Types hypothétiques de biochimie - Hypothetical types of biochemistry

Mosaïque radar Cassini en fausses couleurs de la région polaire nord de Titan ; les zones bleues sont des lacs d'hydrocarbures liquides.
« L'existence de lacs d'hydrocarbures liquides sur Titan ouvre la possibilité à des solvants et à des sources d'énergie qui sont des alternatives à celles de notre biosphère et qui pourraient soutenir de nouvelles formes de vie totalement différentes de celles de la Terre. »—NASA Astrobiology Roadmap 2008

Les types hypothétiques de biochimie sont des formes de biochimie reconnues scientifiquement viables mais dont l'existence n'a pas encore été prouvée. Les types d' organismes vivants actuellement connus sur Terre utilisent tous des composés carbonés pour les fonctions structurelles et métaboliques de base , l' eau comme solvant et l' ADN ou l' ARN pour définir et contrôler leur forme. Si la vie existe sur d'autres planètes ou lunes, elle peut être chimiquement similaire, bien qu'il soit également possible qu'il existe des organismes avec des chimies assez différentes - par exemple, impliquant d'autres classes de composés de carbone, des composés d'un autre élément ou un autre solvant à la place de l'eau .

La possibilité que des formes de vie soient basées sur des biochimies "alternatives" est le sujet d'une discussion scientifique en cours, informée par ce que l'on sait des environnements extraterrestres et du comportement chimique de divers éléments et composés. Il présente un intérêt pour la biologie synthétique et est également un sujet courant dans la science-fiction .

L'élément silicium a été beaucoup discuté comme une alternative hypothétique au carbone. Le silicium est dans le même groupe que le carbone sur le tableau périodique et, comme le carbone, il est tétravalent . Les alternatives hypothétiques à l'eau incluent l' ammoniac , qui, comme l'eau, est une molécule polaire et cosmique abondante ; et des solvants hydrocarbonés non polaires tels que le méthane et l' éthane , qui sont connus pour exister sous forme liquide à la surface de Titan .

Aperçu

Biosphère de l'ombre

Le message d'Arecibo (1974) a envoyé des informations dans l'espace sur la chimie de base de la vie terrestre.

Une biosphère fantôme est une hypothétique biosphère microbienne de la Terre qui utilise des processus biochimiques et moléculaires radicalement différents de ceux de la vie actuellement connue. Bien que la vie sur Terre soit relativement bien étudiée, la biosphère de l'ombre peut encore passer inaperçue car l'exploration du monde microbien cible principalement la biochimie des macro-organismes.

Biomolécules de chiralité alternative

Peut-être que la biochimie alternative la moins inhabituelle serait celle avec une chiralité différente de ses biomolécules. Dans la vie terrestre connue, les acides aminés sont presque universellement de la forme L et les sucres sont de la forme D. Des molécules utilisant des acides aminés D ou des sucres L peuvent être possibles ; les molécules d'une telle chiralité, cependant, seraient incompatibles avec les organismes utilisant les molécules de chiralité opposées. On trouve sur Terre des acides aminés dont la chiralité est opposée à la norme, et on pense généralement que ces substances résultent de la décomposition d'organismes de chiralité normale. Cependant, le physicien Paul Davies spécule que certains d'entre eux pourraient être des produits de la vie « anti-chirale ».

On peut cependant se demander si une telle biochimie serait vraiment étrangère. Bien qu'il s'agisse certainement d'une stéréochimie alternative , les molécules que l'on trouve massivement dans un énantiomère dans la grande majorité des organismes peuvent néanmoins souvent être trouvées dans un autre énantiomère dans différents organismes (souvent basaux ), comme dans les comparaisons entre les membres d' Archaea et d'autres domaines , ce qui en fait un sujet ouvert de savoir si une stéréochimie alternative est vraiment nouvelle.

Biochimies non carbonées

Sur Terre, tous les êtres vivants connus ont une structure et un système à base de carbone. Les scientifiques ont spéculé sur les avantages et les inconvénients de l'utilisation d' atomes autres que le carbone pour former les structures moléculaires nécessaires à la vie, mais personne n'a proposé de théorie utilisant de tels atomes pour former toutes les structures nécessaires. Cependant, comme l'a soutenu Carl Sagan , il est très difficile d'être certain qu'une déclaration qui s'applique à toute vie sur Terre s'appliquera à toute vie dans l'univers. Sagan a utilisé le terme « chauvinisme carbone » pour une telle hypothèse. Il considérait le silicium et le germanium comme des alternatives envisageables au carbone (d'autres éléments plausibles incluent, sans s'y limiter, le palladium et le titane ) ; mais, d'un autre côté, il a noté que le carbone semble plus polyvalent chimiquement et est plus abondant dans le cosmos). Norman Horowitz a conçu les expériences pour déterminer si la vie pouvait exister sur Mars qui ont été menées par le Viking Lander de 1976 , la première mission américaine à faire atterrir avec succès une sonde sans pilote sur la surface de Mars. Horowitz a soutenu que la grande polyvalence de l'atome de carbone en fait l'élément le plus susceptible d'apporter des solutions, même exotiques, aux problèmes de survie sur d'autres planètes. Il considérait qu'il n'y avait qu'une faible possibilité que des formes de vie non carbonées puissent exister avec des systèmes d'information génétique capables d'auto-réplication et la capacité d'évoluer et de s'adapter.

Biochimie du silicium

Structure du silane , analogue du méthane

Structure du silicone polydiméthylsiloxane (PDMS)

Diatomées marines  - organismes à base de carbone qui extraient le silicium de l'eau de mer, sous forme de son oxyde (silice) et l'incorporent dans leurs parois cellulaires

L'atome de silicium a fait l'objet de nombreuses discussions comme base d'un système biochimique alternatif, car le silicium a de nombreuses propriétés chimiques similaires à celles du carbone et appartient au même groupe du tableau périodique , le groupe du carbone . Comme le carbone, le silicium peut créer des molécules suffisamment grosses pour transporter des informations biologiques.

Cependant, le silicium présente plusieurs inconvénients en tant qu'alternative au carbone. Le silicium, contrairement au carbone, n'a pas la capacité de former des liaisons chimiques avec divers types d'atomes, comme cela est nécessaire pour la polyvalence chimique requise pour le métabolisme, et pourtant cette incapacité précise est ce qui rend le silicium moins susceptible de se lier à toutes sortes d'impuretés dont le carbone, en comparaison, n'est pas blindé. Les éléments créant des groupes fonctionnels organiques avec du carbone comprennent l'hydrogène, l'oxygène, l'azote, le phosphore, le soufre et des métaux tels que le fer, le magnésium et le zinc. Le silicium, en revanche, interagit avec très peu d'autres types d'atomes. De plus, lorsqu'il interagit avec d'autres atomes, le silicium crée des molécules qui ont été qualifiées de « monotones par rapport à l'univers combinatoire des macromolécules organiques ». En effet, les atomes de silicium sont beaucoup plus gros, ont une masse et un rayon atomique plus grands , et ont donc des difficultés à former des doubles liaisons (le carbone à double liaison fait partie du groupe carbonyle , un motif fondamental de la chimie bio-organique à base de carbone).

Les silanes , qui sont des composés chimiques d' hydrogène et de silicium analogues aux hydrocarbures alcanes , sont très réactifs avec l' eau et les silanes à longue chaîne se décomposent spontanément. Les molécules incorporant des polymères d' atomes de silicium et d' oxygène alternés au lieu de liaisons directes entre le silicium, appelées collectivement silicones , sont beaucoup plus stables. Il a été suggéré que les produits chimiques à base de silicone seraient plus stables que les hydrocarbures équivalents dans un environnement riche en acide sulfurique, comme on le trouve dans certains endroits extraterrestres.

Parmi les variétés de molécules identifiées dans le milieu interstellaire en 1998, 84 sont à base de carbone, alors que seulement 8 sont à base de silicium. De plus, sur ces 8 composés, 4 contiennent également du carbone. L' abondance cosmique du carbone au silicium est d'environ 10 à 1. Cela peut suggérer une plus grande variété de composés carbonés complexes dans tout le cosmos, offrant moins de base sur laquelle construire des biologies à base de silicium, du moins dans les conditions prévalant à la surface. de planètes. De plus, même si la Terre et les autres planètes telluriques sont exceptionnellement riches en silicium et pauvres en carbone (l'abondance relative du silicium par rapport au carbone dans la croûte terrestre est d'environ 925:1), la vie terrestre est basée sur le carbone. Le fait que le carbone soit utilisé à la place du silicium peut être la preuve que le silicium est mal adapté à la biochimie sur des planètes semblables à la Terre. Cela peut s'expliquer par le fait que le silicium est moins polyvalent que le carbone pour former des composés, que les composés formés par le silicium sont instables et qu'il bloque le flux de chaleur.

Même ainsi, la silice biogénique est utilisée par certaines formes de vie terrestre, telles que la structure squelettique en silicate des diatomées . Selon l' hypothèse argileuse d' AG Cairns-Smith , les minéraux silicatés dans l'eau jouaient un rôle crucial dans l' abiogenèse : ils reproduisaient leurs structures cristallines, interagissaient avec les composés carbonés et étaient les précurseurs de la vie à base de carbone.

Bien qu'elles ne soient pas observées dans la nature, des liaisons carbone-silicium ont été ajoutées à la biochimie en utilisant l'évolution dirigée (sélection artificielle). Un hème contenant une protéine cytochrome c de Rhodothermus marinus a été conçu en utilisant l' évolution dirigée pour catalyser la formation de nouvelles liaisons carbone-silicium entre les hydrosilanes et les composés diazo .

Les composés de silicium peuvent éventuellement être biologiquement utiles à des températures ou des pressions différentes de la surface d'une planète terrestre, soit en conjonction avec ou dans un rôle moins directement analogue au carbone. Les polysilanols, les composés du silicium correspondant aux sucres , sont solubles dans l'azote liquide, suggérant qu'ils pourraient jouer un rôle dans la biochimie à très basse température.

Dans la science-fiction cinématographique et littéraire, à un moment où les machines artificielles passent du non-vivant au vivant, est-il souvent posé, cette nouvelle forme serait le premier exemple de vie sans carbone. Depuis l'avènement du microprocesseur à la fin des années 1960, ces machines sont souvent classées comme des ordinateurs (ou des robots guidés par ordinateur ) et classées sous « vie à base de silicium », même si la matrice de support en silicium de ces processeurs n'est pas aussi fondamentale pour leur fonctionnement en tant que charbon est destiné à la "vie humide".

Autres biochimies à base d'éléments exotiques

• Les boranes sont dangereusement explosifs dans l'atmosphère terrestre, mais seraient plus stables dans une atmosphère réductrice . Cependant, la faible abondance cosmique du bore le rend moins probable comme base de vie que le carbone.
• Divers métaux, avec l'oxygène, peuvent former des structures très complexes et thermiquement stables rivalisant avec celles des composés organiques ; les hétéropolyacides sont une de ces familles. Certains oxydes métalliques sont également similaires au carbone dans leur capacité à former à la fois des structures de nanotubes et des cristaux de type diamant (comme la zircone cubique ). Le titane , l' aluminium , le magnésium et le fer sont tous plus abondants dans la croûte terrestre que le carbone. La vie à base d'oxydes métalliques pourrait donc être une possibilité dans certaines conditions, y compris celles (telles que des températures élevées) auxquelles la vie à base de carbone serait improbable. Le groupe Cronin de l'Université de Glasgow a signalé l'auto-assemblage de polyoxométalates de tungstène dans des sphères semblables à des cellules. En modifiant leur teneur en oxyde métallique, les sphères peuvent acquérir des trous qui agissent comme une membrane poreuse, permettant sélectivement aux produits chimiques d'entrer et de sortir de la sphère en fonction de leur taille.
• Le soufre est également capable de former des molécules à longue chaîne, mais souffre des mêmes problèmes de haute réactivité que le phosphore et les silanes. L'utilisation biologique du soufre comme alternative au carbone est purement hypothétique, d'autant plus que le soufre ne forme généralement que des chaînes linéaires plutôt que des chaînes ramifiées. (L'utilisation biologique du soufre comme accepteur d'électrons est répandue et remonte à 3,5 milliards d'années sur Terre, antérieure à l'utilisation de l'oxygène moléculaire. Les bactéries réductrices de soufre peuvent utiliser du soufre élémentaire au lieu de l'oxygène, réduisant ainsi le soufre en sulfure d'hydrogène .)

L'arsenic comme alternative au phosphore

L'arsenic , qui est chimiquement similaire au phosphore , bien que toxique pour la plupart des formes de vie sur Terre, est incorporé dans la biochimie de certains organismes. Certaines algues marines incorporer l' arsenic dans des molécules organiques complexes tels que arsénosucres et arsenobetaines . Les champignons et les bactéries peuvent produire des composés volatils d'arsenic méthylé. La réduction de l'arséniate et l'oxydation de l'arsénite ont été observées chez les microbes ( Chrysiogenes arsenatis ). De plus, certains procaryotes peuvent utiliser l'arséniate comme accepteur d'électrons terminal pendant la croissance anaérobie et certains peuvent utiliser l'arsénite comme donneur d'électrons pour générer de l'énergie.

Il a été supposé que les premières formes de vie sur Terre pourraient avoir utilisé la biochimie de l'arsenic à la place du phosphore dans la structure de leur ADN. Une objection courante à ce scénario est que les esters d'arséniate sont tellement moins stables à l' hydrolyse que les esters de phosphate correspondants que l'arsenic est mal adapté à cette fonction.

Les auteurs d'une étude géomicrobiologique de 2010 , soutenue en partie par la NASA, ont postulé qu'une bactérie, nommée GFAJ-1 , collectée dans les sédiments du lac Mono en Californie orientale , peut utiliser un tel « ADN d'arsenic » lorsqu'elle est cultivée sans phosphore. Ils ont proposé que la bactérie puisse utiliser des niveaux élevés de poly-β-hydroxybutyrate ou d'autres moyens pour réduire la concentration efficace d'eau et stabiliser ses esters d'arséniate. Cette affirmation a été fortement critiquée presque immédiatement après sa publication pour le manque perçu de contrôles appropriés. L'écrivain scientifique Carl Zimmer a contacté plusieurs scientifiques pour une évaluation : « J'ai contacté une douzaine d'experts... Presque à l'unanimité, ils pensent que les scientifiques de la NASA n'ont pas réussi à défendre leur cause ». D'autres auteurs n'ont pas pu reproduire leurs résultats et ont montré que l'étude avait des problèmes de contamination par le phosphate, suggérant que les faibles quantités présentes pourraient soutenir des formes de vie extrêmophiles. Alternativement, il a été suggéré que les cellules GFAJ-1 se développent en recyclant le phosphate des ribosomes dégradés, plutôt qu'en le remplaçant par de l'arséniate.

Solvants non aqueux

En plus des composés carbonés, toute la vie terrestre actuellement connue a également besoin d'eau comme solvant. Cela a conduit à des discussions pour savoir si l'eau est le seul liquide capable de remplir ce rôle. L'idée qu'une forme de vie extraterrestre puisse être basée sur un solvant autre que l'eau a été prise au sérieux dans la littérature scientifique récente par le biochimiste Steven Benner et par le comité d'astrobiologie présidé par John A. Baross. Les solvants discutés par le comité Baross comprennent l' ammoniac , l'acide sulfurique , le formamide , les hydrocarbures et (à des températures bien inférieures à celles de la Terre) l' azote liquide ou l'hydrogène sous forme de fluide supercritique .

Carl Sagan s'est un jour décrit comme un chauvin du carbone et un chauvin de l'eau ; cependant, à une autre occasion, il a déclaré qu'il était un chauvin du carbone mais "pas tellement un chauvin de l'eau". Il a spéculé sur les hydrocarbures, l'acide fluorhydrique et l'ammoniac comme alternatives possibles à l'eau.

Certaines des propriétés de l'eau qui sont importantes pour les processus vitaux comprennent :

• Une complexité qui conduit à un grand nombre de permutations de chemins réactionnels possibles, notamment la chimie acide-base, les cations H ⁺ , les anions OH ⁻ , les liaisons hydrogène, les liaisons de van der Waals, les interactions dipôle-dipôle et autres interactions polaires, les cages de solvants aqueux et l'hydrolyse . Cette complexité offre un grand nombre de voies d'évolution pour produire la vie, de nombreux autres solvants ont beaucoup moins de réactions possibles, ce qui limite sévèrement l'évolution.
• Stabilité thermodynamique : l'énergie libre de formation de l'eau liquide est suffisamment faible (−237,24 kJ/mol) pour que l'eau subisse peu de réactions. D'autres solvants sont très réactifs, notamment avec l'oxygène.
• L'eau ne brûle pas dans l'oxygène car elle est déjà le produit de combustion de l'hydrogène avec l'oxygène. La plupart des solvants alternatifs ne sont pas stables dans une atmosphère riche en oxygène, il est donc hautement improbable que ces liquides puissent soutenir la vie aérobie.
• Une large plage de température sur laquelle il est liquide .
• Haute solubilité de l'oxygène et du dioxyde de carbone à température ambiante favorisant l'évolution de la vie végétale et animale aquatique aérobie.
• Une capacité calorifique élevée (conduisant à une stabilité de température environnementale plus élevée).
• L'eau est un liquide à température ambiante conduisant à une grande population d'états de transition quantiques nécessaires pour surmonter les barrières de réaction. Les liquides cryogéniques (tels que le méthane liquide) ont des populations d'états de transition exponentiellement plus faibles qui sont nécessaires à la vie sur la base de réactions chimiques. Cela conduit à des vitesses de réaction chimique qui peuvent être si lentes qu'elles empêchent le développement de toute vie basée sur des réactions chimiques.
• Transparence spectroscopique permettant au rayonnement solaire de pénétrer de plusieurs mètres dans le liquide (ou solide), facilitant grandement l'évolution de la vie aquatique.
• Une grande chaleur de vaporisation conduisant à des lacs et des océans stables.
• La capacité de dissoudre une grande variété de composés.
• Le solide (la glace) a une densité inférieure à celle du liquide, de sorte que la glace flotte sur le liquide. C'est pourquoi les plans d'eau gèlent mais ne gèlent pas solidement (de bas en haut). Si la glace était plus dense que l'eau liquide (comme c'est le cas pour presque tous les autres composés), alors de grandes masses liquides gèleraient lentement, ce qui ne favoriserait pas la formation de la vie.

L'eau en tant que composé est cosmiquement abondante, bien qu'une grande partie soit sous forme de vapeur ou de glace. L'eau liquide souterraine est considérée comme probable ou possible sur plusieurs des lunes extérieures : Encelade (où des geysers ont été observés), Europe , Titan et Ganymède . La Terre et Titan sont les seuls mondes actuellement connus pour avoir des corps liquides stables à leur surface.

Cependant, toutes les propriétés de l'eau ne sont pas nécessairement avantageuses pour la vie. Par exemple, la glace d'eau a un albédo élevé , ce qui signifie qu'elle réfléchit une quantité importante de lumière et de chaleur du Soleil. Pendant les périodes glaciaires , à mesure que la glace réfléchissante s'accumule à la surface de l'eau, les effets du refroidissement global sont accrus.

Certaines propriétés rendent certains composés et éléments beaucoup plus favorables que d'autres en tant que solvants dans une biosphère réussie. Le solvant doit pouvoir exister en équilibre liquide sur une plage de températures que l'objet planétaire rencontrerait normalement. Étant donné que les points d'ébullition varient avec la pression, la question n'est généralement pas de savoir si le solvant potentiel reste liquide, mais à quelle pression . Par exemple, le cyanure d'hydrogène a une plage de température en phase liquide étroite à 1 atmosphère, mais dans une atmosphère à la pression de Vénus , avec 92 bars (91 atm) de pression, il peut en effet exister sous forme liquide sur une large plage de température.

Ammoniac

Vue d'artiste sur l'apparence d'une planète avec une vie à base d'ammoniac

La molécule d' ammoniac (NH ₃ ), comme la molécule d'eau, est abondante dans l'univers, étant un composé d'hydrogène (l'élément le plus simple et le plus commun) avec un autre élément très commun, l'azote. Le rôle possible de l'ammoniac liquide comme solvant alternatif pour la vie est une idée qui remonte au moins à 1954, lorsque J. B. S. Haldane a soulevé le sujet lors d'un symposium sur l'origine de la vie.

De nombreuses réactions chimiques sont possibles dans une solution d'ammoniac, et l'ammoniac liquide a des similitudes chimiques avec l'eau. L'ammoniac peut dissoudre la plupart des molécules organiques au moins aussi bien que l'eau et, en outre, il est capable de dissoudre de nombreux métaux élémentaires. Haldane a souligné que divers composés organiques communs liés à l'eau ont des analogues liés à l'ammoniac; par exemple l'ammoniac lié- amine groupe (-NH ₂ ) est analogue à celle liée à l' eau hydroxyle groupe (-OH).

L'ammoniac, comme l'eau, peut accepter ou donner un ion H ⁺ . Lorsque l'ammoniac accepte un H ⁺ , il forme le cation ammonium (NH ₄ ⁺ ), analogue à l' hydronium (H ₃ O ⁺ ). Lorsqu'il donne un ion H ⁺ , il forme l' anion amide (NH ₂ ^- ), analogue à l' anion hydroxyde (OH ^- ). Par rapport à l'eau, cependant, l'ammoniac est plus enclin à accepter un ion H ⁺ et moins enclin à en donner un ; c'est un nucléophile plus fort . L'ammoniac ajouté à l'eau fonctionne comme base d'Arrhenius : il augmente la concentration de l'hydroxyde d'anion. Inversement, en utilisant une définition du système de solvant de l'acidité et de la basicité, l'eau ajoutée à l'ammoniac liquide fonctionne comme un acide, car elle augmente la concentration du cation ammonium. Le groupe carbonyle (C=O), très utilisé en biochimie terrestre, ne serait pas stable en solution ammoniacale, mais le groupe imine analogue (C=NH) pourrait être utilisé à la place.

Cependant, l'ammoniac présente certains problèmes en tant que base de la vie. Les liaisons hydrogène entre les molécules d'ammoniac sont plus faibles que celles de l'eau, ce qui fait que la chaleur de vaporisation de l' ammoniac est la moitié de celle de l'eau, sa tension superficielle d'un tiers et réduit sa capacité à concentrer les molécules non polaires par effet hydrophobe . Gerald Feinberg et Robert Shapiro se sont demandé si l'ammoniac pouvait maintenir les molécules prébiotiques suffisamment ensemble pour permettre l'émergence d'un système d'auto-reproduction. L'ammoniac est également inflammable dans l'oxygène et ne pourrait exister de manière durable dans un environnement propice au métabolisme aérobie .

Structure interne théorisée de Titan, océan souterrain illustré en bleu

Une biosphère basée sur l'ammoniac existerait probablement à des températures ou des pressions atmosphériques extrêmement inhabituelles par rapport à la vie sur Terre. La vie sur Terre existe généralement entre le point de fusion et le point d'ébullition de l'eau à pression normale , entre 0 °C (273  K ) et 100 °C (373 K); à pression normale, les points de fusion et d'ébullition de l'ammoniac se situent entre -78 °C (195 K) et -33 °C (240 K). Les réactions chimiques se déroulent généralement plus lentement à une température plus basse. Par conséquent, la vie à base d'ammoniac, si elle existe, pourrait se métaboliser plus lentement et évoluer plus lentement que la vie sur Terre. D'autre part, des températures plus basses pourraient également permettre aux systèmes vivants d'utiliser des espèces chimiques qui seraient trop instables aux températures terrestres pour être utiles.

L'ammoniac pourrait être un liquide à des températures semblables à celles de la Terre, mais à des pressions beaucoup plus élevées ; par exemple, à 60  atm , l'ammoniac fond à -77 °C (196 K) et bout à 98 °C (371 K).

L'ammoniac et les mélanges ammoniac-eau restent liquides à des températures bien inférieures au point de congélation de l'eau pure, de telles biochimies pourraient donc être bien adaptées aux planètes et aux lunes en orbite en dehors de la zone d'habitabilité à base d'eau . De telles conditions pourraient exister, par exemple, sous la surface de Saturne la plus grande lune de Titan .

Méthane et autres hydrocarbures

Le méthane (CH ₄ ) est un hydrocarbure simple : c'est-à-dire un composé de deux des éléments les plus communs dans le cosmos : l'hydrogène et le carbone. Il a une abondance cosmique comparable à l'ammoniac. Les hydrocarbures pourraient agir comme solvant sur une large plage de températures, mais manqueraient de polarité . Isaac Asimov, le biochimiste écrivain et la science - fiction, a suggéré en 1981 que poly- lipides peuvent former un substitut pour les protéines dans un solvant non polaire tel que le méthane. Des lacs composés d'un mélange d'hydrocarbures, dont du méthane et de l' éthane , ont été détectés à la surface de Titan par la sonde Cassini .

Il existe un débat sur l'efficacité du méthane et d'autres hydrocarbures comme solvant à vie par rapport à l'eau ou à l'ammoniac. L'eau est un solvant plus fort que les hydrocarbures, permettant un transport plus facile des substances dans une cellule. Cependant, l'eau est également plus réactive chimiquement et peut décomposer de grosses molécules organiques par hydrolyse. Une forme de vie dont le solvant serait un hydrocarbure ne serait pas menacée de voir ses biomolécules détruites de cette manière. De plus, la tendance de la molécule d'eau à former de fortes liaisons hydrogène peut interférer avec la liaison hydrogène interne dans les molécules organiques complexes. La vie avec un solvant hydrocarboné pourrait utiliser davantage les liaisons hydrogène au sein de ses biomolécules. De plus, la force des liaisons hydrogène au sein des biomolécules serait appropriée à une biochimie à basse température.

L'astrobiologiste Chris McKay a soutenu, pour des raisons thermodynamiques, que si la vie existe à la surface de Titan, en utilisant des hydrocarbures comme solvant, il est également probable qu'elle utilise les hydrocarbures les plus complexes comme source d'énergie en les faisant réagir avec de l'hydrogène, en réduisant l' éthane et l' acétylène en méthane. Des preuves possibles de cette forme de vie sur Titan ont été identifiées en 2010 par Darrell Strobel de l'Université Johns Hopkins ; une plus grande abondance d'hydrogène moléculaire dans les couches atmosphériques supérieures de Titan par rapport aux couches inférieures, plaidant pour une diffusion vers le bas à un taux d'environ 10 ²⁵ molécules par seconde et une disparition de l'hydrogène près de la surface de Titan. Comme l'a noté Strobel, ses découvertes étaient conformes aux effets que Chris McKay avait prédits si des formes de vie méthanogènes étaient présentes. La même année, une autre étude a montré de faibles niveaux d'acétylène à la surface de Titan, qui ont été interprétés par Chris McKay comme cohérents avec l'hypothèse d'organismes réduisant l'acétylène en méthane. Tout en réaffirmant l'hypothèse biologique, McKay a mis en garde que d'autres explications des découvertes sur l'hydrogène et l'acétylène doivent être considérées comme plus probables : les possibilités de processus physiques ou chimiques encore non identifiés (par exemple, un catalyseur de surface non vivant permettant à l'acétylène de réagir avec l'hydrogène), ou défauts dans les modèles actuels de flux de matières. Il a noté que même un catalyseur non biologique efficace à 95 K serait en soi une découverte surprenante.

Azotosome

Une membrane cellulaire hypothétique appelée azotosome , capable de fonctionner dans du méthane liquide dans des conditions Titan, a été modélisée par ordinateur dans un article publié en février 2015. Composée d' acrylonitrile , une petite molécule contenant du carbone, de l'hydrogène et de l'azote, elle devrait avoir une stabilité. et une flexibilité dans le méthane liquide comparable à celle d'une bicouche phospholipidique (le type de membrane cellulaire que possède toute vie sur Terre) dans l'eau liquide. Une analyse des données obtenues à l'aide de l'Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), achevée en 2017, a confirmé des quantités substantielles d'acrylonitrile dans l'atmosphère de Titan.

Fluor d'hydrogène

Le fluorure d'hydrogène (HF), comme l'eau, est une molécule polaire et, en raison de sa polarité, il peut dissoudre de nombreux composés ioniques. Son point de fusion est de -84 °C et son point d'ébullition est de 19,54 °C (à pression atmosphérique ) ; la différence entre les deux est d'un peu plus de 100 K. L'HF établit également des liaisons hydrogène avec ses molécules voisines, tout comme l'eau et l'ammoniac. Il a été considéré comme un possible solvant pour la vie par des scientifiques tels que Peter Sneath et Carl Sagan.

Le HF est dangereux pour les systèmes de molécules qui composent la vie terrestre, mais certains autres composés organiques, tels que les cires de paraffine , sont stables avec lui. Comme l'eau et l'ammoniac, le fluorure d'hydrogène liquide soutient une chimie acide-base. En utilisant une définition de système de solvant de l'acidité et de la basicité, l'acide nitrique fonctionne comme une base lorsqu'il est ajouté au HF liquide.

Cependant, le fluorure d'hydrogène est cosmiquement rare, contrairement à l'eau, à l'ammoniac et au méthane.

Sulfure d'hydrogène

Le sulfure d'hydrogène est l' analogue chimique le plus proche de l'eau , mais il est moins polaire et un solvant inorganique plus faible. Le sulfure d'hydrogène est assez abondant sur la lune Io de Jupiter et peut être sous forme liquide à une courte distance sous la surface; L'astrobiologiste Dirk Schulze-Makuch l' a suggéré comme solvant possible pour la vie là-bas. Sur une planète avec des océans de sulfure d'hydrogène, la source du sulfure d'hydrogène pourrait provenir des volcans, auquel cas il pourrait être mélangé avec un peu de fluorure d'hydrogène , ce qui pourrait aider à dissoudre les minéraux. La vie du sulfure d'hydrogène pourrait utiliser un mélange de monoxyde de carbone et de dioxyde de carbone comme source de carbone. Ils pourraient produire et vivre de monoxyde de soufre , qui est analogue à l'oxygène (O ₂ ). Le sulfure d'hydrogène, comme le cyanure d'hydrogène et l'ammoniac, souffre de la petite plage de température où il est liquide, bien que, comme celui du cyanure d'hydrogène et de l'ammoniac, augmente avec l'augmentation de la pression.

Dioxyde de silicium et silicates

Le dioxyde de silicium , également connu sous le nom de silice et de quartz, est très abondant dans l'univers et a une large plage de température où il est liquide. Cependant, son point de fusion est de 1 600 à 1 725 °C (2 912 à 3 137 °F), il serait donc impossible de fabriquer des composés organiques à cette température, car ils se décomposeraient tous. Les silicates sont similaires au dioxyde de silicium et certains ont des points de fusion inférieurs à ceux de la silice. Feinberg et Shapiro ont suggéré que la roche de silicate fondue pourrait servir de milieu liquide pour les organismes avec une chimie basée sur le silicium, l'oxygène et d'autres éléments tels que l' aluminium .

Autres solvants ou cosolvants

Acide sulfurique (H ₂ SO ₄ )

Autres solvants parfois proposés :

• Fluides supercritiques : dioxyde de carbone supercritique et hydrogène supercritique.
• Composés hydrogénés simples : chlorure d'hydrogène .
• Composés plus complexes : acide sulfurique , formamide , méthanol .
• Fluides à très basse température : azote liquide et hydrogène .
• Liquides à haute température : chlorure de sodium .

L'acide sulfurique sous forme liquide est fortement polaire. Il reste liquide à des températures plus élevées que l'eau, sa plage de liquide allant de 10 °C à 337 °C à une pression de 1 atm, bien qu'au-dessus de 300 °C, il se décompose lentement. L'acide sulfurique est connu pour être abondant dans les nuages ​​de Vénus , sous forme de gouttelettes d' aérosol . Dans une biochimie qui utilisait l'acide sulfurique comme solvant, le groupe alcène (C=C), avec deux atomes de carbone reliés par une double liaison, pourrait fonctionner de manière analogue au groupe carbonyle (C=O) en biochimie à base d'eau.

Une proposition a été faite selon laquelle la vie sur Mars pourrait exister et utiliser un mélange d'eau et de peroxyde d'hydrogène comme solvant. Un mélange d'eau et de peroxyde d'hydrogène à 61,2 % (en masse) a un point de congélation de -56,5 °C et a tendance à se refroidir plutôt qu'à se cristalliser. Il est également hygroscopique , un avantage dans un environnement pauvre en eau.

Le dioxyde de carbone supercritique a été proposé comme candidat pour la biochimie alternative en raison de sa capacité à dissoudre sélectivement les composés organiques et à aider le fonctionnement des enzymes et parce que les planètes de type "super-Terre" ou "super-Vénus" avec des atmosphères denses à haute pression peut être commun.

Autres spéculations

Photosynthétiseurs non verts

Les physiciens ont noté que, bien que la photosynthèse sur Terre implique généralement des plantes vertes, une variété de plantes d'autres couleurs pourraient également soutenir la photosynthèse, essentielle pour la plupart de la vie sur Terre, et que d'autres couleurs pourraient être préférées dans des endroits qui reçoivent un mélange différent de rayonnement stellaire. que la Terre. Ces études indiquent que les plantes bleues seraient peu probables ; cependant, les plantes jaunes ou rouges peuvent être relativement communes.

Environnements variables

De nombreuses plantes et animaux terrestres subissent des changements biochimiques majeurs au cours de leur cycle de vie en réponse à des conditions environnementales changeantes, par exemple, en ayant un état de spores ou d' hibernation qui peut être maintenu pendant des années, voire des millénaires, entre des stades de vie plus actifs. Ainsi, il serait biochimiquement possible de maintenir la vie dans des environnements qui ne sont que périodiquement cohérents avec la vie telle que nous la connaissons.

Par exemple, les grenouilles dans les climats froids peuvent survivre pendant de longues périodes avec la majeure partie de leur eau corporelle dans un état gelé, tandis que les grenouilles du désert en Australie peuvent devenir inactives et se déshydrater pendant les périodes sèches, perdant jusqu'à 75 % de leurs fluides, mais reviennent à la vie en se réhydratant rapidement pendant les périodes humides. L'un ou l'autre type de grenouille semblerait biochimiquement inactif (c'est-à-dire ne vivant pas) pendant les périodes de dormance à toute personne dépourvue d'un moyen sensible de détecter de faibles niveaux de métabolisme.

Monde alanine et alternatives hypothétiques

Stade précoce du code génétique (GC-Code) avec le "monde alanin" et ses alternatives possibles.

Le code génétique a évolué au cours de la transition du monde de l' ARN à un monde des protéines . L' Alanine World Hypothesis postule que l'évolution du code génétique (la phase dite GC) a commencé avec seulement quatre acides aminés de base : alanine , glycine , proline et ornithine (maintenant arginine ). L'évolution du code génétique s'est terminée avec 20 acides aminés protéinogènes . D'un point de vue chimique, la plupart d'entre eux sont des dérivés d'alanine particulièrement adaptés à la construction d' hélices et de feuillets  – éléments structuraux secondaires de base des protéines modernes. La preuve directe de ceci est une procédure expérimentale en biologie moléculaire connue sous le nom de balayage à l'alanine . L'hypothétique "Proline World" créerait une vie alternative possible avec le code génétique basé sur l'échafaudage chimique de la proline comme squelette protéique . De même, les mondes "Glycine" et "Ornithine" sont également envisageables, mais la nature n'en a choisi aucun. L'évolution de la vie avec la glycine, la proline ou l'ornithine comme structure de base des polymères de type protéine ( foldamères ) conduirait à des mondes biologiques parallèles. Ils auraient des plans corporels et une génétique morphologiquement radicalement différents des organismes vivants de la biosphère connue .

Vie non planétaire

À base de plasma poussiéreux

En 2007, Vadim N. Tsytovich et ses collègues ont proposé que des comportements réalistes puissent être présentés par des particules de poussière en suspension dans un plasma , dans des conditions qui pourraient exister dans l'espace. Les modèles informatiques ont montré que, lorsque la poussière se chargeait, les particules pouvaient s'auto-organiser en structures hélicoïdales microscopiques, et les auteurs proposent "une esquisse d'un modèle possible de... reproduction de structure de grain hélicoïdal".

À base de collier cosmique

En 2020, Luis A. Anchordoqu et Eugene M. Chudnovsky de la City University of New York ont émis l' hypothèse que la vie cosmique basée sur un collier composé de demi-pôles magnétiques reliés par des cordes cosmiques pourrait évoluer à l'intérieur des étoiles.

La vie sur une étoile à neutrons

Frank Drake a suggéré en 1973 que la vie intelligente pourrait habiter les étoiles à neutrons . Les modèles physiques de 1973 impliquaient que les créatures de Drake seraient microscopiques. En 1980, Robert L Forward a écrit le roman de science-fiction Dragon's Egg en utilisant la suggestion de Drake comme thèse.

Les scientifiques qui ont publié sur ce sujet

Les scientifiques qui ont envisagé des alternatives possibles à la biochimie carbone-eau comprennent :

• JBS Haldane (1892-1964), un généticien connu pour ses travaux sur l' abiogenèse .
• V. Axel Firsoff (1910-1981), astronome britannique.
• Isaac Asimov (1920-1992), biochimiste et écrivain de science-fiction.
• Fred Hoyle (1915-2001), astronome et écrivain de science-fiction.
• Norman Horowitz (1915-2005) Généticien Caltech qui a conçu les premières expériences menées pour détecter la vie sur Mars.
• George C. Pimentel (1922-1989), chimiste américain, Université de Californie, Berkeley.
• Peter Sneath (1923-2011), microbiologiste, auteur du livre Planets and Life .
• Gerald Feinberg (1933-1992), physicien et Robert Shapiro (1935-2011), chimiste, co-auteurs du livre Life Beyond Earth .
• Carl Sagan (1934-1996), astronome, vulgarisateur scientifique etpromoteur du SETI .
• Jonathan Lunine , (né en 1959) planétologue et physicien américain.
• Robert A. Freitas Jr. (1952-présent), spécialiste en nanotechnologie et nano-médecine ; auteur du livre Xenologie .
• John Baross , océanographe et astrobiologiste, qui a présidé un comité de scientifiques sous l' United States National Research Council qui a publié un rapport sur les conditions limitantes de la vie en 2007. Le rapport aborde la préoccupation qu'une agence spatiale pourrait mener une recherche bien financée pour la vie sur d'autres mondes « et ensuite ne pas le reconnaître s'il est rencontré ».

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

• W. Bains (2004). "De nombreuses chimies pourraient être utilisées pour construire des systèmes vivants". Astrobiologie . 4 (2) : 137-167. Bibcode : 2004AsBio ... 4..137B . doi : 10.1089/153110704323175124 . PMID  15253836 . S2CID  27477952 .

Liens externes

• FAQ sur l'astronomie
• Vie basée sur l'ammoniac
• Vie à base de silicium