[논문 리뷰] Alternative solvents for life: framework for evaluation, current status and future research

William Bains, Janusz J. Petkowski외 1명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 14.

Chemical Reactions and Isotopes인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 수중 생명체를 초월한 생명체를 위한 대체 용매를 평가하기 위해 발생, 용해, 용질 안정성, 용매 화학 기능성이라는 네 가지 기준을 제안한다. 이 연구는 암석성 행성 환경에서 생물학적·화학적 요구 조건을 모두 충족시키는 것은 프로톤을 제공하는 용매, 즉 물과 농축 황산 뿐이며, 액체 이산화탄소는 향후 연구를 위한 강력한 비프로톤성 후보로 부상한다.

ABSTRACT

Life is a complex, dynamic chemical system that requires a dense fluid solvent in which to take place. A common assumption is that the most likely solvent for life is liquid water, and some researchers argue that water is the only plausible solvent. However, a persistent theme in astrobiological research postulates that other liquids might be cosmically common, and could be solvents for the chemistry of life. In this paper we present a new framework for the analysis of candidate solvents for life, and deploy this framework to review substances that have been suggested as solvent candidates. We categorize each solvent candidate through four criteria: occurrence, solvation, solute stability and solvent chemical functionality. Our semi-quantitative approach addresses all the requirements for a solvent not only from the point of view of its chemical properties but also from the standpoint of their biochemical function. Only the protonating solvents fulfil all the chemical requirements to be a solvent for life, and of those only water and concentrated sulfuric acid are also likely to be abundant in a rocky planetary context. Among the non-protonating solvents liquid CO2 stands out as a planetary solvent, and its potential as a solvent for life should be explored. We conclude with a discussion of whether it is possible for a biochemistry to change solvents, as an adaptation to radical changes in a planet's environment. Our analysis provides the basis for prioritizing future experimental work exploring potential complex chemistry on other planets.

연구 동기 및 목표

• 비물질 용매가 생명의 매체로 가능하다는 체계적이고 다기준 평가 프레임워크를 수립하기 위해.
• 화학적·생물화학적 요구 조건 기반으로 후보 용매의 현재 상태를 평가하기 위해.
• 행성 환경에서 복잡하고 역동적인 생물화학을 지탱할 가능성이 가장 높은 용매를 특정하기 위해.
• 행성 진화 과정에서 용매 변화에 생물학적 적응이 가능한지 평가하기 위해.
• 우주생물학 분야에서 향후 실험적·관측적 연구를 우선순위 정하기 위해.

제안 방법

• 발생, 용해, 용질 안정성, 용매 화학 기능성이라는 네 가지 기준을 바탕으로 한 반정량 평가 프레임워크를 개발함.
• 우주생물학 문헌에서 제안된 20여종 이상의 후보 용매에 이 프레임워크를 체계적으로 적용함.
• 각 용매의 복잡한 유기화학과 열역학적·동역학적 호환성을 평가함.
• 용매를 프로톤 제공성 여부에 따라 분류하고, 천체적 풍부도와 안정성을 평가함.
• 생물화학 원리를 활용해 어떤 용매가 지속적이고 역동적인 화학 시스템을 지지할 수 있는지 판단함.
• 행성 환경 변화 시 용매 이동에 생명체가 적응할 잠재력을 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 비물질 용매가 생명을 지지하기 위한 기본적인 화학적·생물화학적 조건을 충족하는가?
• RQ2 물과 비교해 대체 용매에서 용질의 용해성과 안정성은 어떻게 다른가?
• RQ3 액체 이산화탄소나 황산과 같은 후보 용매의 천체적 풍부도와 환경적 안정성은 어떠한가?
• RQ4 행성 기후 변화 상황에서 생물화학이 다른 용매 매질에서 진화하거나 적응할 수 있는가?
• RQ5 향후 실험적·관측적 행성외생물학 연구에 가장 유망한 용매는 무엇인가?

주요 결과

• 프로톤 제공성 용매만이 발생, 용해, 용질 안정성, 화학 기능성이라는 네 가지 기준을 모두 충족시킨다.
• 프로톤 제공성 용매 중에서 물과 농축 황산만이 암석성 행성 환경에서 풍부하게 존재할 가능성이 높다.
• 액체 이산화탄소는 천체적 풍부도와 유리한 용해성 특성 덕분에 가장 유망한 비프로톤성 용매로 떠올랐다.
• 프레임워크는 타당한 용매 후보를 제한하는 특정 화학적·물리적 제약 조건을 규명함.
• 분석 결과 생물화학적 용매 변화는 이론적으로 가능하지만, 상당한 진화적 적응이 필요함을 시사함.
• 이 연구는 향후 실험적·관측적 행성외생물학 연구를 위한 우선순위가 매겨진 용매 목록을 제공함.