Углерод является основным компонентом всей известной жизни на Земле и составляет примерно 45–50% всей сухой биомассы . [1] Соединения углерода встречаются на Земле в большом количестве. Сложные биологические молекулы состоят из атомов углерода, связанных с другими элементами , особенно кислородом и водородом , а также часто азотом , фосфором и серой (известными под общим названием CHNOPS ). [2] [3]
Поскольку он легкий и относительно небольшой по размеру, молекулами углерода легко манипулировать ферментами . Карбоангидраза является частью этого процесса. Углерод в таблице Менделеева имеет атомный номер 6 . Бор легче в 5, а газообразный азот тяжелее в 7. [4] Углеродный цикл — это биогеохимический цикл , который важен для поддержания жизни на Земле в течение длительного периода времени. Цикл включает секвестрацию углерода и поглотители углерода . [5] [6] Тектоника плит необходима для существования жизни в течение длительного периода времени, а жизнь на основе углерода важна в процессе тектоники плит. [7] Обилие форм жизни с аноксигенным фотосинтезом , основанных на железе и сере , которые жили на Земле от 3,80 до 3,85 миллиардов лет назад, образуют обилие залежей черного сланца . Эти сланцевые отложения увеличивают тепловой поток и плавучесть коры, особенно на морском дне, что способствует усилению тектоники плит. Неорганические процессы также способствуют тектонике плит. [8] Углеродная фотосинтетическая жизнь вызвала увеличение содержания кислорода на Земле, это увеличение кислорода помогло тектонике плит сформировать первые континенты. [9] В астробиологии часто предполагается , что если жизнь существует где-то во Вселенной , то она также будет основана на углероде. [10] [11] Критики называют это предположение углеродным шовинизмом . [12]
Углерод способен образовывать огромное количество соединений , больше, чем любой другой элемент: на сегодняшний день описано почти десять миллионов соединений [13] , и тем не менее это лишь малая часть числа соединений, которые теоретически возможны в стандартных условиях. Огромное разнообразие соединений углерода, известных как органические соединения , привело к различению их и неорганических соединений , не содержащих углерод. Раздел химии, изучающий органические соединения, известен как органическая химия . [14]
Углерод — 15-й по распространенности элемент в земной коре и четвертый по массе элемент во Вселенной после водорода , гелия и кислорода . Широкое распространение углерода, его способность образовывать стабильные связи со многими другими элементами и его необычная способность образовывать полимеры при температурах, обычно встречающихся на Земле , позволяют ему служить общим элементом всех известных живых организмов. Исследование 2018 года показало, что углерод составляет примерно 550 миллиардов тонн всей жизни на Земле. [15] [16] Это второй по распространенности элемент в организме человека по массе (около 18,5%) после кислорода. [17]
Важнейшие характеристики углерода как основы химии клеточной жизни заключаются в том, что каждый атом углерода способен образовывать до четырех валентных связей с другими атомами одновременно, а энергия, необходимая для образования или разрыва связи с атомом углерода, равна на соответствующем уровне для создания больших и сложных молекул, которые могут быть как стабильными, так и реакционноспособными. [18] Атомы углерода легко связываются с другими атомами углерода; это позволяет создавать макромолекулы и полимеры произвольной длины в процессе, известном как катенация . [19] [20] [21] «То, что мы обычно считаем «жизнью», основано на цепочках атомов углерода и нескольких других атомов, таких как азот или фосфор», — согласно Стивену Хокингу в лекции 2008 года, «углерод [...] имеет богатейшую химию». [22]
Норман Горовиц был главой отдела бионауки Лаборатории реактивного движения в первой американской миссии « Викинг-посадочный модуль» 1976 года , в которой удалось успешно посадить беспилотный зонд на поверхность Марса . Он считал, что большая универсальность атома углерода делает его тем элементом, который, скорее всего, обеспечит решения, даже экзотические, проблем выживания на других планетах. Однако результаты этой миссии показали, что Марс в настоящее время крайне враждебен углеродной жизни. Он также считал, что в целом существует лишь отдаленная возможность того, что неуглеродные формы жизни смогут развиваться с помощью генетических информационных систем, способных к самовоспроизведению и адаптации. [23]
Наиболее известные классы биологических макромолекул , используемых в фундаментальных процессах живых организмов, включают: [24]
Жидкая вода необходима для существования углеродной жизни. Для химической связи молекул углерода необходима жидкая вода. [29] Вода обладает химическим свойством образовывать пары соединение-растворитель. [30] У человека от 55% до 60% тела состоит из воды. [31] Вода обеспечивает обратимую гидратацию углекислого газа . Гидратация углекислого газа необходима для жизни, основанной на углероде. Вся жизнь на Земле использует одну и ту же биохимию углерода. Вода играет важную роль в карбоангидразе жизни, взаимодействии углекислого газа и воды. Карбоангидразе необходимо семейство ферментов с углеродной основой для гидратации углекислого газа и кислотно-щелочного гомеостаза , который регулирует уровень pH в жизни. [32] [33] В жизни растений жидкая вода необходима для фотосинтеза , биологических процессов, которые растения используют для преобразования энергии света и углекислого газа в химическую энергию . [34]
Лишь немногие другие элементы являются многообещающими кандидатами на столь фундаментальную поддержку биологических систем и процессов, как углерод, например, такие процессы, как обмен веществ . Наиболее часто предлагаемая альтернатива – кремний . [35] Кремний, атомный номер 14, более чем в два раза больше углерода, разделяет группу в периодической таблице с углеродом, также может образовывать четыре валентные связи , а также легко связывается сам с собой, хотя обычно в форме кристаллических решеток. а не длинные цепи. Несмотря на это сходство, кремний значительно более электроположителен , чем углерод, а соединения кремния с трудом рекомбинируются в различные перестановки таким образом, чтобы это могло бы правдоподобно поддерживать процессы, подобные реальным. Кремния много на Земле, но, поскольку он более электроположителен, он в основном образует связи Si-O, а не связи Si-Si. [36] Бор не реагирует с кислотами и не образует цепей естественным путем. Таким образом, бор не является кандидатом на жизнь. [37] Мышьяк токсичен для жизни, и его возможная кандидатура была отклонена. [38] [39]
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 научной фантастике, когда созданные человеком машины превращаются из неживых в живые, эта новая форма часто представляется как пример жизни, не основанной на углероде. С момента появления микропроцессора в конце 1960-х годов такие машины часто называют «жизнь на основе кремния». Другие примеры вымышленной «жизни, основанной на кремнии», можно увидеть в эпизоде 1967 года « Дьявол в темноте » из сериала «Звездный путь: Оригинальный сериал» , в котором биохимия живого каменного существа основана на кремнии. [40] В эпизоде «Секретных материалов» 1994 года « Огнеход », в котором в вулкане обнаружен кремниевый организм. [41] [42]
В экранизации 1984 года романа Артура Кларка 1982 года « 2010: Одиссея вторая» персонаж утверждает: «На основе ли мы углерода или кремния, нет фундаментальной разницы; к каждому из нас следует относиться с соответствующим уважением». [43]
В «ДжоДжолионе» , восьмой части более крупной серии «Невероятные приключения ДжоДжо », загадочная раса кремниевых форм жизни «Каменные люди» выступает в качестве основных антагонистов. [44]
Большинство биологических молекул состоят из ковалентных комбинаций шести важных элементов, химическими символами которых являются CHNOPS. ... Хотя в биомолекулах можно обнаружить более 25 типов элементов, наиболее распространены шесть элементов. Они называются элементами CHNOPS; буквы обозначают химические сокращения углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы.
