Альтернативная биохимия — ряд теорий и гипотез, рассматривающих возможность существования форм жизни, частично или полностью отличающихся биохимически от возникших на Земле. Обсуждаемые в рамках гипотез отличия включают замену углерода в молекулах органических веществ на иные атомы либо замену воды в качестве универсального растворителя другими жидкостями. Альтернативная биохимия нередко встречается в научно-фантастической литературе и спекулятивной биологии при описании различных форм внеземной жизни, но также является предметом серьёзного научного интереса и исследований.

Параметры дискуссии Возможность биохимически иной жизни является общей темой научной фантастики, но она также рассматривается в научно-исследовательском контексте. Недавним примером такого обсуждения является отчёт за 2007 год об ограничивающих условиях жизни, подготовленный комитетом в составе учёных при Национальном исследовательском совете Соединённых Штатов. Этот комитет под председательством Джона А. Бароса рассматривал «гипотетическую альтернативную химию жизни», включая ряд растворителей, которые могли бы стать альтернативой воде. В проекте под названием: «Пределы органической жизни в планетных системах» постулируется, что:

На сегодняшний день при поиске внеземной жизни руководствуются моделью жизни, основанной на жизни, которую мы наблюдаем на Земле. Некоторые особенности земной жизни привлекли особое внимание: Земная жизнь использует воду в качестве растворителя; Она построена из клеток и использует метаболизм, который фокусируется на карбонильной группе (C=O); Это термодинамически диссипативный процесс, использующий химико-энергетические градиенты; Земная жизнь использует архитектуру с двумя биополимерами, которая использует нуклеиновые кислоты для выполнения большинства генетических функций и белки для выполнения большинства каталитических функцийCommittee on the Limits of Organic Life in Planetary Systems, Committee on the Origins and Evolution of Life, National Research Council; The Limits of Organic Life in Planetary Systems ; The National Academies Press, 2007.. Как следствие, большая часть планируемых миссий НАСА сосредоточена на местах, где возможно пребывание воды в жидком виде, и в ней делается акцент на поисках структур, подобных клеткам земных организмов. Этот подход был бы оправдан, учитывая отсутствие общего понимания того, как может выглядеть жизнь, имеющая происхождение, независимое от Земли. Однако лабораторные эксперименты дают основание ожидать, что жизнь может основываться и на молекулярных структурах, существенно отличающихся от земных.

Замена наиболее важных химических элементов Акроним CHNOPS, расшифровывающийся как Carbon (углерод), Hydrogen (водород), Nitrogen (азот), Oxygen (кислород), Phosphorus (фосфор) и Sulfur (сера), представляет шесть наиболее важных химических элементов, чьи ковалентные комбинации составляют большую часть биологических молекул на ЗемлеВ преподавании биологии в вузах также использовался акроним S.P. Cohn для представления этих шести элементов.. Сера используется в аминокислотах цистеин и метионин. Фосфор — необходимый элемент в формировании фосфолипидов, подкласса липидов, являющихся главным компонентом всех клеточных мембран, так как они составляют липидный бислой, сохраняющий ионы, протеины и другие молекулы там, где они нужны для выполнения функций клетки, и предотвращающие их проникновение в те зоны, где их быть не должно. Фосфатные группы также являются необходимым компонентом основы нуклеиновых кислот. + Элементный состав биомолекул:CHNOPSУглеводыXXXЖирыXXXФосфолипидыXXXXXБелкиXXXXXНуклеотидыXXXXXПорфириныXXXX Все виды живых организмов, известные в настоящее время, используют углеродные соединения для основных структурных и метаболических функций, воду в качестве растворителя и ДНК или РНК для определения и контроля их формы. Если жизнь существует на других планетах, она может быть химически похожа. Также возможно, что существуют организмы с совершенно разными химическими составами. Существование или, по крайней мере, реальность этих форм биохимии ещё не была выявлена.

Относительное содержание различных элементов очень важно для определения возможности их участия в биохимии. Для справки, вот пятнадцать элементов, наиболее распространённых в человеческом теле (то есть тех, которые составляют не менее 0,0001 % от него) и в других системах, измеренных числом атомов.

Относительное содержание элементов (мольная доля элементов) в различных системах: Z Элемент ВселеннаяВ земной корe Морская вода Тело человека Биологическая роль 1 Водород 93 % 3,1 % 66,2 % 62 % Органические молекулы 8 Кислород 0,08 % 60 % 33,1 % 24 % органические молекулы, дыхание 6 Углерод 0,05 % 0,31 % 0,00144 % 12 % Органические молекулы 7 Азот 0,009 % 0,0029 % <0,0001 % 0,22 % аминокислоты, нуклеиновые кислоты 15 Фосфор <0,0001 % 0,07 % <0,0001 % 0,22 % АТФ, нуклеиновые кислоты, Фосфолипиды 20 Кальций 0,0002 % 2,6 % <0,0001 % 0,22 % кальмодулин , биоминерализация 16 Сера 0,002 % 0,027 % 0,0179 % 0,039 % некоторые аминокислоты, например цистеин 11 Натрий 0,0001 % 2,1 % 0,297 % 0,038 % натрий-калиевый насос 19 Калий <0,0001 % 0,78 % 0,00658 % 0,032 % натрий-калиевый насос 17 Хлор <0,0001 % 0,01 % 0,347 % 0,021 % Хлор-транспортная АТФаза (Протонный насос) 12 Магний 0,003 % 2,5 % 0,0337 % 0,007 % хлорофилл 14 Кремний 0,003 % 20 % <0,0001 % 0,0058 % биоминерализация 9 Фтор <0,0001 % 0,059 % <0,0001 % 0,0012 % фторапатит (зубная эмаль) 26 Железо 0,002 % 2,3 % <0,0001 % 0,00067 % гемоглобин, цитохромы 30 Цинк <0,0001 % 0,0025 % <0,0001 % 0,00032 % протеины с цинковыми пальцами

Замена углерода

Учёные немало высказывались на тему возможности построения органических молекул с помощью других атомов, но никто не предложил теорию, описывающую возможность воссоздания всего многообразия соединений, необходимых для существования жизни.

Кремний и кислород Среди наиболее вероятных претендентов на роль структурообразующего атома в альтернативной биохимии называют кремний. Он находится в той же группе периодической системы, что и углерод, их свойства во многом схожи. Как и углерод, кремний может создавать достаточно большие молекулы, чтобы нести биологическую информациюПейс, Н. Р. (2001). «Универсальный характер биохимии» . Труды Национальной академии наук Соединённых Штатов Америки . 98 (3): 805—808. Bibcode : 2001PNAS … 98..805P . DOI : 10.1073 / pnas.98.3.805 . PMC 33372 . PMID 11158550 .. Однако атом кремния имеет бо́льшие массу и радиус. Образование кремнием двойных или тройных ковалентных связей сравнительно затруднено, что может помешать образованию биополимеров. Кремний, в отличие от углерода, не обладает способностью образовывать химические связи с различными типами атомов, что необходимо для химической универсальности, необходимой для метаболизма, и тем не менее именно эта неспособность делает кремний менее восприимчивым к связыванию со всеми видами примесей. Элементы, создающие органические функциональные группы с углеродом, включают водород, кислород, азот, фосфор, серу и металлы, такие как железо, магний и цинк. Кремний, с другой стороны, взаимодействует с очень немногими другими типами атомов. Соединения кремния не могут быть настолько разнообразны, как соединения углерода. Это связано с тем, что атомы кремния намного больше, имеют большую массу и атомный радиус, и поэтому им трудно образовывать двойные связи (углерод с двойной связью является частью карбонильной группы, фундаментального мотива биоорганических соединений на основе углерода).

Преимуществом, которое может привести к существованию вариантов биохимии на основе кремния, являются его цеолиты — соединения, которые используются в химии и могут фильтровать и катаболизировать вещества аналогично углеродным ферментам. Основные механизмы жизни на нашей планете возможны благодаря ферментам, — катализаторам с соответствующими им носителями (белками). В процессе эволюции биосферы сформировалась целая коллекция из них, каждый из которых специализируется на функции, как например гемоглобин, отвечающий за обмен кислорода, или ферредоксин, миссия которого заключается в электронном переносе. Первоначальная идея — заменить эти ферменты молекулами на основе кремния. Эти материалы представляют собой разновидность глин, которые имеют молекулярную структуру в виде трёхмерной сетки, образованной тетраэдрами из SiO4 и AlO4, соединённых вместе. Эта решётка имеет поры и полости молекулярного размера, поэтому их могут пересекать только те молекулы, которые имеют достаточно малый размер. Вот почему их также называют молекулярными ситами. Цеолиты имеют большое количество структурных сходств с природными белками. При использовании этих сходств могут образовываться разные катализаторы, которые сочетают в себе характеристики стойкости и химической стабильности цеолитов с высокой селективностью и молекулярной активностью ферментов. В Центральном департаменте исследований и разработок компании DuPont были получены цеолиты, способные моделировать поведение гемоглобина, цитохрома P450 и железо-серного белка.

Как и углерод, кремний может образовывать четыре устойчивые связи с самим собой и другими элементами, а также длинные химические цепи, известные как силановые полимеры, которые очень похожи на углеводороды, необходимые для жизни на Земле. Соединения кремния могут быть биологически полезными при температурах или давлениях, отличных от таковых на поверхности Земли, в роли (либо в сочетании), которая менее прямо аналогична углероду. Полисиланолы, подобные сахарам, растворимы в жидком азоте, что позволяет предположить, что они могут играть роль в биохимии при очень низких температурах. Силаны — соединения кремния и водорода, подобные алканам, менее устойчивы чем углеводороды. Силаны самопроизвольно горят в кислород-содержащей атмосфере при относительно низких температурах, поэтому кислородная атмосфера может быть смертельной для жизни на основе кремния. С другой стороны, стоит учитывать, что алканы, как правило, довольно легко воспламеняются, но жизнь на основе углерода на Земле не накапливает энергию непосредственно в виде алканов, но в виде сахаров, липидов, спиртов и других углеводородных соединений с совершенно разными свойствами. Вода как растворитель также будет реагировать с силанами. Но, опять же, это имеет значение только в том случае, если по каким-либо причинам силаны используются или массово производятся такими организмами.

В то же время, силиконы — полимеры, включающие цепочки чередующихся атомов кремния и кислорода, более жаропрочны. На этом основании предполагается, что кремниевая жизнь может существовать на планетах со средней температурой, значительно превышающей земную. В этом случае, роль универсального растворителя должна играть не вода, а соединения со значительно более высокой температурой кипения.

Так, например, предполагается, что соединения кремния будут стабильнее углеродных молекул в среде серной кислоты, то есть в условиях, которые могут существовать на других планетах. В целом же, сложные молекулы с кремниево-кислородной цепью менее устойчивы по сравнению с углерод-кислородными аналогами. Углеводородов и органических соединений много в метеоритах, кометах и межзвёздных облаках, в то время как их кремниевые аналоги никогда не встречались в природе. Кремний, однако, образует сложные одно-, двух- и трёхмерные полимеры, в которых атомы кислорода образуют мостики между атомами кремния. Они называются силикатами. Они устойчивы и распространены в земных условиях и были предложены в качестве основы для предуглеродной формы эволюции на Земле.