Žmogaus pastangos suprasti gyvenimą ilgą laiką buvo grindžiamos Žemės biosferos tyrimais, kur anglis dominuoja kaip visų žinomų biologinių sistemų pagrindas. Tačiau, kai plečiame savo ieškojimus už mūsų planetos ribų, vis aiškiau suvokiame, kad mūsų Žemės centrinė perspektyva gali būti pernelyg siaura.
Prielaida, kad gyvybė kitur taip pat turi būti paremta anglimi, naudojant DNR ir baltymus, ir reikalaujant vandens kaip tirpiklio, riboja mūsų gebėjimą atpažinti ar net įsivaizduoti gyvenimo įvairovę, kuri galėtų egzistuoti visatoje. Alternatyvių biochemijų - hipotezinių biocheminių sistemų, kurios nesiremia anglimi ar vandeniu, tyrimas atveria naujas galimybes svarstyti, koks galėtų būti gyvenimas ir kur jis galėtų klestėti.
Astrobiologija, tarpdisciplininis mokslas, skirtas gyvybės kilmės, evoliucijos ir galimybių už Žemės ribų tyrimui, vis labiau kreipia dėmesį į šias alternatyvias biochemijas. Šis poslinkis yra skatinamas atradimų ekstremaliuose Žemės aplinkose, sintetinės biologijos pažangos ir turtingos mokslinės fantastikos vaizduotės, kuri ilgą laiką spekuliavo apie gyvybės formas, radikaliai skirtingas nuo mūsų pačių.
Biochemijos pagrindai
Biochemijos studijos turi savo šaknis gyvybės palaikančių molekulinių procesų Žemėje supratime. Iš pradžių dėmesys buvo skiriamas anglies pagrindu sukurtoms molekulėms, tokioms kaip angliavandeniai, lipidai, baltymai ir nukleorūgštys. Ši sritis padėjo pagrindą tam, ką dabar laikome standartiniu biochemijos modeliu.
Tačiau, mūsų žinioms apie visatą augant, kartu augo ir mūsų smalsumas apie galimą gyvybės įvairovę. Ankstyvos spekuliacijos apie alternatyvias biochemijas dažnai buvo siejamos su mokslinės fantastikos pasauliais, kur rašytojai įsivaizdavo gyvybės formas, paremtas siliciu, amoniaku ar net egzotiškesnėmis chemijomis. Tačiau, kai astrobiologija išaugo į mokslinę discipliną, šios kadaise periferinės idėjos įgavo rimtą mokslinę reikšmę.
Ekstremofilų, organizmų, klestinčių pačiose negyvenamiausiose Žemės vietose, atradimas dar labiau sustiprino mintį, kad gyvybė galėtų egzistuoti sąlygomis, anksčiau laikytomis neįmanomomis.
Žemės biochemija: lyginamasis standartas
Norėdami suprasti alternatyvių biochemijų koncepciją, pirmiausia turime suprasti Žemės biochemijos pagrindus, kurie yra lyginamasis standartas. Žemės biochemija pagrįsta anglies atomu, garsėjančiu savo gebėjimu formuoti stabilias, sudėtingas molekules, būtinas gyvybei. DNR, molekulė, kuri saugo genetinę informaciją, susideda iš anglies pagrindu sudarytų nukleotidų. Baltymai, kurie atlieka pagrindines ląstelių funkcijas, yra ilgos anglies pagrindu sudarytų aminorūgščių grandinės. Vanduo, unikalus poliarinis tirpiklis, palengvina biochemines reakcijas, kurios palaiko gyvybę.
Tačiau, kai žvelgiame už Žemės ribų, turime apsvarstyti galimybę, kad kiti elementai ir tirpikliai galėtų atlikti panašų vaidmenį ateivių biochemijose.
Anglies svarba gyvybei
Anglies unikalios cheminės savybės daro ją gyvybės stuburu Žemėje. Ji gali formuoti keturis stabilus kovalentinius ryšius su kitais atomais, leidžiančius kurti sudėtingas, stabilias molekules. Šis universalumas leidžia angliai kurti sudėtingas struktūras, reikalingas gyvybei, tokias kaip ilgos molekulės, pvz., baltymai ir nukleorūgštys, taip pat įvairūs organiniai junginiai, būtini metaboliniams procesams. Bet ar kiti elementai, tokie kaip silicis, galėtų atlikti panašų vaidmenį?
Anglis dažnai vadinama „gyvybės karkasu“ - titulas, atspindintis jos neprilygstamą svarbą visų žinomų organizmų biochemijoje. Anglies centrinė reikšmė gyvybei Žemėje nėra tik atsitiktinumas; tai yra anglies unikalių cheminių savybių, leidžiančių formuoti stabilius, sudėtingus ir įvairius gyvybei būtinus molekulių kompleksus, rezultatas. Viena iš labiausiai išskirtinių anglies savybių yra jos gebėjimas sudaryti keturis kovalentinius ryšius su kitais atomais.
Taip yra dėl to, kad anglies atomas turi keturis valentinius elektronus, kurie gali susijungti su kitų atomų elektronais ir sudaryti stabilius ryšius. Ši tetravalencija leidžia angliai veikti kaip centrinis statybinis blokas, sudarantis daugybės organinių molekulių pagrindą. Anglies jungimosi universalumas neapsiriboja tik anglies atomų grandinių (žinomų kaip anglies karkasai) formavimu; ji taip pat jungiasi su daugybe kitų elementų, įskaitant vandenilį, deguonį, azotą, sierą ir fosforą.
Kitas svarbus anglies vaidmuo yra jos gebėjimas formuoti sudėtingas molekules. Anglies atomas gali formuoti ilgas grandines, šakotus struktūras ir žiedus, kurie gali tapti pagrindais daugybei funkcinių grupių, prisidedančių prie didžiulio organinių junginių kiekio susidarymo. Be to, anglies gebėjimas sudaryti stabilius ryšius su savimi leidžia kurti dideles, stabilias molekules, turinčias įvairias formas ir dydžius, nuo mažų metabolitų iki didelių polimerų, tokių kaip krakmolas ir celiuliozė.
Angliavandeniai yra viena iš pagrindinių organinių molekulių, susidarančių iš anglies. Jie susideda iš anglies, vandenilio ir deguonies, paprastai santykiu 1:2:1. Angliavandeniai tarnauja kaip pagrindinis energijos šaltinis gyviems organizmams (pvz., gliukozė) ir kaip struktūriniai komponentai augaluose (pvz., celiuliozė).
Baltymai yra kita anglies pagrindu sudarytų molekulių klasė, kuri yra būtina gyvybei. Jie susideda iš ilgų aminorūgščių grandinių, kurios pačios yra sudarytos iš anglies, vandenilio, deguonies, azoto ir kartais sieros. Baltymai atlieka daugybę funkcijų gyvuose organizmuose, įskaitant veikimą kaip fermentai, kurie katalizuoja biochemines reakcijas, struktūrinės paramos teikimą ir ląstelių procesų reguliavimą.
Nukleorūgštys, įskaitant DNR ir RNR, yra nukleotidų polimerai, kurie yra organiniai junginiai, sudaryti iš cukraus (turinčio anglį), fosfato grupės ir azotinės bazės. Šios makromolekulės yra atsakingos už genetinės informacijos saugojimą ir perdavimą visose gyvose organizmuose.
Lipidai, dar viena anglies pagrindu sudarytų molekulių klasė, yra būtini formuojant ląstelių membranas, kaupiant energiją ir veikiant kaip signalinės molekulės. Lipidų hidrofobiškumas (vandens atstūmimas) daugiausia priklauso nuo jų ilgų anglies grandinių, kurios leidžia jiems formuoti barjerus, saugančius ląsteles ir padedančius atskirti ląstelės procesus.
Silicio pagrindu sukurta gyvybė
Silicio pagrindu sukurtos gyvybės idėja dešimtmečius žavėjo mokslininkus ir mokslinės fantastikos rašytojus. Silicis turi daug cheminių panašumų su anglimi, įskaitant gebėjimą formuoti ilgas grandines ir sudėtingas struktūras. Tačiau didesnis silicio atomo dydis ir jo polinkis formuoti ryšius su deguonimi kelia reikšmingus iššūkius silicio pagrindu sukurtų biomolekulių stabilumui ir sudėtingumui.
Nepaisant šių iššūkių, kai kurios aplinkos galėtų būti palankios silicio pagrindu sukurtai gyvybei. Aukštos temperatūros aplinkos, tokios kaip tos, kurios aptinkamos kai kuriose egzoplanetose ar mėnuliuose, galėtų sudaryti sąlygas silicio chemijai klestėti.
Silicis, kaip ir anglis, turi keturis valentinius elektronus ir gali sudaryti keturis kovalentinius ryšius. Šis panašumas paskatino spekuliacijas, kad silicis galėtų, teoriškai, tapti gyvybės pagrindu.
Kiti elementai ir tirpikliai
Nors dažnai diskutuojama apie anglį ir silicį kaip apie galimus gyvybės pagrindus, kiti elementai, tokie kaip siera ir fosforas, taip pat siūlo įdomias galimybes. Pavyzdžiui, siera jau yra esminis elementas Žemės biochemijoje, atliekantis svarbų vaidmenį baltymų struktūroje ir įvairiuose metaboliniuose procesuose. Fosforas, kitas esminis elementas Žemėje, yra DNR, RNR ir ATP - ląstelės energijos valiutos - sudedamoji dalis. Potenciali fosforo pagrindu sukurta gyvybė, ypač fosforo turtingose, bet anglies stokojančiose aplinkose, bus nagrinėjama šiame skyriuje.
Vanduo dažnai laikomas universaliu gyvybės tirpikliu, tačiau amoniakas siūlo įdomią alternatyvą. Amoniakas turi daug savybių, panašių į vandenį, pavyzdžiui, gebėjimą tirpinti įvairias medžiagas ir palengvinti chemines reakcijas. Šiame skyriuje analizuosime amoniako chemines savybes ir aptarsime aplinkos tipus, kuriuose amoniako pagrindu sukurta gyvybė galėtų klestėti.
Metanas, paprastas angliavandenilis, yra dar vienas kandidatas gyvybės tirpikliui, ypač itin šaltose aplinkose, tokiose kaip Saturno palydovas Titanas. Šiame skyriuje nagrinėsime metano pagrindu sukurtos gyvybės galimybes, susitelkdami į tai, kaip tokie organizmai galėtų metabolizuoti, daugintis ir evoliucionuoti metanu turtingose aplinkose.
Ekstremofilų, organizmų, kurie klesti ekstremaliose Žemės aplinkose, tyrimas suteikia vertingų įžvalgų apie galimą gyvybę su alternatyviomis biochemijomis. Tirdami biocheminius prisitaikymus, kurie leidžia ekstremofilams klestėti, galime gauti užuominų apie galimus panašius prisitaikymus hipotetinėse ateivių biochemijose.
Be anglies, silicio, sieros ir fosforo, kiti elementai, tokie kaip boras ir arsenas, siūlo dar egzotiškesnes gyvybės galimybes. Šiame skyriuje nagrinėsime gyvybės galimybes, paremtas šiais mažiau žinomais elementais, aptardami Žemės organizmus, kurie naudoja šiuos elementus, ir jų pasekmes alternatyvioms biochemijoms.
Chiralumas
Chiralumas arba molekulinė rankiškumas yra fundamentali biochemijos koncepcija, susijusi su molekulių asimetrija. Žemėje gyvybė dažniausiai naudoja kairės rankos aminorūgštis ir dešinės rankos cukrus, o šis modelis gali būti visai kitoks ateivių gyvybėje. Šiame skyriuje bus aptariama chiralumo svarba biochemijoje ir nagrinėjama, kaip jis galėtų pasireikšti ateivių biochemijose.
Šiame straipsnyje mes padėjome pagrindus supratimui apie alternatyvių biochemijų pagrindus ir teorijas. Išplėsdami savo požiūrį už anglies pagrindu sukurtos gyvybės ir Žemės tipo sąlygų ribų, mes atveriame daugybę galimybių, kokia galėtų būti gyvybė ir kur ji galėtų būti rasta. Tęsiant šių spekuliacinių modelių tyrimą, būtina kurti naujus metodus, skirtus aptikti ir atpažinti gyvybę, kuri galbūt neatitinka mūsų tradicinių apibrėžimų.
Biochemija yra mokslas, tyrinėjantis cheminius procesus, kurie palaiko gyvybę. Iš esmės tai yra tyrimas, kaip paprasti atomai ir molekulės susijungia, sudarydami sudėtingas struktūras, kurios vykdo biologines funkcijas. Žemėje gyvybė yra paremta biocheminiu pagrindu, kuris yra ne tik sudėtingas, bet ir nepaprastai nuoseklus visose žinomose gyvybės formose. Šis pagrindas pirmiausia remiasi anglimi, kuri yra visų gyvybės molekulių - DNR, baltymų ir kitų organinių junginių - karkasas. Be to, vanduo atlieka svarbų vaidmenį kaip tirpiklis, palengvinantis daugybę gyvybei būtinų cheminių reakcijų.
Anglis yra biochemijos pagrindas Žemėje dėl savo išskirtinio gebėjimo formuoti stabilias, įvairias ir sudėtingas molekules. Anglies atomas turi keturis valentinius elektronus, leidžiančius jam sudaryti keturis kovalentinius ryšius su kitais atomais. Anglies universalumas dar labiau padidėja dėl jos gebėjimo sudaryti viengubus, dvigubus ir trigubus ryšius bei grandines ir žiedus. Šis universalumas leidžia formuotis daugybei organinių junginių, kurie yra gyvybės statybiniai blokai.
- Angliavandeniai: Tai organinės molekulės, sudarytos iš anglies, vandenilio ir deguonies, paprastai santykiu 1:2:1 (C:H). Angliavandeniai yra energijos šaltinis ir struktūriniai ląstelių komponentai.
- Lipidai: Lipidai yra įvairi hidrofobinių molekulių grupė, daugiausia sudaryta iš anglies ir vandenilio. Jie atlieka svarbų vaidmenį kaupiant energiją, formuojant ląstelių membranas ir veikiant kaip signalinės molekulės.
- Baltymai: Baltymai yra didelės, sudėtingos molekulės, sudarytos iš ilgų aminorūgščių grandinių, kurios yra organiniai junginiai, turintys anglį, vandenilį, deguonį, azotą ir kartais sierą.
- Nukleorūgštys: Nukleorūgštys, įskaitant DNR ir RNR, yra nukleotidų polimerai, kurie susideda iš cukraus, fosfato grupės ir azotinės bazės.
Dezoksiribonukleorūgštis (DNR) yra molekulė, atsakinga už genetinės informacijos saugojimą ir perdavimą visose žinomose gyvybės formose. DNR struktūra yra dviguba spiralė, sudaryta iš dviejų ilgas nukleotidų grandinių, susisukančių viena apie kitą. Šių bazių seka išilgai DNR grandinės koduoja genetines instrukcijas organizmo kūrimui ir palaikymui. Dvigubos spiralės grandinės yra komplementarios, tai reiškia, kad adeninas poruojasi su timinu, o citozinas poruojasi su guaninu.
Genetinis kodas yra taisyklių rinkinys, pagal kurį DNR užkoduota informacija verčiama į baltymus, kurie yra ląstelių darbinės molekulės. DNR yra transkribuojama į informacinę RNR (iRNR), kuri vėliau keliauja į ribosomą, kur ji yra verčiama į specifinę aminorūgščių seką, formuojant baltymą.
Baltymai yra aminorūgščių polimerai, tai yra organinės molekulės, turinčios amino grupę (-NH2), karboksigrupę (-COOH) ir šoninę grandinę (R grupę), kuri būdinga kiekvienai aminorūgščiai. Aminorūgščių seka baltyme lemia jo pirminę struktūrą. Šią seką diktuoja atitinkama nukleotidų seka gene, koduojančiame baltymą. Pirminė struktūra vėliau susisuka į sudėtingesnes formas, įskaitant alfa spiralės ir beta lapelius (antrinė struktūra), kurie dar labiau susilanksto į trimatę formą (tertinė struktūra).
- Fermentai: Tai baltymai, veikiantys kaip biologiniai katalizatoriai, kurie spartina chemines reakcijas, nesunaudojant savęs.
- Struktūriniai baltymai: Šie baltymai teikia paramą ir formą ląstelėms bei audiniams.
- Pernašos baltymai: Šie baltymai perneša molekules per ląstelių membranas arba per kraują.
- Reguliaciniai baltymai: Šie baltymai padeda kontroliuoti genų ekspresiją, ląstelių ciklą ir kitus svarbius ląstelių procesus.
Vanduo yra gausiausia molekulė gyvuose organizmuose ir yra tirpiklis, kuriame vyksta dauguma biocheminių reakcijų.
- Poliškumas: Vanduo yra polinė molekulė, tai reiškia, kad jis turi dalinį teigiamą krūvį vienoje pusėje (prie vandenilio atomų) ir dalinį neigiamą krūvį kitoje pusėje (prie deguonies atomo).
- Vandeniliniai ryšiai: Vandens molekulės formuoja vandenilinius ryšius tarpusavyje ir su kitomis polinėmis molekulėmis.
Vandens vaidmuo kaip tirpiklis yra būtinas cheminėms reakcijoms, kurios palaiko gyvybę. Vandeninėje terpėje biocheminių reakcijų reagentai yra ištirpinti, leidžiant jiems laisviau sąveikauti. Be to, vanduo tiesiogiai dalyvauja daugelyje biocheminių reakcijų.
Metabolizmas reiškia visų cheminių reakcijų, vykstančių gyvame organizme, sumą.
- Katabolizmas: Sudėtingų molekulių skaidymas į paprastesnes, išlaisvinant energiją.
- Anabolizmas: Sudėtingų molekulių sintezė iš paprastesnių, reikalaujanti energijos įvesties.
Adenozino trifosfatas (ATP) yra pagrindinė ląstelės energijos valiuta. Jis kaupia ir perneša energiją ląstelėse, maitindamas įvairias biochemines reakcijas.
Suprasti biochemijos pagrindus yra būtina norint įvertinti gyvybės Žemėje sudėtingumą. Anglies pagrindu sukurtos molekulės, DNR, baltymai ir vanduo kaip tirpiklis yra Žemės biocheminės struktūros kertiniai akmenys. Kartu šie komponentai sudaro dinamišką sistemą, kurioje energija ir medžiagos nuolat transformuojamos, leidžiant gyvybei klestėti įvairiose aplinkose.