ביוכימיה אלטרנטיבית

סוגים היפותטיים של ביוכימיה או ביוכימיה אלטרנטיבית היא תאוריה על צורות ביוכימיה של אורגניזמים שאינם מבוססי פחמן או מים. כל צורות החיים המוכרים לנו בכדור הארץ מתרבים, בעלי חילוף חומרים ומבוססים על פחמן ועל מים. אורגניזמים מחוץ לכדור הארץ יכולים להיות שונים כימית באופן מהותי, החומרים המרכיבים את גופם עשויים להיות שונים והתהליכים הפנימיים מתבססים על תגובות כימיות שונות מאלו שמוכרים לנו בכדור הארץ. האפשרויות המרכזיות שהמדע רואה כסבירות הן חיים על פני אקזופלנטה או ירח בעל מתכתיות גבוהה יחסית, שכן תנאי הכרחי לחיים הוא קיום מולקולות. אפשרות של חיים מחוץ לכדור הארץ שהביוכימיה שלהם שונה מופעים בעיקר בסיפורי מדע בדיוני או בסרטים, כגון מלחמת הכוכבים או מסע בין כוכבים. צורן או סיליקה מתאים להחליף את הפחמן בשל תכונות כימיות דומות (יחד בקבוצה בטבלה מחזורית, "קבוצת הפחמן"). כמו פחמן, צורן יכול ליצור מולקולות שיכולות לשאת בהן מידע ביולוגי. אך גם לצורן יש חסרונות. הצורן שלא כמו הפחמן, לא יכול ליצור קשרים כימיים המפעילים חילוף חומרים. הפחמן יכול להתחבר לאטומים אחרים כמו מימן, חנקן ואבץ, לעומת זאת לצורן יש מעט אינטראקציה עם חומרים אחרים. כלור יכול להחליף את החמצן בתור מחמצן המספק אנרגיה ביולוגית לאורגניזם מבוססי פחמן או לא, אך הקושי ברעיון זה שחמצן נפוץ יותר מכלור, ולכן כוכב לכת בעל רמות גבוהות של כלור שיכול לכלכל אורגניזמים באטמוספירה סביר פחות מכוכב לכת עשיר בחמצן. בכדור הארץ, כלור נפוץ בדרך כלל במינרלים ובתרכובות מסוימות. ארסן דומה באופן כימי לזרחן, אך הוא רעיל לרוב היצורים החיים בכדור הארץ. הוא שולב בביוכימיה בכמה אורגניזמים לדוגמה אצות ימיות המורכבות מחומרים אורגנים מ־arsenosugars ו־arsenobetaines וגם בקטריות כגון Chrysiogenes arsenatis יכולות לשלב ארסן לחומרים אורגניים אחרים. מדענים משערים שבתקופות קדומות יותר, חיידקים השתמשו בארסן בתור עמוד השדרה של הדנ"א שלהם. התנגדות לתרחיש זה שבשימוש בארסן פחות יציב מהשימוש בזרחן, כך שמתקבל שהארסן אינו מתאים לתפקיד זה. ידוע שבכמה אורגניזמים יש שימוש בסלניום במקום בגופרית בתור מרכיב לחומצות האמינו מתיונין וציסטאין (סלנו-מתיונין וסלנו-ציסטאין) ובכמה פטריות יש שימוש בטלור בתפקוד דומה לגופרית. מקובל להשתמש בסלנומתיונין בתוך מצע המזון (מדיה) שנותנים לחיידקים מותמרים (מהונדסים גנטית) בניסויים שבהם נעשה שימוש בקריסטלוגרפיה בקרני רנטגן. כדומה לתרכובות פחמן, כל החיים הידועים כיום דורשים מים כממסים. זה הוביל לדיון על השאלה אם אפשר שנוזלים אחרים יכולים לשמש בתפקיד דומה למים. אפשר שצורת חיים יכולה להתקיים בחומרים נוזלים כחומצה גופריתית, מימן או חנקן נוזלי, פחמימנים ומתאן נוזלי כפי שאמר הביוכימאי סטיבן בנר. קרל סייגן תיאר שחיים יכולים להתקיים גם ללא מים, כך שחומצה הידרופלואורית או אמוניה יכולים לשמש בתור חלופה למים. בירח טיטאן יש אגמים של מתאן, שיכולים לשמש כממס על פני טווח רחב של טמפרטורות, למרות שמתאן אינו קוטבי כמו מים. יש ויכוח על יעילות המתאן לעומת מים או אמוניה. מים הם ממס חזק יותר ממתאן המאפשרים הובלה קלה יותר של חומרים לתא, עם זאת, מים מגיבים יותר בקלות עם חומרים, כך שהם יכולים להרוס ולשבור מולקולות אורגניות גדולות בתהליך הידרוליזה. חיים שתלויים בממס זה לא ייקחו סיכון לשבירת מולקולות אורגניות בדרך זו. פיזיקאים ציינו כי, בעוד פוטוסינתזה על פני כדור הארץ כרוכה בדרך כלל בצמחים ירוקים, מגוון רחב של צמחים צבעוניים יכולים לתמוך בתהליך החיוני עבור רוב בעלי החיים על פני כדור הארץ. בעוד שצבעים אחרים עשויים להיות מועדפים במקומות שבהם קרינה מהכוכבים שונה מכדור הארץ. מחקרים מצביעים שצמחים פוטוסינתטיים כחולים סבירים (בגלל אור הכחול הנספג באטמוספירה). אך גם יכולים להיות צמחים אדומים או צהובים היכולים לקיים תהליך פוטוסינתזה. הצמחים הראשונים שהיו על פני כדור הארץ היו אולי בצבע קצת שונה מהיום, מכיוון שבתקופה הגאולוגית הראשונה שהיו צמחים, השמש הייתה פחות בהירה, והסינון של האור היה שונה בגלל הרכב האטמוספירה. שחור הוא צבע אופטימלי להמרת כל האור לאנרגיה בצורה יעילה ככל האפשר, ואחת השאלות המעניינות בהקשר זה היא מדוע הצמחים אינם שחורים. הגזים שיש באטמוספירה על פני כדור הארץ השתנו בהיסטוריה הארוכה של האטמוספירה, הפוטוסינתזה שינתה את האטמוספירה בירידה בפחמן דו-חמצני, הגדלה חלקה יחסית של חמצן מולקולרי והשתתפות במחזור החנקן. החיים של האורגניזמים המודרניים היו בלתי אפשריים עד להתרחשות אסון החמצן שינויים בהרכב הכימי של האטמוספירה משפיעים רבות על הביוכימיה והמורפולוגיה של החיים. לדוגמה, כאשר כמות החמצן באטמוספירה הייתה גדולה מהיום, בעלי חיים היו יותר גדולים, ולהפך. תיעוד לכך ניתן למצוא בליבות קרחונים מאובנים. חיים מחוץ לכדור הארץ ביוכימיה חוצנים אסטרוביולוגיה אקסטרמופילים - חיידקים על כדור הארץ שמתפקדים בסביבות קיצוניות, בעלי ביוכימיה שונה אך כן מבוססת פחמן ומים. ד"ר ארז גרטי, חיים מבוססי ארסן? כנראה שלא..., במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 15 באוקטובר 2012 יבשם עזגד, חיים שלא מהעולם הזה, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 1 ביולי 2011 http://www.pnas.org/content/98/3/805.full.pdf http://www.pnas.org/content/98/3/805.full.pdf http://www.newscientist.com/article/mg19826533.600-early-life-could-have-relied-on-arsenic-dna.html http://academic.evergreen.edu/curricular/m2o2006/seminar/westheimer.pdf http://books.nap.edu/openbook.php?record_id=11919&page=R10 http://books.nap.edu/openbook.php?record_id=11919&page=74 http://www.jpl.nasa.gov/news/news.cfm?release=2010-190 http://books.nap.edu/openbook.php?record_id=11919&page=74 http://books.nap.edu/openbook.php?record_id=11919&page=74 http://www.nasa.gov/centers/goddard/news/topstory/2007/spectrum_plants.html http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/309/5744/2202