Las bioquímicas hipotéticas son especulaciones sobre los distintos tipos de bioquímicas que podría revestir una vida extraterrestre exótica en formas que difieren radicalmente de las conocidas sobre la Tierra, con distintos grados de plausibilidad. En estas bioquímicas hipotéticas comúnmente se emplean elementos distintos del carbono para construir las estructuras moleculares primarias y/o se produce en solventes distintos del agua. Las presentaciones de la vida extraterrestre basadas en estas bioquímicas alternativas son comunes en la ciencia ficción.
Quiralidad Quizá el tipo de bioquímica “menos exótico” sería uno con una quiralidad alterna a la de las biomoléculas terrestres. En la bioquímica conocida, los aminoácidos son casi universalmente de tipo L “izquierdo” y los azúcares son de tipo D “derecho”. Las moléculas de quiralidad opuesta tendrían las mismas propiedades químicas que sus formas reflejadas. Así, una bioquímica que incorporara aminoácidos D y/o azúcares L, podría ser posible.
Bioquímicas sin carbono Los científicos han especulado sobre la posibilidad de que otro átomo en lugar del carbono formara estructuras moleculares en otro tipo de bioquímica, pero nadie ha propuesto aún una teoría global coherente que utilice tales átomos para formar todos los compuestos moleculares necesarios para la vida.
Hay que tener en cuenta que toda la bioquímica terrestre está basada en el carbono y algunas consideraciones hacen pensar que solamente el carbono podría cumplir este papel, y que una hipotética vida extraterrestre, que estaría presente fuera del medio ambiente de la Tierra, no podría también sino basarse en el carbono.
Esta tesis que surge, que hace solamente al carbono “apto” para construir “la estructura molecular” de la bioquímica, con exclusión de la posibilidad de los demás elementos, es la tesis llamada chovinismo del carbono.
Bioquímica del silicio El elemento químico básico que ha sido propuesto para un sistema bioquímico alternativo es el átomo de silicio, puesto que el silicio tiene muchas propiedades químicas similares al carbono, tiene los mismos cuatro enlaces, y está en el mismo grupo del cuadro periódico, el grupo 14.
La ciencia ficción ya había sido pionera en la utilización parcial de compuestos de silicio en un ser vivo. Como se describe en la autopsia del primer vector del monstruo en Alien: el 8º pasajero, de Ridley Scott, su sangre, formada por "ácido molecular", podía circular por el interior de su cuerpo sin destruir los tejidos gracias a las estructuras polisiliconadas de sus conducciones. También el empleo de estas siliconas en el recubrimiento externo le permitía sobrevivir en una amplia variedad de ambientes... incluyendo el vacío espacial. En la franquicia de la guerra de las galaxias los exogorth o babosas espaciales junto con los tibidees son seres de base silícica que son capaces de sobrevivir en el espacio
Una ventaja que podría acarrear el silicio son sus zeolitas, compuestos que bien utilizados podrían ser capaces de filtrar y catabolizar sustancias, del modo de las enzimas de carbono terrestres: las tareas básicas de la vida en nuestro planeta son posibles gracias a las enzimas, una serie de catalizadores con sus correspondientes soportes (las proteínas). La naturaleza ha desarrollado toda una colección de ellos, cada uno especializado en una función, como por ejemplo la hemoglobina, encargada del intercambio del oxígeno, o las ferridoxinas, cuya misión es la transferencia electrónica. La idea original consiste en sustituir estas enzimas por moléculas basadas en el silicio.
Estos materiales son una especie de arcillas que tienen una estructura molecular en forma de red en tres dimensiones, formada por tetraedros de SiO4 y AlO4 unidos entre sí. Este entramado tiene poros y cavidades de tamaño molecular, por lo que solo pueden ser atravesado por aquellas moléculas con un tamaño suficientemente pequeño. Por eso también se les llama tamizadores moleculares. Las zeolitas tienen un gran número de similitudes estructurales con las proteínas naturales. Utilizando estas similitudes pueden formase diferentes catalizadores que combinan las características de robustez y estabilidad química de las zeolitas con la gran selectividad y actividad molecular de los enzimas. En el Departamento Central de Investigación y Desarrollo de la empresa Du Pont se han conseguido zeolitas capaces de simular el comportamiento de la hemoglobina, el citocromo P450 y la proteína hierro-azufre.
Pero el silicio tiene una serie de desventajas como alternativa al carbono; los átomos de silicio son aproximadamente 50% mayores, y más de 2 veces más masivos que los del carbono. Tienen dificultad para formar dobles o triples enlaces covalentes, que son importantes para un sistema bioquímico. Los silanos, compuestos químicos de hidrógeno y silicio que son similares a los alcanos, son muy reactivos con el agua, y en largas cadenas se dividen espontáneamente a temperatura ambiente. Las moléculas que incorporan polímeros con cadenas que alternan los átomos de silicio y oxígeno, conocidos colectivamente como siliconas, son mucho más estables. Se sugirió que los productos químicos basados en las siliconas sean más estables que los hidrocarburos equivalentes en un medio ambiente rico en ácido sulfúrico, como eso se encuentra en una serie de mundos extraterrestres.
Además, la química del silicio está dominada por el enlace Si-O (los silicatos son los óxidos más abundantes en la corteza terrestre) frente a la estabilidad del enlace de carbono C-C que permite la formación de largas y complejas cadenas, de forma contraria a sus contrapartes de sílice, las cuales generalmente se van haciendo cada vez más inestables mientras más complejas y largas se vuelven.
Otro obstáculo es que el compuesto principal de las arenas, el dióxido de silicio, el análogo del dióxido de carbono, es un sólido no soluble a la temperatura donde habitualmente el agua es líquida, dificultando la entrada del silicio en el metabolismo de los sistemas bioquímicos a base agua, aunque la gama necesaria de las moléculas bioquímicas podría construirse fuera de ellos. El problema suplementario con el sílice es que sería el producto de una respiración aerobia. Si una forma de vida basada en el silicio “respirara” utilizando el oxígeno, como lo hecho en la vida sobre la Tierra, produciría probablemente el sílice como subproducto (los residuos) de ésta, como el dióxido de carbono para la respiración terrestre.
Como el sílice es un sólido, y no un gas, los órganos excretorios serían completamente diferentes de los pulmones de los animales terrestres, así como de los estomas vegetales. Aunque los órganos absorbentes de oxígeno podrían ser más o menos comparables, la excreción del sílice sólido no podría hacerse por la misma vía sino solo para la absorción de oxígeno, como es el caso para los compuestos del carbono de la vida terrestre.
Bioquímica del boro También el boro es un elemento que tiende a formar cadenas relativamente largas, junto con hidrógeno, llamadas boranos; junto con carbono, llamadas carboranos; y borazinas, si forma enlaces con el nitrógeno, teniendo ellas un gran número de reacciones, como el diborano, el cual es extremadamente versátil en la síntesis de organoboranos, a su vez productos intermedios muy útiles en síntesis orgánicas, además de ser reductivo. Esta bioquímica es lo suficientemente conocida como para tener grandes prospectos como sustratos para moléculas de interés bioquímico. Todavía algunos carboranos, como la borofenilalanina, están siendo estudiados para un mejor desarrollo radioterapéutico.
Bioquímica de nitrógeno y fósforo El nitrógeno y el fósforo ofrecen también posibilidades como base para moléculas bioquímicas. Como el carbono, el fósforo puede formar largas cadenas de moléculas, que le permitirían formar macromoléculas si su naturaleza no fuese tan reactiva. Sin embargo, combinado con el nitrógeno, que es casi inerte, puede formar conexiones covalentes P-N mucho más estables y crear un abanico de moléculas, incluidos ciclos.
La atmósfera terrestre se compone de aproximadamente un 78% de nitrógeno, pero no sería directamente utilizable probablemente para una forma de vida basada en “fósforo-nitrógeno” (P-N) puesto que el nitrógeno molecular (N2) es casi inerte y difícil enérgeticamente de fijar, debido a su triple enlace. Sin embargo, algunas plantas terrestres como leguminosas pueden fijar el nitrógeno, utilizando las bacterias anaerobias simbióticas contenidas en los nódulos de sus raíces. El nitrógeno se fijaría por enzimas a base de molibdeno, y se oxidaría mediante la xantina. Una atmósfera de dióxido de nitrógeno (NO2) o de amoníaco (NH3) sería más fácilmente utilizable. El nitrógeno forma también una serie de óxidos, como el monóxido de nitrógeno, el óxido diazotizado y el peróxido de nitrógeno, y todos estos óxidos estarían presentes en una atmósfera rica en óxidos nitrosos.
En una atmósfera de dióxido de nitrógeno, una especie de seres fósforo-nitrógeno análogos a las plantas absorben el dióxido de nitrógeno del aire y extraen el fósforo de la tierra. El dióxido de nitrógeno sería reducido, produciendo análogos a los azúcares (P-N) en el proceso, y el oxígeno se rechazaría en la atmósfera. Los animales de tipo (P-N) consumirían las plantas, absorberían el oxígeno atmosférico para metabolizar los análogos de azúcar, exhalando el dióxido de nitrógeno y excretando el fósforo, o una sustancia rica en fósforo, como residuos sólidos.
En una atmósfera de amoniaco, las plantas de tipo (P-N) absorben el amoniaco del aire y el fósforo de la tierra; luego oxidan el amoníaco para producir azúcares (P-N) y para liberar hidrógeno. Los animales de tipo (P-N) son ahora los reductores, respirando el hidrógeno y convirtiendo los azúcares (P-N) en amoniaco y fósforo. Es el modelo opuesto de la oxidación y la reducción de un mundo de dióxido de nitrógeno, y también del ciclo de la bioquímica terrestre. Sería similar a un ciclo del carbono con el carbono atmosférico que se presenta en forma de metano en vez del dióxido de carbono.
El debate no ha continuado, ya que varios aspectos de un ciclo biológico de tipo (P-N) serían defectuosos enérgicamente. Además, el nitrógeno y el fósforo son poco susceptibles de estar presentes en la cantidad requerida a una escala planetaria, en el Universo. Dado que se formó la mayor parte del carbono durante la fusión nuclear, es más abundante y se concentra preferentemente cerca de la superficie de un planeta.
Por otra parte, si bien una atmósfera con amoniaco sería posible y estable a la primera vista (en un medio ambiente reductor), es dudoso que una atmósfera rica en óxidos nitrosos pudiera existir. Puesto que los óxidos nitrosos son sobre todo muy energéticos frente al nitrógeno y el oxígeno moleculares, tenderían a recombinarse separadamente; sobre todo teniendo en cuenta que son muy oxidantes, y serían divididos por la radiación estelar y por catálisis sobre rocas de la superficie cuando se producen, produciendo así nitrógeno y oxígeno moleculares o de los óxidos.
Bioquímica del arsénico