@ 2012.12.05 , 16:18
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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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TOTAL COMMENTS: 44+1

  1. 蛋蛋的忧桑
    @5 years ago
    1660211

    何止是碳,我早已收集完元素表上面的元素了

    [302] XX [16] 回复 [0]
  2. 游客君
    @5 years ago
    1660219

    说好的人类是基生命呢?

    [11] XX [1] 回复 [0]
  3. 哈里波波
    @5 years ago
    1660221

    我的沙发献给超载鸡了。

  4. SeoTan
    @5 years ago
    1660223

    看图说明了一个问题,搞基容易存活

  5. lyhighfly
    @5 years ago
    1660225

    听说妮妮去买切糕了,壮士,下篇蛋文是不是就是《真的猛士:缅怀敢于直面切糕的淫荡小编,妮妮》。。。

    [33] XX [11] 回复 [0]
  6. 好陋啊
    @5 years ago
    1660227

    为什么有人类啊?

  7. yangyang
    @5 years ago
    1660229

    @蛋蛋的忧桑:
    你就扯吧 元素表上 除非是原子能机构的人 否则 不可能

    [8] XX [81] 回复 [0]
  8. 强力味皇帝
    @5 years ago
    1660231

    天朝人具备周期表上所有元素

  9. 哈慈卡西
    @5 years ago
    1660237

    请多上此类文章 虽然看完了还是懵懵的

  10. SeoTan
    @5 years ago
    1660241

    @yangyang: 果然外国人听不懂天朝人的地沟油笑话

    [85] XX [7] 回复 [0]
  11. 秋之落
    @5 years ago
    1660245

    作为一篇科普文章,这篇文章描述上不严谨以及有错误的地方实在太多了。我几乎以为是oioi写的

    [32] XX [2] 回复 [0]
  12. 哈慈卡西
    @5 years ago
    1660249

    @yangyang: 煎蛋很少有人看不懂这个
    但是真的好羡慕你这种单纯又正直具有科学主义批判精神的少年 一定要保持啊

    [114] XX [3] 回复 [0]
  13. 1660253

    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

    跑错片场?

  14. Anubis
    @5 years ago
    1660265

    化学男笑而不语

  15. Richard
    @5 years ago
    1660269

    呼叫硅基生物

  16. 1660277

    各种偶然导致生命的诞生。即使在分子形式上解释碳原子有多合理也不能解释为什么会诞生生命。

  17. 1660311

    所以说女娲造人的时候是抓了把碳基吗

  18. 1660337

    莫非是在给搞基找个更合理的解释——碳基?非理工男表示只能读出这些东西了

  19. 1660339

    @yangyang: 有一种你叫崔成浩的感觉

  20. 尾巴
    @5 years ago
    1660363

    高中囫囵吞枣学的杂化轨道理论在脑中翻腾…

  21. 我先不杀你
    @5 years ago
    1660365

    zerg表示碳基不给力

  22. mamer88
    @5 years ago
    1660371

    因为是所以是,如果不是你就不会这么问……

  23. 1660379

    一句话总结,有4个自由度可以形成键,并且容许多键叠加的只有碳。

    [23] XX [0] 回复 [0]
  24. paipai31
    @5 years ago
    1660385

    星际争霸的虫族是硅基生物

  25. 1660409

    擦!原来我们才是外星人。

  26. motorer
    @5 years ago
    1660429

    @蛋蛋的忧桑: 一开始我也没看懂,但看到有人说外国人看不懂我马上懂了

  27. zwinghz
    @5 years ago
    1660531

    不明觉厉

  28. 齐袄塞裤
    @5 years ago
    1660553

    匆匆一瞄,瞄到了“细胞核”

  29. 1660567

    写这种文章其实不容易,深入了看不懂,浅显点又不准确,不过还是支持多发发不同领域的这类文章

  30. 1660573

    还是切糕厉害,也是一堆碳基,可以卖十几万,

  31. 阿稻
    @5 years ago
    1660631

    基本讲的是碳为何容易生成双键……做燃烧化学的飘过

  32. Turbocharger
    @5 years ago
    1660655

    我觉着硅基生命就是AI,他们正在原始进化中

  33. sirius
    @5 years ago
    1660695

    嗯其实学了原子轨道和核外电子排布就可以理解为什么了

  34. 1660697

    塞伯坦星球上的都是硅基生命

  35. 1660715

    说到元素,中国人集体躺着中枪了。

  36. 扁平族
    @5 years ago
    1660885

    纯C可以软存在,也可以硬存在~
    铅笔也一样,所以万物都是有联系的

  37. iiadesuyo
    @5 years ago
    1660957

    说到生命,首先你要有个妹子

  38. 1661275

    正在上bonding课的内牛满面

  39. Laplace
    @5 years ago
    1661335

    硅是机器人所需的基本元素

  40. chenmao006
    @5 years ago
    1661441

    @jhrxx: 女娲造人是用土做的,在远古的时候地上都是腐殖土,自然是高碳的了。不过,好像女娲自己先就是碳基的了,这个怎么解释?问盘古去。

  41. rollman
    @5 years ago
    1661575

    地球之外的元素周期表又不是这样的了吧

  42. rollman
    @5 years ago
    1661577

    话说高温高压下最稳定的是哪个元素呢?

  43. Zangqi
    @5 years ago
    1661981

    @: 嗯,我很难想象细胞内各种新陈代谢、膜是如何进化而来的,各个过程的完成度简直不可思议!

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