افتراضيات الكيمياء الحيوية

[يسار|تصغير|400x400بك|<div style="text-align: left">كاذبة لون رادار ''[كاسيني-هويجنز|كاسيني* الرادار فسيفساء من المنطقة القطبية الشمالية للقمر تيتان، المناطق الزرقاء هي مناطق البحيرات من الهيدروكربونات السائلة</div><br />
«وجود بحيرات من الهيدروكربونات السائلة على  القمر تيتان يفتح إمكانية المذيبات ومصادر الطاقة التي هي بدائل في المحيط الحيوي وقد دعم رواية أشكال الحياة مختلفة تماما عن تلك الموجودة على الأرض.»—ناسا البيولوجيا الفلكية خارطة الطريق عام 2008
]]

*'الانواع الافتراضية للكيمياء الحيوية** هي أشكال من  [[كيمياء حيوية|الكيمياء الحيوية]] يتكهن أن تكون علميا قابلة للتطبيق من حيث خواصها، ولكن لم يثبت وجودها في هذا الوقت. كل أنواع [[حياة|الكائنات الحية المعروفة حاليا على الأرض]] تعتمد في تكوينها على مركبات  [[كربون|الكربون]] للوظائف الحيوية و [[أيض|الأيض]]، و[[ماء|الماء]] كـ [[مذيب]]. وكل الكائنات الحية على الأرض تعتمد على [[حمض نووي ريبوزي منقوص الأكسجين|الحمض النووي]] أو [[حمض نووي ريبوزي|الحمض النووي]] الريبوزي لتحديد الشكل والبنية والقيام بالوظائف الحيوية. كالحركة والتغذية والهضم والتناسل وجميع مظاهر الحياة في الكائنات الحية. إذا كانت [[حياة|الحياة]] موجودة على [[كوكب|الكواكب]] أو [[قمر طبيعي|الأقمار]]، فمن الممكن ان  تكون مشابه كيميائيا; ومن الممكن أيضا أن هناك كائنات لها كيمياء مختلفة تماما—على سبيل المثال تشمل فئات أخرى من مركبات الكربون والمركبات من عنصر آخر، أو مذيبات آخري تحل  مكان الماء.

إمكانية الحياة التي تقوم على كيمياء حيوية «بديلة» هو موضوع مناقشة علمية مستمرة. ويستمر التكهن باحتمال وجود بيئات خارج كوكب الأرض تسمح بوجود كائنات حية ربما لا تعتمد في بنيتها على [[كربون|الكربون]] والهيدروجين والنيتروجين، وتكون بنيتها على عناصر كيميائية مشابهة للكربون. ويتسع الخيال في ذلك في قصص الخيال العلمي. 

عنصر [[سيليكون|السيليكون]] قد نوقش كثيرا كافتراض بديل للكربون. السيليكون هو في نفس مجموعة [[كربون|الكربون]] في [[الجدول الدوري]]، مثل الكربون، فهو [[تكافؤ|رباعي التكافؤ]]. وعلى الرغم من ذلك فالسيليكون في  [[مركب عضوي|المركبات العضوية]] يجعلها عموما أقل استقرارا. افتراضيات بدائل [[ماء|الماء]] تشمل [[أمونيا|الأمونيا]]، التي هي مثل الماء، جزئ  [[قطبية كيميائية|قطبي]]؛ المذيبات الغير قطبية [[هيدروكربون|الهيدروكربونية]] مثل [[ميثان|الميثان]] و[[إيثان|الإيثان]] التي توجد في شكل سائل على سطح [[تيتان (قمر)|تيتان]]؛ مما يجعل بعض العلماء يتكهن بافتراضية وجود حياة على كوكب تيتان لا تعتمد على الماء.

== الظل والمحيط الحيوي ==

[[ملف:Arecibo_message.svg|يمين|تصغير|525x525بك|(1974) إرسال المعلومات إلى الفضاء عن الكيمياء الأساسية للحياة على الأرض.]]

وبصرف النظر عن احتمال العثور على أشكال مختلفة من الحياة على [[كوكب|الكواكب]] أو [[قمر طبيعي|الأقمار]]، فقد اقترح ان  [[الأرض]] نفسها  كمكان للظل الحيوي لللكائنات الدقيقة العير معروفة كيميائيا والتي قد عاشت في الماضي أو قد لا تزال موجودة اليوم.

== الكيمياء الحيوية غير المعتمدة علي الكربون ==

على الأرض، لدى جميع الكائنات الحية المعروفة هيكل كربوني ونظام. وتكهن العلماء حول إيجابيات وسلبيات استخدام الذرات عدا الكربون لتشكيل الهياكل الجزيئية الضرورية للحياة، ولكن لا أحد قد اقترح نظرية توظيف هذه الذرات لتشكيل جميع الهياكل اللازمة. ومع ذلك، كما جادل [[كارل ساغان]]، أنه صعب للغاية التأكد ما إذا كان الذي ينطبق على جميع أشكال الحياة على الأرض سوف يتحول لينطبق على جميع أشكال الحياة في جميع أنحاء الكون. ساجان يستخدم مصطلح «الكربون الشوفينية» لمثل هذا الافتراض. كارل ساجان يعتبر [[سيليكون|السيليكون]] و[[جرمانيوم|الجرمانيوم]]  بدائل الكربون؛ ولكن، من ناحية أخرى، أشار إلى أن الكربون لا يبدو كيميائيا أكثر  تنوعا كما أنه أكثر وفرة في الكون.

=== السليكون ===

[[ملف:Silane-2D.svg|يمين|تصغير|120x120بك|هيكل سيلاني ، مناظر  [[ميثان|غاز الميثان]].]]
[[ملف:PDMS.svg|يمين|تصغير|هيكل سيليكون (PDMS).]]
[[ملف:Diatom2.jpg|يمين|تصغير|250x250بك|[[دياتوم|دياتومات]] بحرية —الكائنات الحية المعتمدة علي الكربون والتي تستخرج السيليكون من مياه البحر ودمجها في جدران الخلايا]]

السيليكون ذرة نوقشت كثيرا كأساس بديل للنظام البيوكيميائي، لأن السيليكون لديه العديد من [[خاصية كيميائية|الخصائص الكيميائية]] مماثلة لتلك التي للكربون وهو في نفس [[مجموعة (جدول دوري)|المجموعة في الجدول الدوري]]، في مجموعة  [[مجموعة الكربون|الكربون]]. مثل الكربون، السليكون يمكن أن يخلق الجزيئات التي هي كبيرة بما فيه الكفاية لحمل المعلومات البيولوجية.

ومع ذلك، للسليكون عيوب عدة كبديل للكربون. السليكون، خلافا للكربون، يفتقر إلى القدرة على شكل روابط كيميائية مع أنواع مختلفة من الذرات كما هو ضروري لتعدد المواد الكيميائية المطلوبة للتمثيل الغذائي.  العناصر  اللازمة لإنشاء المجموعات الوظيفية العضوية مع الكربون تشمل  الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين، والفوسفور، والكبريت والمعادن مثل الحديد والمغنيسيوم والزنك. من ناحية أخرى، يتفاعل السليكون، مع عدد قليل جداً من أنواع أخرى من الذرات. وهذا يرجع إلى أن ذرات السيليكون هي أكبر بكثير، لها كتلة أكبر ونصف القطر الذري، وحتى صعوبة تشكيل روابط مزدوجة. 

=== كيمياء حيوية معتمدة علي عناصر اخري غريبة ===

* بورانات بشكل خطير متفجرة في الغلاف الجوي للأرض، ولكن ستكون أكثر استقرارا في البيئة الأقل تفاعلية. ومع ذلك، وفرة البورون الكونية منخفضة يجعلها أقل احتمالاً من الكربون كقاعدة للحياة. 
* المعادن المختلفة، جنبا إلى جنب مع الأكسجين، يمكن أن تشكل هياكل معقدة جداً ومستقرة حرارياً تحاكي تلك المركبات العضوية؛ الأحماض الهيتيروبولية هي واحدة من هذه الأسرة. بعض أكاسيد المعادن أيضا مشابهة للكربون في قدرتها على تشكيل هياكل [[نانو (توضيح)|نانو]] وبلورات الماس مثل (مثل مكعب زركونيا). [[تيتانيوم|التيتانيوم]] و[[ألومنيوم|الألمنيوم]] و[[مغنيسيوم|المغنزيوم]] والحديد كل شيء أكثر وفرة في قشرة الأرض من الكربون. ولذلك فان الحياة المستندة علي أكسيد المعادن من المحتمل ان تكون ممكنة تحت ظروف معينة، بما في ذلك (درجات الحرارة العالية) التي ستكون فيها الحياة القائمة على الكربون غير محتملة. عن طريق تعديل مضمون أكسيد المعدن، يمكن الحصول على ثقوب والتي تعمل كغشاء  يسهل اختراقه، سامحا بشكل انتقائي دخول وخروج المواد الكيميائية  وفقا لحجم. 
* [[كبريت|الكبريت]] هو أيضا قادر على تشكيل سلسلة طويلة من الجزيئات، لكنه يعاني من نفس مشاكل التفاعل مثل الفوسفور.الاستخدام البيولوجي للكبريت كبديل الكربون هو محض افتراضية خاصة لأن الكبريت عادة يشكل فقط سلاسل خطية. (الاستخدام البيولوجي للكبريت كإلكترون متقبل على نطاق واسع ويمكن ارجاعه 3.5 مليار سنة على الأرض، وبالتالي يسبق استخدام الأكسجين الجزيئي. [[بكتيريا مختزلة للكبريت|البكتيريا المختزلة للكبريت]] يمكنها الاستفادة من عنصر الكبريت بدلا من الأكسجين، والحد من استخدام الكبريت [[كبريتيد الهيدروجين|وكبريتيد الهيدروجين]].)

== الزرنيخ بديلا للفوسفور ==

[[زرنيخ|الزرنيخ]]، وهو مشابه كيميائيا  [[فسفور|للفوسفور]]، في حين انه ساما لمعظم [[كائن حي|أشكال الحياة]] على الأرض، لكنه مدرج في الكيمياء الحيوية لبعض الكائنات الحية. بعض [[عشب بحري|الطحالب البحرية]] تتضمن الزرنيخ في الجزيئات العضوية المعقدة. [[فطر|الفطريات]] و[[بكتيريا|البكتيريا]] يمكن أن تنتج مركبات الزرنيخ الميثيلية المتطايرة.اختزال وأكسدة الزرنيخ قد لوحظ في [[ميكروب|الميكروبات]]. بالإضافة إلى ذلك، بعض [[بدائيات النوى|بدائيات النواة]] يمكنها استخدام الزرنيخات كمحطة الاستقبال الإلكترون النمو اللاهوائي والبعض يمكنه استخدام الزرنيخ كمتبرع للإلكترون  لتوليد الطاقة.

وكان قد تردد أن أقدم أشكال الحياة على الأرض قد استخدم الزرنيخ في مكان الفوسفور في بنية الحمض النووي. الاعتراض على هذا السيناريو هو أن استرات الزرنيخ أقل استقرارا [[تحلل مائي|للتحلل]] من استرات [[فوسفات عضوي|الفوسفات]] و بالتالي فالزرنيخ غير مناسب لهذه الوظيفة


== مذيبات غير مائية ==
بالإضافة إلى مركبات الكربون، كل الحياة الأرضية المعروفة تتطلب أيضا الماء كمذيب. وأدي ذلك إلى إجراء مناقشات حول ما إذا كان الماء السائل الوحيد القادرة على شغل هذا الدور. فكرة أن الحياة خارج الأرض قد تعتمد على مادة مذيبة عدا الماء قد تم اخذه علي محمل الجد في الأدبيات العلمية الحديثة بواسطة ستيفن بينير، واللجنة الفضائية برئاسة جون أ. باروس. المذيبات التي نوقشت في لجنة باروس  تشمل [[أمونيا|الأمونيا]]، [[حمض الكبريتيك]]، [[فورماميد|الفورماميد]]، الهيدروكربونات،
و (في درجات حرارة أقل بكثير من الأرض) سائل [[نيتروجين|النيتروجين]]، أو الهيدروجين في شكل [[مائع فوق حرج|السوائل فوق الحرجة]].

كارل ساجان يصف نفسه بـ شوفيني [[كربون|الكربون]] وشوفيني الماء; ومع ذلك كان يتوقع الهيدروكربونات، [[حمض الهيدروفلوريك|حامض هيدروفلوري]]، والأمونيا كبدائل ممكنة للمياه.

=== الأمونيا ===

[[ملف:Ammonia_World.jpg|يسار|تصغير|330x330بك|تصور الفنان  كيف تبدو الحياة علي الكوكب مع الأمونيا.]]

[[أمونيا|الأمونيا]] جزيء (NH<sub>3</sub>)، مثل جزيء الماء متوفر في الكون، كونه مركب من الهيدروجين (أبسط العناصر الشائعة) مع آخر شائع جدا وهو عنصر النيتروجين. الدور الممكن  للأمونيا السائلة كبديل للمذيبات هو فكرة تعود على الأقل إلى عام 1954، عندما اثار  [[جون هولدين|ج. ب. س. هالدين]]  هذا الموضوع في ندوة عن اصل الحياة.

الأمونيا، مثل الماء، إما أن يقبل أو يعطي H<sup>+</sup> أيون. عندما  يقبل H<sup>+</sup>, فهو يشكل [[أمونيوم|الأمونيوم]] الموجب (NH<sub>4</sub><sup>+</sup>)، المماثل للهيدرونيوم (H<sub>3</sub>O<sup>+</sup>).و عندما يعطي H<sup>+</sup> أيون، فهو يشكل انيون الاميد (NH<sub>2</sub><sup>−</sup>), المماثل إلى [[هيدروكسيد]] الأنيون (OH<sup>−</sup>). بالمقارنة مع المياه فان الأمونيا هو أكثر ميلا لقبول H<sup>+</sup> أيون، وأقل ميلا إلى التبرع بواحد; انه  [[محب للنواة|نيوكليوفيل]] قوي. مجموعة الكربونيل (C=O)، والتي تستخدم كثيرا في  الكيمياء الحيوية، لن تكون مستقرة في محلول الأمونيا، ولكن مجموعة الامين المماثلة (C=NH) يمكن أن تستخدم بدلا من ذلك.
[[ملف:Layers of titan-ar.jpg|تصغير|320بك|نظرية الهيكل الداخلي لتيتان ، المحيط تحت السطح يظهر بالأزرق.]]

=== الميثان والهيدروكربونات الأخرى ===

الميثان (CH<sub>4</sub>) هو هيدروكربوني بسيط: هو مركب من اثنين من العناصر الأكثر شيوعا في الكون الهيدروجين والكربون. له وفرة كونية مقارنة مع الأمونيا. الهيدروكربونات يمكن أن تعمل كمذيب على نطاق واسع من درجات الحرارة، ولكن تفتقر  [[قطبية كيميائية|القطبية]]. إسحاق أسيموف، [[عالم كيمياء حيوية|الكيميائي]] و كاتب الخيال العلمي، اقترح في عام 1981 أن [[ليبيد|الدهون]] يمكن أن تشكل بديلا عن البروتينات في غير المذيبات القطبية مثل غاز الميثان. تتكون البحيرات  من خليط من الهيدروكربونات، بما في ذلك غاز الميثان و[[إيثان|الإيثان]]، والتي قد تم الكشف عنها على سطح تيتان من قبل [[كاسيني-هويجنز|''كاسيني'' الفضائية]].

=== فلوريد الهيدروجين ===

[[فلوريد الهيدروجين]] (HF)، مثل الماء، هو جزيء قطبي، بسبب قطبيته يمكنه ان يذيب العديد من المركبات الأيونية.درجة انصهاره -84&nbsp;°C ودرجة الغليان هي 19.54 درجة مئوية (عند [[ضغط جوي|الضغط الجوي]]); الفرق بين الاثنين هو أكثر قليلا من 100 K. HF وأيضا يصنع روابط الهيدروجين مع جارته من الجزيئات، كما يفعل الماء والأمونيا. وقد اعتبر مذيبا ممكنا للحياة من قبل العلماء مثل بيتر سنيث  وكارل ساجان.

=== كبريتيد الهيدروجين ===

[[كبريتيد الهيدروجين]] هو المناظر الاقرب كيميائيا إلى الماء،  ولكن أقل قطبية ومذيب غير عضوي ضعيف. كبريتيد الهيدروجين وفير جدا على قمر كوكب المشتري  [[آيو (قمر)|Io]], وقد يكون في شكل سائل على بعد مسافة قصيرة تحت السطح . على كوكب به محيطات من كبريتيد الهيدروجين فان مصدر كبريتيد الهيدروجين يمكن أن يأتي من البراكين، وفي هذه الحالة يمكن أن تكون مختلطة مع قليلا من [[فلوريد الهيدروجين]] التي يمكن أن يساعد على إذابة المعادن.الحياة بكبريتيد الهيدروجين  يمكنها استخدام خليط من أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون باعتبارها مصدر الكربون.

=== مذيبات اخري ===

[[ملف:Sulfuric-acid-Givan-et-al-1999-3D-balls.png|تصغير|حمض الكبريتيك (H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>).]]
المذيبات الأخرى المقترحة:
* [[مائع فوق حرج|السوائل فوق الحرجة]]: [[ثنائي أكسيد الكربون فوق الحرج|ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج]] والهيدروجين فوق الحرج
* مركبات الهيدروجين البسيطة:  [[كلوريد الهيدروجين]]
* المركبات المعقدة: [[حمض الكبريتيك]]، [[فورماميد|الفورماميد]]، [[ميثانول|الميثانول]]
* سوائل منخفضة الحرارة: [[نيتروجين سائل|النيتروجين السائل]]، و[[هيدروجين سائل|الهيدروجين]]
* سوائل مرتفعة الحرارة: [[كلوريد الصوديوم]]

== العلماء الذين نشروا عن هذا الموضوع ==

* **إسحاق أزيموف** (1920-1992)، الكيميائي وكاتب الخيال العلمي.
* **وليام باينس**, عالم الاحياء  المساهم في مجلة البيولوجيا الفلكية.
* **جون باروس**  ، الذي ترأس لجنة من العلماء في المجلس الوطني للأبحاث  بالولايات المتحدة والتي نشرت تقريرا عن شروط الحياة في عام 2007.
* **جيرالد فاينبيرغ** (1933-1992), الفيزيائي.. روبرت شابيرو (1935-2011), الصيدلي، مؤلفين كتاب ال''حياة خارج الأرض''.
* **أكسل فيرسوف**(1910-1981), الفلكي البريطاني.
* **روبرت أ. فريتاس الابن** (1952–الوقت الحاضر)، متخصص في تكنولوجيا النانو  .
* **ج. ب. س. هالدين** (1892-1964), عالم الوراثة.
* **جورج بيمنتل** (1922-1989)  الكيميائي في جامعة كاليفورنيا في بيركلي.
* **كارل ساجان** (1934-1996), عالم الفلك.
* **بيتر سنيث *' (1923-2011), الميكروبيولوجي، مؤلف كتاب *الكواكب والحياة''.

## المراجع

تصنيف:الحياة خارج الأرض
تصنيف:تخمينات علمية
تصنيف:علم الأحياء الفلكي
تصنيف:فرضيات علم الأحياء
تصنيف:مواضيع الخيال العلمي