生物化学的假想类型

跳转到导航跳转搜索假设的生物化学类型是推测在科学上可行的生物化学形式，但目前还没有被证明存在。[2]目前地球上已知的各种生物体都使用碳化合物来实现基本的结构和代谢功能，使用水作为溶剂，使用DNA或RNA来定义和控制它们的形式。如果在其他行星或卫星上存在生命，那么它们在化学上可能是相似的；也有可能存在具有完全不同化学成分的有机体[3]--例如，涉及其他种类的碳化合物、另一种元素的化合物或另一种代替水的溶剂。

生命形式建立在另一种生物化学基础上的可能性是一个正在进行的科学讨论的主题，这一讨论的依据是关于外星环境以及各种元素和化合物的化学行为的已知情况。它对合成生物学很感兴趣，也是科幻小说中常见的主题。

元素硅作为碳的假想替代品已经讨论了很多。在元素周期表中，硅与碳属于同一族，并且和碳一样，它也是四价的。假设水的替代品包括氨，它和水一样，是一种极性分子，在宇宙中含量丰富；以及非极性碳氢化合物溶剂，如甲烷和乙烷，已知以液体形式存在于泰坦表面。

也许最不寻常的替代生物化学将是具有不同的生物分子手性的生物化学。在已知的地球生命中，氨基酸几乎都是L型的，而糖是D型的。使用D氨基酸或L糖的分子可能是可能的；然而，这样的手性分子与使用相反手性分子的生物体是不相容的。

液氨作为生命的替代溶剂的可能作用至少可以追溯到1954年，当时J·B·B·S·霍尔丹在一次关于生命起源的研讨会上提出了这个话题。

砷在化学上与磷相似，但对地球上大多数生命形式来说都是有毒的，它被结合到一些生物体的生物化学中。

硼烷在地球大气层中具有危险的爆炸性，但在减少的环境中会更稳定。然而，与邻近的碳、氮和氧相比，宇宙中硼的丰度是极其罕见的。

2007年，Vadim N.Tsytovich和他的同事提出，在可能存在于太空的条件下，悬浮在等离子体中的尘埃颗粒可以表现出逼真的行为。

在我们所知的仅与生命周期性一致的环境中维持生命在生物化学上是可能的。

各种金属和氧可以形成非常复杂的热稳定性结构，可以与有机化合物相媲美；[需要引用的]杂多酸就是这样一个家族。

彼得·斯尼思等科学家认为它可能是生命的溶剂。

硫化氢是最接近水的化学类似物，但极性较低，是一种较弱的无机溶剂。

甲烷(CH4)是一种简单的碳氢化合物：即宇宙中最常见的两种元素：氢和碳的化合物。假设甲烷生命是可能的。

物理学家指出，尽管地球上的光合作用通常涉及绿色植物，但各种其他颜色的植物也可以支持光合作用，而光合作用对地球上的大多数生命来说都是必不可少的，而且在接受与地球不同的恒星辐射混合的地方，其他颜色可能是首选的。

影子生物圈是一种假想的地球微生物生物圈，它使用与目前已知生命完全不同的生化和分子过程。

像碳一样，硅可以产生足够大的分子来携带生物信息；然而，可能的硅化学的范围比碳的范围要有限得多。

杰拉尔德·范伯格(Gerald Feinberg)和罗伯特·夏皮罗(Robert Shapiro)提出，熔融的硅酸盐岩石可以作为有机体的液体介质，其化学基础是硅、氧和其他元素，如铝。

硫作为碳的替代品在生物上的使用纯粹是假设的，特别是因为硫通常只形成线性链，而不是支链。

影子生物圈是一种假想的地球微生物生物圈，它使用与目前已知生命完全不同的生化和分子过程。[4][5]虽然地球上的生命研究相对较好，但阴影生物圈可能仍然没有引起注意，因为对微生物世界的探索主要针对大型有机体的生物化学。

也许最不寻常的替代生物化学将是具有不同的生物分子手性的生物化学。在已知的地球生命中，氨基酸几乎都是L型的，而糖是D型的。使用D氨基酸或L糖的分子可能是可能的；然而，这样的手性分子与使用相反手性分子的生物体是不相容的。在地球上发现了手性与正常相反的氨基酸，这些物质通常被认为是手性正常的有机体腐烂的结果。然而，物理学家保罗·戴维斯(Paul Davies)推测，其中一些可能是反手性生命的产物。[6]。

然而，这样的生物化学是否真的是外星人，这是值得怀疑的。虽然它肯定会是一种替代立体化学，但在绝大多数生物体的一种对映体中压倒性地发现的分子仍然经常可以在不同(通常是基础的)生物中的另一种对映体中找到，例如在古生代成员和其他领域之间的比较中，[需要引用]使得替代立体化学是否真的新颖成为一个开放的话题。

在地球上，所有已知的生物都有一个以碳为基础的结构和系统。科学家们已经推测了使用碳以外的原子来形成生命所需的分子结构的利弊，但还没有人提出使用这种原子来形成所有必要结构的理论。然而，正如卡尔·萨根(Carl Sagan)所说，很难确定一个适用于地球上所有生命的声明是否会最终适用于整个宇宙的所有生命。[7]萨根使用“碳沙文主义”一词来解释这一假设。[8]他认为硅和锗是碳的可能替代品；[8](其他看似合理的元素包括但不限于钯和钛)，但另一方面，他注意到碳似乎在化学上更多才多艺，在宇宙中也更丰富。[9]。

硅原子作为另一种生物化学体系的基础已经讨论了很多，因为硅有许多类似于碳的化学性质，并且在元素周期表中属于相同的基团，即碳基。像碳一样，硅可以产生足够大的分子来携带生物信息。[10]。

然而，硅作为碳的替代品有几个缺点。与碳不同，硅缺乏与不同类型的原子形成化学键的能力，这是新陈代谢所需的化学多样性所必需的，但这种精确的无能为力使得硅不太容易与各种杂质结合，相比之下，碳没有受到这些杂质的保护。与碳形成有机官能团的元素包括氢、氧、氮、磷、硫以及铁、镁和锌等金属。另一方面，硅与极少数其他类型的原子相互作用。[10]此外，在与其他原子相互作用的地方，硅创造的分子与有机大分子的组合宇宙相比被描述为单调。[10]这是因为硅原子大得多，具有更大的质量和原子半径，因此很难形成双键(双键碳是羰基的一部分，这是碳基生物有机化学的基本主题)。

硅烷是氢和硅的化合物，类似于烷烃，与水具有高度的反应性，长链硅烷会自发分解。包含交替的硅和氧原子的聚合物而不是硅之间的直接键(统称为硅)的分子要稳定得多。有人提出，硅基化学品在富含硫酸的环境中会比同等的碳氢化合物更稳定，就像在一些外星人的地方发现的那样。[11]。

到1998年为止，在星际介质中发现的各种分子中，有84种是基于碳的，只有8种是基于硅的。[12]此外，在这8种化合物中，有4种还含有碳。宇宙中碳与硅的丰度约为10比1。这可能表明宇宙中复杂的碳化合物种类更多，至少在行星表面普遍存在的条件下，为建立基于硅的生物提供的基础较少。此外，尽管地球和其他类地行星异常富含硅和贫碳(地球地壳中硅与碳的相对丰度约为925：1)，但地球生命是以碳为基础的。碳被用来代替硅的事实可能是硅不太适合类地行星上的生物化学的证据。其原因可能是硅在形成化合物方面不如碳多才多艺，硅形成的化合物不稳定，而且它阻挡了热量的流动。[13]。

即便如此，一些地球生命也在使用生物硅，比如硅藻的硅酸盐骨架结构。根据A.G.凯恩斯-史密斯的粘土假说，水中的硅酸盐矿物在非生物发生中起着至关重要的作用：它们复制了自己的晶体结构，与碳化合物相互作用，是碳基生命的先驱。[14][15]。

虽然在自然界中没有观察到碳-硅键，但已经通过定向进化(人工选择)将碳-硅键添加到生物化学中。利用定向进化的方法设计了一种含细胞色素c蛋白的血红素，用来催化氢硅烷和重氮化合物之间新的碳硅键的形成。[16]。

在与陆地行星表面不同的温度或压力下，硅化合物可能在生物上是有用的，要么与碳结合，要么起到与碳不太直接相似的作用。聚硅醇是一种与糖相对应的硅化合物，可溶于液氮，这表明它们在超低温生物化学中可能起到一定的作用。[17][18]。

在电影和文学科幻小说中，当人造的机器从无生命到有生命的时候，人们经常会提出这样的假设：[是谁？]。这种新的形式将是非碳基生命的第一个例子。自从20世纪60年代末微处理器问世以来，这些机器通常被归类为计算机(或计算机引导的机器人)，并归入硅基LIFE类别，尽管这些处理器的硅衬底矩阵对它们的运行并不像碳对于湿态LIFE的基础那么重要。

硼烷在地球大气层中具有危险的爆炸性，但在减少的环境中会更稳定。然而，硼在宇宙中的低丰度使得它比碳更不可能成为生命的基础。

各种金属和氧可以形成非常复杂的热稳定性结构，可以与有机化合物相媲美；[需要引用的]杂多酸就是这样一个家族。一些金属氧化物在形成纳米管结构和类金刚石晶体(如立方氧化锆)的能力上也与碳相似。钛、铝、镁和铁在地壳中的含量都比碳丰富。因此，在某些条件下，基于金属氧化物的生命可能是可能的，包括那些基于碳的生命不太可能存在的条件(如高温)。格拉斯哥大学(Glasgow University)的克罗宁(Cronin)研究小组报告了多金属钨自组装成细胞状球体的情况。[19]通过改变它们的金属氧化物含量，球体可以获得充当多孔膜的孔，根据大小选择性地允许化学品进出球体。[19]

硫也可以形成长链分子，但与磷和硅烷一样存在高反应性问题。硫作为碳的替代品在生物上的使用纯粹是假设的，特别是因为硫通常只形成线性链，而不是支链。(硫作为电子受体的生物用途非常广泛，可以追溯到地球上35亿年前，因此先于分子氧的使用。[20]降硫菌可以利用元素硫代替氧气，将硫还原为硫化氢。)。

砷在化学上与磷相似，但对地球上大多数生命形式来说都是有毒的，它被结合到一些生物体的生物化学中。[21]一些海藻将砷结合到复杂的有机分子中，如砷糖和砷甜菜碱。真菌和细菌可以产生挥发性甲基化砷化合物。砷酸根微生物(Chrysigenes Arcatis)中存在亚砷酸盐还原和亚砷酸盐氧化的现象。[22]此外，一些原核生物在厌氧生长过程中可以利用砷酸盐作为末端电子受体，而一些原核生物可以利用亚砷酸盐作为电子供体来产生能量。

据推测，地球上最早的生命形式可能在它们的DNA结构中使用了砷生物化学代替了磷。[23]对这种情况的一个共同反对意见是，砷酸酯对水解的稳定性比相应的磷酸酯差得多，因此砷不太适合这种功能。[24]。

2010年的一项地球微生物学研究的作者推测，在加利福尼亚州东部莫诺湖的沉积物中收集到的一种名为GFAJ-1的细菌，在没有磷的情况下培养时，可以利用这种砷。这项研究得到了美国宇航局(NASA)的部分支持，该研究的作者推测，一种名为GFAJ-1的细菌在没有磷的情况下培养时可以利用这种砷。[25][26]他们提出，细菌可能会使用高浓度的聚羟基丁酸酯(Poly-β-羟基丁酸盐)或其他方法来降低水的有效浓度，并稳定其砷酸酯。[26]这一说法在发表后几乎立即受到严厉批评，因为它被认为缺乏适当的控制。[27][28]科学作家卡尔·齐默(Carl Zimmer)联系了几位科学家进行评估：我联系了十几位专家……。他们几乎一致认为NASA的科学家未能证明他们的观点。[29]其他作者无法复制他们的结果，并表明这项研究存在磷酸盐污染的问题，这表明目前存在的少量磷酸盐可以维持极端微生物的生命形式。[30]或者，有人建议GFAJ-1细胞是通过从降解的核糖体中回收磷酸盐而不是用砷酸盐代替它来生长的。[31][31]。

除了碳化合物，目前已知的所有陆地生命也需要水作为溶剂。这引发了关于水是否是唯一能够填补这一角色的液体的讨论。在最近的科学文献中，生物化学家史蒂文·本纳(Steven Benner)[32]和约翰·A·巴罗斯(John A.Baross)主持的天体生物学委员会认真对待了外星生命形式可能基于水以外的溶剂的想法。[33]Baross委员会讨论的溶剂包括氨、[34]硫酸、[35]甲酰胺、[36]烃、[36]和(在远低于地球温度的情况下)液氮，或超临界流体形式的氢。[37]。

卡尔·萨根(Carl Sagan)曾形容自己既是碳沙文主义者，又是水沙文主义者；然而，在另一个场合，他说他是碳沙文主义者，但不是那么大的水沙文主义者。[39]他推测碳氢化合物[39]：11氢氟酸[40]和氨[39][40]可能是水的替代品。

这种复杂性导致了可能的反应路径的大量排列，包括酸碱化学、H+离子、OH−阴离子、氢键、范德华键、偶极-偶极和其他极性相互作用、水溶剂笼和水解。这种复杂性为进化提供了大量产生生命的途径，还有许多其他的溶剂[哪种？]。可能的反应大大减少，这严重限制了进化。

热力学稳定性：液态水的生成自由能很低(−为237.24千焦耳/摩尔)，水几乎不会发生反应。其他溶剂的反应性很强，特别是与氧气的反应。

水在氧气中不燃烧，因为它已经是氢和氧的燃烧产物。大多数替代溶剂在富氧的大气中不稳定，因此这些液体支持有氧生命的可能性很小。

室温下氧气和二氧化碳的高度溶解性，支持有氧水生动植物的进化。

水是一种室温液体，需要大量的量子过渡态来克服反应障碍。低温液体(如液态甲烷)具有指数级较低的过渡态，这是基于化学反应的生命所需的。这导致化学反应速率可能非常慢，从而阻碍了任何以化学反应为基础的生命的发展。[需要引用]。

光谱透明性允许太阳辐射穿透液体(或固体)几米，极大地促进了水生生物的进化。

固体(冰)的密度比液体低，所以冰漂浮在液体上。这就是为什么水体结冰而不结冰(自下而上)的原因。如果冰的密度大于液态水(几乎所有其他化合物都是如此)，那么大量的液体会慢慢冻结成固体，这将不利于生命的形成。

水作为一种化合物在宇宙中非常丰富，尽管其中大部分是以蒸汽或冰的形式存在的。地下液态水被认为可能或可能存在于几颗外部卫星上：土卫二(在那里观察到间歇泉)、木卫二、土卫六和木卫三。地球和土卫六是目前已知的仅有的两个表面有稳定液态体的星球。

然而，并不是水的所有性质都必然对生命有利。[41]例如，水冰的反照率很高，[41]这意味着它反射了大量来自太阳的光和热。在冰河时期，随着反射性冰在水面上堆积，全球变冷的影响会增加。[41]。

有一些性质使得某些化合物和元素在成功的生物圈中作为溶剂比其他化合物和元素更有利。溶剂必须能够在行星物体通常遇到的温度范围内处于液体平衡状态。因为沸点随压力而变化，所以问题往往不是预期的溶剂是否保持液体，而是在多大的压力下。例如，氰化氢在1℃的大气压下液相温度范围很窄，但在压力为金星的大气层中，在92巴(91atm)的压力下，它确实可以在很宽的温度范围内以液体的形式存在。

氨分子(NH3)和水分子一样，在宇宙中含量丰富，是氢(最简单和最常见的元素)与另一种非常常见的元素氮的化合物。[42]可能扮演的角色。

..