Углерод является основным компонентом всей известной жизни на Земле и составляет приблизительно 45–50% всей сухой биомассы . [1] Углеродные соединения встречаются в природе в большом изобилии на Земле. Сложные биологические молекулы состоят из атомов углерода , связанных с другими элементами , особенно кислородом и водородом , а также часто азотом , фосфором и серой (совместно известные как CHNOPS ). [2] [3]
Поскольку он легкий и относительно небольшой по размеру, молекулы углерода легко поддаются манипуляциям ферментов . Карбоангидраза является частью этого процесса. Углерод имеет атомный номер 6 в периодической таблице . Углеродный цикл является биогеохимическим циклом , который важен для поддержания жизни на Земле в течение длительного периода времени. Цикл включает в себя секвестрацию углерода и поглотители углерода . [4] [5] Тектоника плит необходима для жизни в течение длительного периода времени, и жизнь на основе углерода важна в процессе тектоники плит. [6] Обилие форм жизни на основе железа и серы с аноксигенным фотосинтезом , которые жили на Земле от 3,80 до 3,85 миллиардов лет назад, приводит к обилию залежей черного сланца . Эти залежи сланца увеличивают тепловой поток и плавучесть коры, особенно на морском дне, помогая увеличить тектонику плит. Тальк является еще одним органическим минералом, который помогает управлять тектоникой плит. [7] [8] Неорганические процессы также помогают управлять тектоникой плит. [9] Жизнь на основе фотосинтеза на основе углерода вызвала рост кислорода на Земле. Этот рост кислорода помог тектонике плит сформировать первые континенты. [10] В астробиологии часто предполагается , что если жизнь существует где-то еще во Вселенной , она также будет основана на углероде. [11] [12] Критики, такие как Карл Саган в 1973 году, называют это предположение углеродным шовинизмом . [13]
Углерод способен образовывать огромное количество соединений , больше, чем любой другой элемент, на сегодняшний день описано почти десять миллионов соединений, [14] и все же это лишь малая часть числа соединений, которые теоретически возможны при стандартных условиях. Огромное разнообразие соединений углерода, известных как органические соединения , привело к различию между ними и неорганическими соединениями , которые не содержат углерод. Раздел химии, изучающий органические соединения, известен как органическая химия . [15]
Углерод является 15-м наиболее распространенным элементом в земной коре и четвертым наиболее распространенным элементом во Вселенной по массе после водорода , гелия и кислорода . Широкое распространение углерода, его способность образовывать стабильные связи с многочисленными другими элементами и его необычная способность образовывать полимеры при температурах, обычно встречающихся на Земле , позволяют ему служить общим элементом всех известных живых организмов. В исследовании 2018 года было обнаружено, что углерод составляет приблизительно 550 миллиардов тонн всей жизни на Земле. [16] [17] Это второй по распространенности элемент в человеческом организме по массе (около 18,5%) после кислорода. [18]
Наиболее важными характеристиками углерода как основы химии клеточной жизни являются то, что каждый атом углерода способен образовывать до четырех валентных связей с другими атомами одновременно, и что энергия, необходимая для создания или разрыва связи с атомом углерода, находится на соответствующем уровне для построения больших и сложных молекул, которые могут быть как стабильными, так и реактивными. [19] Атомы углерода легко связываются с другими атомами углерода; это позволяет строить произвольно длинные макромолекулы и полимеры в процессе, известном как катенация . [20] [21] [22] «То, что мы обычно считаем «жизнью», основано на цепях атомов углерода с несколькими другими атомами, такими как азот или фосфор», согласно Стивену Хокингу в лекции 2008 года, «углерод [...] имеет самую богатую химию». [23]
Норман Горовиц был главой бионаучного отдела Лаборатории реактивного движения для первой миссии США, Viking Lander 1976 года , которая успешно посадила беспилотный зонд на поверхность Марса . Он считал, что большая универсальность атома углерода делает его элементом, наиболее вероятным для решения, даже экзотических решений, проблем выживания на других планетах. Однако результаты этой миссии показали, что Марс в настоящее время крайне враждебен к жизни на основе углерода. Он также считал, что в целом существует лишь отдаленная возможность того, что неуглеродные формы жизни смогут эволюционировать с генетическими информационными системами, способными к саморепликации и адаптации. [24]
Наиболее примечательные классы биологических макромолекул, используемых в фундаментальных процессах живых организмов, включают: [25]
Жидкая вода необходима для жизни на основе углерода. Химическая связь молекул углерода требует жидкой воды. [30] Вода обладает химическим свойством образовывать пары соединение-растворитель. [31] У людей 55% - 60% тела состоит из воды. [32] Вода обеспечивает обратимую гидратацию углекислого газа . Гидратация углекислого газа необходима для жизни на основе углерода. Вся жизнь на Земле использует одну и ту же биохимию углерода. Вода важна для карбоангидразы жизни - взаимодействия между углекислым газом и водой. Карбоангидразе необходимо семейство ферментов на основе углерода для гидратации углекислого газа и кислотно-щелочного гомеостаза , который регулирует уровни pH в жизни. [33] [34] В жизни растений жидкая вода необходима для фотосинтеза - биологического процесса , который растения используют для преобразования энергии света и углекислого газа в химическую энергию . [35]
Несколько других элементов были предложены в качестве кандидатов на поддержку биологических систем и процессов так же фундаментально, как углерод, например, таких процессов, как метаболизм . Наиболее часто предлагаемой альтернативой является кремний . [36] Кремний, атомный номер 14, более чем в два раза больше углерода, делит группу в периодической таблице с углеродом, также может образовывать четыре валентные связи , а также легко связывается сам с собой, хотя, как правило, в форме кристаллических решеток, а не длинных цепей. Несмотря на эти сходства, кремний значительно более электроположителен, чем углерод, и соединения кремния нелегко рекомбинируют в различные перестановки таким образом, который мог бы правдоподобно поддерживать процессы, подобные жизненным. Кремний распространен на Земле, но поскольку он более электроположителен, он в основном образует связи Si–O, а не связи Si–Si. [37] Бор не реагирует с кислотами и не образует цепей естественным образом. Таким образом , бор не является кандидатом на жизнь. [38] Мышьяк токсичен для жизни, и его возможная кандидатура была отклонена. [39] [40] В прошлом (1960-1970-е годы) другие кандидаты на жизнь были правдоподобны, но со временем и большим количеством исследований, только углерод как сложность и стабильность для жизни, чтобы создавать очень большие молекулы, такие как полимеры. Таким образом, жизнь должна быть основана на углероде. [41] [42] [43] [44]
Спекуляции о химической структуре и свойствах гипотетической неуглеродной жизни были повторяющейся темой в научной фантастике . Кремний часто используется в качестве замены углерода в вымышленных формах жизни из-за его химического сходства. В кинематографической и литературной научной фантастике, когда созданные человеком машины переходят от неживого к живому, эта новая форма часто представляется как пример неуглеродной жизни. С появлением микропроцессора в конце 1960-х годов такие машины часто классифицируются как «жизнь на основе кремния». Другие примеры вымышленной «жизни на основе кремния» можно увидеть в эпизоде 1967 года « Дьявол во тьме » из Star Trek: The Original Series , в котором биохимия живого каменного существа основана на кремнии. [45] В эпизоде 1994 года «Секретные материалы » « Огнеход », в котором в вулкане обнаружен организм на основе кремния. [46] [47]
В экранизации романа Артура Кларка 1982 года « 2010: Одиссея два» (1984 ) один из персонажей утверждает: «Не имеет принципиального значения, созданы ли мы на основе углерода или кремния; к каждому из нас следует относиться с должным уважением». [48]
В JoJolion , восьмой части большой серии JoJo's Bizarre Adventure , таинственная раса кремниевых форм жизни «каменные люди» выступают в качестве главных антагонистов. [49]
Большинство биологических молекул состоят из ковалентных комбинаций шести важных элементов, химические символы которых — CHNOPS. ... Хотя в биомолекулах можно найти более 25 типов элементов, наиболее распространены шесть элементов. Они называются элементами CHNOPS; буквы обозначают химические сокращения углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы.
