Войти
Структура Льюиса атома углерода, показывая четыре его валентные электроны Углерод является основным компонентом всей известной жизни на Земле, составляя примерно 45–50% всей сухой биомассы. Углеродные соединения встречаются на Земле в большом количестве. Сложные биологические молекулы почти всегда состоят из атомов углерода , связанных с другими элементами, особенно с кислородом и водородом, и часто также азот, фосфор и сера.
Поскольку молекулы углерода легкие и относительно небольшие по размеру, ферменты легко могут манипулировать молекулами углерода. В астробиологии часто предполагается, что если жизнь существует где-то еще в Вселенной, она также будет основана на углероде. Критики называют это предположение углеродным шовинизмом.
Углерод способен образовывать огромное количество соединений, больше, чем любой другой элемент, на сегодняшний день описано почти десять миллионов соединений, и тем не менее это количество представляет собой лишь часть числа теоретически возможных соединений при стандартных условиях. По этой причине углерод часто называют «королем элементов». Огромное разнообразие углеродсодержащих соединений, известных как органические соединения, привело к различию между ними и соединениями, не содержащими углерод, известными как неорганические соединения. Раздел химии, изучающий органические соединения, известен как органическая химия.
Углерод является 15-м элементом по распространенности в земной коре и четвертым по распространенности элементом во Вселенной по массе после водорода, гелия и кислорода. Широкое распространение углерода, его способность образовывать стабильные связи с множеством других элементов и его необычная способность образовывать полимеры при температурах, обычно встречающихся на Земле, позволяют ему служить обычным элементом все известные живые организмы. В исследовании 2018 года было обнаружено, что углерод составляет около 550 миллиардов тонн всего живого на Земле. Это второй по распространенности элемент в человеческом теле по массе (около 18,5%) после кислорода.
Наиболее важные характеристики углерода как основы химии жизни заключается в том, что каждый атом углерода способен образовывать до четырех валентных связей одновременно с другими атомами, и что энергия, необходимая для образования или разрыва связи с атомом углерода, находится на подходящем уровне для построения большие и сложные молекулы, которые могут быть как стабильными, так и реакционноспособными. Атомы углерода легко связываются с другими атомами углерода; это позволяет создавать произвольно длинные макромолекулы и полимеры в процессе, известном как катенация. «То, что мы обычно называем« жизнью », основано на цепочках атомов углерода с несколькими другими атомами, такими как азот или фосфор», - говорит Стивен Хокинг в лекции 2008 года «углерод [...] обладает богатейшим химическим составом. "
Наиболее известные классы биологических макромолекул, используемых в фундаментальных процессах живых организмов, включают:
Есть не так много других элементов, которые кажутся многообещающими кандидатами для поддержки биологических систем и процессы, такие же фундаментальные, как углерод, например, такие процессы, как метаболизм. Наиболее часто предлагаемая альтернатива - кремний. Кремний входит в группу периодической таблицы с углеродом, также может образовывать четыре валентные связи, а также легко связывается с самим собой, хотя обычно в форме кристаллических решеток а не длинные цепочки. Несмотря на это сходство, кремний значительно более электроположителен, чем углерод, и соединения кремния нелегко рекомбинировать с образованием различных перестановок таким образом, который бы правдоподобно поддерживал реалистичные процессы.
Спекуляции о химической структуре и свойствах гипотетической неуглеродной жизни были постоянной темой в научной фантастике. Кремний часто используется в качестве заменителя углерода в вымышленных формах жизни из-за его химического сходства. В кинематографической и литературной фантастике, когда созданные человеком машины переходят от неживого к живому, эта новая форма часто представляется как пример жизни, не связанной с углеродом. С момента появления микропроцессора в конце 1960-х такие машины часто классифицируются как «кремниевые». Другие примеры вымышленной «жизни на основе кремния» можно увидеть в эпизоде «Дьявол в темноте» из Star Trek: The Original Series, в котором биохимия живого каменного существа основана на кремнии, и в эпизоде Секретных материалов "Firewalker", в котором в вулкане обнаружен организм на основе кремния.
В экранизации фильма Артура Кларка «2010» (1984) персонаж утверждает: «Основаны ли мы на углероде или на кремнии, не имеет принципиального значения; мы должны обращаться с должным уважением ". Эта цитата может быть основой остроумия Стива Джобса, когда он представил Carbon в Mac OS X : «Углерод. Все формы жизни будут основаны на нем».
