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Tipos hipotéticos de bioquímica

Mosaico de radar Cassini en falso color de la región polar norte de Titán ; las áreas azules son lagos de hidrocarburos líquidos. «La existencia de lagos de hidrocarburos líquid...

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Mosaico de radar Cassini en falso color 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 disolventes y fuentes de energía que son alternativas a las de nuestra biosfera y que podrían sustentar nuevas formas de vida completamente diferentes a las de la Tierra». —Hoja de ruta de astrobiología de la NASA 2008 [ 1 ]

Se acepta que varias formas de bioquímica son científicamente viables, pero su existencia no está probada en este momento. [ 2 ] Tipos de organismos vivos conocidos en la Tierra, a partir de 2026Todos utilizan compuestos de carbono para funciones estructurales y metabólicas básicas , agua como disolvente y ácido desoxirribonucleico ( ADN ) o ácido ribonucleico ( ARN ) para definir y controlar su forma. Si existe vida en otros cuerpos celestes ( planetas , lunas ), puede ser químicamente similar, aunque también es posible que existan organismos con químicas bastante diferentes [ 3 ] , por ejemplo, que involucren otras clases de compuestos de carbono, compuestos de otro elemento y/o otro disolvente en lugar de agua.

La posibilidad de que existan formas de vida basadas en bioquímicas "alternativas" es objeto de un debate científico en curso, fundamentado en el conocimiento sobre entornos extraterrestres y el comportamiento químico de diversos elementos y compuestos. Este tema despierta interés en la biología sintética y es también un tema recurrente en la ciencia ficción .

El silicio ha sido objeto de numerosos debates como alternativa hipotética al carbono. El silicio pertenece al mismo grupo que el carbono en la tabla periódica y, al igual que este, es tetravalente . Entre las alternativas hipotéticas al agua se incluyen el amoníaco , que, como el agua, es una molécula polar y cósmicamente abundante; y los disolventes de hidrocarburos no polares como el metano y el etano , que se sabe que existen en estado líquido en la superficie de Titán .

Panorama general de los tipos hipotéticos de bioquímica.

biosfera de sombra

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

Una biosfera en la sombra es una biosfera microbiana hipotética de la Tierra que utiliza procesos bioquímicos y moleculares radicalmente diferentes a los de la vida actualmente conocida. [ 17 ] [ 18 ] Aunque la vida en la Tierra está relativamente bien estudiada, la biosfera en la sombra puede seguir pasando desapercibida porque la exploración del mundo microbiano se centra principalmente en la bioquímica de los macroorganismos.

biomoléculas de quiralidad alternativa

Quizás la bioquímica alternativa menos inusual sería aquella con diferente quiralidad en sus biomoléculas. En la vida terrestre conocida, los aminoácidos son casi universalmente de la forma L y los azúcares de la forma D. Si bien podrían existir moléculas que utilicen aminoácidos D o azúcares L , las moléculas con dicha quiralidad serían incompatibles con organismos que utilizan moléculas de quiralidad opuesta. En la Tierra se encuentran aminoácidos con quiralidad opuesta a la norma, y ​​generalmente se cree que estas sustancias son el resultado de la descomposición de organismos con quiralidad normal. Sin embargo, el físico Paul Davies especula que algunos de ellos podrían ser productos de vida "antiquiral". [ 19 ]

Sin embargo, es cuestionable si tal bioquímica sería realmente ajena. Si bien sin duda se trataría de una estereoquímica alternativa , las moléculas que se encuentran mayoritariamente en un enantiómero en la gran mayoría de los organismos, a menudo también se encuentran en otro enantiómero en organismos diferentes (a menudo basales ), como en las comparaciones entre miembros de Archaea y otros dominios , lo que convierte en un tema abierto si una estereoquímica alternativa es realmente novedosa.

Bioquímica no basada 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 las ventajas y desventajas de usar elementos distintos del carbono para formar las estructuras moleculares necesarias para la vida, pero nadie ha propuesto una teoría que emplee tales 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 aplicarse a toda la vida en el universo. [ 20 ] Sagan usó el término " chovinismo del carbono " para tal suposición. [ 21 ] Consideraba el silicio y el germanio como alternativas concebibles al carbono [ 21 ] (otros elementos plausibles incluyen, pero no se limitan a, el paladio y el titanio ); pero, por otro lado, señaló que el carbono parece ser más versátil químicamente y es más abundante en el cosmos. [ 22 ] Norman Horowitz ideó los experimentos para determinar si podría existir vida en Marte que fueron llevados a cabo por el Viking Lander de 1976 , la primera misión estadounidense en aterrizar con éxito una sonda en la superficie de Marte. Horowitz argumentó que la gran versatilidad del átomo de carbono lo convierte en el elemento con más probabilidades de proporcionar soluciones, incluso soluciones exóticas, a los problemas de supervivencia en otros planetas. [ 23 ] Consideró que existía solo una remota posibilidad de que pudieran existir formas de vida no basadas en carbono con sistemas de información genética capaces de autorreplicarse y la capacidad de evolucionar y adaptarse.

Bioquímica del silicio

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

El átomo de silicio ha sido objeto de numerosos debates como base para un sistema bioquímico alternativo, [ 24 ] debido a que el silicio presenta muchas similitudes químicas con el carbono y pertenece al mismo grupo de la tabla periódica . Al igual que el carbono, el silicio puede crear moléculas lo suficientemente grandes como para transportar información biológica. [ 25 ]

Sin embargo, el silicio presenta varios inconvenientes como alternativa al carbono. El carbono es diez veces más abundante cósmicamente que el silicio, y su química parece ser naturalmente más compleja. [ 25 ] Para 1998, los astrónomos habían identificado 84 moléculas que contenían carbono en el medio interestelar , pero solo 8 que contenían silicio, de las cuales la mitad también incluían carbono. [ 26 ] 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. Esto podría deberse a la menor diversidad de grupos funcionales observada en los polímeros de silicio que se encuentran en la naturaleza. [ 25 ]

En relación con el carbono, el silicio tiene un radio atómico mucho mayor y forma enlaces covalentes mucho más débiles con los átomos , excepto con el oxígeno y el flúor , con los que forma enlaces muy fuertes. [ 25 ] Casi ningún enlace múltiple con el silicio es estable, aunque el silicio sí presenta un número de coordinación variable . [ 27 ] Los silanos , análogos de silicio de los alcanos , reaccionan rápidamente con el agua, y los silanos de cadena larga se descomponen espontáneamente. [ 28 ] En consecuencia, la mayor parte del silicio terrestre está "atrapado" en sílice , y no en una amplia variedad de precursores biogénicos. [ 27 ]

Las siliconas , que alternan átomos de silicio y oxígeno , son mucho más estables que los silanos, e incluso podrían ser más estables que los hidrocarburos equivalentes en entornos extraterrestres ricos en ácido sulfúrico. [ 28 ] Por otra parte, los enlaces débiles en los compuestos de silicio podrían ayudar a mantener un ritmo de vida rápido a temperaturas criogénicas . Los polisilanoles, los homólogos de silicio de los azúcares , se encuentran entre los pocos compuestos solubles en nitrógeno líquido . [ 29 ] [ 27 ]

Todas las macromoléculas de silicio conocidas son polímeros artificiales y, por lo tanto, "monótonas en comparación con el universo combinatorio de las macromoléculas orgánicas". [ 25 ] [ 27 ] Aun así, algunos seres vivos de la Tierra utilizan 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 , ya que los compuestos de carbono biogénicos se formaban alrededor de sus estructuras cristalinas . [ 30 ] [ 31 ] Aunque no se observan en la naturaleza, los enlaces carbono-silicio se han añadido a la bioquímica mediante evolución dirigida (selección artificial): una proteína citocromo c de Rhodothermus marinus ha sido diseñada para catalizar nuevos enlaces carbono-silicio entre hidrosilanos y compuestos diazo . [ 32 ]

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 sea la base de la vida que el carbono.
  • Diversos metales, junto con el oxígeno, pueden formar estructuras muy complejas y térmicamente estables que rivalizan con las de los compuestos orgánicos; los heteropoliácidos son una de estas familias. Algunos óxidos metálicos también son similares al carbono en su capacidad para formar tanto nanotubos como cristales tipo diamante (como la zirconia 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 bajo ciertas condiciones, incluidas aquellas (como altas temperaturas) en las que la vida basada en carbono sería improbable. El grupo Cronin de la Universidad de Glasgow informó sobre el autoensamblaje de polioxometalatos de tungsteno en esferas con forma de célula. [ 33 ] Al modificar su contenido de óxido metálico, las esferas pueden adquirir agujeros que actúan como membrana porosa, permitiendo selectivamente la entrada y salida de sustancias químicas de la esfera según su tamaño. [ 33 ]
  • El azufre también puede 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 generalmente forma solo cadenas lineales en lugar de ramificadas. (El uso biológico del azufre como aceptor de electrones está muy extendido y se remonta a 3500  millones de años en la Tierra, anterior al uso del oxígeno molecular. [ 34 ] 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

Aunque el arsénico , que es químicamente similar al fósforo , es venenoso para la mayoría de las formas de vida en la Tierra, se incorpora a la bioquímica de algunos organismos. [ 35 ] Algunas algas marinas incorporan arsénico en moléculas orgánicas complejas como arsenoazúcares y arsenobetainas . Los hongos y las bacterias pueden producir compuestos volátiles de arsénico metilado. Se ha observado la reducción de arseniato y la oxidación de arsenito en microbios ( Chrysiogenes arsenatis ). [ 36 ] Además, algunos procariotas pueden usar arseniato como aceptor terminal de electrones durante el crecimiento anaeróbico y algunos pueden utilizar arsenito como donador de electrones para generar energía.

Se ha especulado que las primeras formas de vida en la Tierra podrían haber utilizado la bioquímica del arsénico en lugar del fósforo en la estructura de su ADN. [ 37 ] Una objeción común a este escenario es que los ésteres de arseniato son mucho menos estables a la hidrólisis que los ésteres de fosfato correspondientes , por lo que el arsénico no es adecuado para esta función. [ 38 ]

Los autores de un estudio de geomicrobiología de 2010 , financiado en parte por la NASA, postularon que una bacteria llamada GFAJ-1 , recolectada en los sedimentos del lago Mono en el este de California , puede emplear dicho "ADN de arsénico" cuando se cultiva sin fósforo. [ 39 ] [ 40 ] Propusieron que la bacteria podría emplear altos niveles de poli-β-hidroxibutirato u otros medios para reducir la concentración efectiva de agua y estabilizar sus ésteres de arseniato. [ 40 ] Esta afirmación fue duramente criticada casi inmediatamente después de su publicación por la supuesta falta de controles adecuados. [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] Otros autores no pudieron reproducir sus resultados y demostraron que el estudio tenía problemas con la contaminación por fosfato, sugiriendo que las bajas cantidades presentes podrían sustentar formas de vida extremófilas. [ 44 ] El artículo de 2010 fue retractado en 2025. [ 45 ] [ 46 ]

Disolventes distintos del agua

Además de los compuestos de carbono, toda la vida terrestre conocida actualmente también requiere agua como disolvente. Esto ha dado lugar a debates sobre si el agua es el único líquido capaz de cumplir esa función. La idea de que una forma de vida extraterrestre pudiera basarse en un disolvente distinto del agua ha sido tomada en serio en la literatura científica reciente por el bioquímico Steven Benner , [ 47 ] y por el comité astrobiológico presidido por John A. Baross. [ 48 ] Los disolventes discutidos por el comité Baross incluyen amoníaco , [ 49 ] ácido sulfúrico , [ 50 ] formamida , [ 51 ] hidrocarburos, [ 51 ] y (a temperaturas mucho más bajas que las de la Tierra) nitrógeno líquido , o hidrógeno en forma de fluido supercrítico . [ 52 ]

El agua como disolvente limita las formas que puede adoptar la bioquímica. Por ejemplo, Steven Benner propone la teoría del polielectrolito del gen , que afirma que para que un biopolímero genético como el ADN funcione en agua, requiere cargas iónicas repetidas. [ 53 ] Si el agua no es necesaria para la vida, se eliminan estas limitaciones de los biopolímeros genéticos.

Carl Sagan se describió una vez como chovinista del carbono y chovinista del agua; [ 54 ] sin embargo, en otra ocasión dijo que era chovinista del carbono pero "no tanto chovinista del agua". [ 55 ] Especuló sobre los hidrocarburos, [ 55 ] : 11 ácido fluorhídrico , [ 56 ] y amoníaco [ 55 ] [ 56 ] como posibles alternativas al agua.

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

  • Una complejidad que da lugar a un gran número de permutaciones de posibles rutas de reacción, incluyendo la química ácido-base, cationes H + , aniones OH− , enlaces de hidrógeno, enlaces de van der Waals, interacciones dipolo-dipolo y otras interacciones polares, jaulas de disolventes acuosos e hidrólisis. Esta complejidad ofrece un gran número de vías para que la evolución dé lugar a la vida; muchos otros disolventes presentan un número drásticamente menor de 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 altamente reactivos, en particular con el oxígeno.
  • El agua no arde en presencia de oxígeno porque 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 improbable que esos líquidos puedan sustentar la vida aeróbica.
  • Un amplio rango de temperaturas en el que permanece en estado líquido .
  • La alta solubilidad del oxígeno y del dióxido de carbono a temperatura ambiente favorece la evolución de la vida vegetal y animal acuática aeróbica.
  • Una alta capacidad calorífica (lo que conlleva una mayor estabilidad a la temperatura ambiente).
  • El agua, al ser un líquido a temperatura ambiente, presenta 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, necesarios para la vida basada en reacciones químicas. Esto conlleva velocidades de reacción química tan lentas que pueden impedir el desarrollo de cualquier forma de vida basada en reacciones químicas.
  • La transparencia espectroscópica permite que la radiación solar penetre varios metros en el líquido (o sólido), lo que contribuye en gran medida 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 menor densidad que el líquido, por lo que flota sobre él. Por eso, las masas de agua se congelan, pero no se solidifican por completo (de abajo hacia arriba). Si el hielo fuera más denso que el agua líquida (como ocurre con casi todos los demás compuestos), grandes masas de líquido se solidificarían lentamente, lo cual no favorecería la formación de vida.

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

Sin embargo, no todas las propiedades del agua son necesariamente ventajosas para la vida. [ 57 ] Por ejemplo, el hielo de agua tiene un alto albedo , [ 57 ] lo que significa que refleja una cantidad significativa de luz y calor del Sol. Durante las edades de hielo , a medida que el hielo reflectante se acumula sobre la superficie del agua, aumentan los efectos del enfriamiento global. [ 57 ]

Existen ciertas propiedades que hacen que determinados compuestos y elementos sean mucho más adecuados 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 normalmente encontraría. Dado que los puntos de ebullición varían con la presión, la pregunta no suele 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 91 atmósferas estándar (92 bares) , puede existir en estado líquido en un amplio rango de temperaturas. 

Amoníaco

La molécula de amoníaco ( NH₃ ), 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. [ 58 ] El posible papel del amoníaco líquido como disolvente alternativo para la vida es una idea que se remonta al menos a 1954, cuando JBS Haldane planteó el tema en un simposio sobre el origen de la vida. [ 11 ] [ 12 ]

En una solución de amoníaco pueden ocurrir muchas reacciones químicas, y el amoníaco líquido presenta similitudes químicas con el agua. [ 58 ] [ 12 ] El amoníaco disuelve la mayoría de las moléculas orgánicas al menos tan bien como el agua, y también muchos metales elementales. Haldane indicó que varios compuestos orgánicos comunes relacionados con el agua tienen análogos relacionados con el amoníaco; por ejemplo, el grupo amino relacionado con el amoníaco (−NH 2 ) es análogo al grupo hidroxilo relacionado con el agua (−OH). [ 12 ]

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− ). [ 49 ] Sin embargo, en comparación con el agua, el amoníaco tiene mayor tendencia a aceptar un ion H + y menor tendencia a donarlo; es un nucleófilo más fuerte . [ 49 ] El amoníaco añadido al agua actúa como una base de Arrhenius : aumenta la concentración del anión hidróxido. Por el contrario, utilizando una definición de acidez y basicidad de sistemas de disolventes, el agua añadida al amoníaco líquido actúa como un ácido, porque aumenta la concentración del catión amonio. [ 12 ] El grupo carbonilo (C=O), que se usa mucho en la bioquímica terrestre, no sería estable en solución de amoníaco, pero se podría usar en su lugar el grupo imina análogo (C=NH). [ 49 ]

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 provoca que su calor de vaporización 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 la aparición de un sistema autorreproductor. [ 59 ] [ 12 ] El amoníaco también es inflamable en oxígeno y no podría existir de forma sostenible en un entorno adecuado para el metabolismo aeróbico . [ 60 ]

Estructura interna teórica de Titán; el océano subsuperficial se muestra en azul.

Una biosfera basada en amoníaco probablemente existiría a temperaturas o presiones atmosféricas 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 denominada 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 producen más lentamente a temperaturas más bajas, la vida basada en amoníaco que exista en estas condiciones podría metabolizar y evolucionar más lentamente que la vida en la Tierra. [ 60 ] Por otro lado, las temperaturas más bajas también podrían permitir que los sistemas vivos utilicen especies químicas que serían demasiado inestables a las temperaturas terrestres para ser útiles. [ 58 ]      

Un conjunto de condiciones en las que el amoníaco se encuentre en estado líquido a temperaturas similares a las de la Tierra implicaría una presión mucho mayor. Por ejemplo, a 60 atm, el amoníaco se funde a −77 °C (196 K) y hierve a 98 °C (371 K) . [ 49 ]    

El amoníaco y las mezclas de amoníaco y agua permanecen líquidos a temperaturas muy inferiores al punto de congelación del agua pura, por lo que tales procesos bioquímicos podrían ser adecuados 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 Titán , la luna más grande de Saturno . [ 61 ]

Metano y otros hidrocarburos

El metano (CH₄ ) 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 a la del amoníaco. [ 58 ] 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. [ 58 ] Se han detectado lagos compuestos de una mezcla de hidrocarburos, incluidos metano y etano , en la superficie de Titán por la nave espacial Cassini .

Existe un debate sobre la efectividad del metano y otros hidrocarburos como disolvente para la vida en comparación con el agua o el amoníaco. [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] El agua es un disolvente más fuerte que los hidrocarburos, lo que permite un transporte más fácil de sustancias en una célula. [ 65 ] Sin embargo, el agua también es más reactiva químicamente y puede descomponer moléculas orgánicas grandes mediante hidrólisis. [ 62 ] Una forma de vida cuyo disolvente fuera un hidrocarburo no se enfrentaría a la amenaza de que sus biomoléculas se destruyeran de esta manera. [ 62 ] Además, la tendencia de la molécula de agua a formar enlaces de hidrógeno fuertes puede interferir con los enlaces de hidrógeno internos en moléculas orgánicas complejas. [ 57 ] La vida con un disolvente de hidrocarburo podría hacer un mayor uso de los enlaces de hidrógeno dentro de sus biomoléculas. [ 62 ] Además, la fuerza de los enlaces de hidrógeno dentro de las biomoléculas sería apropiada para una bioquímica de baja temperatura. [ 62 ]

El astrobiólogo Chris McKay ha argumentado, basándose en principios termodinámicos, 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, haciéndolos reaccionar con hidrógeno y reduciendo el etano y el acetileno a metano. [ 66 ] En 2010, Darrell Strobel, de la Universidad Johns Hopkins , identificó posibles evidencias de esta forma de vida en Titán : una mayor abundancia de hidrógeno molecular en las capas atmosféricas superiores de Titán en comparación con las inferiores, lo que sugiere una difusión descendente a una velocidad aproximada de 10²⁵ moléculas por segundo y la desaparición del hidrógeno cerca de la superficie de Titán. Como señaló Strobel, sus hallazgos coincidían con los efectos que Chris McKay había predicho si existieran formas de vida metanogénicas . [ 65 ] [ 66 ] [ 67 ] Ese mismo año, otro estudio mostró bajos niveles de acetileno en la superficie de Titán, que Chris McKay interpretó como consistentes con la hipótesis de organismos que reducen el acetileno a metano. [ 65 ] Si bien reafirmó 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 el hidrógeno), o fallas en los modelos actuales de flujo de materiales. [ 68 ] Señaló que incluso un catalizador no biológico efectivo a 95 K sería en sí mismo un descubrimiento sorprendente. [ 68 ] 

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 molécula pequeña que contiene carbono, hidrógeno y nitrógeno, se predice que tiene estabilidad y flexibilidad en metano líquido comparables a las de una bicapa de fosfolípidos (el tipo de membrana celular que poseen todos los seres vivos en la Tierra) en agua líquida. [ 69 ] [ 70 ] Un análisis de datos obtenidos utilizando el Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), completado en 2017, confirmó cantidades sustanciales de acrilonitrilo en la atmósfera de Titán. [ 71 ] [ 72 ] Estudios posteriores cuestionaron si el acrilonitrilo sería capaz de autoensamblarse en azotosomas. [ 73 ] Sin embargo, en 2025, los científicos Christian Mayer y Conor Nixon propusieron un nuevo mecanismo para superar las barreras anteriores al autoensamblaje de azotosomas en metano líquido, basado en el "salpicadura" de una película superficial de un lago de metano por una gota de lluvia de hidrocarburos. [ 74 ] [ 75 ]

Concepto artístico del mecanismo propuesto para la formación de vesículas en Titán.

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 poco más de 100 K. El HF también forma enlaces de hidrógeno con las moléculas vecinas, al igual que el agua y el amoníaco. Científicos como Peter Sneath [ 76 ] y Carl Sagan [ 56 ] lo han considerado como un posible disolvente para la vida.     

El HF es peligroso para los sistemas moleculares que componen la vida terrestre, pero ciertos otros compuestos orgánicos, como las ceras de parafina , son estables con él. [ 56 ] Al igual que el agua y el amoníaco, el fluoruro de hidrógeno líquido presenta una química ácido-base. Utilizando una definición de acidez y basicidad de sistemas de disolventes, el ácido nítrico actúa como una base cuando se añade a HF líquido. [ 77 ]

Sin embargo, el fluoruro de hidrógeno es cósmicamente raro, a diferencia del agua, el amoníaco y el metano. [ 78 ]

sulfuro de hidrógeno

El sulfuro de hidrógeno es el análogo químico más cercano al agua , [ 79 ] pero es menos polar y es un disolvente inorgánico más débil. [ 80 ] El sulfuro de hidrógeno es bastante abundante en la luna Io de Júpiter 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. [ 81 ] En un planeta con océanos de sulfuro de hidrógeno, la fuente de 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 minerales. La vida de sulfuro de hidrógeno podría usar una mezcla de monóxido de carbono y dióxido de carbono como su fuente de carbono. Podrían producir y vivir de monóxido de azufre , que es análogo al oxígeno (O₂ ) . El sulfuro de hidrógeno, al igual que el cianuro de hidrógeno y el amoníaco, sufre del pequeño rango de temperatura en el que es líquido, aunque eso, al igual que el 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 presenta un amplio rango de temperaturas en el que se encuentra en estado líquido. Sin embargo, su punto de fusión oscila entre 1600 y 1725 °C (2912 y 3137 °F) , por lo que sería imposible sintetizar compuestos orgánicos a esa temperatura, ya que todos se descompondrían. Los silicatos son similares al dióxido de silicio y algunos tienen puntos de fusión más bajos que la sílice. Feinberg y Shapiro han sugerido que la roca de silicato fundida podría servir como medio líquido para organismos con una química basada en silicio, oxígeno y otros elementos como el aluminio . [ 82 ]  

Otros disolventes o codisolventes

Ácido sulfúrico ( H₂SO₄ )

Otros disolventes propuestos en ocasiones:

El ácido sulfúrico en estado líquido es fuertemente polar. Permanece líquido a temperaturas más altas que el agua, con un rango de temperatura de 10  °C a 337  °C a una presión de 1  atm, aunque por encima de 300  °C se descompone lentamente. Se sabe que el ácido sulfúrico es abundante en las nubes de Venus , en forma de gotas de aerosol . En una bioquímica que utilizara 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 acuosa. [ 50 ]

Se ha propuesto que podría existir vida en Marte y que esta utilizaría una mezcla de agua y peróxido de hidrógeno como disolvente. [ 86 ] Una mezcla de agua y peróxido de hidrógeno al 61,2 % (en masa) tiene un punto de congelación de −56,5  °C y tiende a sobreenfriarse en lugar de cristalizarse. También es higroscópica , lo que supone una ventaja en un entorno con escasez de agua. [ 87 ] [ 88 ]

Se ha propuesto el dióxido de carbono supercrítico 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 "supertierra" o "supervenus" con atmósferas densas de alta presión pueden ser comunes. [ 83 ]

Otras especulaciones

Organismos fotosintéticos no verdes

Los físicos han observado que, si bien la fotosíntesis en la Tierra generalmente involucra plantas verdes, una variedad de plantas de otros colores también podrían sustentarla, 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. [ 89 ] [ 90 ] Estos estudios indican que las plantas azules serían improbables; sin embargo, las plantas amarillas o rojas podrían ser relativamente comunes. [ 90 ]

Entornos variables

Muchas plantas y animales terrestres experimentan importantes cambios bioquímicos durante sus ciclos de vida como respuesta a las condiciones ambientales cambiantes, por ejemplo, mediante un estado de esporas o hibernación que puede mantenerse durante años o incluso milenios entre etapas de vida más activas. [ 91 ] Por lo tanto, sería bioquímicamente posible mantener la vida en entornos que solo son periódicamente compatibles 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, [ 91 ] mientras que las ranas del desierto en Australia pueden volverse inactivas y deshidratarse en períodos secos, perdiendo hasta el 75% de sus fluidos, pero vuelven a la vida rehidratándose rápidamente en períodos húmedos. [ 92 ] Cualquiera de los dos tipos de rana parecería bioquímicamente inactivo (es decir, no vivo) durante los períodos de latencia para cualquiera que no tenga un medio sensible para detectar niveles bajos de metabolismo.

El mundo de la alanina y sus alternativas hipotéticas

Etapa temprana del código genético (código GC) con el "mundo de la alanina" y sus posibles alternativas.

El código genético puede haber evolucionado durante la transición del mundo del ARN al mundo de las proteínas . [ 93 ] La hipótesis del mundo de la alanina postula que la evolución del código genético (la llamada fase GC [ 94 ] ) comenzó con solo cuatro aminoácidos básicos : alanina , glicina , prolina y ornitina (ahora arginina ). [ 95 ] 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. Una evidencia directa de esto es un procedimiento experimental en biología molecular conocido como escaneo de alanina .

Un hipotético mundo de prolina crearía una posible vida alternativa con el código genético basado en el andamiaje químico de prolina como esqueleto proteico . De manera similar, también son concebibles un mundo de glicina y un mundo de ornitina , pero la naturaleza no ha elegido ninguno de ellos. [ 96 ] La evolución de la vida con prolina, glicina u ornitina como estructura básica para polímeros similares a proteínas ( foldámeros ) daría lugar a mundos biológicos paralelos. Tendrían planes corporales y genética morfológicamente radicalmente diferentes de los organismos vivos de la biosfera conocida . [ 97 ]

Vida no planetaria

Plasma polvoriento a base de

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 , bajo condiciones que podrían existir en el espacio. [ 98 ] [ 99 ] Los modelos informáticos mostraron que, cuando el polvo se cargaba, las partículas podían autoorganizarse en estructuras helicoidales microscópicas, y los autores ofrecen "un esbozo de un posible modelo de... reproducción de la estructura de grano helicoidal".

Collar cósmico

En 2020, Luis A. Anchordoqui y Eugene M. Chudnovsky de la Universidad de la Ciudad de Nueva York plantearon la hipótesis de que la vida cósmica basada en collares, compuesta por monopolos magnéticos conectados por cuerdas cósmicas, podría evolucionar dentro de las estrellas. [ 13 ] Esto se lograría mediante el 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 de ARN y ADN presentes en la vida basada en el carbono. Por lo tanto, 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. Dado que dicho uso consumiría parte de la energía producida por la estrella, la luminosidad también disminuiría. Por esta razón, se cree que dicha vida podría existir dentro de estrellas que se observan enfriándose más rápido o con menor brillo de lo que predicen los modelos cosmológicos actuales.

Vida en una estrella de neutrones

En 1973, Frank Drake sugirió que la vida inteligente podría habitar las estrellas de neutrones . [ 100 ] Los modelos físicos de 1973 implicaban que las criaturas de Drake serían microscópicas. [ 100 ]

Científicos que han publicado sobre este tema

Entre los científicos que han considerado posibles alternativas a la bioquímica del carbono y el agua se incluyen:

Véase también

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Lecturas adicionales

  • Bains, William (2004). " Muchas químicas podrían usarse 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 ( archivo )
  • Thomas Brandstetter, "Imaginando la vida inorgánica: alienígenas cristalinos en la ciencia y la ficción" , en: Imaginando el espacio exterior , págs. 65-85.