望遠鏡なしの天文学-なぜ水?

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宇宙人の生化学がおそらく液体の水を必要とするという仮定は、地球中心のように見えるかもしれません。しかし、宇宙で最も豊富な元素から利用できる化学的可能性を考えると、異なる生化学を持つ外国人科学者でさえ、おそらく水溶媒ベースの生化学は宇宙の他の場所で発生する可能性が高いことに同意し、最もインテリジェントライフを開発するための基盤となる可能性があります。

私たちが生命と生化学について知っていることに基づいて、異質の生化学は溶媒(水など)とその構造と機能(炭素など)に1つ以上の元素単位を必要とする可能性があります。溶媒は、化学反応を可能にするだけでなく、物質を物理的に輸送するためにも重要です。どちらの場合も、その溶媒を液相に入れることが重要なようです。

一般的な生化学的に有用な溶媒は、水素、ヘリウム、酸素、ネオン、窒素、炭素、シリコン、マグネシウム、鉄、硫黄の順に、宇宙で最も一般的な元素から形成される可能性が最も高いと予想されるかもしれません。

ヘリウムとネオンは忘れることができます。どちらも希ガスです。どちらも希ガスであり、ほとんどが化学的に不活性であり、めったに化学化合物を形成せず、明らかに溶媒の特性はありません。残っているものを見ると、生化学をサポートするために最も容易に利用できるかもしれない極性溶媒は、まず水(H2O)、次にアンモニア(NH3)および硫化水素(H2S)。さまざまな非極性溶媒、特にメタン(CH4)。大まかに言うと、極性溶媒は電荷が弱く、水溶性のほとんどのものを溶解できますが、非極性溶媒は電荷を持たず、テレピンなどの地球でよく知られた工業用溶媒のように機能します。

Isaac Asimovは、サイエンスフィクションを作成していないときは生化学者でしたが、多脂質(基本的には脂肪分子の鎖)がメタン(または他の非極性)溶媒中のタンパク質の代わりになるという仮説の生化学を提案しました。そのような生化学は土星の月、タイタンで機能するかもしれません。

それにもかかわらず、宇宙に存在する可能性のある溶媒のリストから、水は複雑な生態系をサポートするための最良の候補であるように見えます。結局のところ、それはとにかく最も普遍的に豊富な溶媒である可能性が高く、その液相は他のどの溶媒よりも高い温度範囲で発生します。

生化学はより暖かい環境でより動的であり、より多くのエネルギーが生化学反応を推進するために利用可能であると仮定することは理にかなっているようです。このような動的な環境は、生物がはるかに速く成長し、繁殖(したがって進化)できることを意味します。

水には、次のような利点もあります。
•強い表面張力(液体アンモニアの3倍)を与える強い水素結合がある–プレバイオティック化合物の凝集と膜の発達を促進します。
•他の化合物と弱い非共有結合を形成できる–たとえば、地球の生化学におけるタンパク質の3D構造をサポートします。そして
•水素イオンとそれに対応する電子を寄付することにより、電子輸送反応(地球の生化学におけるエネルギー生成の主要な方法)に従事できる。

フッ化水素(HF)は、電子輸送反応にも関与する可能性がある代替の安定した溶媒として提案されており、液相は-80 oCと20 o1気圧でのC(地球、海面)。これは、水とは別に、普遍的に豊富である可能性が高い他の溶媒よりも暖かい温度範囲です。しかし、フッ素自体はそれほど豊富な元素ではなく、水の存在下ではHFはフッ化水素酸になります。

H2Sは、電子輸送反応にも使用できます。また、一部の地球ベースの化学合成細菌でも使用されていますが、流体としては、比較的狭く、-90度の低温範囲にのみ存在します。 oCから-60 o1気圧のC。

これらの点は、少なくとも、液体の水が、インテリジェントライフをサポートできる複雑な生態系の開発の統計的に最も可能性の高い根拠であることを強く主張します。他の溶媒に基づく他の生化学も可能ですが、それらは、生物学的多様性と進化の発達速度が非常に遅い低温で低エネルギーの環境に限定されるようです。

このルールの唯一の例外は、他の溶媒を高温で流体相に維持できる高圧環境(1気圧のガスとして存在する場合)です。

来週: なぜカーボンなのか?

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