Содержание
Альтернативная биохимия — изучение возможных форм жизни на других планетах – Мир Знаний
Среди новых областей знания, возникших в конце XX века, особое место занимают науки, изучающие (пока только теоретически) особенности жизни на других планетах. Об одной из них — астробиологии — мы уже рассказывали. Ученые-астробиологи рассчитывают условия, в которых должна находиться планета, чтобы на ней могла зародиться жизнь, похожая на земную. Они также пытаются спрогнозировать, как будут выглядеть имеющиеся там животные, растения и организмы, которым необходимы азотно-кислородная атмосфера, вода в жидком состоянии и углерод как основной строительный элемент для молекул. А вот такая научная дисциплина, как альтернативная биохимия, смотрит на проблему инопланетной жизни шире. Настолько шире, что просто дух захватывает от перспектив.
Нет — углеродному шовинизму?
«Почему, собственно, только углерод, вода и кислород?» — спрашивают альтернативные биохимики.
Только потому, что люди сами состоят из углерода и воды и в процессе жизнедеятельности поглощают кислород, а выделяют углекислый газ?
Американский астрофизик Карл Саган даже придумал такой точке зрения специальный термин — «углеродный шовинизм» — и подверг ее резкой критике.
Да, конечно, углерод и кислород входят в первую пятерку самых распространенных во Вселенной химических элементов. Кроме того, углерод — один из самых подходящих на роль строительных кирпичей элементов из-за его действительно выдающихся химических и термодинамических свойств, а кислород — великолепный источник энергии для обмена веществ.
Но значит ли это, что живые организмы на других планетах непременно должны иметь «землеподобную» основу жизнедеятельности? Разве в обозримой Вселенной, где, по предварительным данным, существуют миллиарды экзопланет (находящихся вне Солнечной системы), не может быть хотя бы несколько, хотя бы сотой доли процента, миров, где жизнь построена на иной, не кислородно-углеродной основе?
Да даже по теории вероятностей такие планеты просто обязаны существовать!
Кремний вместо углерода
Они и существуют! Но пока только в фантастических романах.
Ну и в расчетах альтернативных биохимиков. В частности, в России подобными расчетами занимаются в Москве, в Институте биохимии им. А.Н. Баха Российской академии наук.
Знаете ли вы, какой самый распространенный элемент на Земле? После, разумеется, кислорода, на долю которого приходится почти 50%?
Так вот, это вовсе не углерод, как можно было бы предположить, а кремний. Доля кремния среди химических элементов нашей планеты составляет 26%. Во Вселенной его также довольно много, судя хотя бы по составу падающих на Землю метеоритов.
На Земле мы постоянно встречаемся с кремнием в виде его соединения с кислородом — кремнеземом, или диоксидом кремния. Кремнезем — это в первую очередь песок. А также кварц и его многочисленные разновидности — горный хрусталь, аметист, сердолик и т.п. То, что у нас под ногами — глина, гранит, другие силикаты, — также состоит в основном из кремния. Наконец, большинство электронных микросхем создается на основе кремния, и, садясь за свой компьютер, мы запускаем его «кремниевый» процессор.
Почему бы в таком случае не существовать и живым организмам на основе кремния, а не углерода?
В самом деле: кремнии обладает многими полезными «жизнеобразующими» свойствами. Как и углерод, он может образовывать разветвленные молекулярные соединения. Как и углерод, может, взаимодействуя с кислородом, выделять необходимую для обмена веществ энергию. Правда, кремний в 2,3 раза тяжелее углерода… Ну так что ж, значит, живые организмы на кремниевой основе будут выглядеть более массивными и приземистыми, чем мы с вами, наши растения и животные.
Но никто же не доказал, что их существование в принципе невозможно!
Некоторые ( исследователи даже пытаются найти признаки существования кремниевой жизни не где-нибудь на планетах Тау Кита, что было бы понятно и допустимо, а на нашей старушке Земле.
В качестве «доказательств» выступают археологические и палеонтологические находки: каменные ракушки древних моллюсков — аммонитов, так называемые каменные деревья, структура которых напоминает обычную древесину, кости некоторых ископаемых, состоящие чуть ли не из драгоценных камней, и даже… античные здания.
Да-да, есть теория, что некоторые античные здания не были созданы в свое время человеческими руками (или даже руками человекообразных пришельцев), а являются скелетами давным-давно умерших кремниевых организмов. Стены, потолки и внутренние помещения — это кости и окончательно окаменевшие клетки вымерших кремниевых гигантов.
Однако серьезные альтернативные биохимики пока воздерживаются от определенных умозаключений по поводу земных кремниевых организмов. Они заняты тем, что пересчитывают цикл Кребса (цепочка химических реакций, непрерывно происходящих в клетке любого живого организма), заменяя углерод кремнием, и пытаются получить формулу вещества, являющегося «энергетической основой» жизнедеятельности таких организмов. А заодно понять, какие планетарные условия, кроме наличия кислородной атмосферы, будут оптимальны для кремниевых существ.
Возможно, они будут чувствовать себя комфортно при низких температурах и повышенной силе тяжести.
Разница всего в один электрон
Замена кремния на углерод, но при сохранении кислородной основы жизни — это далеко не предел изысканиям в области альтернативной биохимии.
Есть и более интересные идеи.
Почему обязательно вода и кислород? Почему, как в огромном количестве фантастических романов, не поискать жизнь на основе аммиака, хлора, серной кислоты, иных газов и жидкостей? Это для нас такие вещества — яды, а где-нибудь в Туманности Андромеды живые и даже разумные существа, возможно, с удовольствием плещутся в кислотных океанах и смакуют коктейли из растворителей?
Мы не зря упомянули здесь Туманность Андромеды. Знаменитый советский ученый, философ и писатель-фантаст Иван Ефремов в своей повести «Сердце Змеи» (дополнение к роману «Туманность Андромеды») создал весьма выразительный образ разумных существ, основу существования которых составляют фтор и его соединения. Логические построения Ефремова, оправдывающие возможность существования фтороводородной жизни, во многом предвосхитили идеи современной альтернативной биохимии.
Кислород и фтор — «соседи» по таблице Менделеева. Но для нас кислород — это жизнь, а фтор в чистом виде — смертельный яд.
Для персонажей Ефремова — наоборот. А все потому, что в атоме кислорода 8 электронов, а в атоме фтора — 9. Из-за одного единственного электрона «чужие», весьма похожие на людей, никогда не смогут жить на Земле (разве что в скафандрах высшей химической защиты), а земляне, соответственно, на их планете.
Их моря и океаны состоят не из воды (для них это растворитель страшной силы!), а из жидкого фтористого водорода, то есть плавиковой кислоты. На нашей планете плавиковая кислота легко разъедает практически все минералы.
Их растения, как и земные, осуществляют фотосинтез. Расщепляя с помощью лучистой энергии своей звезды фтористый водород, как у нас на Земле воду, растения выделяют свободный фтор. Этим фтором в смеси с азотом дышат люди и животные — подобно тому, как мы с вами дышим смесью кислорода и азота. Выдыхают же они не углекислый газ, а фтористый углерод в смеси с фтористым водородом.
Любопытно, что такой «фтористый» обмен веществ дает обитателям инопланетной цивилизации из «Сердца Змеи» Ефремова в два раза больше энергии, чем «кислородный» обмен
веществ — землянам.
Еще одним, ускоряющим развитие цивилизации является тот факт, что на их планете довольно-таки холодно: фтористо-водородные океаны испаряются уже при +20 °С.
В общем, неудивительно, что обитатели «Сердца Змеи» намного обогнали землян в своем развитии. Так что, скорее всего, первыми найдут нас именно они, а не мы их.
У персонажей Ефремова были по отношению к землянам вполне дружелюбные намерения. Но, даже если в действительности это не так, землянам опасаться нечего: фтор, в отличие от кислорода, далеко не самый распространенный элемент во Вселенной. А уж количество планет с подходящими для «фторных» организмов условиями жизни и вовсе в миллионы раз меньше, чем для «кислородных».
А если сера?
Еще менее вероятно существование организмов на хлорной или, к примеру, сероводородной основе. То есть примитивные формы могут возникнуть, но уж высокоорганизованные — едва ли. Хлору при обмене веществ никак не сравниться с кислородом, энергии от него будет в десятки раз меньше.
Сера энергетически сопоставима с кислородом; на планетах с атмосферой из сернистого ангидрида и океанами из жидкой серы теоретически могла бы развиться высокоразвитая жизнь (хотя по высокой температуре и внешнему виду она напоминала бы обитателей земного ада). Если бы не одно обстоятельство: сера в космосе — элемент еще более редкий, чем фтор, и планет с серной атмосферой должно быть совсем уж ничтожное количество — опять-таки по сравнению с «кислородными» мирами.
…Но, как мы уже указывали выше, для безграничной Вселенной это вовсе не означает, что их нет или не может быть совсем.
Альтернативная биохимия на сайте Игоря Гаршина
Альтернативная биохимия на сайте Игоря Гаршина
|
|
..»
Ксенобиология (от др.-греч. ξενος — «чужой, гость», сокращенно КБ) — подраздел синтетической биологии,
изучающий создание и внутренние процессы биосистем, форма которых не знакомы науке и не встречается в природе.
То есть, новые биологические и биохимические системы, которые отличаются от канонической системы ДНК-РНК-20 аминокислот.
Например, вместо ДНК или РНК в качестве носителей информации, ксенобиология исследует аналоги нуклеиновых кислот,
называемые ксенонуклеиновые кислоты (КсНК).
Она также исследует расширенный генетический код и включение не-протеиногенных аминокислот в белки.
Разделы страницы о неуглеродной жизни (ксенобиология):
- Возможные замены основных кирпичиков жизнии
- Нехимическая жизнь
- Новости альтернативной биохимии
Возможные замены основных кирпичиков жизни
Все живые организмы нашей планеты строятся из шести «кирпичиков»: углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы (CHNOPS).
Биологи полагали, что CHNOPS – основа жизни во Вселенной. Однако некоторые учёные всё же задавались вопросом:
почему на место «первой шестёрки» не могут встать другие химические элементы.
Альтернативная биохимия изучает именно возможность замены основных «кирпичиков» жизни, например:
углерода — кремнием, [серы — фосфором ?], кислорода — серой,
воду (жидкий растворитель) — аммиаком, фтороводородом или даже взрывоопасным цианистым водородом…
Изучение может включать лабораторную замену молекул в живых организмах или поиск таких фактов в живом мире.
Например, фосфор внутри фосфат-иона (PO43-) входит в основу структур ДНК и РНК, определяет транспорт веществ через мембрану клетки,
играет важную роль в обмене энергии.
Так, мышьяк (As), химически близкий к фосфору, мог бы выполнять его функции.
Другое дело, что этот элемент для любой формы жизни является ядом.
Тем не менее AsO43- имеет ту же структуру, что и фосфат-ион, образует похожие связи.
А значит, он теоретически может внедриться на чужое место.
И, действительно, обнаружена бактерия GFAJ-1 из рода Halomonadaceae, которая может заменять фосфор мышьяком.
Интересные формы жизни могут быть на планетах
Солнечной системы.
В 2005 году учёные предположили, что на
Титане
может существовать необычная форма жизни — организмы, производящие метан.
Такие существа должны дышать водородом, а в пищу употреблять ацетилен.
Следует заметить, что одним из первых шагов к зарождению жизни на Земле стали фосфолипиды —
эти вещества обеспечивают водонепроницаемость и пластичность мембран, изолирующих клетки от внешней среды.
Пузырь из такой мембраны называется липосомой.
Химики и инженеры из Корнелльского университета представили модель клеточной мембраны из азотных соединений,
способной функционировать в жидком метане при температуре минус 180 градусов Цельсия.
[Значит, теоретически, на Титане могут существовать липосомы не из фосфолипидов, а из нитролипидов.]
Другое направление альтернативной биохимии — изучение возможности жизнедеятельности «антисимметричных» организмов
[«антижизни» или «зеркальной» жизни] из D-аминокислот и L-углеводов, а не наоборот.
Нехимическая жизнь
Еще одной возможностью является «нехимическая» жизнь, например, организмы-плазмоиды, о которых писал еще Циолковский.
Новости альтернативной биохимии
- Химики показали путь к неорганической жизни.
- Астробиологическое открытие ведёт насыщенную ядом жизнь.
О необычных микроорганизмах семейства Halomonadaceae, относящемуся к гамма-протеобактериям (gammaproteobacteria),
метаболизм которых основан не на фосфоре, а мышьяке.
- Черви-мутанты питаются тяжёлыми металлами и ядом.
-
Альтернативные земным формы жизни допустили на спутнике Сатурна.
В метановых морях Титана могут обитать не нуждающиеся в кислороде клетки, способные к движению, размножению и обмену веществ.
На правах рекламы (см.
условия):
Страница обновлена 15.09.2022
Чему синтетическая биология может научить нас фундаментальной биологии? (Часть III: Альтернативная биохимия) | Bio 2.0
В серии постов я хочу исследовать взаимодействие между базовой биологией, которая исследует мир природы, чтобы узнать, как устроена жизнь, и синтетической биологией, которая изучает то, чего нет в природе.
Альтернативная биохимия: это словосочетание бьют врассыпную как биологи, так и энтузиасты научной фантастики, не имея ни малейшего представления о том, что оно может повлечь за собой. Во-первых, давайте вернемся к тому, чем именно являются альтернативами эти «альтернативные биохимии». Все известные нам живые организмы на Земле удивительно похожи в том, как они действуют на молекулярном уровне. Все они состоят из клеток, которые на самом деле представляют собой сложные сети химических процессов, заключенные в мембраны. Детали химических процессов различаются от вида к виду, но существуют наборы универсальных или почти универсальных правил. Самое главное, клетки делят задачи между хранящими информацию нуклеиновыми кислотами, ДНК и РНК; липиды, составляющие основу клеточной структуры; углеводы для хранения энергии и прочего; и белки для всего остального, включая катализирующие химические реакции. Очень может быть, что каждая форма жизни на Земле подчиняется одним и тем же правилам, этой универсальной биохимии.
Однако некоторые, такие как астробиолог Пол Дэвис, считают, что мы должны искать (и вполне обоснованно можем ожидать найти) формы жизни с совершенно разными биохимическими процессами на нашей собственной планете 1 .
Так что же означает альтернативная биохимия? Насколько он должен отличаться от знакомого, прежде чем мы назовем его «альтернативным»? Например, митохондрии и хлоропласты имеют несколько иной генетический код, чем большинство организмов (генетический код описывает, какая последовательность белка соответствует последовательности ДНК). Означает ли это, что у них есть альтернативная биохимия? Вам будет трудно найти кого-то, кто так говорит, потому что сходство с остальной жизнью намного перевешивает различия. Между прочим, несмотря на то, что в генетическом коде есть паттерны (действующие для минимизации последствий мутации), в целом он весьма произволен, что является очень убедительным доказательством общего происхождения всех (известных) живых существ. Использование синтетической биологии для разработки генетических кодов — это один из способов создания альтернативной биохимии, о которой я говорил в предыдущих постах.
0009 2,3 .
Биохимики также синтезировали множество нуклеотидов, аминокислот и сахаров, которых нет в привычных нам организмах. Возможно, простейшая биохимия была бы просто зеркальным отражением той, которую мы знаем. Без всякой причины известные нам организмы используют левосторонние (L) аминокислоты и правосторонние (D) сахара. Вполне возможно, что биохимия, использующая их зеркальные отражения, может существовать.
Также был предложен ряд биохимических методов, в которых один основной элемент (например, углерод) заменяется элементом из его группы (например, кремнием). Песчаная жизнь на основе силикатов не совсем немыслима; в конце концов, диатомовые водоросли строят свои клеточные стенки из силикатов. Возможно, существует даже работающая биохимия, полностью основанная на кремниевых нуклеиновых кислотах, белках, сахарах и липидах. Я не буду притворяться, что знаю все химические детали, и уж точно не все так просто, как заменить углерод кремнием и ожидать, что все будет работать одинаково.
Недавно было сделано экспериментальное заявление о том, что бактерия, обнаруженная в насыщенном мышьяком озере Моно в Калифорнии (см. изображение ниже), использует мышьяк вместо фосфора в своей ДНК 4 , замена аналогична замене углерода кремнием. Этот провокационный результат вызвал серьезную критику, и другие исследователи пытаются воспроизвести эксперименты 5 .
Альтернативная биохимия должна быть привлекательной для синтетических биологов по нескольким причинам. Во-первых, настройка или редизайн de novo правила, лежащие в основе земной жизни, учат нас жизни на самом фундаментальном уровне, и я считаю, что синтетическая биология должна взять на себя эту роль. Во-вторых, альтернативная биохимия может позволить клеточным фабрикам исследовать химические реакции, недоступные в настоящее время для биосинтеза. Клетки в настоящее время ограничены набором инструментов из 20 аминокислот, который вполне может стать неэффективным или неподходящим для наших будущих приложений (возможно, он уже в некоторой степени).
И в-третьих, организмы с альтернативной биохимией будут изолированы от других организмов («ортогональные»), что повысит безопасность и целостность синтетических организмов. Они будут невосприимчивы к вирусам и другим патогенам и не смогут распространять какие-либо трансгены посредством полового размножения или горизонтального переноса генов. Возможности поистине огромны.
Авторы изображений:
Озеро Моно: Октагон (через Wikimedia Commons)
Песчаная дюна: Wikigab (через Wikimedia Commons)
Карандашный рисунок: Felipe Micaroni Lalli (через Wikimedia Commons)
5
5 :
1. Дэвис, П. Инопланетяне среди нас? Scientific American 297, 62–69 (2007).
2. Сойер, Э. М. Самая интересная статья, которую я когда-либо читал. Блоги Scitable (2011).
3. Сойер Э.М. Инженерно-генетические коды. Блоги Scitable (2011).
4. Вулф-Саймон, Ф. и др. . Бактерия, которая может расти, используя мышьяк вместо фосфора.
Наука 332, 1163–1166 (2011).
5. Редфилд, Р. Р. Р. Ресерч. Область науки.
4 Альтернативы земной биохимии в воде
4.5
ССЫЛКИ
Междунар. J. Астробиология 4 (3): 165-173.
2 Мяч, С. 2004. Начиная с нуля. Природа 431:624-626.
3 Беннер С.А. и Сисмур А.М. 2005. Синтетическая биология. Nature Rev. Genetics 6:533-543.
4 Switzer, C.Y., Moroney, S.E., and Benner, S.A. 1989. Ферментативное включение новой пары оснований в ДНК и РНК. Дж. Ам. хим. соц. 111:8322-8323.
5 Пиккирилли, Дж. А., Краух, Т., Морони, С. Е., и Беннер, С. А. 1990. Расширение генетического алфавита. Ферментативное включение новой пары оснований в ДНК и РНК. Природа 343:33-37.
6 Sismour, A.M., Lutz, S., Park, J.-H., Lutz, M.J., Boyer, P.L., Hughes, S.H., and Benner, S.A. 2004. ПЦР-амплификация ДНК, содержащей нестандартные пары оснований по вариантам обратной транскриптазы вируса иммунодефицита человека-1.
Нукл. Кислоты. Рез. 32:728-735.
7 Сисмур, А.М., и Беннер, С.А. 2005. Использование аналогов тимидина для улучшения репликации дополнительной пары оснований ДНК: синтетическая биологическая система. Нукл. Кислоты рез. 33:5640-5646.
8 Фрейер С.М. и Альтманн К.Х. 1997. Аналоги нуклеиновых кислот. Нукл. Кислоты рез. 25:4429-4443.
9 Eschenmoser, A. 1999. Химическая этиология структуры нуклеиновой кислоты. Наука 284:2118-2124.
10 Benner, S.A. 2004. Понимание нуклеиновых кислот с помощью синтетической химии. Бухгалтерия хим. Рез. 37:784-797.
11 Венгель Дж., Кошкин А., Сингх С.К., Нильсен П., Мелдгаард М., Раджванши В.К., Кумар Р., Скув Дж., Нильсен С.Б., Якобсен Дж.П., Якобсен , Н., и Олсен, CE 1999. LNA (замкнутая нуклеиновая кислота). Нуклеозиды Нуклеотиды 18:1365-1370.
12 Schöning, K.U., Scholz, P., Guntha, S., Wu, X., Krishnamurthy, R. и Eschenmoser, A. 2000. Химическая этиология структуры нуклеиновой кислоты.
Система олигонуклеотидов α -треофуранозил-3’→2′. Наука 290:1347-1351.
13 Чин, Дж.В., Кропп, Т.А., Андерсон, Дж.К., Мукерджи, М., Чжан, З.В., и Шульц, П.Г. 2003. Расширенный генетический код эукариот. Наука 301:964-967.
14 Bain, J.D., Chamberlin, A.R., Switzer, C.Y., and Benner, S.A. 1992. Опосредованное рибосомами включение нестандартных аминокислот в пептид посредством расширения генетического кода. Природа 356:537-539.
15 Westheimer, F.H. 1987. Почему природа выбрала фосфаты. Наука 235:1173-1178.
16 Jayaraman, K., McParland, K., Miller, P., and Tso, P.O.P. 1981. Неионогенные олигонуклеозидметилфосфонаты. 4. Селективное ингибирование синтеза и роста белка Escherichia coli неионогенными олигонуклеотидами, комплементарными 3′-концу 16S рибосомной РНК. Проц. Нац. акад. науч. США 78:1537-1541.
17 Миллер П.С., Макпарланд К.Б., Джаяраман К., Цо П.О.П. 1981. Биохимические и биологические эффекты метилфосфонатов неионогенных нуклеиновых кислот.
Биохимия 20:1874-1880.
18 Редди П.М. и Брюс Т.С. 2003. Твердофазный синтез смешанных последовательностей положительно заряженных дезоксинуклеиновых гуанидиновых (ДНГ) олигонуклеотидов. Биоорг. Мед. хим. лат. 13:1281-1285.
19 Беннер, С.А., и Хаттер, Д. 2002. Фосфаты, ДНК и поиск внеземной жизни. Модель второго поколения для генетических молекул. Биоорг. хим. 30:62-80.
20 Steinbeck, C., and Richert, C. 1998. Роль ионных цепей в структуре РНК: необычайно стабильный дуплекс не-Уотсона-Крика неионного аналога в неполярной среде. Дж. Ам. хим. соц. 120:11576-11580.
21 Флори, П. Дж. 1953. Принципы химии полимеров. Cornell University Press, Ithaca, NY
22 Brant, D.A., and Flory, P.J., 1965. Конфигурация случайных полипептидных цепей. Дж. Ам. хим. соц. 87:2788.
23 Lee, D.H., Granja, J.R., Martinez, J.A., Severin, K., and Ghadiri, M.R. 1996. Самовоспроизводящийся пептид. Природа 382:525-528.