生化学の仮説的タイプ

ケイ素原子は、代替生化学システムの基盤として盛んに議論されてきた。^{[ 24 ]}ケイ素は炭素と多くの化学的類似点があり、周期表の同じ族に属している。炭素と同様に、ケイ素は生物学的情報を運ぶのに十分な大きさの分子を形成することができる。^{[ 25 ]}

しかし、シリコンは炭素の代替としてはいくつかの欠点がある。炭素はシリコンよりも宇宙に10倍多く存在し、その化学はより複雑であるように見える。 ^{[ 25 ]} 1998年までに、天文学者は星間物質中に84個の炭素含有分子を特定したが、シリコンを含む分子はわずか8個で、そのうち半分は炭素も含まれている。^{[ 26 ]}地球や他の地球型惑星はシリコンが非常に豊富で炭素が少ないにもかかわらず（地球の地殻ではシリコンは炭素の約925倍多く存在する）、地球上の生命は炭素を基盤としている。これは、自然界に存在するシリコンベースのポリマーで観察される官能基の多様性が比較的低いことに起因する可能性がある。^{[ 25 ]}

炭素に比べて、ケイ素ははるかに大きな原子半径を持ち、酸素とフッ素を除いて、原子との共有結合ははるかに弱い。酸素とフッ素とは非常に強い結合を形成する。^{[ 25 ]}ケイ素は様々な配位数を示すが、ケイ素との多重結合はほとんど安定していない。^{[ 27 ]}アルカンのケイ素類似体であるシランは水と急速に反応し、長鎖シランは自然に分解する。^{[ 28 ]}その結果、地球上のケイ素のほとんどはシリカに「閉じ込められて」おり、多様な生物起源の前駆体には存在しない。^{[ 27 ]}

ケイ素と酸素原子が交互に結合したシリコーンは、シランよりもはるかに安定しており、硫酸が豊富な地球外環境では同等の炭化水素よりも安定している可能性さえある。^{[ 28 ]}あるいは、ケイ素化合物の弱い結合は、極低温での生命の速いペースを維持するのに役立つ可能性がある。糖のケイ素同族体であるポリシラノールは、液体窒素に溶解する数少ない化合物の1つである。^{[ 29 ] [ 27 ]}

既知のケイ素高分子はすべて人工ポリマーであり、「有機高分子の組み合わせの宇宙に比べると単調」である。^{[ 25 ] [ 27 ]}それでも、地球上の生命の中には、珪藻のケイ酸塩骨格のように、生物起源のシリカを利用するものもある。AG Cairns-Smithは、水中のケイ酸塩鉱物が生命の起源において重要な役割を果たし、その結晶構造の周りに生物起源の炭素化合物が形成されたと仮説を立てた。^{[ 30 ] [ 31 ]}自然界では観察されていないが、炭素-ケイ素結合は、指向性進化（人工選択）によって生化学に導入されている。Rhodothermus marinus由来のシトクロムcタンパク質は、ヒドロシランとジアゾ化合物の間の新たな炭素-ケイ素結合を触媒するように設計されている。^{[ 32 ]}

• ホウ素化合物は地球の大気中では危険なほど爆発性がありますが、還元性大気中ではより安定します。しかし、ホウ素は宇宙における存在量が少ないため、炭素に比べて生命の基盤となる可能性は低いと考えられます。
• さまざまな金属は、酸素とともに、有機化合物に匹敵する非常に複雑で熱的に安定な構造を形成することができる。ヘテロポリ酸はそのようなファミリーの1つである。一部の金属酸化物は、ナノチューブ構造とダイヤモンドのような結晶（立方晶ジルコニアなど）の両方を形成できる点で炭素に似ている。チタン、アルミニウム、マグネシウム、鉄はすべて、炭素よりも地殻に豊富に存在する。したがって、炭素ベースの生命が起こりにくい条件（高温など）を含む特定の条件下では、金属酸化物ベースの生命が起こり得る可能性がある。グラスゴー大学のクロニングループは、タングステンポリオキソメタレートが細胞のような球状に自己組織化することを報告した。^{[ 33 ]}金属酸化物の含有量を変化させることで、球体は多孔質膜として機能する穴を獲得し、サイズに応じて化学物質を選択的に球体の内外に通過させることができる。^{[ 33 ]}
• 硫黄も長鎖分子を形成できるが、リンやシランと同様に高い反応性という問題を抱えている。硫黄を炭素の代替として生物学的に利用するという考えは、特に硫黄が分岐鎖ではなく直線鎖しか形成しないため、純粋に仮説に過ぎない。（硫黄を電子受容体として利用する生物学的利用は広く行われており、 地球上では35億年前まで遡ることができ、分子状酸素の利用よりも古い。^{[ 34 ]}硫黄還元細菌は酸素の代わりに元素硫黄を利用し、硫黄を硫化水素に還元することができる。）

アンモニア分子（NH ₃）は、水分子と同様に宇宙に豊富に存在し、水素（最も単純で最も一般的な元素）と、もう一つの非常に一般的な元素である窒素の化合物である。[ ^{58 ]液体}アンモニアが生命の代替溶媒として果たす可能性のある役割は、少なくとも1954年にJBSホールデンが生命の起源に関するシンポジウムでこの話題を取り上げた時まで遡る考えである。^{[ 11 ] [ 12 ]}

アンモニア溶液中では多くの化学反応が起こり、液体アンモニアは水と化学的に類似している。^{[ 58 ] [ 12 ]}アンモニアは、少なくとも水と同程度にほとんどの有機分子を溶解し、多くの元素金属も溶解する。ハルデーンは、様々な一般的な水関連有機化合物にはアンモニア関連の類似体があることを示した。例えば、アンモニア関連のアミン基（−NH2 _）は、水関連のヒドロキシル基（−OH）に類似している。^{[ 12 ]}

^{アンモニアは水と同様に、H +}イオンを受け入れることも、供与することもできます。アンモニアが H ^{+ を受け入れると、}ヒドロニウムイオン(H ₃ O ⁺ )に類似したアンモニウム陽イオン (NH ₄ ⁺ )を形成します。アンモニアが H ^{+イオンを供与すると、}水酸化物陰イオン (OH ⁻ )に類似したアミド陰イオン (NH ₂ ⁻ )を形成します。^{[ 49 ]ただし、水と比較すると、アンモニアは H +}イオンを受け入れる傾向が強く、供与する傾向は弱く、より強い求核剤です。^{[ 49 ]}水にアンモニアを加えると、アレニウス塩基として機能します。つまり、水酸化物陰イオンの濃度が増加します。逆に、酸性度と塩基性度の溶媒系定義を使用すると、液体アンモニアに水を加えると、アンモニウム陽イオンの濃度が増加するため、酸として機能します。^{[ 12 ]}地球上の生化学でよく使われるカルボニル基（C=O）はアンモニア溶液中では安定しないが、類似のイミン基（C=NH）を代わりに使うことができる。^{[ 49 ]}

しかし、アンモニアは生命の基盤としてはいくつかの問題があります。アンモニア分子間の水素結合は水よりも弱いため、アンモニアの蒸発熱は水の半分、表面張力は3分の1となり、疎水性効果によって非極性分子を濃縮する能力が低下します。ジェラルド・ファインバーグとロバート・シャピロは、アンモニアが生命前駆分子を十分に保持し、自己複製システムの出現を可能にすることができるかどうか疑問を呈しています。^{[ 59 ] [ 12 ]}また、アンモニアは酸素中で可燃性であり、好気性代謝に適した環境では持続的に存在することはできません。^{[ 60 ]}

アンモニアを基盤とする生物圏は、地球上の生命とは極めて異例な温度や気圧で存在する可能性が高い。地球上の生命は通常、水の融点と沸点の間、すなわち0～100 ℃（273～373K ）の標準圧力で存在する。アンモニアの融点と沸点は、同じく標準圧力下ではそれぞれ-78 ℃（195K ）と-33 ℃（240K ）である。化学反応は一般的に低温ではよりゆっくりと進行するため、このような条件下で存在するアンモニアを基盤とする生命は、地球上の生命よりも代謝が遅く、進化も遅くなる可能性がある。^{[ 60 ]}一方、低温では、地球の温度では不安定すぎて利用できない化学種を生命システムが利用できるようになる可能性もある。^{[ 58 ]}      

地球のような温度でアンモニアが液体となる条件は、はるかに高い圧力下に置かれることである。例えば、60気圧ではアンモニアは-77 ℃（196K ）で融解し、 98 ℃（371K ）で沸騰する。^{[ 49 ]}    

アンモニアとアンモニア水混合物は純水の凝固点よりはるかに低い温度でも液体のままなので、このような生化学反応は、水ベースの居住可能領域の外側を公転する惑星や衛星に適している可能性がある。このような条件は、例えば土星最大の衛星タイタンの表面下に存在する可能性がある。^{[ 61 ]}

メタン（CH ₄）は単純な炭化水素、つまり宇宙で最も一般的な2つの元素である水素と炭素の化合物です。その宇宙における存在量はアンモニアに匹敵します。^{[ 58 ]}炭化水素は幅広い温度範囲で溶媒として機能しますが、極性がありません。生化学者でSF作家のアイザック・アシモフは1981年に、ポリ脂質がメタンなどの非極性溶媒中でタンパク質の代替物になる可能性があると示唆しました。^{[ 58 ]}カッシーニ探査機は、タイタンの表面でメタンやエタンなどの炭化水素の混合物からなる湖を検出しました。

メタンやその他の炭化水素が水やアンモニアに比べて生命の溶媒としてどれほど効果的かについては議論がある。^{[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]}水は炭化水素よりも強い溶媒であり、細胞内での物質の輸送を容易にする。^{[ 65 ]}しかし、水は化学的に反応性が高く、加水分解によって大きな有機分子を分解する可能性がある。^{[ 62 ]}溶媒が炭化水素である生命体は、このようにして生体分子が破壊される脅威に直面することはないだろう。^{[ 62 ]}また、水分子が強い水素結合を形成する傾向は、複雑な有機分子内の内部水素結合を妨害する可能性がある。^{[ 57 ]}炭化水素溶媒を持つ生命体は、生体分子内の水素結合をより多く利用できる可能性がある。^{[ 62 ]}さらに、生体分子内の水素結合の強さは、低温生化学に適しているだろう。^{[ 62 ]}

宇宙生物学者のクリス・マッケイは、熱力学的根拠に基づいて、タイタンの表面に生命が存在する場合、炭化水素を溶媒として利用し、より複雑な炭化水素を水素と反応させてエタンやアセチレンをメタンに還元することで、エネルギー源としても利用している可能性が高いと主張した。^{[ 66 ]}タイタンにこのような生命が存在する可能性を示す証拠は、 2010年にジョンズ・ホプキンス大学のダレル・ストローベルによって発見された。タイタンの上層大気には下層大気よりも分子状水素が多く存在し、これは約10 ^{25分子/秒の速度で下方へ拡散し、タイタンの表面付近で水素が消失していることを示唆している。ストローベルが指摘したように、彼の発見は、}メタン生成生命体が存在する場合にクリス・マッケイが予測した効果と一致していた。 ^{[ 65 ] [ 66 ] [ 67 ]}同年、別の研究ではタイタンの表面に低濃度のアセチレンが存在することが示され、クリス・マッケイはこれを生物がアセチレンをメタンに還元するという仮説と一致するものと解釈した。^{[ 65 ]}生物学的仮説を改めて述べる一方で、マッケイは水素とアセチレンの発見については他の説明の方が可能性が高いと注意を促した。それは、まだ特定されていない物理的または化学的プロセス（例えば、アセチレンが水素と反応することを可能にする非生物の表面触媒）の可能性、あるいは現在の物質の流れのモデルの欠陥である。^{[ 68 ]}彼は、95 K で有効な非生物触媒であっても、それ自体が驚くべき発見であると指摘した。^{[ 68 ]} 

アゾトソーム

2015 年 2 月に発表された論文では、タイタンの環境下で液体メタン中で機能できるアゾトソームと呼ばれる仮説上の細胞膜がコンピューター モデル化されました。炭素、水素、窒素を含む小さな分子であるアクリロニトリルで構成されており、液体メタン中での安定性と柔軟性は、液体水中のリン脂質二重層(地球上のすべての生命が持つ細胞膜の種類) に匹敵すると予測されています。^{[ 69 ] [ 70 ]} 2017 年に完了したアタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計 (ALMA) を使用して取得したデータの分析により、タイタンの大気中に相当量のアクリロニトリルが存在することが確認されました。^{[ 71 ] [ 72 ]}その後の研究では、アクリロニトリルがアゾトソームに自己組織化できるかどうか疑問視されました。^{[ 73 ]}しかし、2025年に科学者のクリスチャン・マイヤーとコナー・ニクソンは、炭化水素の雨滴によるメタン湖の表面膜への「飛沫」に基づいて、液体メタン中のアゾトソームの自己組織化に対するこれまでの障壁を克服する新しいメカニズムを提案した。^{[ 74 ] [ 75 ]}

フッ化水素（HF）は水と同様に極性分子であり、その極性のため多くのイオン化合物を溶解することができます。大気圧下での融点は189.15 K（-84.00 °C）、沸点は292.69 K（19.54 °C）で、両者の差は100 K強です。HFは水やアンモニアと同様に、隣接する分子と水素結合を形成します。ピーター・スニース^{[ 76 ]やカール・セーガン[ 56 ]}などの科学者は、HFを生命の溶媒として考えてきました。     

HF は地球上の生命を構成する分子系にとって危険ですが、パラフィンワックスなどの特定の他の有機化合物は HF に対して安定しています。^{[ 56 ]}水やアンモニアと同様に、液体フッ化水素は酸塩基化学を支持します。酸性度と塩基性度の溶媒系定義を使用すると、硝酸は液体 HF に加えると塩基として機能します。^{[ 77 ]}

しかし、フッ化水素は水、アンモニア、メタンとは異なり、宇宙では稀である。^{[ 78 ]}

硫化水素は水に最も近い化学的類似物質ですが、^{[ 79 ]}極性が低く、無機溶媒としては弱いです。^{[ 80 ]}硫化水素は木星の衛星イオに非常に豊富に存在し、表面から少し下ったところに液体の形で存在している可能性があります。宇宙生物学者のダーク・シュルツェ＝マクフは、イオの生命の溶媒として硫化水素が考えられると示唆しています。^{[ 81 ]}硫化水素の海を持つ惑星では、硫化水素の供給源は火山である可能性があり、その場合、少量のフッ化水素と混ざり合って鉱物の溶解を助ける可能性があります。硫化水素生命は、炭素源として一酸化炭素と二酸化炭素の混合物を使用する可能性があります。彼らは一酸化硫黄を生成し、それを栄養源として生きている可能性があります。一酸化硫黄は酸素（O ₂）に類似しています。硫化水素は、シアン化水素やアンモニアと同様に、液体状態を保つ温度範囲が狭いという欠点があるが、シアン化水素やアンモニアと同様に、圧力の上昇とともにその温度範囲は広がる。

二酸化ケイ素は、シリカや石英とも呼ばれ、宇宙に非常に豊富に存在し、液体となる温度範囲が広い。しかし、その融点は1,600 ～ 1,725 °C (2,912 ～ 3,137 °F)であるため、その温度では有機化合物を作ることは不可能であり、すべて分解してしまう。ケイ酸塩は二酸化ケイ素に似ており、シリカよりも融点が低いものもある。ファインバーグとシャピロは、溶融したケイ酸塩岩が、ケイ素、酸素、アルミニウムなどの他の元素をベースとした化学を持つ生物の液体媒体として機能する可能性があると示唆している。^{[ 82 ]}  

その他に提案される溶媒：

• 超臨界流体：超臨界二酸化炭素と超臨界水素。^{[ 83 ]}
• 単純な水素化合物：塩化水素。^{[ 84 ]}
• より複雑な化合物：硫酸、^{[ 50 ]}ホルムアミド、^{[ 51 ]}メタノール。^{[ 84 ]}
• 極低温流体：液体^{窒素[ 52 ]}および水素^{[ 52} ]
• 高温液体：塩化ナトリウム。^{[ 85 ]}

液体状態の硫酸は強い極性を持つ。水よりも高い温度でも液体状態を保ち、1気圧下での液体範囲は10  ℃から337  ℃である が、300  ℃を超えるとゆっくりと分解する。硫酸は金星の雲にエアロゾル液滴の形で豊富に存在することが知られている。硫酸を溶媒として用いる生化学では、二重結合で結合した2つの炭素原子からなるアルケン基（C=C）が、水系生化学におけるカルボニル基（C=O）と同様の働きをする可能性がある。^{[ 50 ]}

火星には生命が存在し、水と過酸化水素の混合物を溶媒として利用している可能性があるという提案がなされている。^{[ 86 ]} 質量比で61.2%の水と過酸化水素の混合物は凝固点が-56.5  ℃で、結晶化するよりも過冷却する傾向がある。また、吸湿性があり、水が不足している環境では有利である。^{[ 87 ] [ 88 ]}

超臨界二酸化炭素は、有機化合物を選択的に溶解し、酵素の働きを助ける能力があること、また、高密度高圧大気を持つ「スーパーアース」や「スーパー金星」型の惑星が一般的である可能性があることから、代替生化学の候補として提案されている。^{[ 83 ]}

物理学者たちは、地球上の光合成は一般的に緑色の植物が行うが、地球上のほとんどの生命にとって不可欠な光合成を支えることができる他の色の植物も存在し、地球とは異なる種類の恒星放射線を受ける場所では他の色が好まれる可能性があることを指摘している。^{[ 89 ] [ 90 ]} これらの研究は、青い植物はありそうにないことを示しているが、黄色や赤い植物は比較的よく見られる可能性がある。^{[ 90 ]}

地球上の多くの植物や動物は、環境条件の変化に応じて、生活環の中で大きな生化学的変化を遂げます。例えば、より活発な生活段階の間に、何年も、あるいは何千年もの間維持できる胞子状態や冬眠状態を持つなどです。 ^{[ 91 ]}したがって、私たちが知っているような生命と周期的にしか一致しない環境でも、生命を維持することは生化学的に可能でしょう。

例えば、寒冷地に生息するカエルは、体内の水分のほとんどが凍結した状態で長期間生存できるが^{[ 91 ]}、オーストラリアの砂漠に生息するカエルは、乾燥期には活動を停止して脱水状態になり、体液の最大75%を失うが、湿潤期には急速に水分を補給して再び活動を開始する^{[ 92 ]} 。代謝レベルの低下を検出する高感度な手段を持たない人にとっては、どちらのタイプのカエルも休眠期には生化学的に不活性（つまり生きていない）に見えるだろう。

遺伝暗号は、 RNAワールドからタンパク質ワールドへの移行期に進化してきた可能性がある。^{[ 93 ]}アラニンワールド仮説は、遺伝暗号の進化（いわゆるGCフェーズ^{[ 94 ]} ）は、アラニン、グリシン、プロリン、オルニチン（現在はアルギニン）の4つの基本アミノ酸のみから始まったと仮定している。^{[ 95 ]}遺伝暗号の進化は、20のタンパク質構成アミノ酸で終了した。化学的な観点から見ると、それらのほとんどはアラニン誘導体であり、特にαヘリックスとβシートの構築に適している。これらは現代のタンパク質の基本的な二次構造要素である。これの直接的な証拠は、アラニンスキャンとして知られる分子生物学の実験手順である。

仮説上のプロリンの世界では、タンパク質の骨格としてプロリンの化学的骨格に基づく遺伝暗号を持つ、別の生命が生まれる可能性がある。同様に、グリシンの世界やオルニチンの世界も考えられるが、自然はそれらのいずれも選んでいない。^{[ 96 ]}タンパク質のようなポリマー（フォールダマー）の基本構造としてプロリン、グリシン、またはオルニチンを持つ生命の進化は、並行する生物の世界につながるだろう。それらは、既知の生物圏の生物とは形態的に根本的に異なる体構造と遺伝学を持つだろう。^{[ 97 ]}

2007年、ヴァディム・N・ツィトヴィッチらは、宇宙空間に存在する可能性のある条件下で、プラズマ中に浮遊する塵粒子が生命のような振る舞いを示す可能性があると提唱した。 ^{[ 98 ] [ 99 ]}コンピューターモデルは、塵が帯電すると、粒子が微細ならせん構造に自己組織化できることを示しており、著者らは「らせん状の粒子構造の再現の可能性のあるモデルの概略図」を提示している。

2020年、ニューヨーク市立大学のルイス・A・アンカードキとユージン・M・チュドノフスキーは、宇宙ひもでつながれた磁気単極子からなる宇宙ネックレス型の生命が恒星内部で進化する可能性があるという仮説を立てた。^{[ 13 ]}これは、恒星の強い重力によって宇宙ひもが引き伸ばされることで実現し、より複雑な形態をとることが可能になり、炭素ベースの生命に見られるRNAやDNA構造に似た構造を形成する可能性がある。そのため、理論的には、そのような生命体が最終的に知性を獲得し、恒星の核融合によって生成されるエネルギーを利用して文明を構築する可能性がある。このような利用は恒星のエネルギー出力の一部を消費するため、光度も低下する。このため、現在の宇宙論モデルの予測よりも速く、あるいは暗く冷却していることが観測されている恒星内部に、そのような生命が存在する可能性があると考えられている。

フランク・ドレイクは1973年に、知的生命体が中性子星に生息する可能性があると提唱した。^{[ 100 ]} 1973年の物理モデルでは、ドレイクの生物は顕微鏡サイズであると示唆されていた。^{[ 100 ]}