Tipos hipotéticos de bioquímica
Posibles sustancias bioquímicas alternativas utilizadas por las formas de vida
Mosaico en falso color del radar de Cassini
de la región polar norte de Titán; las áreas azules son lagos de hidrocarburos líquidos. "La existencia de lagos de hidrocarburos líquidos en Titán abre la posibilidad de que existan disolventes y fuentes de energía alternativas a las de nuestra biosfera y que podrían sustentar nuevas formas de vida completamente diferentes de las de la Tierra". Hoja de ruta de la NASA para la astrobiología 2008 [1]

Los tipos hipotéticos de bioquímica son formas de bioquímica que se considera científicamente viable pero cuya existencia no está demostrada en la actualidad. [2] Todos los tipos de organismos vivos que se conocen actualmente en la Tierra utilizan compuestos de carbono para funciones estructurales y metabólicas básicas, agua como disolvente y ADN o ARN para definir y controlar su forma. Si existe vida en otros planetas o lunas, puede ser químicamente similar, aunque también es posible que haya organismos con químicas bastante diferentes [3]  , por ejemplo, que involucren otras clases de compuestos de carbono, compuestos de otro elemento u otro disolvente en lugar de agua.

La posibilidad de que las formas de vida se basen en bioquímicas "alternativas" es tema de un debate científico en curso, basado en lo que se sabe sobre los entornos extraterrestres y sobre el comportamiento químico de diversos elementos y compuestos. Es de interés para la biología sintética y también es un tema habitual en la ciencia ficción .

El silicio ha sido un elemento muy discutido como una alternativa hipotética al carbono. El silicio está en el mismo grupo que el carbono en la tabla periódica y, al igual que el carbono, es tetravalente . Las alternativas hipotéticas al agua incluyen el amoníaco , que, como el agua, es una molécula polar y cósmicamente abundante; y disolventes de hidrocarburos no polares como el metano y el etano , que se sabe que existen en forma líquida en la superficie de Titán .

Panorama general de los tipos hipotéticos de bioquímica

Panorama general de los tipos hipotéticos de bioquímica
TipoBaseBreve descripciónObservaciones
Biomoléculas de quiralidad alternativaBioquímica alternativaBioquímica de imagen especularTal vez la bioquímica alternativa menos inusual sería aquella en la que sus biomoléculas tuvieran una quiralidad diferente . En la vida terrestre conocida, los aminoácidos son casi universalmente de la forma L y los azúcares de la forma D. Son posibles moléculas que utilicen aminoácidos D o azúcares L , aunque serían incompatibles con organismos que utilizaran moléculas con quiralidad opuesta. Las bacterias grampositivas incorporan D - alanina en su capa de peptidoglicano, creada mediante la acción de las racemasas . [4]
Bioquímica del amoniacoDisolventes no acuososVida basada en amoniacoEl amoníaco es relativamente abundante en el universo y tiene similitudes químicas con el agua. La posible función del amoníaco líquido como disolvente alternativo para la vida es una idea que se remonta al menos a 1954, cuando J. B. S. Haldane planteó el tema en un simposio sobre el origen de la vida. [ cita requerida ]
Bioquímica del arsénicoBioquímica alternativaVida basada en arsénicoEl arsénico , que es químicamente similar al fósforo , aunque es venenoso para la mayoría de las formas de vida en la Tierra, se incorpora a la bioquímica de algunos organismos. [ cita requerida ]
Bioquímica del borano ( química del organoboro )Bioquímica alternativaVida basada en boranosLos boranos son peligrosamente explosivos en la atmósfera terrestre, pero serían más estables en un entorno reductor (una atmósfera sin oxígeno ni otros gases oxidantes, y que puede contener gases reductores activos como el hidrógeno, el monóxido de carbono, el metano y el sulfuro de hidrógeno). Sin embargo, el boro es extremadamente raro en el universo en comparación con sus vecinos, el carbono, el nitrógeno y el oxígeno. Por otro lado, las estructuras que contienen átomos de boro y nitrógeno alternados comparten algunas propiedades con los hidrocarburos. [ cita requerida ]
Biología basada en collares cósmicosVida no planetariaVida sin químicosEn 2020, Luis A. Anchordoqu y Eugene M. Chudnovsky plantearon la hipótesis de que la vida compuesta de semipolos magnéticos conectados por cuerdas cósmicas podría evolucionar dentro de las estrellas. [5]
Biología basada en plasma polvorientoVida no planetariaVida sin químicosEn 2007, Vadim N. Tsytovich y sus colegas propusieron que las partículas de polvo suspendidas en un plasma podrían exhibir comportamientos similares a los de la vida real , en condiciones que podrían existir en el espacio. [6]
ExtremófilosEntorno alternativoLa vida en entornos variablesSería bioquímicamente posible mantener la vida en ambientes que sólo son periódicamente consistentes con la vida tal como la conocemos, como temperaturas, presiones o pH extremadamente altos o bajos; o la presencia de altos niveles de sal o radiación nuclear . [ cita requerida ]
Bioquímica de los heteropoliácidosBioquímica alternativaVida basada en heteropoliácidoVarios metales pueden formar estructuras complejas con el oxígeno, como los heteropoliácidos . [ cita requerida ]
Bioquímica del fluoruro de hidrógenoDisolventes no acuososVida basada en fluoruro de hidrógenoEl fluoruro de hidrógeno ha sido considerado como un posible disolvente para la vida por científicos como Peter Sneath. [ cita requerida ]
Bioquímica del sulfuro de hidrógenoDisolventes no acuososVida basada en sulfuro de hidrógenoEl sulfuro de hidrógeno es un análogo químico del agua , pero es menos polar y un disolvente inorgánico más débil. [ cita requerida ]
Bioquímica del metano (Azotosoma)Disolventes no acuososVida basada en metanoEl metano (CH 4 ) es relativamente abundante en el sistema solar y el universo, y se sabe que existe en forma líquida en Titán , la luna más grande de Saturno . Aunque es muy poco probable, se considera posible que Titán albergue vida. De ser así, lo más probable es que se trate de vida basada en metano. [ cita requerida ]
Fotosintetizadores no verdesOtras especulacionesVida vegetal alternativaLos físicos han observado que, aunque la fotosíntesis en la Tierra generalmente involucra plantas verdes, una variedad de plantas de otros colores también podrían apoyar la fotosíntesis, esencial para la mayoría de la vida en la Tierra, y que otros colores podrían ser preferidos en lugares que reciben una mezcla diferente de radiación estelar que la Tierra. En particular, la retina es capaz de realizar la fotosíntesis y se ha observado que lo hace. [7] Las bacterias capaces de realizar la fotosíntesis se conocen como rodopsinas microbianas . Una planta o criatura que utiliza la fotosíntesis de la retina siempre es violeta .
Biosfera de sombraEntorno alternativoUna biosfera de vida oculta en la TierraUna biosfera de sombra es una biosfera microbiana hipotética de la Tierra que utiliza procesos bioquímicos y moleculares radicalmente diferentes a los de la vida conocida actualmente. Podría existir, por ejemplo, en las profundidades de la corteza o sellada en rocas antiguas. [ cita requerida ]
Bioquímica del silicio ( organosilicio )Bioquímica alternativaVida basada en silicioAl igual que el carbono, el silicio puede crear moléculas lo suficientemente grandes como para transportar información biológica; sin embargo, el alcance de la posible química del silicio es mucho más limitado que el del carbono. [ cita requerida ]
Bioquímica del dióxido de silicioDisolventes no acuososVida basada en dióxido de silicioGerald Feinberg y Robert Shapiro han sugerido que la roca de silicato fundido podría servir como medio líquido para organismos con una química basada en silicio, oxígeno y otros elementos como el aluminio . [ cita requerida ]
Bioquímica del azufreBioquímica alternativaVida basada en azufreEl uso biológico del azufre como alternativa al carbono es puramente hipotético, especialmente porque el azufre suele formar sólo cadenas lineales en lugar de ramificadas. [ cita requerida ]
Ácidos nucleicos alternativosBioquímica alternativaDiferentes tipos de almacenamiento genéticoLos ácidos nucleicos xeno (XNA) posiblemente se puedan usar en lugar de ARN o ADN. XNA es el término general para un ácido nucleico con una cadena principal de azúcar alterada. Ejemplos de XNA son TNA , que utiliza treosa , HNA, que utiliza 1,5-anhidrohexitol, GNA , que utiliza glicol , CeNA, que utiliza ciclohexeno , LNA , que utiliza una forma de ribosa que contiene un enlace adicional entre su carbono 4' y oxígeno 2', FANA, que utiliza arabinosa pero con un solo átomo de flúor unido a su carbono 2', y PNA, que utiliza, en lugar de azúcar y fosfato, unidades de N-(2-aminoetil)-glicina conectadas por enlaces peptídicos . [8] En comparación, el ADN de Hachimoji cambia los pares de bases en lugar de la cadena principal. Estos nuevos pares de bases son P ( 2-Aminoimidazo[1,2a][1,3,5]triazin-4(1 H )-ona ), Z ( 6-Amino-5-nitropiridin-2-ona ), B ( Isoguanina ) y S (rS = Isocitosina para ARN, dS = 1-Metilcitosina para ADN). [9] [10]

Biosfera de sombra

El mensaje de Arecibo (1974) envió información al espacio sobre la química básica de la vida en la Tierra.

Una biosfera de sombra es una biosfera microbiana hipotética de la Tierra que utiliza procesos bioquímicos y moleculares radicalmente diferentes a los de la vida conocida actualmente. [11] [12] Aunque la vida en la Tierra está relativamente bien estudiada, la biosfera de sombra todavía puede pasar desapercibida porque la exploración del mundo microbiano se centra principalmente en la bioquímica de los macroorganismos.

Biomoléculas de quiralidad alternativa

Tal vez la bioquímica alternativa menos inusual sería aquella en la que sus biomoléculas tuvieran una quiralidad diferente . En la vida terrestre conocida, los aminoácidos son casi universalmente de la forma L y los azúcares de la forma D. Es posible que existan moléculas que utilicen aminoácidos D o azúcares L ; sin embargo, las moléculas de dicha quiralidad serían incompatibles con organismos que utilizaran moléculas de quiralidad opuesta. En la Tierra se encuentran aminoácidos cuya quiralidad es opuesta a la norma, y ​​se cree generalmente que estas sustancias son el resultado de la descomposición de organismos de quiralidad normal. Sin embargo, el físico Paul Davies especula que algunas de ellas podrían ser productos de la vida "antiquiral". [13]

Sin embargo, es cuestionable si una bioquímica de este tipo sería verdaderamente extraña. Aunque ciertamente sería una estereoquímica alternativa , las moléculas que se encuentran abrumadoramente en un enantiómero en la gran mayoría de los organismos pueden, no obstante, encontrarse a menudo en otro enantiómero en organismos diferentes (a menudo basales ), como en las comparaciones entre miembros de Archaea y otros dominios , [ cita requerida ] lo que hace que sea un tema abierto si una estereoquímica alternativa es realmente novedosa.

Bioquímicas no basadas en el carbono

En la Tierra, todos los seres vivos conocidos tienen una estructura y un sistema basados ​​en el carbono. Los científicos han especulado sobre los pros y los contras de utilizar elementos distintos del carbono para formar las estructuras moleculares necesarias para la vida, pero nadie ha propuesto una teoría que emplee dichos átomos para formar todas las estructuras necesarias. Sin embargo, como argumentó Carl Sagan , es muy difícil estar seguro de si una afirmación que se aplica a toda la vida en la Tierra resultará ser aplicable a toda la vida en todo el universo. [14] Sagan utilizó el término " chovinismo del carbono " para tal suposición. [15] Consideró que el silicio y el germanio eran alternativas concebibles al carbono [15] (otros elementos plausibles incluyen, entre otros, el paladio y el titanio ); pero, por otro lado, señaló que el carbono parece más versátil químicamente y es más abundante en el cosmos. [16] Norman Horowitz ideó los experimentos para determinar si podría existir vida en Marte que llevó a cabo la sonda Viking Lander de 1976 , la primera misión estadounidense en posar con éxito una sonda en la superficie de Marte. Horowitz sostuvo que la gran versatilidad del átomo de carbono lo convierte en el elemento con más probabilidades de aportar soluciones, incluso exóticas, a los problemas de supervivencia en otros planetas. [17] Consideró que sólo existía una remota posibilidad de que pudieran existir formas de vida no basadas en el carbono con sistemas de información genética capaces de autorreplicarse y con capacidad de evolucionar y adaptarse.

Bioquímica del silicio

Estructura del silano , análogo del metano
Estructura del polidimetilsiloxano de silicona (PDMS)
Diatomeas marinas  : organismos basados ​​en carbono que extraen silicio del agua de mar, en forma de óxido (sílice) y lo incorporan a sus paredes celulares.

El átomo de silicio ha sido muy discutido como base para un sistema bioquímico alternativo, porque el silicio tiene muchas similitudes químicas con el carbono y está en el mismo grupo de la tabla periódica . Al igual que el carbono, el silicio puede crear moléculas lo suficientemente grandes como para transportar información biológica. [18]

Sin embargo, el silicio tiene varios inconvenientes como alternativa al carbono. El carbono es diez veces más abundante cósmicamente que el silicio, y su química parece naturalmente más compleja. [19] En 1998, los astrónomos habían identificado 84 moléculas que contenían carbono en el medio interestelar , pero solo 8 contenían silicio, de las cuales la mitad también incluía carbono. [20] Aunque la Tierra y otros planetas terrestres son excepcionalmente ricos en silicio y pobres en carbono (el silicio es aproximadamente 925 veces más abundante en la corteza terrestre que el carbono), la vida terrestre se basa en el carbono. Puede evitar el silicio porque los compuestos de silicio son menos variados, inestables en presencia de agua o bloquean el flujo de calor. [19]

En relación con el carbono, el silicio tiene un radio atómico mucho mayor y forma enlaces covalentes mucho más débiles con los átomos, excepto el oxígeno y el flúor , con los que forma enlaces muy fuertes. [18] Casi ningún enlace múltiple con el silicio es estable, aunque el silicio exhibe un número de coordinación variado . [21] Los silanos , análogos de silicio de los alcanos , reaccionan rápidamente con el agua y los silanos de cadena larga se descomponen espontáneamente. [22] En consecuencia, la mayor parte del silicio terrestre está "encerrado" en sílice , y no en una amplia variedad de precursores biogénicos. [21]

Las siliconas , que alternan átomos de silicio y oxígeno , son mucho más estables que los silanos, e incluso pueden ser más estables que los hidrocarburos equivalentes en entornos extraterrestres ricos en ácido sulfúrico. [22] Alternativamente, los enlaces débiles en los compuestos de silicio pueden ayudar a mantener un ritmo rápido de vida a temperaturas criogénicas . Los polisilanoles, los homólogos de silicio de los azúcares , se encuentran entre los pocos compuestos solubles en nitrógeno líquido . [23] [ ¿ fuente poco confiable? ] [21]

Todas las macromoléculas de silicio conocidas son polímeros artificiales, y por lo tanto "monótonos comparados con el universo combinatorio de las macromoléculas orgánicas". [18] [21] Aun así, alguna vida terrestre utiliza sílice biogénica : los esqueletos de silicato de las diatomeas . AG Cairns-Smith planteó la hipótesis de que los minerales de silicato en el agua desempeñaban un papel crucial en la abiogénesis , en el sentido de que los compuestos de carbono biogénico se formaban alrededor de sus estructuras cristalinas. [24] [25] Aunque no se observan en la naturaleza, los enlaces carbono-silicio se han añadido a la bioquímica bajo evolución dirigida (selección artificial): se ha diseñado una proteína citocromo c de Rhodothermus marinus para catalizar nuevos enlaces carbono-silicio entre hidrosilanos y compuestos diazo . [26]

Otras bioquímicas basadas en elementos exóticos

  • Los boranos son peligrosamente explosivos en la atmósfera terrestre, pero serían más estables en una atmósfera reductora . Sin embargo, la baja abundancia cósmica del boro hace que sea menos probable que sirva de base para la vida que el carbono.
  • Varios metales, junto con el oxígeno, pueden formar estructuras muy complejas y térmicamente estables que rivalizan con las de los compuestos orgánicos; [ cita requerida ] los heteropoliácidos son una de esas familias. Algunos óxidos metálicos también son similares al carbono en su capacidad para formar tanto estructuras de nanotubos como cristales similares al diamante (como la circonia cúbica ). El titanio , el aluminio , el magnesio y el hierro son más abundantes en la corteza terrestre que el carbono. Por lo tanto, la vida basada en óxidos metálicos podría ser una posibilidad en ciertas condiciones, incluidas aquellas (como altas temperaturas) en las que la vida basada en carbono sería poco probable. El grupo Cronin de la Universidad de Glasgow informó del autoensamblaje de polioxometalatos de tungsteno en esferas similares a células. [27] Al modificar su contenido de óxido metálico, las esferas pueden adquirir agujeros que actúan como membrana porosa, permitiendo selectivamente que los productos químicos entren y salgan de la esfera según el tamaño. [27]
  • El azufre también es capaz de formar moléculas de cadena larga, pero sufre los mismos problemas de alta reactividad que el fósforo y los silanos. El uso biológico del azufre como alternativa al carbono es puramente hipotético, especialmente porque el azufre suele formar solo cadenas lineales en lugar de ramificadas. (El uso biológico del azufre como aceptor de electrones está muy extendido y se remonta a 3.500 millones de años en la Tierra, por lo que es anterior al uso del oxígeno molecular. [28] Las bacterias reductoras de azufre pueden utilizar azufre elemental en lugar de oxígeno, reduciendo el azufre a sulfuro de hidrógeno ).

El arsénico como alternativa al fósforo

El arsénico , que es químicamente similar al fósforo , aunque venenoso para la mayoría de las formas de vida en la Tierra, se incorpora a la bioquímica de algunos organismos. [29] Algunas algas marinas incorporan arsénico en moléculas orgánicas complejas como arsenosugares y arsenobetaínas . Los hongos y las bacterias pueden producir compuestos volátiles de arsénico metilado. Se ha observado reducción de arsenato y oxidación de arsenito en microbios ( Chrysiogenes arsenatis ). [30] Además, algunos procariotas pueden usar arsenato como aceptor terminal de electrones durante el crecimiento anaeróbico y algunos pueden utilizar arsenito como donante de electrones para generar energía.

Se ha especulado que las primeras formas de vida en la Tierra pueden haber utilizado la bioquímica del arsénico en lugar del fósforo en la estructura de su ADN. [31] Una objeción común a este escenario es que los ésteres de arsenato son mucho menos estables a la hidrólisis que los ésteres de fosfato correspondientes , por lo que el arsénico es poco adecuado para esta función. [32]

Los autores de un estudio de geomicrobiología de 2010 , apoyado en parte por la NASA, han postulado que una bacteria, llamada GFAJ-1 , recogida en los sedimentos del lago Mono en el este de California , puede emplear dicho "ADN de arsénico" cuando se cultiva sin fósforo. [33] [34] Propusieron que la bacteria puede emplear altos niveles de poli-β-hidroxibutirato u otros medios para reducir la concentración efectiva de agua y estabilizar sus ésteres de arsenato. [34] Esta afirmación fue duramente criticada casi inmediatamente después de su publicación por la percepción de falta de controles adecuados. [35] [36] El escritor científico Carl Zimmer contactó a varios científicos para una evaluación: "Me comuniqué con una docena de expertos ... Casi unánimemente, creen que los científicos de la NASA no han logrado demostrar su caso". [37] Otros autores no pudieron reproducir sus resultados y demostraron que el estudio tenía problemas con la contaminación por fosfato, lo que sugiere que las bajas cantidades presentes podrían sustentar formas de vida extremófilas. [38] Alternativamente, se sugirió que las células GFAJ-1 crecen reciclando el fosfato de los ribosomas degradados, en lugar de reemplazarlo con arsenato. [39]

Disolventes no acuosos

Además de los compuestos de carbono, toda la vida terrestre conocida actualmente también requiere agua como disolvente. Esto ha llevado a discusiones sobre si el agua es el único líquido capaz de cumplir esa función. La idea de que una forma de vida extraterrestre podría basarse en un disolvente distinto del agua ha sido tomada en serio en la literatura científica reciente por el bioquímico Steven Benner , [40] y por el comité astrobiológico presidido por John A. Baross. [41] Los disolventes discutidos por el comité de Baross incluyen amoniaco , [42] ácido sulfúrico , [43] formamida , [44] hidrocarburos, [44] y (a temperaturas mucho más bajas que las de la Tierra) nitrógeno líquido , o hidrógeno en forma de fluido supercrítico . [45]

El agua como disolvente limita las formas que puede adoptar la bioquímica. Por ejemplo, Steven Benner propone la teoría de los polielectrolitos del gen , que sostiene que para que un biopolímero genético como el ADN funcione en el agua, requiere cargas iónicas repetidas. [46] Si el agua no es necesaria para la vida, se eliminan estos límites a los biopolímeros genéticos.

Carl Sagan una vez se describió a sí mismo como un chovinista del carbono y un chovinista del agua; [47] sin embargo, en otra ocasión dijo que era un chovinista del carbono pero "no tanto un chovinista del agua". [48] Especuló sobre los hidrocarburos, [48] : 11  ácido fluorhídrico , [49] y amoníaco [48] [49] como posibles alternativas al agua.

Algunas de las propiedades del agua que son importantes para los procesos de la vida incluyen:

  • Una complejidad que conduce a una gran cantidad de permutaciones de posibles vías de reacción, incluyendo la química ácido-base, los cationes H + , los aniones OH− , los enlaces de hidrógeno, los enlaces de van der Waals, las interacciones dipolo-dipolo y otras interacciones polares, las jaulas de disolventes acuosos y la hidrólisis. Esta complejidad ofrece una gran cantidad de vías para que la evolución produzca vida; muchos otros disolventes [ ¿cuáles? ] tienen dramáticamente menos reacciones posibles, lo que limita severamente la evolución.
  • Estabilidad termodinámica: la energía libre de formación del agua líquida es lo suficientemente baja (−237,24 kJ/mol) como para que el agua experimente pocas reacciones. Otros disolventes son muy reactivos, en particular con el oxígeno.
  • El agua no se quema en presencia de oxígeno porque ya es el producto de la combustión del hidrógeno con oxígeno. La mayoría de los disolventes alternativos no son estables en una atmósfera rica en oxígeno, por lo que es muy poco probable que esos líquidos puedan sustentar la vida aeróbica.
  • Un amplio rango de temperatura en el que es líquido .
  • Alta solubilidad del oxígeno y del dióxido de carbono a temperatura ambiente, lo que favorece la evolución de la vida aeróbica de plantas y animales acuáticos.
  • Una alta capacidad térmica (que conduce a una mayor estabilidad de la temperatura ambiental).
  • El agua es un líquido a temperatura ambiente que genera una gran cantidad de estados de transición cuánticos necesarios para superar las barreras de reacción. Los líquidos criogénicos (como el metano líquido) tienen cantidades exponencialmente menores de estados de transición, que son necesarios para la vida basada en reacciones químicas. Esto genera velocidades de reacción química que pueden ser tan lentas que impiden el desarrollo de cualquier forma de vida basada en reacciones químicas. [ cita requerida ]
  • Transparencia espectroscópica que permite que la radiación solar penetre varios metros en el líquido (o sólido), ayudando enormemente a la evolución de la vida acuática.
  • Un gran calor de vaporización que da lugar a lagos y océanos estables.
  • La capacidad de disolver una amplia variedad de compuestos.
  • El sólido (hielo) tiene una densidad menor que el líquido, por lo que el hielo flota sobre el líquido. Por eso las masas de agua se congelan, pero no se solidifican (de abajo hacia arriba). Si el hielo fuera más denso que el agua líquida (como sucede con casi todos los demás compuestos), las grandes masas de líquido se solidificarían lentamente, lo que no favorecería la formación de vida.

El agua como compuesto es abundante en el cosmos, aunque gran parte de ella se encuentra en forma de vapor o hielo. Se considera probable o posible la presencia de agua líquida subterránea en varias de las lunas exteriores: Encélado (donde se han observado géiseres), Europa , Titán y Ganímedes . La Tierra y Titán son los únicos mundos conocidos actualmente que tienen cuerpos estables de líquido en sus superficies.

Sin embargo, no todas las propiedades del agua son necesariamente ventajosas para la vida. [50] Por ejemplo, el hielo de agua tiene un albedo alto , [50] lo que significa que refleja una cantidad significativa de luz y calor del Sol. Durante las eras de hielo , a medida que el hielo reflectante se acumula sobre la superficie del agua, aumentan los efectos del enfriamiento global. [50]

Existen algunas propiedades que hacen que ciertos compuestos y elementos sean mucho más favorables que otros como disolventes en una biosfera exitosa. El disolvente debe poder existir en equilibrio líquido en un rango de temperaturas que el objeto planetario encontraría normalmente. Debido a que los puntos de ebullición varían con la presión, la pregunta tiende a no ser si el disolvente potencial permanece líquido, sino a qué presión . Por ejemplo, el cianuro de hidrógeno tiene un rango de temperatura de fase líquida estrecho a 1 atmósfera, pero en una atmósfera con la presión de Venus , con 92 bares (91 atm) de presión, puede existir en forma líquida en un amplio rango de temperaturas.

Amoníaco

La molécula de amoniaco (NH 3 ), al igual que la molécula de agua, es abundante en el universo, siendo un compuesto de hidrógeno (el elemento más simple y común) con otro elemento muy común, el nitrógeno. [51] El posible papel del amoniaco líquido como disolvente alternativo para la vida es una idea que se remonta al menos a 1954, cuando J. B. S. Haldane planteó el tema en un simposio sobre el origen de la vida. [52]

En una solución de amoníaco son posibles numerosas reacciones químicas, y el amoníaco líquido tiene similitudes químicas con el agua. [51] [53] El amoníaco puede disolver la mayoría de las moléculas orgánicas al menos tan bien como lo hace el agua y, además, es capaz de disolver muchos metales elementales. Haldane señaló que varios compuestos orgánicos comunes relacionados con el agua tienen análogos relacionados con el amoníaco; por ejemplo, el grupo amina relacionado con el amoníaco (−NH 2 ) es análogo al grupo hidroxilo relacionado con el agua (−OH). [53]

El amoníaco, al igual que el agua, puede aceptar o donar un ion H + . Cuando el amoníaco acepta un H + , forma el catión amonio ( NH4 + ), análogo al hidronio (H3O + ) . Cuando dona un ion H + , forma el anión amida ( NH2- ) , análogo al anión hidróxido ( OH- ). [42] Sin embargo, en comparación con el agua, el amoníaco es más propenso a aceptar un ion H + y menos propenso a donarlo; es un nucleófilo más fuerte . [42] El amoníaco añadido al agua funciona como una base de Arrhenius : aumenta la concentración del anión hidróxido. Por el contrario, utilizando una definición de acidez y basicidad del sistema disolvente, el agua añadida al amoníaco líquido funciona como un ácido, porque aumenta la concentración del catión amonio. [53] El grupo carbonilo (C=O), muy utilizado en la bioquímica terrestre, no sería estable en solución de amoníaco, pero podría utilizarse en su lugar el grupo imina análogo (C=NH). [42]

Sin embargo, el amoníaco presenta algunos problemas como base para la vida. Los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de amoníaco son más débiles que los del agua, lo que hace que el calor de vaporización del amoníaco sea la mitad del del agua, su tensión superficial un tercio y reduce su capacidad para concentrar moléculas no polares mediante un efecto hidrofóbico . Gerald Feinberg y Robert Shapiro han cuestionado si el amoníaco podría mantener unidas las moléculas prebióticas lo suficientemente bien como para permitir el surgimiento de un sistema autorreproductor. [54] El amoníaco también es inflamable en oxígeno y no podría existir de manera sostenible en un entorno adecuado para el metabolismo aeróbico . [55]

La estructura interna teórica de Titán y el océano subterráneo se muestran en azul

Una biosfera basada en amoníaco probablemente existiría a temperaturas o presiones atmosféricas que son extremadamente inusuales en relación con la vida en la Tierra. La vida en la Tierra generalmente existe entre el punto de fusión y el punto de ebullición del agua, a una presión designada como presión normal , entre 0 y 100 °C (273 y 373  K ). Cuando también se mantiene a presión normal, los puntos de fusión y ebullición del amoníaco son -78 °C (195 K) y -33 °C (240 K) respectivamente. Debido a que las reacciones químicas generalmente se desarrollan más lentamente a temperaturas más bajas, la vida basada en amoníaco que exista en este conjunto de condiciones podría metabolizarse más lentamente y evolucionar más lentamente que la vida en la Tierra. [55] Por otro lado, las temperaturas más bajas también podrían permitir que los sistemas vivos usen especies químicas que serían demasiado inestables a las temperaturas de la Tierra para ser útiles. [51]

Un conjunto de condiciones en las que el amoníaco se encuentra en estado líquido a temperaturas similares a las de la Tierra implicaría que se encuentra a una presión mucho más alta. Por ejemplo, a 60  atm, el amoníaco se funde a -77 °C (196 K) y hierve a 98 °C (371 K). [42]

El amoníaco y las mezclas de amoníaco y agua permanecen líquidos a temperaturas muy por debajo del punto de congelación del agua pura, por lo que estas bioquímicas podrían ser adecuadas para planetas y lunas que orbitan fuera de la zona de habitabilidad basada en agua . Tales condiciones podrían existir, por ejemplo, bajo la superficie de la luna más grande de Saturno , Titán . [56]

Metano y otros hidrocarburos

El metano (CH 4 ) es un hidrocarburo simple: es decir, un compuesto de dos de los elementos más comunes en el cosmos: hidrógeno y carbono. Tiene una abundancia cósmica comparable con el amoníaco. [51] Los hidrocarburos podrían actuar como disolvente en un amplio rango de temperaturas, pero carecerían de polaridad . Isaac Asimov, el bioquímico y escritor de ciencia ficción, sugirió en 1981 que los polilípidos podrían formar un sustituto de las proteínas en un disolvente no polar como el metano. [51] La sonda espacial Cassini ha detectado lagos compuestos por una mezcla de hidrocarburos, incluidos metano y etano , en la superficie de Titán .

Existe un debate sobre la eficacia del metano y otros hidrocarburos como disolvente para la vida en comparación con el agua o el amoníaco. [57] [58] [59] El agua es un disolvente más fuerte que los hidrocarburos, lo que permite un transporte más fácil de sustancias en una célula. [60] Sin embargo, el agua también es más reactiva químicamente y puede descomponer moléculas orgánicas grandes mediante hidrólisis. [57] Una forma de vida cuyo disolvente fuera un hidrocarburo no se enfrentaría a la amenaza de que sus biomoléculas se destruyeran de esta manera. [57] Además, la tendencia de la molécula de agua a formar fuertes enlaces de hidrógeno puede interferir con los enlaces de hidrógeno internos en moléculas orgánicas complejas. [50] La vida con un disolvente de hidrocarburo podría hacer un mayor uso de los enlaces de hidrógeno dentro de sus biomoléculas. [57] Además, la fuerza de los enlaces de hidrógeno dentro de las biomoléculas sería apropiada para una bioquímica de baja temperatura. [57]

El astrobiólogo Chris McKay ha argumentado, sobre bases termodinámicas, que si existe vida en la superficie de Titán, utilizando hidrocarburos como disolvente, es probable que también utilice los hidrocarburos más complejos como fuente de energía al reaccionar con hidrógeno, reduciendo el etano y el acetileno a metano. [61] Darrell Strobel de la Universidad Johns Hopkins identificó en 2010 una posible evidencia de esta forma de vida en Titán : una mayor abundancia de hidrógeno molecular en las capas atmosféricas superiores de Titán en comparación con las capas inferiores, lo que sugiere una difusión descendente a una velocidad de aproximadamente 10 25 moléculas por segundo y la desaparición del hidrógeno cerca de la superficie de Titán. Como señaló Strobel, sus hallazgos estaban en línea con los efectos que Chris McKay había predicho si estuvieran presentes formas de vida metanogénicas . [60] [61] [62] El mismo año, otro estudio mostró niveles bajos de acetileno en la superficie de Titán, que Chris McKay interpretó como consistentes con la hipótesis de que los organismos reducen el acetileno a metano. [60] Al tiempo que replanteaba la hipótesis biológica, McKay advirtió que otras explicaciones para los hallazgos de hidrógeno y acetileno deben considerarse más probables: las posibilidades de procesos físicos o químicos aún no identificados (por ejemplo, un catalizador de superficie no vivo que permite que el acetileno reaccione con hidrógeno), o fallas en los modelos actuales de flujo de material. [63] Señaló que incluso un catalizador no biológico efectivo a 95 K sería en sí mismo un descubrimiento sorprendente. [63]

Azotosoma

Una membrana celular hipotética denominada azotosoma, capaz de funcionar en metano líquido en las condiciones de Titán, fue modelada por computadora en un artículo publicado en febrero de 2015. Compuesta de acrilonitrilo , una pequeña molécula que contiene carbono, hidrógeno y nitrógeno, se predice que tiene estabilidad y flexibilidad en metano líquido comparable a la de una bicapa de fosfolípidos (el tipo de membrana celular que posee toda la vida en la Tierra) en agua líquida. [64] [65] Un análisis de datos obtenidos usando el Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), completado en 2017, confirmó cantidades sustanciales de acrilonitrilo en la atmósfera de Titán. [66] [67] Estudios posteriores cuestionaron si el acrilonitrilo podría autoensamblarse en azotosomas. [68]

Fluoruro de hidrógeno

El fluoruro de hidrógeno (HF), al igual que el agua, es una molécula polar y, debido a su polaridad, puede disolver muchos compuestos iónicos. A presión atmosférica , su punto de fusión es de 189,15 K (−84,00 °C) y su punto de ebullición es de 292,69 K (19,54 °C); la diferencia entre ambos es de un poco más de 100 K. El HF también forma enlaces de hidrógeno con sus moléculas vecinas, al igual que el agua y el amoníaco. Ha sido considerado como un posible disolvente para la vida por científicos como Peter Sneath [69] y Carl Sagan. [49]

El HF es peligroso para los sistemas de moléculas de los que está hecha la vida en la Tierra, pero ciertos otros compuestos orgánicos, como las ceras de parafina , son estables con él. [49] Al igual que el agua y el amoníaco, el fluoruro de hidrógeno líquido admite una química ácido-base. Usando una definición de sistema de solvente de acidez y basicidad, el ácido nítrico funciona como una base cuando se agrega al HF líquido. [70]

Sin embargo, el fluoruro de hidrógeno es cósmicamente raro, a diferencia del agua, el amoníaco y el metano. [71]

Sulfuro de hidrógeno

El sulfuro de hidrógeno es el análogo químico más cercano al agua , [72] pero es menos polar y es un disolvente inorgánico más débil. [73] El sulfuro de hidrógeno es bastante abundante en la luna de Júpiter, Ío , y puede estar en forma líquida a poca distancia por debajo de la superficie; el astrobiólogo Dirk Schulze-Makuch lo ha sugerido como un posible disolvente para la vida allí. [74] En un planeta con océanos de sulfuro de hidrógeno, la fuente del sulfuro de hidrógeno podría provenir de volcanes, en cuyo caso podría estar mezclado con un poco de fluoruro de hidrógeno , que podría ayudar a disolver los minerales. La vida del sulfuro de hidrógeno podría usar una mezcla de monóxido de carbono y dióxido de carbono como fuente de carbono. Podrían producir y vivir de monóxido de azufre , que es análogo al oxígeno (O 2 ). El sulfuro de hidrógeno, como el cianuro de hidrógeno y el amoníaco, sufre el pequeño rango de temperatura en el que es líquido, aunque eso, como el del cianuro de hidrógeno y el amoníaco, aumenta con el aumento de la presión.

Dióxido de silicio y silicatos

El dióxido de silicio , también conocido como sílice y cuarzo, es muy abundante en el universo y tiene un amplio rango de temperaturas en el que es líquido. Sin embargo, su punto de fusión es de 1.600 a 1.725 °C (2.912 a 3.137 °F), por lo que sería imposible fabricar compuestos orgánicos a esa temperatura, porque todos ellos se descompondrían. Los silicatos son similares al dióxido de silicio y algunos tienen puntos de fusión más bajos que el sílice. Feinberg y Shapiro han sugerido que la roca de silicato fundido podría servir como medio líquido para organismos con una química basada en silicio, oxígeno y otros elementos como el aluminio . [75]

Otros disolventes o codisolventes

Ácido sulfúrico ( H2SO4 )

Otros disolventes propuestos a veces:

El ácido sulfúrico en forma líquida es fuertemente polar. Permanece líquido a temperaturas más altas que el agua, su rango líquido es de 10 °C a 337 °C a una presión de 1 atm, aunque por encima de los 300 °C se descompone lentamente. Se sabe que el ácido sulfúrico es abundante en las nubes de Venus , en forma de gotitas de aerosol . En una bioquímica que utilizó ácido sulfúrico como disolvente, el grupo alqueno (C=C), con dos átomos de carbono unidos por un doble enlace, podría funcionar de forma análoga al grupo carbonilo (C=O) en la bioquímica basada en agua. [43]

Se ha propuesto que podría existir vida en Marte y que se utilizaría una mezcla de agua y peróxido de hidrógeno como disolvente. [79] Una mezcla de 61,2 % (en masa) de agua y peróxido de hidrógeno tiene un punto de congelación de -56,5 °C y tiende a sobreenfriarse en lugar de cristalizarse. También es higroscópica , una ventaja en un entorno con escasez de agua. [80] [81]

El dióxido de carbono supercrítico se ha propuesto como candidato para la bioquímica alternativa debido a su capacidad para disolver selectivamente compuestos orgánicos y ayudar al funcionamiento de las enzimas y porque los planetas tipo "súper-Tierra" o "súper-Venus" con atmósferas densas de alta presión pueden ser comunes. [76]

Otras especulaciones

Fotosintetizadores no verdes

Los físicos han observado que, aunque la fotosíntesis en la Tierra generalmente involucra plantas verdes, una variedad de plantas de otros colores también podrían apoyar la fotosíntesis, esencial para la mayor parte de la vida en la Tierra, y que otros colores podrían ser preferidos en lugares que reciben una mezcla diferente de radiación estelar que la Tierra. [82] [83] Estos estudios indican que las plantas azules serían poco probables; sin embargo, las plantas amarillas o rojas pueden ser relativamente comunes. [83]

Entornos variables

Muchas plantas y animales de la Tierra experimentan cambios bioquímicos importantes durante sus ciclos de vida como respuesta a las condiciones ambientales cambiantes, por ejemplo, al tener un estado de espora o hibernación que puede mantenerse durante años o incluso milenios entre etapas de vida más activas. [84] Por lo tanto, sería bioquímicamente posible mantener la vida en entornos que solo son periódicamente consistentes con la vida tal como la conocemos.

Por ejemplo, las ranas en climas fríos pueden sobrevivir durante largos períodos de tiempo con la mayor parte del agua de su cuerpo en estado congelado, [84] mientras que las ranas del desierto en Australia pueden volverse inactivas y deshidratarse en períodos secos, perdiendo hasta el 75% de sus fluidos, pero volver a la vida rehidratándose rápidamente en períodos húmedos. [85] Cualquiera de los dos tipos de rana parecería bioquímicamente inactiva (es decir, no viva) durante los períodos de inactividad para cualquier persona que carezca de un medio sensible para detectar niveles bajos de metabolismo.

El mundo alanino y alternativas hipotéticas

Etapa temprana del código genético (GC-Code) con el “mundo alanina” y sus posibles alternativas.

El código genético puede haber evolucionado durante la transición del mundo del ARN al mundo de las proteínas . [86] La hipótesis del mundo de la alanina postula que la evolución del código genético (la llamada fase GC [87] ) comenzó con solo cuatro aminoácidos básicos : alanina , glicina , prolina y ornitina (ahora arginina ). [88] La evolución del código genético terminó con 20 aminoácidos proteinogénicos . Desde un punto de vista químico, la mayoría de ellos son derivados de la alanina particularmente adecuados para la construcción de hélices α y láminas β  , elementos estructurales secundarios básicos de las proteínas modernas. La evidencia directa de esto es un procedimiento experimental en biología molecular conocido como escaneo de alanina .

Un hipotético "Mundo Prolina" crearía una posible vida alternativa con el código genético basado en el andamiaje químico de la prolina como la columna vertebral de la proteína . De manera similar, también son concebibles un "Mundo Glicina" y un "Mundo Ornitina", pero la naturaleza no ha elegido ninguno de ellos. [89] La evolución de la vida con Prolina, Glicina u Ornitina como la estructura básica para polímeros similares a proteínas ( foldámeros ) conduciría a mundos biológicos paralelos. Tendrían planes corporales y genética morfológicamente radicalmente diferentes de los organismos vivos de la biosfera conocida . [90]

Vida no planetaria

[ dudoso – discutir ]

Basado en plasma polvoriento

En 2007, Vadim N. Tsytovich y sus colegas propusieron que las partículas de polvo suspendidas en un plasma podrían exhibir comportamientos similares a los de la vida real , en condiciones que podrían existir en el espacio. [91] [92] Los modelos informáticos mostraron que, cuando el polvo se cargaba, las partículas podían autoorganizarse en estructuras helicoidales microscópicas, y los autores ofrecen "un esbozo aproximado de un posible modelo de... reproducción de la estructura helicoidal del grano".

Collar cósmico basado en

En 2020, Luis A. Anchordoqu y Eugene M. Chudnovsky, de la City University de Nueva York, plantearon la hipótesis de que la vida basada en collares cósmicos compuestos por monopolos magnéticos conectados por cuerdas cósmicas podría evolucionar dentro de las estrellas. [5] Esto se lograría mediante un estiramiento de las cuerdas cósmicas debido a la intensa gravedad de la estrella, lo que le permitiría adoptar formas más complejas y potencialmente formar estructuras similares a las estructuras de ARN y ADN que se encuentran en la vida basada en el carbono. Como tal, es teóricamente posible que tales seres pudieran eventualmente volverse inteligentes y construir una civilización utilizando la energía generada por la fusión nuclear de la estrella. Debido a que tal uso consumiría parte de la producción de energía de la estrella, la luminosidad también disminuiría. Por esta razón, se piensa que tal vida podría existir dentro de estrellas que se observa que se enfrían más rápido o son más tenues de lo que predicen los modelos cosmológicos actuales.

La vida en una estrella de neutrones

Frank Drake sugirió en 1973 que la vida inteligente podría habitar estrellas de neutrones . [93] Los modelos físicos de 1973 implicaban que las criaturas de Drake serían microscópicas. [ cita requerida ]

Científicos que han publicado sobre este tema

Los científicos que han considerado posibles alternativas a la bioquímica carbono-agua incluyen:

Véase también

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Lectura adicional

  • Bains, William (2004). "Muchas sustancias químicas podrían utilizarse para construir sistemas vivos". Astrobiología . 4 (2): 137–167. Bibcode :2004AsBio...4..137B. doi :10.1089/153110704323175124. PMID  15253836. S2CID  27477952.
  • Preguntas frecuentes sobre astronomía
  • Vida basada en amoniaco
  • Vida basada en silicio
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