Vaihtoehtoinen biokemia

Vaihtoehtoinen biokemia tarkoittaa elämän kemiallista perustaa, joka ei perustu 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 tuntemamme elämän hiilikemia pohjautuu hiilihydraatteihin, valkuaisaineisiin, lipideihin ja nukleiinihappoihin.
Erääksi vaihtoehtoiseksi biokemiaksi on ehdotettu hyvin vähän omasta kemiastamme poikkeavaa kemiaa, jossa on DNA:ta, mutta jossa sen osamolekyylien kätisyys on päinvastainen kuin meillä. Tieteiskirjailijat ja tutkijat ovat ajatelleet, että hiilen sijaan piihin tai fosforiin pohjautuva elämä voisi olla mahdollista. Veden sijaan liuottimena voisi toimia esimerkiksi formamidi, vetyfluoridi tai ammoniakki. Vaihtoehtoisella biokemialla eläville olioille maapallo saattaisi olla elinkelvoton, mutta erilainen elämän kemiallinen perusta voi toisaalta mahdollistaa elämän ympäristöissä, jotka esimerkiksi lämpötilaltaan ja kaasunpaineeltaan poikkeavat Maasta. Näin esimerkiksi kaasukehällisillä kylmillä kuilla voisi olla jonkinlaista elämää.
Vaihtoehtoisen biokemian keskeinen ongelma on muun muassa se, etteivät useimpien alkuaineiden, kuten 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 aineita. Elämän kannalta veden keskeinen ominaisuus on muun muassa sen dipolisuus. Hiilen yhdisteet ovat kemiallisesti yleensä melko vakaita.
Olennaista elämän kannalta ovat nukleotideista koostuvat ketjumaiset DNA ja RNA sekä proteiinit, jotka koostuvat aminohapoista. Proteiinit toimivat elävien olentojen solujen reaktioita ohjaavina entsyymeinä ja rakenneosina. DNA ja proteiinit liittyvät toisiinsa RNA-välitteisesti geneettisen koodin kautta.
Vaihtoehtoinen biokemia.
Kuumilla planeetoilla elämä voisi rakentua esimerkiksi 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 voisi olla sula rikki. Noin -50 celsiusasteessa voisi olla veden paikalla nestemäinen ammoniakki ja hapen paikalla typpi.
Monet vaihtoehtoisen biokemian yhdisteet reagoivat herkemmin kuin hiileen ja veteen perustuvan elämän yhdisteet. Esimerkiksi monet rikkiyhdisteet reagoivat herkästi ympäristön kanssa. Monet piiyhdisteiden muodostamat ketjut ovat lyhyempiä kuin hiiliyhdisteiden. 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 kuumissa olosuhteissa olla sula rikki tai rikkihappo. Maata kylmemmässä maailmassa veden roolissa voisi olla nestemäinen metaani, etaani, vetyfluoridi tai ammoniakki. Muita mahdollisia veden korvaajia voisivat olla 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. Ammoniakki liuottaa veden tapaan hyvin monia orgaanisia yhdisteitä ja metalleja.
Toisaalta ammoniakkiin liittyy elämän biokemiaa ajatellen myös monia ongelmia. 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 se voi olla vakaa pelkistävässä ympäristössä. Maan nykyinen ympäristö on pääosin hapettava.
Ammoniakin toinen rasite on se, että sen molekyylien väliset vetysidokset ovat heikompia kuin vesimolekyylien väliset. Näin ammoniakin höyrystymislämpö on puolet veden höyrystymislämmöstä ja pintajännitys kolmasosa veden pintajännityksestä, jolloin sen kyky keskittää hydrofobisia molekyylejä on heikopi kuin vedellä.
Maan ilmanpaineessa ammoniakki on nestemäistä vain alhaisessa lämpötilassa, mikä tuottaisi ongelmia ammoniakkia liuottimena käyttäville eliöille, sillä kylmässä kaikki kemialliset reaktiot hidastuvat. Ammoniakkielämä olisi lämpötilavälillä −78 °C−33 °C (195–240 K). Kyseiset lämpötila-arvot vastaavat ammoniakin sulamis- ja kiehumispisteitä.
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 ilmenemisen todennäköisyyttä. Ammoniakin lisäksi sopiva liuotin 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, kuten ammoniakissa ja nestemäisessä vedessä tai esimerkiksi metaanissa tai 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. Tämä mahdollistaa monia elämän kannalta välttämättömiä kemiallisia reaktioita. Vetyfluoridi on nestemäistä 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. Vetyfluoridinesteessä elävä olio saattaisi käyttää fluoria fotosynteesiin. HF-perustaista elämää on tutkittu varsin vähän. Vetyfluoridi ei liene niin yleinen yhdiste maailmankaikkeudessa kuin esimerkiksi vesi ja ammoniakki.
Muita yhdisteitä.
Joskus on ehdotettu metaania ja etaania veden paikalle vaihtoehtoisessa biokemiassa. Niiden ongelma on polaarisuuden puute. Metanoli, vetysulfidi ja vetykloridi ovat myös esiintyneet arvailujen joukossa. Vetysulfidi ja vetykloridi ovat maailmankaikkeudessa harvinaisia. Niin ikään harvinaista formamidia eli metaaniamidia on ehdotettu. Sen sulamispiste on 2,6 °C ja kiehumispiste 210 °C. 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. Seos myös alijäähtyy helpommin kuin vesi.
Hiilen paikalle ehdotettuja alkuaineita.
Elämälle soveltuvien atomien on voitava muodostaa vakaita ketjuja ja renkaita hiilen tavoin. Useimmiten hiilen paikalle vaihtoehtoisessa biokemiassa ehdotetaan piitä, fosforia tai rikkiä. Nämä muodostavat ketjuja ja renkaita, mutta rakenteet eivät ole vakaita Maan tyyppisessä ympäristössä.
Piielämä.
Yleinen hiilen paikalle ehdotettu alkuaine on pii, koska se kuuluu alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä samaan ryhmään kuin hiili ja siksi muistuttaa kemiallisilta ominaisuuksiltaan hiiltä. 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 tai yhdisteiden kanssa. Pii synnyttää huomattavasti vahvempia kemiallisia sidoksia kuin hiili, minkä vuoksi piisidoksia on tarpeen tullen vaikeampi katkaista. Samoin myös pii–happi- ja pii–vety-sidokset ovat hiili–vety-sidoksia ja hiili–happi-sidoksia vahvempia, eikä pii muodosta samanlaisia renkaita ja ketjuja kuin hiili hiilipohjaisessa biokemiassa..
Silaanit ovat hiilivetyjä vastaavia piin ja vedyn yhdisteitä. Niiden huono puoli on suuri reaktiivisuus 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. Tämä 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 taas hiileen ja piihin sekä ainoastaan piihin perustuvia yhdisteitä tunnetaan neljä. 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 lämpötila- ja paineolosuhteisiin hiilen tilalle joko yksinään tai 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 lämpötiloissa. Tämän takia myös kylmässä, missä kemialliset reaktiot ovat hitaampia, saattaa olla elämää.
Piieliön energia-aineenvaihdunta 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) muodostaa ketjumolekyylejä. Alkuainefosfori 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 aineita voisivat sen sijaan olla erilaiset typpiyhdisteet, kuten 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 voisi imeä fosforia maasta, hengittää ammoniakkia ilmasta ja tuottaa 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 vaikka fosfori on hiiltä harvinaisempaa. Maan elävissä eliöissä fosforin happiyhdisteet ovat merkittävässä osassa solujen energiametaboliassa muun muassa energiaa välittävän ATP:n tuotossa.
Rikki.
Rikki (S) esiintyy monessa muodossa. Se synnyttää myös rengasmaisia ja ketjumaisia molekyylejä. Niinpä hiilen korvikkeeksi on ehdotettu rikistä ja hapesta koostuvia rikki-happi-rikki-ketjuja. Sekä alkuainerikki että rikkiketjut reagoivat ympäristönsä kanssa hyvin herkästi, mikä pienentää niihin perustuvan elämän esiintymisen todennäköisyyttä. Lisäksi rikki on hiiltä harvinaisempi alkuaine. Rikillä on silti merkitystä Maassa esiintyvän elämän kannalta: 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.
Kaikilla Aurinkokunnan muilla planeetoilla on kaasukehät, joiden koostumus poikkeaa Maan kaasukehästä. Maan kaasukehästä noin 78 % on typpeä, 21 % happea ja loput muita kaasuja. Typen suuri osuus 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 vaihtoehtoisessa biokemiassa, mutta sen uskotaan olevan kaasukehissä hyvin harvinainen, ja se sitoutuu suotuisammin suolayhdisteisiin.
Muuttuva ympäristö.
Eliöt sopeutuvat muuttuvaan ympäristöön. Vieraalla planeetalla saattaisi esimerkiksi lämpötila vaihdella enemmän ja nopeammin kuin Maassa. Tällöin saattaisi kehittyä elämän 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 tai muusta sen ilmenemisympäristöstä. Vetisellä planeetalla saattaisi elää kalamaisia älyllisiä eliöitä. Raskaalla planeetalla elävät saattaisivat olla maassa hitaasti ryömiviä matelijoita muistuttavia tai toukkamaisia eliöitä. Paksu nahka voisi suojata kemiallisesti aktiivista kaasukehää vastaan. 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.