生命之旅—化學進化（上）| 進化的歷史005

生命基礎元素——碳 Image by Alexas_Fotos from Pixabay

摘要：本文主要介紹為什麼碳成為構成生命的元素。它的特性影響了生命的哪些性質。

生命是神奇的，最神奇的是我們正想辦法用科學解釋它，去理解它形成的過程！——透明的思想

當地球的環境溫度降到300℃以下，碳原子可以形成穩定的化合物了。這是構成生命材料的基礎條件。我們現在知道構成生命的基礎化合物是有機物。有機物是指含碳化合物（一氧化碳、二氧化碳、碳酸鹽、金屬碳化物等少數簡單含碳化合物除外）或碳氫化合物及其衍生物的總稱。儘管都是由原子組成，但有機物與無機物之間有很大的差別。

生命的基礎元素——碳

有機化合物基本都含有碳元素，碳原子數量小則1、2個，多則幾千、幾萬個，許多有機高分子化合物甚至可以有幾十萬個碳原子。所以科學家也稱我們的生命是碳基生命。
構建生命的基礎材料一定要豐富，否則生命的總量就會受到限制。預計碳在地殼巖石中的總豐度變化範圍相當大，上層地殼約300ppm，中下層地殼要遠遠高於這個數值。按豐度順序碳元素位於第17位。碳元素成為生命的基礎元素不僅是因為它含量豐富，更重要的是它的化學性質。碳原子的結合能力非常強，碳原子核外有4個電子，可以形成4個共價鍵，不僅成鍵數量多而且穩定。另外碳原子之間也可以相互成鍵，其結果是可以形成一個以碳原子為中心的骨架。

碳納米管 Image by Dean Simone from Pixabay

碳骨架可以形成鏈狀甚至是環狀結構，碳鏈的碳——碳鍵之所以適合作為生物大分子結構，主要有以下原因：

1. 由於它的結構十分穩定；
2. 碳骨架中的碳還可以與氫、氧、氮、硫、磷等結合形成種類繁多的大分子；
3. 碳鏈可以被細胞中的酶斷裂，這有利於大分子在細胞內發生複雜的代謝反應。

正是由於碳的這些性質使得它成為構築生命的核心元素。正是碳骨架的特點也造成後面有機物的很多特性。

碳循環

由於生命活動所需的碳在自然界中不斷流動構成了碳循環。例如，植物從環境中吸收二氧化碳用來儲存生物質能，如碳呼吸和卡爾文循環（一種碳固定的過程）。一些生物質能通過捕食而轉移，而一些碳以二氧化碳的形式被動物呼出。碳循環的結構要比下圖的模式圖複雜得多。例如，一些二氧化碳會溶解在海洋中，死去的植物或動物的遺骸可能會形成煤、石油和天然氣，這些可以通過燃燒釋放碳，而細菌不能利用得到。最初的生命開始時碳元素很可能來自於原始大氣層。

碳循環

龐大的有機物家族

和無機物相比有機物數目眾多，可達幾百萬種。由於碳骨架的結構非常靈活，所以有機化合物中同分異構現象非常普遍，很多蛋白質的分子式相同但由於分子空間結構不同就會表現出不同的性質。這也是造成有機化合物眾多的原因之一。

有機物的性質

基礎材料的性質決定了生命所能存在的極限條件與邊界環境。

• 相比無機物絕大多數有機化合物都能燃燒。有機物的熔點較低，一般不超過400℃。所以地球上的生命大多不能承受高溫。
• 有機物大多不溶於水。如果有機物遇水溶解生命就無法在水中出現了。

複雜的化學反應

有機物的反應比較複雜，在同樣條件下，一個化合物往往可以同時進行幾個不同的反應，生成不同的產物。正是這種複雜性可以承載更多的信息，生命才變得豐富多彩。

可控的能量

有機物之間的反應，大多是分子間反應，往往需要一定的活化能，因此反應緩慢，往往需要催化劑等手段。這也是生物酶存在的基礎。只有緩慢、可控生命活動才可能持續很久。舉個例子：火柴燃燒只要十幾秒，但是生命新陳代謝活動消耗同樣的能量則時間長的多，過程也複雜的多。如果也象火柴那樣快生命即不可控也不會持久。

大自然最終選擇以碳水化合物作為生命的基礎是有道理的。當然有機物的性質決定了生命的基本性質、生存的邊界環境。比如：水環境、適宜的溫度範圍…… 那麼有機物是怎樣形成的呢？

……………… 未完待續 ………………

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