Vaihtoehtoinen biokemia tarkoittaa elämän kemiallista perustaa, joka ei perustu samanlaiseen hiilen ja veden kemiaan tai samoihin aineenvaihdunnan molekyyleihin kuin maapallolta tunnettujen elämänmuotojen kemia. Toistaiseksi vaihtoehtoiseen biokemiaan perustuvia eliöitä ei ole havaittu, mutta jotkut tutkijat ja etenkin tieteiskirjailijat, kuten Isaac Asimov, ovat kehitelleet arvioita sellaiseen perustuvasta elämästä.
Perusajatus Maapallon elämän kemia perustuu olennaisesti kuuteen alkuaineeseen, hiileen, vetyyn, happeen, typpeen, fosforiin sekä rikkiin. Erityisesti hapesta ja vedystä koostuva vesi toimii liuottimena, ja hiili pystyy ketjuuntumaan suhteellisen vakaiksi pitkiksi molekyyleiksi, polymeereiksi. Tarkemmin tuntemamme elämän hiilikemia pohjautuu hiilihydraatteihin, valkuaisaineisiin, lipideihin ja nukleiinihappoihin.
Erääksi vaihtoehtoiseksi biokemiaksi on ehdotettu hyvin vähän omasta kemiastamme poikkeavaa kemiaa, jossa on DNA:ta, mutta jossa sen osamolekyylien kätisyys on päinvastainen kuin meillä. Tieteiskirjailijat ja tutkijat ovat ajatelleet, että hiilen sijaan piihin tai fosforiin pohjautuva elämä voisi olla mahdollista. Veden sijaan liuottimena voisi toimia esimerkiksi formamidi, vetyfluoridi tai ammoniakki. Vaihtoehtoisella biokemialla eläville olioille maapallo saattaisi olla elinkelvoton, mutta erilainen elämän kemiallinen perusta voi toisaalta mahdollistaa elämän ympäristöissä, jotka esimerkiksi lämpötilaltaan ja kaasunpaineeltaan poikkeavat Maasta. Näin esimerkiksi kaasukehällisillä kylmillä kuilla voisi olla jonkinlaista elämää.
Vaihtoehtoisen biokemian keskeinen ongelma on muun muassa se, etteivät useimpien alkuaineiden, kuten piin ja ammoniakin kemialliset ominaisuudet ole elämän kannalta niin suotuisat kuin veden ja hiilen.
Meidän biokemiamme Elämä Maassa perustuu monimutkaisiin ketjumaisiin ja rengasmaisiin hiiliyhdisteisin, jotka reagoivat keskenään vesiliuoksessa. Vesi ja hiili ovat maailmankaikkeudessa yleisiä aineita. Elämän kannalta veden keskeinen ominaisuus on muun muassa sen dipolisuus. Hiilen yhdisteet ovat kemiallisesti yleensä melko vakaita.
Olennaista elämän kannalta ovat nukleotideista koostuvat ketjumaiset DNA ja RNA sekä proteiinit, jotka koostuvat aminohapoista. Proteiinit toimivat elävien olentojen solujen reaktioita ohjaavina entsyymeinä ja rakenneosina. DNA ja proteiinit liittyvät toisiinsa RNA-välitteisesti geneettisen koodin kautta.
Vaihtoehtoinen biokemia Kuumilla planeetoilla elämä voisi rakentua esimerkiksi rikkiyhdisteiden varaan. Kylmällä planeetalla vettä saattaisi vastata metaani tai ammoniakki, joka on melko lupaava veden korvaaja. Hyvin kylmässä maailmassa vettä saattaisi vastata jopa nestemäinen vety tai kuumassa maailmassa sula rikki.
Hyvin kuumalla planeetalla, jossa rauta hehkuu, voisi olla fluoriin ja piihin pohjautuvaa elämää. Noin 150--400 celsiusasteessa elämä saattaisi Isaac Asimovin mukaan pohjautua fluoriin ja hiileen, jolloin veden paikalla voisi olla sula rikki. Noin -50 celsiusasteessa voisi olla veden paikalla nestemäinen ammoniakki ja hapen paikalla typpiArthur C. Clarke; Ulos avaruuteen, Luku 8: Viestejä suuren hiljaisuuden takaa;sivu 174.
Monet vaihtoehtoisen biokemian yhdisteet reagoivat herkemmin kuin hiileen ja veteen perustuvan elämän yhdisteet. Esimerkiksi monet rikkiyhdisteet reagoivat herkästi ympäristön kanssa. Monet piiyhdisteiden muodostamat ketjut ovat lyhyempiä kuin hiiliyhdisteiden. Vedellä on monia elämälle suotuisia ominaisuuksia, joita esimerkiksi nestemäisellä ammoniakilla ei ole. Näin ollen hiilen ja veden ominaisuuksien voidaan päätellä olevan elämälle soveltuvampia kuin vaihtoehtoisten aineiden.
Veden paikalle ehdotettuja yhdisteitä Veden vastineita saattaisivat eräiden teorioiden mukaan kuumissa olosuhteissa olla sula rikki tai rikkihappoWard, Tuntematon elämä sivu 86, alkup lähde William Bains 2006. Maata kylmemmässä maailmassa veden roolissa voisi olla nestemäinen metaani, etaani, vetyfluoridi tai ammoniakkiNils Mustelin, Elämää maailmankaikkeudessa. Muita mahdollisia veden korvaajia voisivat olla nestetyppi ja kylmimmässä 220 asteen pakkasessa nestemäinen vetyArthur C. Clarke, ulos avaruuteen, sivu 173. Vetymaailmassa eliöiden liikkeet ja aineenvaihdunta saattaisivat olla hyvin hitaita.
Ammoniakkielämä Ammoniakki on maailmankaikkeudessa yleinen yhdiste, ja senkin takia sitä on monesti ehdotettu veden paikalle vaihtoehtoisessa biokemiassaArthur C. Clarke, Ulos avaruuteen, sivu 174Peter D. Ward, Tuntematon elämä, Ursan julkaisuja 101, Gummerus Jyväskylä 2006, , sivu 105, taulukko 105 ja sivu 93Nils Mustelin, Elämää maailmankaikkeudessa, , WSOY Porvoo 1980, sivut 178 alalaita 179. Ammoniakkiliuoksessa tapahtuu lukuisia kemiallisia reaktioita, ja ammoniakilla on monia yhteisiä kemiallisia ominaisuuksia veden kanssa. Ammoniakki liuottaa veden tapaan hyvin monia orgaanisia yhdisteitä ja metalleja.
Toisaalta ammoniakkiin liittyy elämän biokemiaa ajatellen myös monia ongelmia. Ammoniakkiin ei synny niin helposti Maan biokemian käyttämiä vettä hylkiviä hydrofobisia yhdisteitä, joista solukalvo suureksi osaksi koostuu. Ammoniakki on myös herkästi syttyvää ja hapen kanssa reagoivaa, mutta se voi olla vakaa pelkistävässä ympäristössä. Maan nykyinen ympäristö on pääosin hapettava.
Ammoniakin toinen rasite on se, että sen molekyylien väliset vetysidokset ovat heikompia kuin vesimolekyylien väliset. Näin ammoniakin höyrystymislämpö on puolet veden höyrystymislämmöstä ja pintajännitys kolmasosa veden pintajännityksestä, jolloin sen kyky keskittää hydrofobisia molekyylejä on heikopi kuin vedellä.
Maan ilmanpaineessa ammoniakki on nestemäistä vain alhaisessa lämpötilassa, mikä tuottaisi ongelmia ammoniakkia liuottimena käyttäville eliöille, sillä kylmässä kaikki kemialliset reaktiot hidastuvat. Ammoniakkielämä olisi lämpötilavälillä −78 °C−33 °C (195–240 K). Kyseiset lämpötila-arvot vastaavat ammoniakin sulamis- ja kiehumispisteitä.
Ammoniakkielämä ei silti merkitse välttämättä elämää kylmässä. Suuressa 60 ilmakehän (atm) paineessa ammoniakki on nestemäinen laajalla lämpötilavälillä −77 °C–98 °C (196–371 K). Tämä voisi lisätä ammoniakkielämän ilmenemisen todennäköisyyttä. Ammoniakin lisäksi sopiva liuotin voisi olla ammoniakki--vesiseos, joka kiinteytyy alemmassa lämpötilassa kuin vesi. Tämä voisi lisätä elämän todennäköisyyttä siellä, missä vesi muuten jäätyy, esimerkiksi Saturnuksen kuussa Titanissa. On arvailtu, että polylipidit voisivat korvata proteiinit ei-polaarisissa nesteissä, kuten ammoniakissa ja nestemäisessä vedessä tai esimerkiksi metaanissa tai etaanissa. Ammoniakkieliö saattaisi ehkä hengittää typpeäArthur C. Clarke, Ulos avaruuteen;sivu 174 kuva alalaidassa "Kylmää kirkasta ammoniakkia". Ammoniakkieliö saattaa olla biokemialtaan hiilipohjainen ja käyttää Steve Bennerin mukaan hiili-happisidospohjaisen aineenvaihdunnan sijasta hiili–typpi-aineenvaihduntaaWard, Tuntematon elämä, sivu 93.
Vetyfluoridi Vetyfluoridi (HF) on veden tavoin polaarinen yhdiste, joka liuottaa monia ioniyhdisteitä. Tämä mahdollistaa monia elämän kannalta välttämättömiä kemiallisia reaktioita. Vetyfluoridi on nestemäistä normaalioloissa välillä -84 °C–19,54 °C eli suunnilleen yhtä laajalla lämpötila-alueella kuin vesi. Se muodostaa veden ja ammoniakin tavoin ympäristön molekyylien kanssa vetysidoksia. Vetyfluoridinesteessä elävä olio saattaisi käyttää fluoria fotosynteesiin. HF-perustaista elämää on tutkittu varsin vähän. Vetyfluoridi ei liene niin yleinen yhdiste maailmankaikkeudessa kuin esimerkiksi vesi ja ammoniakki.
Muita yhdisteitä Joskus on ehdotettu metaania ja etaania veden paikalle vaihtoehtoisessa biokemiassa. Niiden ongelma on polaarisuuden puute. Metanoli, vetysulfidi ja vetykloridi ovat myös esiintyneet arvailujen joukossa. Vetysulfidi ja vetykloridi ovat maailmankaikkeudessa harvinaisia. Niin ikään harvinaista formamidia eli metaaniamidia on ehdotettu. Sen sulamispiste on 2,6 °C ja kiehumispiste 210 °C. Marsin lämpötiloissa elämälle voisi kelvata veden ja vetyperoksidin seos. Painon mukaan laskien 61,2 % vettä sisältävä vetyperoksidi-–vesiseos jäätyy -56,2 °C:ssä.Tämä seos on hygroskooppinen, mistä on etua vedettömässä ympäristössä. Seos myös alijäähtyy helpommin kuin vesi.
Hiilen paikalle ehdotettuja alkuaineita Elämälle soveltuvien atomien on voitava muodostaa vakaita ketjuja ja renkaita hiilen tavoin. Useimmiten hiilen paikalle vaihtoehtoisessa biokemiassa ehdotetaan piitä, fosforia tai rikkiä. Nämä muodostavat ketjuja ja renkaita, mutta rakenteet eivät ole vakaita Maan tyyppisessä ympäristössä.
Piielämä Yleinen hiilen paikalle ehdotettu alkuaine on piiWard, Tuntematon elämä sivu 93, koska se kuuluu alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä samaan ryhmään kuin hiili ja siksi muistuttaa kemiallisilta ominaisuuksiltaan hiiltä. Pii hiilen paikalla on ainakin Maan lämpötiloissa ja hapettavassa ympäristössä ongelmallinen. Piielämä saattaakin vaatia hapen vaihtoa rikkiin, typen vaihtoa fosforiin ja vedyn vaihtoa fluoriin tai klooriinNils Mustelin, Elämää maailmankaikkeudessa, sivu 179.
Maapallon eliöistä esimerkiksi piilevät (Bacillariophyta) tuottavat piihappoa.
Koska piiatomit ovat hiiliatomeja suurempia, niiden on vaikeampaa muodostaa elämälle välttämättömiä kaksin- ja kolminkertaisia kovalenttisia sidoksia toisten piiatomien ja muiden alkuaineiden tai yhdisteiden kanssa. Pii synnyttää huomattavasti vahvempia kemiallisia sidoksia kuin hiili, minkä vuoksi piisidoksia on tarpeen tullen vaikeampi katkaista. Samoin myös pii–happi- ja pii–vety-sidokset ovat hiili–vety-sidoksia ja hiili–happi-sidoksia vahvempia, eikä pii muodosta samanlaisia renkaita ja ketjuja kuin hiili hiilipohjaisessa biokemiassa.Peter Ward, Tuntematon elämä, sivu 83.
Silaanit ovat hiilivetyjä vastaavia piin ja vedyn yhdisteitä. Niiden huono puoli on suuri reaktiivisuus veden kanssa ja pitkien silaaniketjujen hajoaminen itsestään. Rengasmaisia hiilivetyjä vastaavia syklosilaaneja on olemassa, mutta ne tunnetaan melko heikosti.
Pii-happiketjut eli silikonit ovat vakaampia ja niitä on ehdotettu rikkihappopitoiseen maailmaan. Silti ne ovat epävakaampia kuin hiiliyhdisteet vedessä. Piin hapettuminen tuottaa piidioksidia. Tämä aiheuttaisi piiperustaiselle elämälle vaikeuksia happipitoisessa ympäristössä, koska piidioksidi ei liukene lainkaan nestemäiseen veteen. Hiili on tähtienvälisessä pölyssä huomattavasti piitä yleisempi yhdisteiden osa. Toistaiseksi tunnetaan 84 hiileen perustuvaa tähtienvälisessä aineessa esiintyvää yhdistettä, kun taas hiileen ja piihin sekä ainoastaan piihin perustuvia yhdisteitä tunnetaan neljä. Lisäksi hiili on kymmenen kertaa piitä yleisempää maailmankaikkeudessa, mikä viittaa siihen, että hiilen merkitys elämän perusosana on olennaisen tärkeä mahdollista maan ulkopuolista elämää ajatellen.
Piitä on ehdotetu Maasta poikkeaviin lämpötila- ja paineolosuhteisiin hiilen tilalle joko yksinään tai yhdessä jonkin muun yhdisteen kanssa. Piielämää saattaa esiintyä joko hyvin kuumissa tai kylmissä olosuhteissaPeter Ward, Tuntematon elämä sivu 94. Piistä syntyy hiilen kanssa hiilivetymaailman alkoholeja vastaavia silanoleja, jotka liukenevat alkoholin tavoin moniin liuottimiin jopa nestemäisen typen lämpötiloissa. Tämän takia myös kylmässä, missä kemialliset reaktiot ovat hitaampia, saattaa olla elämääWard, Tuntematon elämä sivu 95.
Piieliön energia-aineenvaihdunta saattaisi tapahtua elektroneilla eikä protoneilla niin kuin ATP–ADP-maailmassa hiilipohjaisilla eliöillä. Piielämän liuottimiksi on ehdotettu metaania ja etaania, jota on esimerkiksi Saturnuksen kuu Titanissa.Tuntematon elämä, sivu 96.
Typpi ja fosfori