[论文解读] Alternative solvents for life: framework for evaluation, current status and future research

William Bains, Janusz J. Petkowski+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2024

Chemical Reactions and Isotopes被引用 4

一句话总结

本文提出一个四重标准框架——存在性、溶剂化能力、溶质稳定性及溶剂化学功能——以评估地球以外生命可能依赖的替代溶剂。研究发现，只有质子化溶剂（如水和浓硫酸）在岩石行星环境中满足所有生物化学与化学要求，而液态二氧化碳则作为极具潜力的非质子化候选者，值得进一步研究。

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.

研究动机与目标

• 建立一个系统化、多标准的框架，以评估非水溶剂作为生命介质的可行性。
• 根据化学与生物化学要求，评估候选溶剂的当前状态。
• 识别在行星环境中最可能支持复杂、动态生物化学的溶剂。
• 评估生物化学在行星演化过程中适应溶剂变化的可行性。
• 为天体生物学中未来实验与观测研究优先级排序替代溶剂体系。

提出的方法

• 基于四个标准（存在性、溶剂化能力、溶质稳定性及溶剂化学功能）开发半定量评估框架。
• 将该框架应用于系统分析天体生物学文献中提出的20多种候选溶剂。
• 评估每种溶剂与复杂有机化学在热力学与动力学上的相容性。
• 将溶剂分类为质子化或非质子化，并评估其行星丰度与稳定性。
• 运用生物化学原理，确定哪些溶剂可支持持续、动态的化学系统。
• 评估生命在行星环境变化导致溶剂转变时适应的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些非水溶剂满足支持生命所需的基本化学与生物化学要求？
• RQ2 替代溶剂中溶质的溶剂化性质与稳定性与水相比如何？
• RQ3 液态二氧化碳或硫酸等候选溶剂的行星丰度与环境稳定性如何？
• RQ4 在行星气候变迁下，生物化学能否演化或适应在不同溶剂介质中运作？
• RQ5 哪些溶剂最适合作为未来实验与观测天体生物学研究的优先候选？

主要发现

• 仅质子化溶剂满足支持生命所需的全部四项标准——存在性、溶剂化能力、溶质稳定性及化学功能。
• 在质子化溶剂中，只有水和浓硫酸在岩石行星环境中可能大量存在。
• 液态二氧化碳因其行星丰度与有利的溶剂化性质，成为最具前景的非质子化溶剂。
• 该框架识别出限制可行溶剂候选者数量的具体化学与物理约束。
• 分析表明，生物化学中的溶剂转换在理论上是可能的，但需要重大的进化适应。
• 本研究为未来实验与观测天体生物学研究提供了优先排序的溶剂清单。