时间:2018-10-24 19:00:00编辑:桓祯
我们知道,地球上的生命是以碳元素为基础形成发展的,那么问题来了:为什么地球生命非得是碳基生命,而不是非碳基生命呢?外星生命有可能是硅基生命吗?宇宙中到底有没有非碳基生命?今天我们来探讨一下这几个问题。大自然为什么让地球生命自然选择碳基生命?
自从化学尤其是分子生物学快速发展以来,科学家们发现:地球上所有生命形态和物种,无外乎都是由25种化学元素构成的。一个典型的生物细胞比如人体细胞的总质量当中,有96%是由氧(65%)、碳(18%)、氢(10%)、氮(3%)这4种主要元素构成的,其余的则是由少量其他元素构成的,比如说钙、磷、钾、硫、钠、氯、镁、铁等等。
有人马上会问,人体总质量不是氧元素占了大部分吗?高达65%!我们不是以氧为基础的生命形态吗?为什么我们不叫氧基生命,而叫碳基生命呢?是这样的,包括人类在内的所有地球生命,活体细胞中多数的氧元素,其实是以水的形式存在的,含在水分子H2O里的。
然而,对细胞结构和功能起关键作用的,却是另外一种元素——这就是碳。所以,我们说地球生命都是以碳元素为基础的,于是就叫碳基生命 。
碳元素符号、原子序数、元素名、原子质量为啥生命选择了碳元素,而不是其他元素呢?要想回答这个问题,我们就得进入粒子尺度下,看看碳元素的特点。凡是学过点化学的都知道,分子中的原子,都是通过化学键相互连接在一起的。什么?你说忘了啥是化学键啦?化学键,就是一种粒子间的吸引力,让原子、分子透过这种吸引力,组成我们宏观尺度下看得见的物质。
如果你是文科生,你不妨把化学键想象成每一种元素的手臂。有了这种手和胳膊——化学键,原子之间就可以手拉手,勾勾搭搭走天涯了。
不同元素拥有手臂的数量是不同的。比如氢原子只有一只手臂,这就意味着一次只能跟另外的一个原子手拉手。氧原子就有两只手臂,意味着同时能跟两个原子勾勾搭搭。
而碳原子竟有四只手臂,这就意味着:它最多可以同时跟4个原子勾勾搭搭。这就有意思了,想想看每个碳原子都有四只手,如果相互连接一起,上下左右前后,手拉手成三维结构,就会创造出千差万别的各种碳骨架——这就成了各种各样有机化合物的基础。
碳C、氢H、氧O在水water、乙烯ethylene、乙炔acetylene之间的化学键关系
科学家把这种含碳元素的化合物(除碳的氧化物、碳酸、碳酸盐、氰、氰化物、氧氰、氰酸盐、硫氰、金属碳化有机分子物等以外)称为有机物。从最简单的有机分子(碳氢化合物甲烷),一直到复杂多样的高分子有机物(DNA分子),这为碳基生命的形成,提供了丰富的物质基础。
就像搭建乐高积木一样,大自然通过神奇的碳元素,搭建出丰富多彩的碳基生命
这一过程就是壮丽的地球生命演化史,也是大自然本身自然选择生命形态的唯一路径。也是迄今为止人类已知的唯一路径。
有人可能会问:碳原子不过区区四只手,比碳原子手多的原子,不是更能演绎出千奇百怪的分子结构吗?千手观音,不是更精彩嘛?!
问题是,粒子尺度下的三维世界,并非手臂越多就越好。越重的元素虽然手臂越多,复杂度是足够了,但稳定性却远远不行。化学世界,拼的不是量,而是巧。
要知道,碳元素是所有元素中化合物种类最多的,目前已知的纯有机化合物就有近1000万种,这还只是理论上存在化合物世界的冰山一角而已。
碳的同素异形体结构:钻石(a)、石墨(b)、蓝丝黛尔石、富勒烯(C60(d)、C540(e)、C70(f))无定形碳(g)、碳纳米管(h)再看看,碳元素的同素异形体,不论是极软的石墨还是极硬的钻石,都是碳元素的百变造型。再看看,碳元素的丰度(丰富程度),在地球地壳上排名第15位,在宇宙中排名更靠前,竟然排在第四。所以毫不夸张地说,碳是地球生命的基石,是碳基生命的化学根本。为啥硅元素不能成为生命的基础?