniato. Los resultados de los experimentadores posteriores refutó la teoría de la inclusión de arsénico en el ADN [23] [24] .

El miembro honorario de la Fundación para la Evolución Molecular Aplicada (EE. UU.), Steven Benner, señaló en su discurso en una conferencia de prensa en la sede de la NASA que, aunque el arsénico se parece al fósforo en su química, sin embargo se incorpora a la estructura del ADN y el ARN es el " eslabón débil" porque los enlaces químicos que forma se rompen fácilmente debido a la alta reactividad del átomo de arsénico.

Al mismo tiempo, la mayor reactividad del arsénico, que afecta negativamente a la estabilidad de las moléculas biológicas a temperatura ambiente, puede ser útil si la molécula biológica debe realizar sus funciones a bajas temperaturas, como, por ejemplo, en la luna Titán de Saturno.

Las teorías sobre la posibilidad de vida en Titán se presentaron en 2005 basadas en observaciones recientes, sin embargo, Titán es mucho más frío que la Tierra , por lo que no hay agua líquida en su superficie . Sin embargo, por otro lado, existen lagos de metano y etano líquidos en Titán , así como ríos y mares enteros de ellos, además, pueden caer como precipitación, como lluvia de agua en la Tierra . Algunos modelos científicos muestran que Titán puede soportar vida no basada en el agua ( ver ), aunque no todos los científicos están de acuerdo con estas teorías, ya que todavía son objeto de mucha discusión y debate en la comunidad científica, incluida la NASA [25] [26 ] [27] .

Mundo de PNK

Una hipótesis sobre el origen de la vida sugiere que la vida original en la Tierra puede haberse basado en PNA (ácidos nucleicos peptídicos) y que el "mundo PNA" se transformó más tarde en un " mundo RNA ". Los principales argumentos son la mayor estabilidad química y la sencillez del PNA en comparación con el ARN, lo que permitiría que el PNA se desarrolle y sobreviva en condiciones prebióticas primitivas. Al mismo tiempo, el PNA transporta la información necesaria en forma de nucleótidos. Sin embargo, una brecha importante en esta teoría es la falta de moléculas de PNA con actividad catalítica que permitiría la replicación de PNA.

Cambio de agua

Además de los compuestos de carbono, toda la vida terrestre conocida actualmente también requiere agua como disolvente. Las diversas propiedades del agua que son importantes para los procesos de la vida incluyen el amplio rango de temperatura en el que es líquida, una alta capacidad calorífica que ayuda en la regulación de la temperatura, un alto calor de vaporización y la capacidad de disolver una amplia gama de compuestos. El agua también es anfótera , lo que significa que puede donar o aceptar un protón, lo que le permite actuar como un ácido o una base. Esta propiedad es crítica en muchas reacciones orgánicas y bioquímicas donde el agua sirve como solvente, reactivo o producto. Hay otros productos químicos con propiedades similares que en ocasiones se han propuesto como alternativas al agua. El agua es líquida a una presión de 1 atm. en el rango de 0 °C a 100 °C, pero existen otros solventes, como el ácido sulfúrico , que permanecen en estado líquido hasta una temperatura de 200 °C o más [28] .

Amoníaco

El amoníaco se considera a menudo como el disolvente más probable (después del agua) para el origen de la vida en cualquiera de los planetas. A una presión de 100 kPa (1 atm.), se encuentra en estado líquido a temperaturas de -78 a -33 °C. La molécula de amoníaco ( ), al igual que la molécula de agua, está muy extendida en el universo, siendo una combinación de hidrógeno (el elemento más simple y común) con otro elemento muy común, el nitrógeno. 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.

Numerosas reacciones químicas son posibles en una solución de amoníaco, y el amoníaco líquido es químicamente similar al agua. El amoníaco puede disolver la mayoría de las moléculas orgánicas al menos tan bien como el agua, y también puede disolver muchos metales elementales. Haldane señaló que varios compuestos orgánicos comunes asociados con el agua tienen análogos asociados con el amoníaco; por ejemplo, un grupo amino enlazado con amoníaco ( ) es análogo a un grupo hidroxilo enlazado con agua ( ).

El amoníaco, como el agua, puede aceptar o donar un ion . Cuando el amoníaco ingresa , forma un catión de amonio ( ), análogo al hidronio ( ). Cuando dona un ion , forma un anión amida ( ), análogo a un anión hidróxido ( ). Sin embargo, en comparación con el agua, es más probable que el amoníaco acepte un ion y menos probable que lo done; es un nucleófilo más fuerte . El amoníaco añadido al agua actúa como una base de Arrhenius : aumenta la concentración del anión hidróxido. Por el contrario, utilizando un sistema para determinar la acidez y la basicidad en un sistema solvente, el agua añadida al amoníaco líquido actúa como un ácido , ya que aumenta la concentración del catión amonio. El grupo carbonilo ( ), que se usa ampliamente en la bioquímica terrestre, no será estable en solución de amoníaco, pero se puede usar el grupo imina análogo ( ) en su lugar.

Sin embargo, el amoníaco tiene algunos problemas como base para la vida. Los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de amoníaco son más débiles que en el agua, lo que lleva al hecho de que el calor de vaporización del amoníaco es la mitad del del agua, y la tensión superficial  es de hasta un tercio, y la capacidad de concentrar moléculas no polares debido a el efecto hidrofóbico también disminuye. Gerald Feinberg y Robert Shapiro cuestionaron si el amoníaco podría contener moléculas prebióticas lo suficientemente bien como para permitir que surja un sistema autorreplicante. El amoníaco también se enciende en el oxígeno y no puede existir de forma sostenible en un entorno adecuado para el metabolismo aeróbico. El amoníaco líquido se asemeja al agua en una serie de propiedades, pero debe tenerse en cuenta que cuando se congela, el amoníaco sólido no flota, sino que se hunde (a diferencia del hielo de agua ).

Por lo tanto, el océano, que consiste en líquido , se congelará fácilmente hasta el fondo. Además, la elección del amoníaco como disolvente elimina los beneficios del uso del oxígeno como agente biológico. Sin embargo, esto no excluye la posibilidad del surgimiento de vida alternativa en planetas donde el amoníaco se mezcla con agua [29] . Es probable que exista una biosfera basada en amoníaco a temperaturas o presiones de aire que son extremadamente inusuales para la vida en la Tierra. La vida en la Tierra normalmente existe dentro del punto de fusión y ebullición del agua a presión normal, entre 0 °C (273 K) y 100 °C (373 K); a presión normal, el punto de fusión y ebullición del amoníaco es de -78 °C (195 K) a -33 °C (240 K). Las reacciones químicas generalmente proceden más lentamente a temperaturas más bajas. Por lo tanto, la vida basada en amoníaco, si existe, puede metabolizarse más lentamente y desarrollarse más lentamente que la vida en la Tierra. [30] Por otro lado, las temperaturas más frías también pueden permitir que los sistemas vivos utilicen productos químicos que serían demasiado inestables a las temperaturas de la Tierra para ser útiles. [31]

El amoníaco puede ser líquido a temperaturas similares a las de la Tierra, pero a presiones mucho más altas; por ejemplo, a 60 atm, el amoníaco se derrite a -77 °C (196 K) y hierve a 98 °C (371 K). [32]

Las mezclas de amoníaco y agua permanecen líquidas a temperaturas muy por debajo del punto de congelación del agua pura, por lo que dicha bioquímica podría adaptarse bien a los planetas y lunas que orbitan fuera de la zona habitable basada en el agua . Tales condiciones pueden existir, por ejemplo, bajo la superficie de Titán , la luna más grande de Saturno . [33]

Fluoruro de hidrógeno

El fluoruro de hidrógeno se asemeja al agua en varias propiedades . Por lo tanto, también es capaz de formar enlaces de hidrógeno intermoleculares. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que hay 10.000 átomos de oxígeno por 1 átomo de flúor en el universo observable , por lo que es difícil imaginar condiciones en cualquier planeta que favorezcan la formación de un océano compuesto por , y no por .

Otro fuerte argumento en contra de esta posibilidad es que la superficie sólida de la mayoría de los planetas (que tienen uno), con la excepción de algunos hipotéticos planetas exóticos ( planeta de hierro, planeta de carbono ), se compone de dióxido de silicio y aluminosilicatos , con los que el fluoruro de hidrógeno reacciona por la reacción:

.

Cianuro de hidrógeno

El ácido cianhídrico también es capaz de formar enlaces de hidrógeno, pero a diferencia de él, se compone de elementos ampliamente distribuidos en el Universo. Además, se cree que este compuesto desempeñó un papel importante en la química prebiológica de la Tierra,  por ejemplo, en la formación de aminoácidos , nucleótidos y otros componentes de la " sopa primordial ".

Sin embargo, el cianuro de hidrógeno no es un disolvente adecuado para la vida alternativa, aunque solo sea porque el compuesto es termodinámicamente inestable. Por lo tanto, el cianuro de hidrógeno líquido se resinifica rápidamente, especialmente en presencia de catalizadores (que pueden ser ácidos , bases , arcilla y muchas rocas ) y, a veces, la descomposición se produce con una explosión . Por estas razones, no es capaz de formar un océano en ningún planeta.

Metano y etano

La vida puede existir en el metano y el etano líquidos en la superficie de Titán, que tienen forma de ríos y lagos, al igual que los organismos de la Tierra viven en el agua. Tales criaturas utilizarían y reaccionarían con acetileno en lugar de glucosa , y producirían metano en lugar de dióxido de carbono . Existe un debate sobre la efectividad del metano como solvente para la vida en comparación con el agua: el agua es un solvente más poderoso que el metano, lo que le permite transportar materia al interior de la célula más fácilmente, pero la menor reactividad química del metano le permite formar más fácilmente grandes estructuras, tales como proteínas y similares.

Otra sugerencia es que los organismos que viven en metano o etano líquido pueden usar varios compuestos como solventes. Por ejemplo, fosfina ( ) y compuestos simples de fósforo e hidrógeno. Al igual que el agua y el amoníaco, la fosfina tiene una polaridad, pero existe como líquido a temperaturas más bajas que el amoníaco o el agua. En el etano líquido, la fosfina se encuentra en forma de gotitas individuales, lo que significa que podrían existir estructuras similares a células sin membranas celulares.

Azotosoma

Una membrana celular hipotética, llamada azotosoma, capaz de funcionar en metano líquido en las condiciones de Titán, fue simulada (en una computadora) en un artículo publicado en febrero de 2015. Se cree que está compuesto de acrilonitrilo , una pequeña molécula que contiene carbono, hidrógeno y nitrógeno, y es estable y resistente. La flexibilidad del metano líquido es comparable a la flexibilidad de una bicapa de fosfolípidos (el tipo de membrana celular que tiene toda la vida en la Tierra) en el agua líquida. El análisis de los datos obtenidos con el Atacama Large Millimeter Array , completado en 2017, confirmó la presencia de una cantidad significativa de acrilonitrilo en la atmósfera de Titán.

Tetracloruro de titanio

Un posible disolvente en medio anhidro puede ser el tetracloruro de titanio. Su importante ventaja es la polaridad. Al mismo tiempo, su rango de temperatura del estado líquido de agregación es casi el doble que el del agua.

Reposición de oxígeno

Una característica interesante del ácido sulfúrico es que solo se convierte en ácido en presencia de agua. Pero el agua en el proceso de polimerización de las moléculas de azúcar y aminoácidos no se liberará si los átomos de azufre están en lugar de los átomos de oxígeno en las moléculas orgánicas. Dichos organismos "sulfurosos" deben existir a una temperatura notablemente más alta y en el océano a partir del oleum (ácido sulfúrico anhidro). Tales condiciones existen en Venus . Dado que no se forma oxígeno molecular, que podría formar una capa de ozono que protege de la radiación ultravioleta , esto crea dificultades para que la vida llegue a tierra. Esto puede explicar el hecho de que aún no se haya encontrado vida en Venus, aunque hay evidencia indirecta: la presencia en las mismas regiones y , que no pueden coexistir si alguien o algo no los produce constantemente [34] . Los últimos datos también revelaron una fina capa de ozono en Venus que, según los científicos, se forma a partir del dióxido de carbono en la atmósfera superior bajo la influencia de la luz solar [35] .

Teóricamente, es posible reemplazar el oxígeno con otros calcógenos , pero para la existencia de vida basada en ellos, estos elementos son extremadamente raros. También vale la pena señalar que se sabe que los organismos anaeróbicos utilizan otros elementos como aceptores de electrones.

Proteínas sanguíneas alternativas

El menos visible, pero el más estudiado de estos cambios es el uso de metaloproteínas alternativas para el transporte de oxígeno en la sangre. Incluso la biosfera de la Tierra puede utilizar no solo la hemoglobina , sino también la hemocianina (a base de cobre ), la hemeritrina (una proteína de organohierro de estructura muy diferente), la coboglobina (a base de cobalto, obtenida en el laboratorio), la pinnaglobina (a base de manganeso) y otros.

Los organismos que no usan oxígeno para la respiración sin duda usarían otros compuestos de transporte.

"Mundo Espejo"

En la naturaleza viva de la Tierra, todos los aminoácidos tienen una configuración L y los carbohidratos tienen  una configuración D, con la excepción de casos extremadamente raros, por ejemplo, elementos del caparazón del patógeno del ántrax . En principio, uno puede imaginar un “mundo espejo” en el que los organismos vivos tengan la misma base bioquímica que en la Tierra, excepto por su completa simetría especular : en tal mundo, la vida podría basarse en D-aminoácidos y L-carbohidratos. Tal posibilidad no contradice ninguna de las leyes de la naturaleza actualmente conocidas.

Una de las paradojas de tal mundo hipotético es el hecho de que, habiendo entrado en tal mundo (que es un espejo de la Tierra), una persona podría morir de hambre, a pesar de la abundancia de alimentos alrededor [36] :13 . Además, comer moléculas "espejo" puede causar envenenamiento [36] :12-13 .

Formas de vida no químicas

En Evolving the Alien , el biólogo Jack Cohen y el matemático Ian Stewart argumentan que la astrobiología basada en la hipótesis única de la Tierra es "limitada y aburrida". Sugirieron que los planetas similares a la Tierra podrían ser raros, pero que podrían aparecer formas de vida complejas en otros entornos.

Incluso ideas más especulativas se refieren a la posibilidad de vida en cuerpos completamente diferentes a los planetas similares a la Tierra. El astrónomo Frank Drake , un conocido defensor de la búsqueda de vida extraterrestre, ha propuesto vida en estrellas de neutrones : criaturas con un ciclo de vida millones de veces más rápido que el de los organismos terrestres, que consisten en "moléculas nucleares" ultrapequeñas [37] . Llamada "fantástica y astuta", esta idea se ha generalizado en la ciencia ficción [38] . Carl Sagan en 1976 consideró la posibilidad de la existencia de organismos voladores en la atmósfera superior de Júpiter [39] [40] . Cohen y Stewart también consideraron la posibilidad de vida en las atmósferas de los gigantes gaseosos e incluso en el Sol.

Algunos filósofos , por ejemplo, Tsiolkovsky , creían que la vida puede tomar la forma de plasmoides capaces de mantener la forma y reproducirse a sí mismos bajo ciertas condiciones , cuyo prototipo es el rayo en bola . Recientemente, gracias al modelado por computadora , la posibilidad de la existencia de formas de vida de plasma ha recibido cierta justificación teórica [41] .

Bioquímica alternativa en la ficción

  • En la historia de ciencia ficción del científico y escritor de ciencia ficción soviético Ivan Efremov " El corazón de la serpiente " ( 1958 ), se describe el contacto de los terrícolas con una civilización humanoide alienígena, en la bioquímica de cuyo planeta natal el flúor juega el papel del oxígeno . . Esta civilización, a pesar de las cuidadosas búsquedas, no pudo encontrar un solo planeta con una bioquímica similar a la de ellos; todas las demás civilizaciones del espacio que encontraron tenían una base de oxígeno.
  • En la clásica novela de ciencia ficción del astrónomo inglés Fred Hoyle "The Black Cloud " ( 1957 ), se describe el contacto de los terrícolas con una enorme nube negra viva que se mueve entre las estrellas, formada por gas interestelar .
  • El cuento de ciencia ficción " When the Earth Cried " ( 1928 ) del escritor inglés Arthur Conan Doyle describe una Tierra viva con vida basada en los minerales y fluidos (particularmente el petróleo) de la corteza terrestre .
  • La novela de ciencia ficción The Andromeda Strain de Michael Crichton presenta un virus extraterrestre con bioquímica alternativa basada en cristales hexagonales.
  • La historia de ciencia ficción "El dios de la arcilla " de A. Dneprov trata sobre la vida a base de silicio .
  • La historia de ciencia ficción de A. Konstantinov " Contact on Lenzeven " también trata sobre la vida basada en el silicio. Los investigadores se encuentran en un planeta distante y en una ciudad abandonada con estatuas colocadas por todas partes. Al final, resulta que las estatuas son los habitantes de silicio de este planeta, cuyos procesos de vida son cientos de veces más lentos que los de las formas de vida terrestres.
  • En la historia de ciencia ficción Pravda del escritor polaco Stanisław Lem , la vida "estelar" se considera basada en plasma de alta temperatura en forma de una "ameba" creada al azar que colapsó como resultado de la caída de un campo electromagnético. Además de esta historia, la vida basada en plasma está presente: Olaf Stapledon en " The Starmaker " tiene estrellas vivientes; en "Children of the Stars" de Edmond Hamilton y en "Out of the Sun's Womb" de Arthur C. Clarke - seres vivos en las profundidades de las estrellas; Sergei Lukyanenko en la dilogía " Estrellas - juguetes fríos " - plasmoides inteligentes gigantes Torpp.
  • La novela de ciencia ficción Aliens from Nowhere de Francis Karsak trata sobre la vida basada en la superconductividad a baja temperatura . Seres cuyo metabolismo se basa en la superconductividad (Mysliki) requerían bajas temperaturas. Había pocos planetas adecuados, por lo que Misliks comenzó a adaptar los planetas existentes para la vida, para extinguir las estrellas alrededor de las cuales giran estos planetas.
  • Muchos de los escritos de Paul W. Anderson describen la vida usando amoníaco en lugar de agua. En particular: " Llámame Joe " (1957), " Conquista tres mundos " (1964) y otros.
  • El cuento de Frederick Brown The Wavers (1954) describe una forma de vida basada en ondas electromagnéticas.
  • En la serie Expediente X de la serie Firewalker (2x09), se descubrió una forma de vida de silicio en el cráter de un volcán: hongos parásitos. Las esporas de este hongo morían a los pocos segundos de la aparición del " cuerpo fructífero ", si no tenían tiempo de encontrar al huésped .
  • La película de comedia Evolution presenta una forma de vida alienígena basada en nitrógeno que tiene 10 pares de bases. En la serie animada Evolution realizada como secuela de la película, estas criaturas son un superorganismo .
  • En el episodio " El diablo en la oscuridad " (1x25) de Star Trek: The Original Series , la criatura Hort aparece con una bioquímica basada en el silicio.
  • En Star Trek: The Animated Series , en el episodio "Planet Vanishing" (1x03), aparece una criatura gigante de antimateria que se alimenta de planetas de materia normal.
  • La raza ficticia de Aliens del universo del mismo nombre es una forma de vida de silicio.
  • En la serie Star Trek: Voyager , en el episodio "El buen pastor" (6x20), se encuentra una criatura viviente que consiste en materia oscura .
  • En el universo ficticio de Mass Effect , hay razas de turianos y quarianos que, a diferencia de los representantes de otras razas inteligentes, contienen D-aminoácidos. También hay una raza de volus  , humanoides de tamaño reducido, cuya bioquímica está ligada al amoníaco a altas presiones.
  • En la serie Stargate: SG-1 de la serie "Scorched Earth" (4x09), hay una raza muy desarrollada de Gadmirs, cuya base bioquímica (así como otros organismos con los que crearon la biosfera) es azufre en lugar de carbono.
  • El cuento de Kira Bulychev "La doncella de nieve" describe una civilización humanoide basada en amoníaco en lugar de agua.
  • Krona, el principal antagonista de Green Lantern: Emerald Knights , está compuesto de antimateria.
  • En muchos universos ficticios , hay criaturas de pura energía.
  • La película animada de 2000 "Titán después de la destrucción de la Tierra" presenta criaturas de pura energía que destruyen civilizaciones.
  • En el Universo Dune de Frank Herbert , el gusano de arena Shai-Hulud es una forma de vida de organosilicio.
  • Anathem , una novela de ciencia ficción de Neil Stevenson , describe humanos que entran en contacto con humanos de universos alternativos cuya bioquímica se basa en una configuración diferente de aminoácidos.
  • En la serie de novelas y cuentos de ciencia ficción de James White, Space Hospital, los personajes principales son médicos de varias razas inteligentes de la galaxia, incluidas las no humanoides.
  • En 1894, el famoso escritor HG Wells escribió: “La siguiente suposición conduce a fantasías fantásticas: visiones de organismos de silicio y aluminio, ¿por qué no inmediatamente personas de silicio y aluminio? - vagando en la atmósfera de azufre gaseoso, digamos así. a la orilla del mar de hierro líquido, varios miles de grados por encima de la temperatura de un alto horno.” [42]

Científicos y bioquímica alternativa

La lista de científicos que han considerado posibles alternativas a la bioquímica del agua y el carbono incluye:

  • John Burdon Sanderson Haldane (1892–1964), genetista conocido por su trabajo sobre la abiogénesis .
  • Isaac Asimov (1920-1992), bioquímico y escritor de ciencia ficción.
  • Ivan Efremov (1908-1972), paleontólogo , doctor en ciencias biológicas, fundador de toda una sección de paleontología: tafonomía .
  • George Pimentel (1922-1989), químico estadounidense, Universidad de California, Berkeley.
  • William Baines, biólogo de Cambridge, colaborador de la revista Astrobiology.
  • Peter Snit (1923-2011), microbiólogo, autor de Planets and Life.
  • Carl Sagan (1934–1996), astrónomo, divulgador científico y defensor de SETI .
  • W. Axel Firsoff (1910-1981), astrónomo británico
  • Gerald Feinberg (1933–1992), físico y Robert Shapiro (1935–2011), químico, coautores de Life Beyond Earth.
  • Jonathan Lunin , (nacido en 1959), científico y físico planetario estadounidense.
  • Robert A. Fritas, Jr. (1952-presente), especialista en nanotecnología y nanomedicina; Autor del libro Xenología.
  • John Baross, oceanógrafo y astrobiólogo que presidió un comité de científicos en el Consejo Nacional de Investigación de EE. UU. que publicó un informe sobre las condiciones que limitan la vida en 2007. El informe abordó la preocupación de que la agencia espacial podría realizar una búsqueda de vida en otros mundos con buenos recursos "y luego no reconocerla si la encuentra".

Véase también

Notas

Comentarios
  1. ↑ En las aves, varios reptiles y la mayoría de los insectos terrestres, el ácido úrico es el producto final no solo del metabolismo de las purinas, sino también de las proteínas. El sistema de biosíntesis del ácido úrico (y no de la urea, como en la mayoría de los vertebrados) como mecanismo de fijación en el organismo de un producto más tóxico del metabolismo del nitrógeno -el amoníaco- se desarrolló en estos animales debido a su característico balance hídrico limitado (el ácido úrico es excretado del cuerpo con una cantidad mínima de agua o incluso en forma sólida)
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