Tipos hipotéticos de bioquímica.

False-color Cassini mosaico de radar de la región polar norte de Titan; las áreas azules son lagos de hidrocarburos líquidos.
"La existencia de lagos de hidrocarburos líquidos en Titán abre la posibilidad de disolventes y fuentes de energía que sean alternativas a los de nuestra biosfera y que puedan apoyar formas de vida nuevas totalmente diferentes de las de la Tierra." —NASA Astrobiology Roadmap 2008

Tipos hipotéticos de bioquímica son formas de bioquímica acordadas como científicamente viables pero cuya existencia no está probada en este momento. Todos los tipos de organismos vivos actualmente conocidos 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, por ejemplo, que involucren 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 "alternativas" La bioquímica 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 ha sido muy discutido 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.

Resumen

Biosfera de sombra

El mensaje de Arecibo (1974) envió información al espacio sobre la química básica de la vida terrestre.

Una biosfera en la sombra es una biosfera microbiana hipotética de la Tierra que utiliza procesos bioquímicos y moleculares radicalmente diferentes a los de la vida conocida actualmente. Aunque la vida en la Tierra está relativamente bien estudiada, la biosfera en la sombra aún puede pasar desapercibida porque la exploración del mundo microbiano se enfoca principalmente en 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 terrestre conocida, los aminoácidos son casi universalmente de la forma L y los azúcares son de la forma D formulario. Las moléculas que usan D aminoácidos o L azúcares pueden ser posibles; Las moléculas de tal quiralidad, sin embargo, serían incompatibles con los organismos que usan las moléculas de quiralidad opuesta. 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 "anti-quiral" vida.

Es cuestionable, sin embargo, si tal bioquímica sería realmente extraña. Aunque sin duda sería una estereoquímica alternativa, las moléculas que se encuentran abrumadoramente en un enantiómero en la gran mayoría de los organismos, 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. 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 el carbono. Los científicos han especulado sobre los pros y los contras de usar átomos distintos al 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 declaración que se aplica a toda la vida en la Tierra se aplicará a toda la vida en todo el universo. Sagan utilizó el término "chauvinismo del carbono" para tal suposición. Consideró el silicio y el germanio como alternativas concebibles al carbono (otros elementos plausibles incluyen, entre otros, paladio y titanio); pero, por otro lado, señaló que el carbono parece más versátil químicamente y es más abundante en el cosmos). Norman Horowitz ideó los experimentos para determinar si podría existir vida en Marte que llevó a cabo 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 brindar soluciones, incluso soluciones exóticas, a los problemas de supervivencia en otros planetas. Consideró que solo existía una posibilidad remota de que pudieran existir formas de vida sin carbono con sistemas de información genética capaces de autorreplicarse y la capacidad de evolucionar y adaptarse.

Bioquímica del silicio

Estructura de silana, analógica del metano

Estructura del polidimetiloxano de silicona (PDMS)

Diatomes marinos – organismos basados en carbono que extraen silicio del agua marina, en forma de óxido (silica) e incorporanlo en sus paredes celulares

El átomo de silicio ha sido muy discutido como base para 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 de carbono. Al igual que el carbono, el silicio puede crear moléculas lo suficientemente grandes como para transportar información biológica.

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 blindado. 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. Además, cuando interactúa con otros átomos, el silicio crea moléculas que se han descrito como "monótonas en comparación con el universo combinatorio de las macromoléculas orgánicas". Esto se debe a que los átomos de silicio son mucho más grandes, tienen una masa y un radio atómico más grandes, por lo que tienen dificultades para formar dobles enlaces (el carbono con doble enlace es parte del grupo carbonilo, un motivo fundamental de la química bioorgánica basada en el carbono).

Los silanos, que son compuestos químicos de hidrógeno y silicio que son análogos a los hidrocarburos alcanos, son muy reactivos con el agua y los silanos de cadena larga se descomponen espontáneamente. Las moléculas que incorporan polímeros de átomos alternantes de silicio y oxígeno en lugar de enlaces directos entre el silicio, conocidos 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 algunos lugares extraterrestres.

De las variedades de moléculas identificadas en el medio interestelar a partir de 1998, 84 se basan en el carbono, mientras que solo 8 se basan en el silicio. 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 de carbono complejos en todo el cosmos, lo que proporciona menos base 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 de aproximadamente 925:1), la vida terrestre se basa en el carbono. El hecho de que se use carbono en lugar de silicio puede ser evidencia de que el silicio no es adecuado para la bioquímica en planetas similares a la Tierra. Las razones de esto pueden ser 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.

Aún así, la sílice biogénica es utilizada por algunas formas de vida terrestres, como la estructura esquelética de silicato de las diatomeas. Según la hipótesis de la arcilla de A. G. Cairns-Smith, los minerales de silicato en el agua desempeñaron 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.

Aunque no se observan en la naturaleza, los enlaces carbono-silicio se han agregado a la bioquímica mediante el uso de evolución dirigida (selección artificial). Se ha diseñado un hemo que contiene proteína citocromo c de Rhodothermus marinus mediante evolución dirigida para catalizar la formación de nuevos enlaces carbono-silicio entre hidrosilanos y diazocompuestos.

Los compuestos de silicio pueden ser biológicamente útiles bajo temperaturas o presiones diferentes a las de la superficie de un planeta terrestre, ya sea en conjunto 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 a muy baja temperatura.

Otras bioquímicas basadas en elementos exóticos

• Los granos son peligrosamente explosivos en la atmósfera de la Tierra, pero serían más estables en un ambiente de reducción. Sin embargo, la baja abundancia cósmica de Ron hace menos probable que sea una base para la vida que el carbono.
• Varios metales, junto con el oxígeno, pueden formar estructuras muy complejas y térmicamente estables que rivalizan con los compuestos orgánicos; los ácidos heteropolosos son una familia así. Algunos óxidos metálicos también son similares al carbono en su capacidad de formar estructuras de nanotubo y cristales similares a los diamantes (como circonia 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 el óxido de metal podría ser una posibilidad en determinadas condiciones, incluidas aquellas (como altas temperaturas) en las que la vida basada en el carbono sería improbable. El grupo Cronin de la Universidad de Glasgow informó auto-assembly de polioxometalatos de tungsteno en esferas similares a las células. Al modificar su contenido de óxido de metal, las esferas pueden adquirir agujeros que actúan como membrana porosa, permitiendo selectivamente los productos químicos dentro y fuera de la esfera según el tamaño.
• El azufre también puede formar moléculas de cadena larga, pero sufre de los mismos problemas de alta reactividad que el fósforo y los silanes. El uso biológico del azufre como alternativa al carbono es puramente hipotético, especialmente porque el azufre suele formar sólo cadenas lineales en lugar de ramificadas. (El uso biológico del azufre como receptor de electrones es generalizado y se puede rastrear de nuevo 3,5 mil millones de años en la Tierra, predando así el uso de oxígeno molecular. Las bacterias que producen azufre pueden utilizar azufre elemental en lugar de oxígeno, reduciendo el azufre a sulfuro de hidrógeno.)

El arsénico como alternativa al fósforo

El arsénico, que es químicamente similar al fósforo, aunque venenoso para la mayoría de las formas de vida en la Tierra, se incorpora a 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 ha observado reducción de arseniato y oxidación de arsenito en microbios (Chrysiogenes arsenatis). Además, algunos procariotas pueden utilizar arseniato como aceptor terminal de electrones durante el crecimiento anaeróbico y algunos pueden utilizar arsenito como donante de electrones para generar energía.

Se ha especulado que las primeras formas de vida en la Tierra pueden haber usado bioquímica de arsénico en lugar de fósforo en la estructura de su ADN. Una objeción común a este escenario es que los ésteres de arseniato son mucho menos estables a la hidrólisis que los ésteres de fosfato correspondientes, por lo que el arsénico no es adecuado para esta función.

Los autores de un estudio de geomicrobiología de 2010, respaldado en parte por la NASA, postularon 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. 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. Esta afirmación fue fuertemente criticada casi inmediatamente después de su publicación por la aparente falta de controles apropiados. El escritor científico Carl Zimmer se puso en contacto con varios científicos para una evaluación: "Me puse en contacto con una docena de expertos... Casi unánimemente, creen que los científicos de la NASA no han logrado defender su caso". Otros autores no pudieron reproducir sus resultados y demostraron que el estudio tenía problemas con la contaminación por fosfato, lo que sugiere que las bajas cantidades presentes podrían sustentar formas de vida extremófilas. Alternativamente, se sugirió que las células GFAJ-1 crecen reciclando el fosfato de los ribosomas degradados, en lugar de reemplazarlo con arseniato.

Disolventes no acuosos

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 ese papel. La idea de que una forma de vida extraterrestre podría estar basada en un disolvente distinto del agua ha sido tomada en serio en la literatura científica reciente por el bioquímico Steven Benner y por el comité astrobiológico presidido por John A. Baross. Los solventes discutidos por el comité de Baross incluyen amoníaco, ácido sulfúrico, formamida, hidrocarburos y (a temperaturas mucho más bajas que las de la Tierra) nitrógeno líquido o hidrógeno en forma de fluido supercrítico.

Carl Sagan una vez se describió a sí mismo como un chovinista del carbono y un chovinista del agua; sin embargo, en otra ocasión dijo que era un chovinista del carbono pero "no tan chovinista del agua". Especuló sobre los hidrocarburos, el ácido fluorhídrico y el amoníaco como posibles alternativas al agua.

Algunas de las propiedades del agua que son importantes para los procesos vitales incluyen:

• Una complejidad que conduce a un gran número de permutaciones de posibles vías de reacción, incluyendo la química ácido-base, H⁺ caciones, OH⁻ aniones, unión de hidrógeno, van der Lazos de vallas, dipole-dipole y otras interacciones polares, jaulas disolventes acuosas e hidrólisis. Esta complejidad ofrece un gran número de caminos para que la evolución produzca vida, muchos otros solventes tienen dramáticamente menos reacciones posibles, lo que limita gravemente la evolución.
• Estabilidad termodinámica: la energía libre de formación de agua líquida es lo suficientemente baja (−237.24 kJ/mol) que el agua sufre pocas reacciones. Otros solventes son altamente reactivas, especialmente con oxígeno.
• El agua no se combustúa en oxígeno porque ya es el producto de combustión de hidrógeno con oxígeno. La mayoría de los solventes alternativos no están estables en un ambiente rico en oxígeno, por lo que es muy poco probable que esos líquidos puedan soportar la vida aeróbica.
• Un amplio rango de temperatura sobre el cual es líquido.
• Alta solubilidad de oxígeno y dióxido de carbono a temperatura ambiente que sustenta la evolución de la planta aeróbica y la vida animal.
• Una alta capacidad de calor (que conduce a una mayor estabilidad de temperatura ambiental).
• El agua es un líquido de temperatura ambiente que conduce a una gran población de estados de transición cuántica requeridos para superar las barreras de reacción. Los líquidos criogénicos (como el metano líquido) tienen poblaciones estatales de transición exponencialmente inferiores que son necesarias para la vida sobre la base de reacciones químicas. Esto conduce a tasas de reacción química que pueden ser tan lentas como para impedir el desarrollo de cualquier vida basada en reacciones químicas.
• Transparencia espectroscópica permitiendo que la radiación solar penetre varios metros en el líquido (o sólido), ayudando 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 (ice) tiene menor densidad que el líquido, por lo que el hielo flota en el líquido. Es por eso que los cuerpos de agua se congelan pero no se congelan sólidos (desde abajo arriba). Si el hielo fuera más denso que el agua líquida (como es cierto para casi todos los demás compuestos), entonces grandes cuerpos de líquido se congelarán lentamente sólido, lo que no sería propicio para la formación de la vida.

El agua como compuesto es cósmicamente abundante, aunque gran parte se encuentra en forma de vapor o hielo. El agua líquida del subsuelo se considera probable o posible en varias de las lunas exteriores: Encélado (donde se han observado géiseres), Europa, Titán y Ganímedes. La Tierra y Titán son los únicos mundos actualmente conocidos que tienen cuerpos estables de líquido en sus superficies.

Sin embargo, no todas las propiedades del agua son necesariamente ventajosas para la vida. Por ejemplo, el hielo de agua tiene un alto albedo, lo que significa que refleja una cantidad significativa de luz y calor del sol. Durante las glaciaciones, a medida que se acumula hielo reflectante sobre la superficie del agua, aumentan los efectos del enfriamiento global.

Hay algunas propiedades que hacen que ciertos compuestos y elementos sean mucho más favorables que otros como solventes en una biosfera exitosa. El solvente 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 tiende a no ser si el posible solvente 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, puede existir en forma líquida en un amplio rango de temperatura.

Amoníaco

La concepción del artista de cómo un planeta con vida amoníaco podría verse

La molécula de amoníaco (NH₃), 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. 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.

Son posibles numerosas reacciones químicas en una solución de amoníaco, y el amoníaco líquido tiene similitudes químicas con el agua. El amoníaco puede disolver la mayoría de las moléculas orgánicas al menos tan bien como lo hace 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 amino relacionado con el amoniaco (−NH₂) es análogo al grupo hidroxilo relacionado con el agua (−OH).

El amoníaco, como el agua, puede aceptar o donar un ion H⁺. Cuando el amoníaco acepta un H⁺, forma el catión amonio (NH₄⁺), análogo al hidronio (H_{3O⁺). Cuando dona un ion H⁺, forma el anión amida (NH2⁻), análogo al anión hidróxido (OH ⁻). Sin embargo, en comparación con el agua, el amoníaco está más inclinado a aceptar un ion H⁺ y menos inclinado a donarlo; es un nucleófilo más fuerte. El amoníaco añadido al agua funciona como base de Arrhenius: aumenta la concentración del anión hidróxido. Por el contrario, utilizando una definición de acidez y basicidad del sistema solvente, el agua añadida al amoníaco líquido funciona como un ácido, porque aumenta la concentración del catión amonio. El grupo carbonilo (C=O), que se usa mucho en la bioquímica terrestre, no sería estable en una solución de amoníaco, pero en su lugar se podría usar el grupo imina análogo (C=NH).}

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 los del agua, lo que hace que el calor de vaporización del amoníaco sea la mitad del del agua, su tensión superficial sea un tercio y reduzca su capacidad para concentrar moléculas no polares a través de un hidrofóbico. efecto. 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. El amoníaco también es inflamable en oxígeno y no podría existir de forma sostenible en un entorno adecuado para el metabolismo aeróbico.

Estructura interna teorizada de Titan, océano subsuperficie mostrado en azul

Es probable que exista una biosfera basada en amoníaco a temperaturas o presiones de aire 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 una presión designada como presión normal y entre 0 °C (273 K) y 100 °C (373 K). Cuando también se mantiene a presión normal, los puntos de fusión y ebullición del amoníaco son −78 °C (195 K) y −33 °C (240 K) respectivamente. Debido a que las reacciones químicas generalmente se desarrollan más lentamente a temperaturas más bajas, la vida basada en amoníaco que existe en este conjunto de condiciones podría metabolizarse más lentamente y evolucionar más lentamente que la vida en la Tierra. Por otro lado, las temperaturas más bajas también podrían permitir que los sistemas vivos utilicen especies químicas que serían demasiado inestables a las temperaturas de la Tierra para ser útiles.

Otro conjunto de condiciones en las que el amoníaco es líquido a temperaturas similares a las de la Tierra implicaría que estuviera a una presión mucho más alta. Por ejemplo, a 60 atm, el amoníaco se derrite a -77 °C (196 K) y hierve a 98 °C (371 K).

Las mezclas de amoníaco y amoníaco-agua permanecen líquidas a temperaturas muy por debajo del punto de congelación del agua pura, por lo que estas bioquímicas podrían ser adecuadas para planetas y lunas que orbitan fuera de la zona de habitabilidad basada en el agua. Tales condiciones podrían existir, por ejemplo, bajo la superficie de Titán, la luna más grande de Saturno.

Metano y otros hidrocarburos

El metano (CH₄) es un hidrocarburo simple: es decir, un compuesto de dos de los elementos más comunes en el cosmos: hidrógeno y carbono. Tiene una abundancia cósmica comparable con el amoníaco. Los hidrocarburos podrían actuar como solventes en un amplio rango de temperaturas, pero carecerían de polaridad. Isaac Asimov, el bioquímico y escritor de ciencia ficción, sugirió en 1981 que los polilípidos podrían constituir un sustituto de las proteínas en un disolvente no polar como el metano. 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 efectividad del metano y otros hidrocarburos como solvente para la vida en comparación con el agua o el amoníaco. El agua es un solvente más fuerte que los hidrocarburos, lo que permite un transporte más fácil de sustancias en una célula. Sin embargo, el agua también es químicamente más reactiva y puede descomponer moléculas orgánicas grandes a través de la hidrólisis. Una forma de vida cuyo solvente fuera un hidrocarburo no enfrentaría la amenaza de que sus biomoléculas fueran destruidas de esta manera. 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. La vida con un solvente de hidrocarburo podría hacer un mayor uso de los enlaces de hidrógeno dentro de sus biomoléculas. Además, la fuerza de los enlaces de hidrógeno dentro de las biomoléculas sería apropiada para una bioquímica de baja temperatura.

El astrobiólogo Chris McKay ha argumentado, sobre la base de la termodinámica, que si existe vida en la superficie de Titán, utilizando hidrocarburos como disolvente, es probable que también utilice los hidrocarburos más complejos como fuente de energía haciéndolos reaccionar con hidrógeno, reduciendo etano y acetileno a metano. 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 superiores de la atmósfera de Titán en comparación con las capas inferiores, lo que sugiere una difusión descendente a una velocidad de aproximadamente 10²⁵ moléculas por segundo y la desaparición del hidrógeno cerca de Titán' superficie Como señaló Strobel, sus hallazgos estaban en línea con los efectos que Chris McKay había predicho si las formas de vida metanogénicas estuvieran presentes. El mismo año, otro estudio mostró bajos niveles de acetileno en la superficie de Titán, que fueron interpretados por Chris McKay como consistentes con la hipótesis de que los organismos reducen el acetileno a metano. Al reafirmar la hipótesis biológica, McKay advirtió que se deben considerar más probables otras explicaciones para los hallazgos de hidrógeno y acetileno: las posibilidades de procesos físicos o químicos aún no identificados (por ejemplo, un catalizador de superficie no viviente que permite que el acetileno reaccione con hidrógeno), o fallas en los modelos actuales de flujo de materiales. Señaló que incluso un catalizador no biológico efectivo a 95 K sería en sí mismo un descubrimiento sorprendente.

Azotosoma

En un artículo publicado en febrero de 2015, se modeló por computadora una membrana celular hipotética denominada azotosoma, capaz de funcionar en metano líquido en las condiciones de Titán. Está compuesta de acrilonitrilo, una molécula pequeña que contiene carbono, hidrógeno y nitrógeno. tener 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. Un análisis de los datos obtenidos con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), completado en 2017, confirmó cantidades sustanciales de acrilonitrilo en la atmósfera de Titán. Estudios posteriores cuestionaron si el acrilonitrilo podría autoensamblarse en azotozomas.

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 y Carl Sagan.

El HF es peligroso para los sistemas de moléculas de los que está hecha la vida en la Tierra, pero otros compuestos orgánicos, como las ceras de parafina, son estables con él. Al igual que el agua y el amoníaco, el fluoruro de hidrógeno líquido es compatible con una química ácido-base. Usando una definición de sistema solvente de acidez y basicidad, el ácido nítrico funciona como una base cuando se agrega al HF líquido.

Sin embargo, el fluoruro de hidrógeno es cósmicamente raro, a diferencia del agua, el amoníaco y el metano.

Sulfuro de hidrógeno

El sulfuro de hidrógeno es el análogo químico más cercano al agua, pero es menos polar y es un solvente inorgánico más débil. El sulfuro de hidrógeno es bastante abundante en la luna Io de Júpiter y puede estar en forma líquida a una corta distancia debajo de la superficie; el astrobiólogo Dirk Schulze-Makuch lo ha sugerido como un posible solvente para la vida allí. 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 podría usar una mezcla de monóxido de carbono y dióxido de carbono como fuente de carbono. Podrían producir y vivir de monóxido de azufre, que es análogo al oxígeno (O₂). El sulfuro de hidrógeno, como el cianuro de hidrógeno y el amoníaco, sufre el pequeño rango de temperatura en el que es líquido, aunque eso, al igual que el cianuro de hidrógeno y el amoníaco, aumenta con el aumento de 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 en el que 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 hacer 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. Feinberg y 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.

Otros disolventes o codisolventes

Ácido sulfúrico (H)₂SO₄)

Otros disolventes propuestos a veces:

• Fluidos supercríticos: dióxido de carbono supercrítico e hidrógeno supercrítico.
• Compuestos simples de hidrógeno: cloruro de hidrógeno.
• Compuestos más complejos: ácido sulfúrico, formamida, metanol.
• Fluidos de temperatura muy baja: nitrógeno líquido e hidrógeno.
• Líquidos de alta temperatura: cloruro de sodio.

El ácido sulfúrico en forma líquida es fuertemente polar. Permanece líquido a temperaturas más altas que el agua, siendo su rango líquido de 10 °C a 337 °C a una presión de 1 atm, aunque por encima de los 300 °C se descompone lentamente. Se sabe que el ácido sulfúrico abunda en las nubes de Venus, en forma de gotas de aerosol. En una bioquímica que usaba ácido sulfúrico como solvente, el grupo alqueno (C=C), con dos átomos de carbono unidos por un doble enlace, podría funcionar de manera análoga al grupo carbonilo (C=O) en la bioquímica basada en agua.

Se ha hecho una propuesta de que puede existir vida en Marte y estar utilizando una mezcla de agua y peróxido de hidrógeno como solvente. Una mezcla al 61,2 % (en masa) de agua y peróxido de hidrógeno tiene un punto de congelación de -56,5 °C y tiende a sobreenfriarse en lugar de cristalizar. También es higroscópico, una ventaja en un entorno con escasez de agua.

El dióxido de carbono supercrítico se ha propuesto como candidato para la bioquímica alternativa debido a su capacidad para disolver selectivamente compuestos orgánicos y ayudar al funcionamiento de las enzimas y porque la "super-Tierra"- o "super- Los planetas tipo Venus con atmósferas densas de alta presión pueden ser comunes.

Otras especulaciones

Fotosíntesis 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 preferirse en lugares que reciben una mezcla diferente. de radiación estelar que la Tierra. Estos estudios indican que las plantas azules serían poco probables; sin embargo, las plantas amarillas o rojas pueden ser relativamente comunes.

Entornos variables

Muchas plantas y animales terrestres experimentan 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. 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 congelada, mientras que las ranas del desierto en Australia pueden volverse inactivas y deshidratarse en períodos secos, perdiendo hasta el 75 % de sus líquidos., pero vuelve a la vida al rehidratarse rápidamente en períodos húmedos. Cualquier tipo de rana parecería bioquímicamente inactiva (es decir, no viva) durante los períodos de inactividad para cualquier persona que carezca de un medio sensible para detectar niveles bajos de metabolismo.

Mundo alanino e hipotéticas alternativas

Primera etapa del código genético (GC-Code) con "mundo alanino" y sus posibles alternativas.

El código genético puede haber evolucionado durante la transición del mundo del ARN al mundo de las proteínas. La Hipótesis del Mundo de la Alanina postula que la evolución del código genético (la llamada fase GC) comenzó con solo cuatro aminoácidos básicos: alanina, glicina, prolina y ornitina (ahora arginina). La evolución del código genético terminó con 20 aminoácidos proteinogénicos. Desde un punto de vista químico, la mayoría de ellos son derivados de 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.

Un hipotético "Proline World" crearía una posible vida alternativa con el código genético basado en el andamio químico de prolina como la columna vertebral de la proteína. Del mismo modo, un "Glycine World" y "Ornithine World" también son concebibles, pero la naturaleza no ha elegido ninguno de ellos. La evolución de la vida con prolina, glicina u ornitina como estructura básica para polímeros similares a proteínas (foldamers) conduciría a mundos biológicos paralelos. Tendrían planes corporales y genética morfológicamente radicalmente diferentes de los organismos vivos de la biosfera conocida.

Vida no planetaria

A base de plasma polvoriento

En 2007, Vadim N. Tsytovich y sus colegas propusieron que las partículas de polvo suspendidas en un plasma podrían exhibir comportamientos reales en las condiciones que podrían existir en el espacio. Los modelos informáticos mostraron que, cuando el polvo se cargaba, las partículas podían autoorganizarse en estructuras helicoidales microscópicas, y los autores ofrecen "un esbozo aproximado de un posible modelo de... reproducción de la estructura del grano helicoidal".

Collar basado en Cosmic

En 2020, Luis A. Anchordoqu y Eugene M. Chudnovsky de la Universidad de la Ciudad de Nueva York plantearon la hipótesis de que la vida basada en un collar cósmico compuesta de monopolos magnéticos conectados por cuerdas cósmicas podría evolucionar dentro de las estrellas. Esto se lograría mediante un estiramiento de las cuerdas cósmicas debido a la intensa gravedad de la estrella, lo que le permitiría adoptar formas más complejas y potencialmente formar estructuras similares a las estructuras de ARN y ADN que se encuentran dentro de la vida basada en el carbono. Como tal, es teóricamente posible que tales seres eventualmente puedan volverse inteligentes y construir una civilización utilizando el poder generado por la fusión nuclear de la estrella. Debido a que tal uso consumiría parte de la producción de energía de la estrella, la luminosidad también disminuiría. Por esta razón, se cree que tal vida podría existir dentro de las estrellas que se observa que se enfrían más rápido o más tenuemente de lo que predicen los modelos cosmológicos actuales.

Vida en una estrella de neutrones

Frank Drake sugirió en 1973 que la vida inteligente podría habitar en las estrellas de neutrones. Los modelos físicos de 1973 implicaban 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.

Científicos que han publicado sobre este tema

Los científicos que han considerado posibles alternativas a la bioquímica del agua y el carbono incluyen:

• J. B. S. Haldane (1892-1964), un genetista notó por su trabajo sobre la abiogénesis.
• V. Axel Firsoff (1910-1981), astrónomo británico.
• Isaac Asimov (1920-1992), bioquímico y escritor de ciencia ficción.
• Fred Hoyle (1915–2001), astrónomo y escritor de ciencia ficción.
• Norman Horowitz (1915–2005) Genética Caltech que diseñó los primeros experimentos realizados para detectar la vida en mars.
• George C. Pimentel (1922–1989), químico estadounidense, Universidad de California, Berkeley.
• Peter Sneath (1923–2011), microbiólogo, autor del libro Planetas y Vida.
• Gerald Feinberg (1933–1992), físico y Robert Shapiro (1935–2011), químico, coautores del libro Vida más allá de la Tierra.
• Carl Sagan (1934–1996), astrónomo, popularizador científico y proponente de SETI.
• Jonathan Lunine (nacido en 1959), científico y físico planetario americano.
• Robert Freitas (nacido en 1952), especialista en nanotecnología y nanomedicina.
• John Baross (nacido en 1940), oceanógrafo y astrobiólogo, que presidió un comité de científicos bajo el Consejo Nacional de Investigación de los Estados Unidos que publicó un informe sobre las condiciones límite de vida en 2007.