生命第一元素：为什么选择碳

鸿蒙初开，宇宙因何而生，生命因何而来？争论不休，各执己见，辨伪存真，谁借慧眼？当我们惊异于宇宙大爆炸的奇观，当我们发出对精密的“生命仪器”的赞叹，有一个问题总萦绕在我们眼前：生命的骨架为什么是碳？

1 概述

正如第一篇《站在C位的碳》中所说，150到 200亿年前，随着一次热的、富含能量的亚原子粒子的大爆炸，宇宙产生了。生命的起源和演化是和宇宙的起源和演化密切关联的，生命的构成元素如碳、氢、氧、氮、硫和磷等都是“大爆炸”的产物。而生命是怎样起源的?这是千万年来中外科学家、哲学家不断思索和探讨的奥妙。历史上出现过的各种有关地球上生命起源的看法。主要有自然发生说，有生源论，生命永恒论，宇宙胚种论，化学进化论等。随着科学技术的不断发展，支持化学进化论的实验证据越来越多，现已为绝大多数科学家所接受。

化学进化论： 这一假说认为，地球上的生命是在地球温度逐步下降以后，在极其漫长

的时间内，由非生命物质经过极其复杂的化学过程，一步一步地演变而成的。

化学起源说将生命的起源分为三个阶段。

（1） 第一阶段，即生命起源的化学进化过程是在原始的地球条条件下进行的。原始大气主要是由甲烷、氨、氢、二氧化碳、一氧化碳、水等组成的还原性大气，这种大气生成了甲醛与氰化氢等醛、醇、酸等有机小分子。随着地球的冷却，水蒸汽凝结，大量雨降，形成原始海洋，大气中各种不同有机物被雨水冲刷下来，落进原始海洋中。

（2）第二阶段 。这一过程是在原始海洋中发生的，即氨基酸、核苷酸等有机小分子物质，经过长期积累，相互作用，在适当条件下（如黏土的吸附作用），通过缩合作用或聚合作用形成了原始的蛋白质分子和核酸分子。

（3）第三阶段 。即具有新陈代谢、能够自我复制的原始生命体，最终产生细胞。

2 为什么选择碳，从碳的本质说起。

大多数科学家认为，地球生命是以碳化学为基础的。因此，把地球生命定义为“碳原子

物质”。并认为构成宇宙的时空和物质也同样是构成地球的时空和物质。那么，生命为什么

选择了碳作为其结构基础呢？让我们从以下几个方面探讨。

（1） 作为构成生物高分子结构元素的必需条件：

存在于环境中：生物是在地球上产生的，并同环境一起，沿着生态系的稳定性，有选择

地取舍环境中的物质而进化发展，所以构成生物的元素须在环境中存在，且丰度较高。

本身是轻元素：构成生物高分子的元素应在元素周期表的前 20位元素中，这样才能使

其构成的生物体有较轻的重量。

能形成一定程度的共价键：这样才能使生物分子在长期进化过程中能保持相对稳定。

具有结合其他原子的能力：可把不同种类的功能基引入有机物分子结构中来。从而满足

生物的多样性。

形成的生物分子具有一定的流动性。  

（2） 碳的优越性质

碳元素广泛存在于环境中：虽然原始地球大气层中甲烷的含量非常少（因为在地球形成的前几个时期里这种气体大部分已飞散开），而碳以石墨及金属碳化物的形式保存在地球上。但当岩石圈形成时，金属碳化物与地球内部的结构水相互作用，二次生成甲烷和其他烃类化合物，它们从岩石圈析出，集储在原始大气中（因为此时的地球引力已能把它们吸住），所以可以说碳元素在环境中存在，且丰度较高。其余前面已有叙述，这里不再重复。

稳定的共价键：因为共价结合的强度与所结合原子的原子半径成反比，所以碳能形成很强的共价键。

• C—C单键：对形成生物最有意义是，碳原子能以共用电子对的形式形成非常稳定的碳碳单键。碳的价层电子结构为 2s2 2p 2 ，它的最高共价数显然是 4。在化合物中它以sp 3 杂化轨道互相结合或与其他原子结合。（此外，碳原子的成键轨道还可以是 sp 2或 sp杂化轨道。）

• 键长： 碳原子共价半径是 77pm，C-C键长 154pm， C-O键长 116.2pm

• 键能： 由于碳原子共价半径较小，C-C键（344kJ/mol），C-H 键(415kJ/mol)，C-O键 (343kJ/mol) 的键能都很高，键很稳定。

碳链：在生命体的起源和进化过程中，碳原子成键的多样性是选择碳化合物作为细胞分子构建的主要因素。其他任何一种化学元素都不可能形成大小和形状具有如此巨大差异及具有如此众多官能团的分子。

• 官能团 决定化学性质：

大部分生物分子可以被看成碳氢化合物的衍生物，该类化合物具有共价连接的碳骨架并且只与氢原子成键。碳氢化合物的骨架是非常稳定的，其中氢原子可以被不同的官能团替换而产生不同类型的有机化合物。这些化合物中比较典型的有，带有羟基的醇，带有氨基的胺，带有羰基的酮，带有羧基的羧酸以及醚基、酯基、醛基等。每个官能团都有自己的化学性质和特定的反应。化合物的化学“个性”正是有所含官能团的化学性质及其三维空间的位置所决定的。

• 三维结构：构型和构象

在有机分子中，由于围绕每个单键结合的碳原子的电子对具有四面体构型，所以碳碳键可形成许多不同的三维空间结构，如线性、分支状或环状骨架。由于有无自由旋转角度的双键或取代基的特定顺序排列成手性中心，而出现了构型。特别是手性碳分子——不具有对称面和对称中心的分子，有一个重要特点，就是实体和镜像不能重叠，其关系正和左右手关系类似，因此现在普遍称这类分子为手性分子或不对称分子。例如，葡萄糖的变旋现象，由于葡萄糖分子中的醛基和羟基可以反应形成环状半缩醛结构，这时原醛基的碳成为手性碳分子，这个手性碳分子上的半缩醛羟基可以有两种空间取向，因此有两个异构体，称为α－异构体与β－异构体。

当多个手性碳原子存在时，就会形成 2 n 种异构体。例如酶，依照分子的形状和左旋右旋对特定的反应进行催化，多数碳基生物体内的物质都显示旋光性征，正是这个特点使得酶能够识别和规范碳基生物体内的大量不同新陈代谢进程。

• 碳原子大小：流动性合适

碳原子核不大，且属于轻元素，其形成的许多有机分子在生理温度下具有流动性。

综上，在地球上形成生命，C 是最适合的，生命选择碳是明智的。