Hier auf der Erde ist Kohlenstoff die Grundlage allen Lebens, von Pflanzen über Pilze bis hin zu Tieren. Die am weitesten verbreitete Alternative ist Silizium, aber unter den über 100 anderen Elementen als Kohlenstoff und Silizium gibt es sicherlich andere Optionen für Lebensgrundlagen. Welche der vorhandenen Elemente können möglicherweise als Grundlage für das Leben dienen? Was sind ihre Vor- und Nachteile im Vergleich zu Carbon?
Wikipedia hat dafür einen vollständigen Artikel: https://en.wikipedia.org/wiki/Hypothetical_types_of_biochemistry - Der größte Teil dieser Antwort basiert auf diesem Artikel.
Grundsätzlich wäre alternative Biochemie:
Fast alle irdischen Aminosäuren haben eine L-Form und Zucker haben eine D-Form. Aber das Leben auf einem anderen Planeten könnte LL, DL oder DD annehmen.
Silizium : Silizium ist der häufigste Kandidat als Ersatz für Kohlenstoff, aber Moleküle, die aus langen Siliziumsequenzen (diese werden als Silane bezeichnet) hergestellt werden, neigen dazu, chemisch viel weniger stabil zu sein als ihre Gegenstücke aus Kohlenstoff. Darüber hinaus ist Silizium viel häufiger als Kohlenstoff auf der Erde, und selbst damit basiert das Leben hier auf Kohlenstoff. Jedenfalls bleibt es als möglicher Kandidat.
Silikon : Abwechselnde Sequenzen von Silizium und Sauerstoff (auch bekannt als Silikone) sind viel stabiler als lange Sequenzen nur aus Silizium, daher funktionieren Silikone tendenziell besser als Silane. Polysilanole sind die Silikonverbindungen analog zu kohlenstoffbasierten Zuckern und sie sind in flüssigem Stickstoff löslich.
Bor : Borsequenzen, Borane genannt, sind in der Erdatmosphäre hochexplosiv, könnten aber auf einem anderen Planeten lebensfähig sein. Bor ist jedoch relativ zu selten, um als praktikable Alternative angesehen zu werden.
Schwefel oder Phosphor : Auch diese können in manchen Situationen lange Ketten bilden, neigen jedoch dazu, noch weniger stabil zu sein als Silane.
Metalle : Einige mit Sauerstoff gemischte Metalle sind sehr gut in der Lage, sehr komplexe Moleküle zu bilden. Viele Metalle sind jedoch relativ selten, sodass Ihnen nur noch wenige Optionen übrig bleiben, nämlich Titan, Aluminium, Magnesium und Eisen, die noch häufiger vorkommen als Kohlenstoff.
Wasser ist wichtig, da es eine Flüssigkeit ist, die als Lösungsmittel für eine Vielzahl von Substanzen wirken kann und auch einen ziemlich großen Flüssigkeitstemperaturbereich hat. Nur wenige Substanzen haben diese Eigenschaften, aber es gibt einige, nämlich:
Ammoniak : Bei niedrigen Temperaturen (dh Planeten, die ziemlich weit von ihren Wirtssternen entfernt kreisen) wird Ammoniak zu einer Flüssigkeit, die als Lösungsmittel für eine große Fülle von Substanzen fungieren kann und einen angemessen großen Bereich der Flüssigkeitstemperatur hat. Der Flüssigkeitsbereich ist nicht so groß wie Wasser, aber auf diesen kalten Planeten, wo es flüssig bleibt, schwankt die Temperatur vielleicht nicht so stark wie auf der Erde. In Umgebungen mit hohem Druck hat Ammoniak jedoch einen noch größeren Flüssigkeitsbereich als Wasser. Außerdem löst Ammoniak viele Metalle noch besser als Wasser.
Fluorwasserstoff : Hat einen geeigneten Flüssigkeitstemperaturbereich, ähnlich wie Wasser, aber bei kälteren Temperaturen. Es ist auch in der Lage, für viele Substanzen als Lösungsmittel zu fungieren. Es wird jedoch als zu selten angesehen, um ein brauchbarer Kandidat zu sein.
Schwefelwasserstoff : Ein gutes Lösungsmittel, aber nicht so gut wie Wasser oder Ammoniak. Aber gemischt mit einem kleinen Anteil an Fluorwasserstoff wird es großartig. Leider weist es einen engen Bereich der Flüssigkeitstemperatur auf, aber es könnte bei hohen Drücken arbeiten, wo sein Flüssigkeitsbereich besser ist.
Methan und andere einfache Kohlenwasserstoffe: Titan hat Seen aus Kohlenwasserstoffen, hauptsächlich Ethan und Methan. Übrigens, entsprechend dem Wikipedia-Artikel schlagen einige Leute wie Darrell Strobel von der John Hopkins University vor, dass Titan tatsächlich kohlenwasserstoffbasiertes Leben aufweist, das Kohlenwasserstoffe zu Wasserstoff kombiniert und Ethan und Acetylen zu Methan reduziert (etwas Analoges zu dem, was viele Organismen hier in Erde tun, um zu atmen). Wasser ist ein stärkeres Lösungsmittel als Methan, dies ist jedoch nicht unbedingt ein Nachteil von Methan, da dies bedeuten könnte, dass es besser als Wasser in der Lage ist, Moleküle, die für biologische Reaktionen nützlich sind, selektiv zu konservieren. Computermodelle zeigen auch, dass Zellmembranen auf der Basis von Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff in der Lage sind, in flüssigem Methan zu arbeiten (die Zellmembranen der Erde verwenden Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Phosphor). Sehen Sie mehr hier. Außerdem könnte laut Chris McKey auf Methan basierendes Leben im Universum häufiger vorkommen als auf Wasser basierendes Leben.
Siliziumdioxid : In der Erde wird daraus Glas oder Sand, ein Feststoff. Bei höheren Temperaturen (höher als das, was wir auf der Venus sehen) wird es jedoch flüssig. Es braucht immer noch hohen Druck, um einen möglichen brauchbaren Flüssigkeitsbereich zu halten, der für organische Reaktionen nicht zu heiß ist.
Und es gibt andere mögliche Ersatzstoffe für Wasser bei geeignetem Temperatur- und Druckbereich: Chlorwasserstoff; Cyanwasserstoff; Schwefelsäure; Formamid; Methanol; Flüssigstickstoff; flüssiger Wasserstoff; überkritischer Wasserstoff; überkritisches Kohlendioxid; flüssiges Natriumchlorid (auch bekannt als Salz); und Wasser gemischt mit Wasserstoffperoxid (H 2 O 2 ).
Weitere Informationen zu den Lösungsmitteln finden Sie hier.
Phosphor ist ein essentielles Atom in der Biochemie, das an der Struktur von DNA und RNA beteiligt ist und als Teil von ATP Energie transportiert. Es könnte durch Arsen ersetzt werden. Obwohl es für fast alles Leben auf der Erde giftig ist, gibt es mindestens eine bekannte Bakterienart, die zumindest einen Teil ihres Phosphors durch Arsen ersetzen kann. Arsen ist jedoch eher selten und im Vergleich zu Phosphor chemisch schwach ausgeprägt.
Einige Bakterien „atmen“ tatsächlich Schwefel anstelle von Sauerstoff. Tatsächlich waren schwefelreduzierende Bakterien auf der Urerde weit verbreitet, bevor wir eine sauerstoffreiche Atmosphäre hatten.
Wenn die Hypothese vom Leben im Titan richtig ist, sollten Titans Bakterien Ethan und Acetylen anstelle von Sauerstoff atmen und Ethan anstelle von Kohlendioxid ausstoßen. Oder vielleicht Wasserstoff, Ethan und Acetylen absorbieren und Methan produzieren.
Lebewesen, die Schwefelwasserstoff als Lösungsmittel verwenden, könnten Schwefelmonoxid einatmen, wodurch Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid entstehen.
DNA besteht aus vier Nukleobasen - Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin. RNA ist ähnlich, ersetzt aber Thymin durch Uracil. Es gibt jedoch andere mögliche Nukleobasen, die in Labors synthetisiert wurden oder die möglicherweise in der frühen Erde abiotisch vorgekommen sind und vom Leben auf der Erde nicht verwendet wurden, was auf anderen Planeten möglicherweise nicht der Fall ist. Bemerkenswert ist ein 2014 im Scripps Research Institute durchgeführtes Experiment ( siehe hier ), bei dem zwei künstliche Nukleobasenpaare, nämlich d5SICS und dNaM, zum Genom von Eschera Coli hinzugefügt wurden und in ihrer DNA mit hoher Genauigkeit repliziert werden konnten, ohne die Fähigkeit zu beeinträchtigen der Bakterien, sich zu reproduzieren, noch ihre Fähigkeit, DNA-Schäden selbst zu reparieren, noch den Verlust dieser künstlichen Basen mit der Zeit.
Darüber hinaus verwendet der genetische Code Tripletts von Nukleobasen, um Aminosäuren zu synthetisieren, von denen 21 auf natürliche Weise synthetisiert werden, aber viele nicht standardmäßige Aminosäuren bekannt sind . Eine alternative Biochemie könnte vielleicht Quads oder Paare von Nukleobasen verwenden, um Aminosäuren zu bilden, vielleicht unter Verwendung von Nicht-Standard-Nukleobasen und/oder Produzieren von Nicht-Standard-Aminosäuren.
Es gibt viele alternative Formen zu DNA und RNA. Diese alternativen Formen für RNA und DNA werden gemeinsam als XNA bezeichnet . Einige von ihnen sind:
PNA , das ein Kandidat für einen DNA-Ersatz ist, und es wurde vermutet, dass das sehr frühe Leben auf der Erde auf PNA statt auf DNA basiert, da PNA in Wasser bei hohen Temperaturen und Drücken spontan polymerisieren kann. Es ist nicht bekannt, dass PNA auf der Erde natürlich vorkommt, aber sein Rückgratmolekül wird auf natürliche Weise von einigen Cyanobakterien produziert.
TNA und GNA . Diese wurden in Labors hergestellt und sind dafür bekannt, genetische Informationen genauso gut zu speichern wie DNA. TNA verhält sich ähnlich wie RNA und GNA könnte entweder RNA oder DNA ersetzen. Es ist jedoch nicht bekannt, dass diese in der Natur vorkommen, sie wurden in Labors synthetisiert, aber es wird die Hypothese aufgestellt, dass sie auf der primitiven Erde aufgetreten sein könnten und Vorläufer von DNA und RNA sein könnten. Es ist auch bemerkenswert, dass GNA einfacher, stabiler und hitzebeständiger als DNA oder RNA ist. TNA ist auch strukturell einfacher als RNA.
LNA : Ein möglicher Ersatz für RNA in einigen xenobiologischen Umgebungen.
xDNA : Ein künstlicher DNA-Ersatz, der zusätzlich zu den üblichen vier Nukleobasen vier zusätzliche Nukleobasen aufweist. Diese vier alternativen Nukleobasen sind Modifikationen der Standard-Nukleobasen, bei denen jeder ein zusätzlicher Benzolring hinzugefügt wurde. Das resultierende Molekül (xDNA) ist bei hohen Temperaturen stabiler als normale DNA und ist für die Integration in ansonsten reguläre DNA nicht kompatibel.
Ich habe keine Ahnung, was für ein Molekül ein Nukleobasen-, Aminosäure-, DNA- oder RNA-Ersatz sein könnte, der nicht auf Kohlenstoff basiert, und ich bezweifle, dass die heutige Wissenschaft über genügend Wissen verfügt, um einen Kandidaten dafür vorzuschlagen.
Basierend auf all dem denke ich, dass einige mögliche alternative Biochemien sind:
(Titans Umgebung): Niedrige Temperatur. 45% größerer atmosphärischer Druck als die Erde. Methan und Ethan sind die Lösungsmittel. Auf Kohlenstoff basierendes Leben, das Methan und Ethan atmet und Acetylen ausstößt. Eine andere Möglichkeit ist das Atmen von Wasserstoff, Ethan und Acetylen, wodurch Methan entsteht. Diese beiden Möglichkeiten könnten sich ergänzen und in derselben Umgebung leben, genau wie Pflanzen und Tiere. Ich weiß nicht, ob ein Ersatz für DNA und RNA notwendig wäre oder nicht, noch was es sein könnte. Dementsprechend würde eine solche Welt davon profitieren, einen roten Zwergstern zu umkreisen, aber dies ist nicht obligatorisch.
Ähnlich wie die Erde, aber mit GNA und TNA als Ersatz für DNA und RNA. Eventuell mit verschiedenen Aminosäuren.
Niedrige Temperatur. Hoher Druck. Ammoniak-Lösungsmittel. Kohlenstoffbasiertes Leben. Ich weiß nicht, ob ein Ersatz für DNA und RNA notwendig wäre oder was es sein könnte.
Niedrige Temperatur. Erdähnlicher Druck. Flüssiges Stickstofflösungsmittel. Leben auf Silikonbasis. Etwas ganz anderes als DNA und RNA würde für die Genetik benötigt, aber ich habe keine Ahnung, was es sein könnte.
Niedrige Temperatur. Hoher Druck. Schwefelwasserstofflösungsmittel, gemischt mit etwas Fluorwasserstoff. Auf Kohlenstoff basierendes Leben, das Schwefelmonoxid atmet, das Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid erzeugt. Ich weiß nicht, ob ein Ersatz für DNA und RNA notwendig wäre oder was es sein könnte.
Niedrige Temperatur. Niedriger Druck. Als Lösungsmittel wird ein Gemisch aus Wasser und Wasserperoxid verwendet. Kohlenstoffbasiertes Leben. Keine Ahnung, wie der Stoffwechsel aussehen würde oder was DNA und RNA ersetzen würde, aber es müsste sich nicht so sehr von dem unterscheiden, was auf der Erde passiert, verglichen mit den anderen Möglichkeiten.
Hohe Temperatur. Hoher Druck. Als Lösungsmittel werden Siliziumdioxid und Silikate verwendet. Leben auf Silikon- oder Aluminiumbasis. Keine Ahnung, was der Stoffwechsel wäre oder was DNA und RNA ersetzen würde.
Hohe Temperatur. Hoher Druck. Schwefelsäure als Lösungsmittel. Ich weiß nicht, ob auf Kohlenstoffbasis oder auf Silikonbasis, noch was der Stoffwechsel wäre, noch was DNA und RNA ersetzt.
Hohe Temperatur. Hoher Druck. Überkritisches Kohlendioxidlösungsmittel mit geringen Mengen an überkritischem Wasser. Kohlenstoffbasiertes Leben. Ich kenne weder den Stoffwechsel noch was DNA und RNA ersetzen würde.
Es könnte noch viel mehr mögliche Kombinationen geben, aber ich denke, dass die Aufzählung bereits gut genug ist. Das Wissen über alternative Biochemie steckt noch in den Kinderschuhen, daher gibt es viele Spekulationen und Unsicherheiten und nur sehr wenige sichere Kenntnisse darüber, was die mögliche Biochemie für außerirdische Formen sein könnte oder nicht.
Vor einiger Zeit habe ich eine Geschichte geschrieben, Learning Curve, über Leben auf Siliziumbasis, das in geschmolzenen Schwefelwasserleitern auf dem Jupitermond von Io lebt. Io scheint die physikalischen Eigenschaften zu haben, die es ermöglichen würden, komplexe Moleküle auf der Basis von Silizium und Schwefel stabil zu halten, da es vollständig ausgetrocknet ist. Trotzdem gibt es auf Io sicherlich einen thermischen und elektrischen Energiegradienten. Leben kann als ein sich selbst replizierendes System definiert werden, das einen Energiegradienten nutzt, um entropische Stasis oder Kollaps lokal umzukehren. Natürlich hätte ein solches Leben sehr fremde Möglichkeiten, diese Energie zu nutzen. Eines der interessanten Dinge an Schwefel ist, dass er im Gegensatz zu Wasser einen absurd niedrigen Dampfdruck bei oder deutlich über der Schmelztemperatur hat. Dies macht es zu einer idealen Flüssigkeit für einen Organismus, der nahezu im Vakuum lebt. Schutzhäute müssten nicht so druckfest sein wie unsere Raumanzüge, obwohl Wärmeverlust durch Wärme immer noch ein Problem wäre. Die meisten Einwände gegen Schwefel als Lebensflüssigkeit basieren auf den Eigenschaften von reinem Schwefel, etwas, das Schwefel auf Io definitiv nicht wäre. Verunreinigungen in geschmolzenem Schwefel würden die Viskosität, Löslichkeit und andere Eigenschaften drastisch verändern und den Bereich möglicher chemischer Wechselwirkungen vergrößern. Viele Leute gehen davon aus, dass Siliziumleben kristallin ist, aber das ist genauso albern, wie anzunehmen, dass Leben auf Kohlenstoffbasis wie eine Doppelhelix aussehen würde. Auf makroskopischer Ebene sieht das auf Silizium basierende Leben möglicherweise nicht kristalliner aus als das Leben auf der Erde. Eine Gefahr besteht darin, dass Silizium-Schwefel-Leben Feuer fangen oder sogar explodieren könnten, wenn sie terrestrischen Bedingungen ausgesetzt werden. Die meisten Einwände gegen Schwefel als Lebensflüssigkeit basieren auf den Eigenschaften von reinem Schwefel, etwas, das Schwefel auf Io definitiv nicht wäre. Verunreinigungen in geschmolzenem Schwefel würden die Viskosität, Löslichkeit und andere Eigenschaften drastisch verändern und den Bereich möglicher chemischer Wechselwirkungen vergrößern. Viele Leute gehen davon aus, dass Siliziumleben kristallin ist, aber das ist genauso albern, wie anzunehmen, dass Leben auf Kohlenstoffbasis wie eine Doppelhelix aussehen würde. Auf makroskopischer Ebene sieht das auf Silizium basierende Leben möglicherweise nicht kristalliner aus als das Leben auf der Erde. Eine Gefahr besteht darin, dass Silizium-Schwefel-Leben Feuer fangen oder sogar explodieren könnten, wenn sie terrestrischen Bedingungen ausgesetzt werden. Die meisten Einwände gegen Schwefel als Lebensflüssigkeit basieren auf den Eigenschaften von reinem Schwefel, etwas, das Schwefel auf Io definitiv nicht wäre. Verunreinigungen in geschmolzenem Schwefel würden die Viskosität, Löslichkeit und andere Eigenschaften drastisch verändern und den Bereich möglicher chemischer Wechselwirkungen vergrößern. Viele Leute gehen davon aus, dass Siliziumleben kristallin ist, aber das ist genauso albern, wie anzunehmen, dass Leben auf Kohlenstoffbasis wie eine Doppelhelix aussehen würde. Auf makroskopischer Ebene sieht das auf Silizium basierende Leben möglicherweise nicht kristalliner aus als das Leben auf der Erde. Eine Gefahr besteht darin, dass Silizium-Schwefel-Leben Feuer fangen oder sogar explodieren könnten, wenn sie terrestrischen Bedingungen ausgesetzt werden. Löslichkeit und andere Eigenschaften, die den Bereich möglicher chemischer Wechselwirkungen erhöhen. Viele Leute gehen davon aus, dass Siliziumleben kristallin ist, aber das ist genauso albern, wie anzunehmen, dass Leben auf Kohlenstoffbasis wie eine Doppelhelix aussehen würde. Auf makroskopischer Ebene sieht das auf Silizium basierende Leben möglicherweise nicht kristalliner aus als das Leben auf der Erde. Eine Gefahr besteht darin, dass Silizium-Schwefel-Leben Feuer fangen oder sogar explodieren könnten, wenn sie terrestrischen Bedingungen ausgesetzt werden. Löslichkeit und andere Eigenschaften, die den Bereich möglicher chemischer Wechselwirkungen erhöhen. Viele Leute gehen davon aus, dass Siliziumleben kristallin ist, aber das ist genauso albern, wie anzunehmen, dass Leben auf Kohlenstoffbasis wie eine Doppelhelix aussehen würde. Auf makroskopischer Ebene sieht das auf Silizium basierende Leben möglicherweise nicht kristalliner aus als das Leben auf der Erde. Eine Gefahr besteht darin, dass Silizium-Schwefel-Leben Feuer fangen oder sogar explodieren könnten, wenn sie terrestrischen Bedingungen ausgesetzt werden.
Seit der Voyager haben wir viel mehr über Io gelernt und die Möglichkeit unterirdischer Schwefelmeere wurde verringert, aber nicht vollständig ausgeschlossen. Ich hoffe, eines Tages ein „Lebewesen“ auf einem Raumsonden-Viewer über den ockerfarbenen Sand von Pele Patera rollen zu sehen.
Wenn Sie nach bestimmten molekularen Polymeren suchen:
Die Klammern geben Elemente oder Reste an, die sich im Molekül befinden. Ich habe das vom 1 . Soweit ich das beurteilen kann, könnten Sie die Kohlenwasserstoffe durch Biomoleküle Ihrer Wahl ersetzen.
celtschk