为什么说炭是所有生命系统中的核心元素
来源：学生作业帮助网 编辑：六六作业网 时间：2024/11/24 06:32:26
为什么说炭是所有生命系统中的核心元素
为什么说炭是所有生命系统中的核心元素
为什么说炭是所有生命系统中的核心元素
地球上几乎所有的生物都是以碳元素为存在基础的.首先作为生命基础的元素必须能够生成稳定的长链 ( 环可以看作是首尾相接的链) .其次,如果复杂的高级生命必然导致具有特定功能的组织,系统的产生的话,那么代谢产物对生命基础元素的限制就会很强.具体的讲,代谢产物的生成必须 1.有能量的产生以维持生命活动,2.代谢的产物必须稳定且易于输送和便于排泄.
在已知的稳定化学元素中,碳无疑是满足以上条件的.碳链( 间或杂有其他原子) 稳定地存在于大量的大分子有机化合物中.有机物与氧反应生成二氧化碳,这一过程会产生大量能量,而且二氧化碳稳定,而且较易溶于水,利于输送.
那么有没有可能别的化学元素,如硅或磷,也能满足上述条件呢?
温和条件下 (如地球环境) 这种可能性几乎是不存在的.这一点可以通过身边的自然现象得到验证.那么在极端条件下,这两种元素会不会满足这些条件呢?答案是否定的!
首先我们来考察低温的两种情况.我们知道温度是分子平均动能的标示.低温标示着低的分子能量,而低的分子能量则意味着高的化学反应势垒,而高的化学反应势垒必然导致两个结果:1.化学反应的可能性大大降低,2.化学反应的能量输出大大减少.因而,在低温的条件下,即使有生命产生,这些 (种) 生命也必然是行动缓慢,反应迟缓的.是很难进化到高级生命的.我们甚至可以人为,不管压力如何,在低温的条件下,发生生命现象的几率是极低的.
在考察高温情况前,我们先来看一看硅和磷的电子结构.硅和磷都是第三周期元素.硅与碳同属第四主族,磷属第五主族.硅的电负性大于碳,因此硅的非金属性小于碳.这导致硅原子与别的原子间的共价键的稳定性远小于相应的碳的共价键.而这又导致在高温的情况下硅的化合物的稳定性小于相应的碳的化合物的稳定性.而我们知道,在温度较高时,碳的化合物本身已不稳定,因此几乎可以肯定,高温下硅的化合物也是不稳定的.实际上,这似乎以被天文观测所证实.我们在星际光谱中发现了一些较大的有机物,如糖,醛的踪影,但从未见过有硅 (或磷) 的报道.所以我猜想,在我们所在的这个宇宙中,以硅为基础的大分子,很有可能是不存在的.再来看磷的情况.一方面,高温状态下磷的化合物也不稳定,另一方面,虽然磷的电负性与碳相似,但由于磷的最外电子层有5个电子,这使磷原子在进行sp3杂化时 (别的杂化轨道更不可行.此文不讨论这一情况) 必然有一孤对电子存在.而由于孤对电子的较大的排斥作用,与磷原子相连接的基团间必然较相应的碳的情况更为接近.这导致相应的磷的反应中空间阻碍效应大为增加,使磷的链接更为困难.因此,以磷为基础的大分子出现的几率较硅更小.