Vaihtoehtoinen biokemia

Vaihtoehtoinen biokemia tarkoittaa elämän kemiallista perustaa, joka ei pohjaudu samanlaiseen hiilen ja veden kemiaan tai samoihin aineenvaihdunnan molekyyleihin, kuin maapallolta tunnettujen elämänmuotojen kemia. Toistaiseksi vaihtoehtoiseen biokemiaan perustuvia eliöitä ei ole havaittu, mutta jotkut tutkijat ja etenkin tieteiskirjailijat kuten Isaac Asimov ovat kehitelleet arvioita sellaiseen perustuvasta elämästä.

Perusajatus 
Maapallon elämän kemia perustuu olennaisesti kuuteen alkuaineeseen, hiileen, vetyyn, happeen, typpeen, fosforiin sekä rikkiin. Erityisesti hapesta ja vedystä koostuva vesi toimii liuottimena ja hiili pystyy ketjuuntumaan suhteellisen vakaiksi pitkiksi molekyyleiksi, polymeereiksi. Tarkemmin elämämme hiilikemia pohjautuu valkuaisaineisiin, lipideihin ja nukleiinihappoihin.

Erääksi vaihtoehtoiseksi biokemiaksi on ehdotettu esimerkiksi hyvin vähän omasta kemiastamme poikkeavaa kemiaa, jossa on DNA:ta, mutta sen osamolekyylien kätisyys on päinvastainen kuin meillä. Tieteiskirjailijat ja tutkijat ovat ajatelleet, että voisi olla esimerkiksi elämää, jossa hiilen paikalla on esimerkiksi pii tai fosfori. Veden paikalle on sijoiteltu esimerkiksi vetyfluoridia ja ammoniakkia. Vaihtoehtoisella biokemialla eläville olioille maapallo saattaisi olla elinkelvoton. Kuitenkin vaihtoehtoinen biokemia mahdollistaisi elämän ympäristöissä, jotka esimerkiksi lämpötilaltaan ja kaasunpaineeltaan poikkeavat Maasta. Näin esimerkiksi kaasukehällisillä kylmillä kuilla voisi olla jonkinlaista elämää.

Vaihtoehtoisen biokemian keskeisiä ongelmia on muun muassa se, etteivät esimerkiksi piin ja ammoniakin kemialliset ominaisuudet ole elämän kannalta niin suotuisat kuin veden ja hiilen.

Meidän biokemiamme

Elämä maassa perustuu monimutkaisiin ketjumaisiin ja rengasmaisiin hiiliyhdisteisin, jotka reagoivat keskenään vesiliuoksessa. Vesi ja hiili ovat maailmankaikkeudessa yleisiä yhdisteitä. Elämän kannalta veden keskeisiä ominaisuuksia on muun muassa sen dipolisuus. Hiilen yhdisteet ovat kemiallisesti yleensä melko vakaita.

Olennaista elämän kannalta ovat ketjumainen DNA, joka koostuu muun muassa nukleotideista, ja proteiinit, jotka koostuvat aminohapoista. Proteiinit toimivat elävien olentojen solujen reaktioita ohjaavina entsyymeinä ja rakenneosina. DNA ja proteiinit liittyvät toisiinsa geneettisen koodin avulla.

Vaihtoehtoinen biokemia 

Kuumilla planeetoilla elämä voisi rakentua vaikkapa rikkiyhdisteiden varaan. Kylmällä planeetalla vettä saattaisi vastata metaani tai ammoniakki, joka on melko lupaava veden korvaaja. Hyvin kylmässä maailmassa vettä saattaisi vastata jopa nestemäinen vety tai kuumassa maailmassa sula rikki.

Hyvin kuumalla planeetalla, jossa rauta hehkuu, voisi olla fluoriin ja piihin pohjautuvaa elämää. Noin 150-400 celsiusasteessa elämä saattaisi Isaac Asimovin mukaan pohjautua fluoriin ja hiileen, jolloin veden paikalla olisi sula rikki. Noin -50 celsiusasteessa olisi veden paikalla nestemäinen ammoniakki ja hapen paikalla typpi.

Monet vaihtoehtoisen biokemian yhdisteet reagoivat herkemmin kuin hiileen ja veteen perustuvan elämän yhdisteet. Monet rikkiyhdisteet reagoivat herkästi ympäristön kanssa. Monet piiyhdisteiden ketjut ovat lyhyempiä kuin hiiliyhdisteet. Vedellä on monia elämälle suotuisia ominaisuuksia, joita esimerkiksi nestemäisellä ammoniakilla ei ole. Näin ollen hiilen ja veden ominaisuuksien voidaan päätellä olevan elämälle soveltuvampia kuin vaihtoehtoisten aineiden.

Veden paikalle ehdotettuja yhdisteitä 

Veden vastineita saattaisivat eräiden teorioiden mukaan olla sula rikki, rikkihappo, vetyfluoridi, ammoniakki. Maata kylmemmässä maailmassa veden roolissa olisivat nestemäinen metaani tai etaani, nestetyppi ja kylmimmässä 220 asteen pakkasessa nestemäinen vety. Vetymaailmassa eliöiden liikkeet ja aineenvaihdunta saattaisivat olla hyvin hitaita.

Ammoniakkielämä 

Ammoniakki on maailmankaikkeudessa yleinen yhdiste, ja senkin takia sitä on monesti ehdotettu veden paikalle vaihtoehtoisessa biokemiassa. Ammoniakkiliuoksessa tapahtuu lukuisia kemiallisia reaktioita, ja ammoniakilla on monia yhteisiä kemiallisia ominaisuuksia veden kanssa. Ammoniakkiin liukenee monia orgaanisia yhdisteitä niin kuin veteenkin ja lisäksi monia metalleja.

Toisaalta ammoniakkiin liittyy elämän biokemiaa ajatellen myös monia ongelmia. Ammoniakki on yksinapainen, ei-polaarinen yhdiste toisin kuin vesi. Veden polaarisuuden tiedetään olevan elämälle välttämätön. Ammoniakkiin ei synny niin helposti Maan biokemian käyttämiä vettä hylkiviä "hydrofobisia" yhdisteitä, joista solukalvo suureksi osaksi koostuu. Ammoniakki on myös herkästi syttyvää ja hapen kanssa reagoivaa, mutta voi olla vakaa pelkistävässä ympäristössä. Maan nykyinen ympäristö on pääosin hapettava.

Ammoniakin toinen rasite on se, että sen molekyylien väliset vetysillat ovat heikompia kuin vesimolekyylien väliset. Näin ammoniakin höyrystymislämpö on puolet veden höyrystymislämmöstä ja pintajännitys kolmasosa veden pintajännityksestä, jolloin se ei niin helposti keskitä hydrofobisia molekyylejä kuin vesi.

Maan ilmanpaineessa ammoniakki on nestemäistä vain alhaisessa lämpötilassa, mikä tuottaisi ongelmia eliöille, sillä kylmässä kaikki kemialliset reaktiot hidastuvat. Ammoniakkielämä olisi lämpötilavälillä −78 °C–−33 °C (195–240 K).

Ammoniakkielämä ei silti merkitse välttämättä elämää kylmässä. Suuressa 60 ilmakehän (atm) paineessa ammoniakki on nestemäinen laajalla lämpötilavälillä −77 °C–98 °C (196–371 K). Tämä voisi lisätä ammoniakkielämän todennäköisyyttä. Ammoniakin lisäksi sopiva voisi olla ammoniakki-vesiseos, joka kiinteytyy alemmassa lämpötilassa kuin vesi. Tämä voisi lisätä elämän todennäköisyyttä siellä, missä vesi muuten jäätyy, esimerkiksi Saturnuksen kuussa Titanissa. On arvailtu, että polylipidit voisivat korvata proteiinit ei-polaarisissa nesteissä muun muassa ammoniakissa ja nestemäisessä vedessä tai vaikkapa metaanissa/etaanissa. 
Ammoniakkieliö saattaisi ehkä hengittää typpeä. Ammoniakkieliö saattaa olla biokemialtaan hiilipohjainen ja käyttää Steve Bennerin mukaan hiili-happisidospohjaisen aineenvaihdunnan sijasta hiili-typpi-aineenvaihduntaa.

Vetyfluoridi 

Vetyfluoridi (HF) on veden tavoin polaarinen yhdiste, joka liuottaa monia ioniyhdisteitä, mikä mahdollistaa monia kemiallisia reaktioita. Vetyfluoridi on nestettä normaalioloissa välillä -84 °C – 19,54 °C eli suunnilleen yhtä laajalla lämpötila-alueella kuin vesi. Se muodostaa veden ja ammoniakin tavoin ympäristön molekyylien kanssa vetysidoksia. Ehkä HF-nesteessä elävä olio käyttää fluoria fotosynteesiin. HF-perustaista elämää ei ole paljon tutkittu. Vetyfluoridi ei liene niin yleinen yhdiste maailmankaikkeudessa kuin vesi ja ammoniakki.

Muita yhdisteitä 

Joskus on ehdotettu metaania ja etaania veden paikalle. Niiden ongelma on polaarisuuden puute. Metanoli, vetysulfidi ja vetykloridi ovat esiintyneet arvailujen joukossa. Vetysulfidi ja vetykloridi ovat maailmankaikkeudessa harvinaisia. Niin ikään harvinaista formamiinia eli metanamidia on ehdotettu. Se sulaa 2-3 asteessa ja kiehuu 210 asteessa. Marsin lämpötiloissa elämälle voisi kelvata veden ja vetyperoksidin seos. Painon mukaan laskien 61,2 % vettä sisältävä vetyperoksidi-vesiseos jäätyy -56,2 °C:ssä.Tämä seos on hygroskooppinen, mistä on etua vedettömässä ympäristössä, ja se alijäähtyy helpommin kuin vesi.

Hiilen paikalle ehdotettuja alkuaineita 

Elämälle soveltuvien atomien on voitava muodostaa vakaita ketjuja ja renkaita hiilen tavoin. Useimmiten hiilen paikalle ehdotetaan piitä, fosforia tai rikkiä. Nämä muodostavat ketjuja ja renkaita, mutta rakenteet eivät ole vakaita Maan tyyppisessä ympäristössä.

Piielämä

Hiilen paikalle on monesti ehdotettu piitä, koska se kuuluu alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä samaan ryhmään kuin hiili ja siksi muistuttaa kemiallisilta ominaisuuksiltaan hiiltä. Sillä on siksi hiilen kanssa monia yhteisiä kemiallisia ominaisuuksia. Pii hiilen paikalla on ainakin Maan lämpötiloissa ja hapettavassa ympäristössä ongelmallinen. Piielämä saattaakin vaatia hapen vaihtoa rikkiin, typen vaihtoa fosforiin ja vedyn vaihtoa fluoriin tai klooriin.

Maapallon eliöistä esimerkiksi piilevät (Bacillariophyta) tuottavat piihappoa.

Koska piiatomit ovat hiiliatomeja suurempia, niiden on vaikeampaa muodostaa elämälle välttämättömiä kaksin- ja kolminkertaisia kovalenttisia sidoksia toisten piiatomien ja muiden alkuaineiden kanssa. Pii synnyttää huomattavasti vahvempia kemiallisia sidoksia kuin hiili, minkä vuoksi piisidoksia on tarpeen tullen vaikeampi katkaista. Elämähän perustuu yhtä hyvin hiilisidosten syntyyn ja tarpeen vaatiessa katkomisiin. Samoin myös pii-happi- ja pii-vety-sidokset ovat hiili-vety-sidoksia ja hiili-happi-sidoksia vahvempia, eikä piille synny samanlaisia renkaita ja ketjuja kuin hiilipohjaisessa biokemiassa..

Silaanit ovat hiilivetyjä vastaavia piin ja vedyn yhdisteitä. Niiden huono puoli on suuri reagoivuus veden kanssa ja pitkien silaaniketjujen hajoaminen itsestään. Rengasmaisia hiilivetyjä vastaavia syklosilaaneja on olemassa, mutta ne tunnetaan melko heikosti.

Pii-happiketjut eli silikonit ovat vakaampia ja niitä on ehdotettu rikkihappopitoiseen maailmaan. Silti ne ovat epävakaampia kuin hiiliyhdisteet vedessä. Piin hapettuminen tuottaa piidioksidia, minkä aiheuttaisi piiperustaiselle elämälle vaikeuksia happipitoisessa ympäristössä, koska piidioksidi ei liukene lainkaan nestemäiseen veteen. Hiili on tähtienvälisessä pölyssä huomattavasti piitä yleisempi yhdisteiden osa. Toistaiseksi tunnetaan 84 hiileen perustuvaa tähtienvälisessä aineessa esiintyvää yhdistettä, kun 4 yhdistettä perustuu hiileen ja piihin ja ainoastaan 4 pelkkään piihin. Lisäksi hiili on kymmenen kertaa piitä yleisempää maailmankaikkeudessa, mikä viittaa siihen, että hiilen merkitys elämän perusosana on olennaisen tärkeä mahdollista maan ulkopuolista elämää ajatellen.

Piitä on ehdotetu Maasta poikkeaviin lämpötiloihin ja paineisiin hiilen tilalle tai hiilen tilalle yhdessä jonkin muun yhdisteen kanssa.  Piielämää saattaa esiintyä joko hyvin kuumissa tai kylmissä olosuhteissa. Piistä syntyy hiilen kanssa hiilivetymaailman alkoholeja vastaavia silanoleja, jotka liukenevat alkoholin tavoin moniin liuottimiin jopa nestemäisen typen kylmyydessä. Tämän takia myös kylmässä, missä kemialliset reaktiot ovat hitaampia, saattaa olla elämää.

Piieliön anergia-ainevaihdunta saattaisi tapahtua elektroneilla eikä protoneilla niin kuin ATP-ADP-maailmassa hiilipohjaisilla eliöillä. Piielämän liuottimiksi on ehdotettu metaania ja etaania, jota on esimerkiksi Saturnuksen kuu Titanissa..

Typpi ja fosfori 

Fosfori (P) synnyttää ketjumolekyylejä. Yksinäinen fosfori reagoi helposti ympäristönsä kanssa, ja silloin siihen perustuva elämä tärveltyy helposti pilalle. Fosforin ja typen ketjut eli P-N-ketjut ovat hieman vakaampia. Typpeä ja fosforia käyttävät eliöt olisivat siis lyhentäen PN-eliöitä. Typpimolekyyleistä koostuva kaasukehä ei liene typpeä käyttäville eliöille hyvä, koska molekulaarisen typen hyödyntäminen vaatii paljon energiaa. Typpeä ainakin osaksi käyttävälle elämälle parempia kaasukehän typpipitoisia aineita voisivat olla ehkä ammoniakki ja typpidioksidi (NO2). Ammoniakkikaasukehä saattaisi olla suhteellisen kylmä. Tässä kaasukehässä saattaisi olla myös muita hapen ja typen yhdisteitä: typpitetroksidia, typpimonoksidia ja dityppioksidia. Typpi-fosfori-kasvit eli PN-kasvit saattaisivat ottaa ilmakehän typpioksidia ja maaperän fosforia ja tuottaa ilmaan "yhteyttämisessään" happea. Tällöin PN-maailman eläimet hengittäisivät sisään happea ja ulos typpidioksidia, ja ulostaisivat fosforipitoista ainetta.

Ammoniakkikaasukehässä PN-kasvi imisi fosforia maasta, hengittäisi ammoniakkia ilmasta, ja tuottaisi yhteyttämisessään ulos vetyä. Tällöin eläimet hengittäisivät vetyä sisään ja ammoniakkia ulos. Tällaisen maailman eläimet olisivat pelkistäjiä ja muistuttaisivat Maan metaania tuottavia bakteereita eivätkä niitä eliöitä, jotka tuottavat hiilidioksidia. PN-kemiasta keskustellaan, vaikka jotkin sen osat ovat energiatuotoltaan huonoja tai energiaa vaativia, ja fosfori on hiiltä harvinaisempaa. Maan elävissä eliöissä fosforin happiyhdisteet ovat merkittävässä osassa solujen energiataloudessa muun muassa energiaa välittävän ATP:n tuotossa.

Rikki

Rikki esiintyy monessa muodossa. Se synnyttää myös rengasmaisia ja ketjumaisia molekyylejä. Niinpä hiilen korvikkeeksi on ehdotettu rikistä ja vedystä koostuvia rikki-happi-rikki-ketjuja. Sekä yksinäinen rikki että rikkiketjut reagoivat ympäristönsä kanssa hyvin herkästi, mikä vaikeuttaa niihin perustuvan elämän mahdollisuutta. Lisäksi rikki on hiiltä harvinaisempi alkuaine. Rikillä on silti merkitystä meidänkin solujemme toiminnassa. Maapallon hapettomissa oloissa elävät rikkibakteerit käyttävät aineenvaihdunnassaan rikkiä hapen sijaan ja tuottavat vetysulfidia. Nykyisten rikkibakteerien kaltaisten eliöiden arvellaan olleen eräitä maapallon varhaisimmista eliöistä.

Arseeni 

Kemiallisilta ominaisuuksiltaan fosforia muistuttava arseeni on useimmille Maan eliöille myrkyllistä, mutta joissain merilevissä esiintyy arsenosokereita ja mm. Panulirus cygnus -äyriäislajissa arsenobetaiineja, joiden molekyylirakenteessa arseenia esiintyy hiilen seassa. Myös jotkin sienet ja bakteerit tuottavat arseeniyhdisteitä. Eräät mikrobit käyttävät arseenia elektronin vastaanottajana ja energian luovuttajana. On jopa väitetty varhaisten eliöiden käyttäneen arsenikkia fosforin paikalla DNA:ssa.

Vaihtoehtoinen kaasukehä 

Monilla Aurinkokunnan eri planeetoilla on kaasukehä, joka koostuu toisista kaasuista kuin Maassa. Maan kaasukehästä noin 78 % on typpeä, 21 % happea ja loput muista kaasuja. Typen suuri määrä estää osaltaan happea hapettamasta eläviä olioita ja ympäristöä. Esimerkiksi Marsissa ja Venuksessa kaasukehän pääasiallinen ainesosa on hiilidioksidi. Maan historiassa uskotaan typen ja hapen määrien lisääntyneen aikojen saatossa ja alkuilmakehässä olleen runsaasti hiilidioksidia ja ehkä myös metaania. Tällöin ensimmäiset elävät oliot elivät melko erilaisessa kaasukehässä. Yhteyttävien eliöiden uskotaan lisänneen ilmakehän happea ja "maankaltaistaneen Maan" luomalla muun muassa hiilen, hapen ja typen kiertokulut nykyiselleen.

Kloorille on joskus ehdotettu hapen paikkaa, mutta sen uskotaan olevan kaasukehissä hyvin harvinainen, ja se sitoutuu mieluummin suolayhdisteisiin.

Muuttuva ympäristö 

Eliöt sopeutuvat muuttuvaan ympäristöön. Vieraalla planeetalla saattaisi esimerkiksi lämpötila vaihdella enemmän ja nopeammin. Tällöin saattaisi kehittyä muotoja, jotka kestävät pitkää kylmyyttä ja kuivuutta vaipumalla horrokseen. Eliöillä saattaisi olla ei-aktiivisia jopa tuhansia vuosia kestäviä itiövaiheita tai vaikkapa muodonvaihdos, joka riippuu planeetan lämpötilasta.

Toisenlaiset yhteyttäjät ja ei-yhteyttävät kasvit
Maassa sienet kilpailevat kasvien kanssa. Uskotaan, että toisella tavoin yhteyttävät kasvit voivat olla toisenvärisiä. On väitetty, että yhteyttämättömät kasvit saattavat olla sinisiä. Monilla eliöillä melaniini suojaa eliöitä UV-säteilyltä, mutta joillain sienillä se muuttaa gammasäteilyä sienille sopivaksi energiaksi.

Toisenlaiset elävät eliöt

Hiiliperustaisellakin elämällä voi olla eri muotoja riippuen planeetasta. Vetisellä planeetalla saattaisi elää kalamaisia älyllisiä eliöitä. Raskaalla planeetalle elävät saattaisivat olla maassa hitaasti ryömiviä matelijoita muistuttavia. Paksu nahka voisi suojata kemiallisesti aktiivista kaasukehää vastaan. Tai toukkamaisia. Alhaisen painovoiman planeetalle monet eliöt saattaisivat olla luustoltaan hyvin kevytrakenteisia  ja liikkua planeetallaan nopeasti loikkien.

Elämää tähtienvälisessä pilvessä 

Tähtienvälisissä pilvissä tiedetään mittausten perusteella olevan pölyhiukkasia, joiden pinnalla tapahtuu säteilyn vaikutuksesta kemiallisia reaktioita. On arvailtu, että tämä voisi suotuisissa oloissa tuottaa elämää.

Katso myös 

Elinkelpoinen planeetta
Elinkelpoinen vyöhyke

Lähteet

Aiheesta muualla

Astronomy FAQ
Ammonia-based life
Silicon-based life

Astrobiologia
Tieteiskirjallisuus