@ 2012.12.05 , 16:18

为什么人类是碳基生命

地球万物是由不同元素组合构成的- 所有元素都可以在周期表里找到。周期表中包含118个元素,而有机生物往往只大量含有其中五六种元素,这是一件令人非常遗憾的事。有机生物大量含有的其中一个主要元素是碳。

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碳原子是石墨和金刚石中的唯一元素,也是有机物质的主要元素

如果没有碳,地球上的生命将不复存在。碳是糖、蛋白质、脂肪、DNA、肌肉组织等等几乎你体内一切的主要组成部分。碳之所以如此特殊是因为它是单个原子的电子组态。电子分布于中央核周围的同心“外壳”,碳原子有四个最外层电子。最稳定的原子具有8个电子,这意味着,每个碳原子可以与周围的原子形成四个键。

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上述分子均由两个共用电子构成;一个来自碳原子,一个来自氢原子。不止碳能形成四个键,有4个外层电子的原子如硅、锡、铅都具有这种特性。碳的特别之处,在于它能形成比其他原子多一个电子的双键,这也是为什么硅基生命只存在于科幻作品中(也是为什么铅基生命鲜被提及)的原因,如下图所示:

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每个碳原子形成四个键(从每个C伸出的四条线),但其中两个键具有相同的分子。

为什么碳能够做到这一点,而硅不能?虽然所有的键在上面的图中都画成了直线,但在现实生活中,并不是所有的键都是一样的。双键由两种不同类型的键组成。每个键由两个重叠的轨道电子组成(每个原子出一个电子)。撇开高深的物理学,如果用最简单的方法来解释轨道,你可以把它想象成一个模糊的有电子在飞速旋转运动的区域。当两个轨道重叠,两个电子的驰骋空间就翻倍了。

单键由两个重叠的、围绕着两个原子的圆形轨道构成:
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两个球形轨道互相重叠,共用电子和电子空间。碳核位于每个球体中心。第二种键的构成略有不同。成键的电子不是在一个围绕原子核的球形轨道上,它们是在细胞核上方和下方突起的椭圆形轨道上。当它们与键重叠时,会在第一种键上方和下方形成化学键,如图所示:

第一种键用模糊的绿色平面所包围的线标示出来。如下图:
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那么,为什么碳具有而硅不具有这种双键特性呢?答案就在于大小不同。碳原子有四个最外层的电子,是电子数量最少的,这意味着,分布在上下轨道的电子间距近到可以重叠并形成第二个键。然而硅具有更多的电子轨道,整个原子的体积更大,并且外轨道几乎不可能靠近以形成一个双键。这就是为什么二氧化碳是由两个碳氧双键构成的小的气体分子,而二氧化硅是由众多硅氧原子交替构成的庞然大物,俗称沙子。

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二氧化硅(沙子)见左图,二氧化碳见右图

如果你努力,你几乎可以得到硅硅双键,但它们相当不稳定,一有可能双键就会断裂而形成其他单键。而碳碳双键的形成自然容易,对地球上的每一个生物体都至关重要。如果有硅基生命,它们的原子构成将意味着它们不得不在地球上创建一条截然不同的生命线路。本文译自 scientificamerican,由译者 amor 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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