Кіріспе

Көміртек – Жердегі барлық белгілі тіршіліктің негізгі құрамы болып табылады және барлық құрғақ биомассаның шамамен 45-50% құрайды. Көміртек қосылыстары Жер бетінде табиғи түрде көп мөлшерде кездеседі. Күрделі биологиялық молекулалар көміртек атомдарынан тұрады, олар басқа элементтермен, әсіресе оттегі және сутегімен, сондай-ақ азот, фосфор және күкіртпен (жинап алғанда CHNOPS деп аталады) байланысқан. Көміртек молекулалары жеңіл және салыстырмалы түрде кішкентай болғандықтан, ферменттер оларды манипуляциялауға оңай. Карбонат ангидраза осы процестің бір бөлігі болып табылады. Көміртек периодық кестеде 6 атомдық нөміріне ие. Көміртек циклі – ұзақ мерзімде Жердегі тіршілікті сақтауда маңызды биогеохимиялық цикл. Цикл көміртек секвестрациясы мен көміртек шөгінділерін қамтиды. Ұзақ уақыт бойы тіршілікке плиталық тектоника қажет, ал көміртекке негізделген тіршілік плиталық тектоника процесінде маңызды рөл атқарады. Жерде 3,80-3,85 миллиард жыл бұрын өмір сүрген темір және күкірт негізіндегі оттегісіз фотосинтез жасайтын тіршілік түрлері қара шифер кен орындарының көптігін тудырды. Бұл шифер шөгінділері жылу ағынын және қабықтың жүзбегін арттырады, әсіресе теңіз түбінде, плиталық тектониканы күшейтуге көмектеседі. Тальк – плиталық тектониканы қозғауға көмектесетін тағы бір органикалық минерал. Плиталық тектониканы қозғауға бейорганикалық процестер де көмектеседі. Көміртекке негізделген фотосинтез тіршілігі Жердегі оттегінің деңгейінің өсуіне себеп болды. Бұл оттегінің артуы плиталық тектониканың алғашқы құрлықтарды қалыптастыруына көмектесті. Астробиологияда, егер ғарышта өмір болса, ол да көміртекке негізделген болады деп жиі болжанады. 1973 жылы Карл Саган сияқты сыншылар бұл болжамды көміртек шовинизімі деп атады.

Сипаттамалары

Көміртек басқа элементтерге қарағанда ең көп қосылыстарды құруға қабілетті, қазірге дейін шамамен он миллион қосылыс сипатталған. Бұл сан стандартты жағдайларда теориялық тұрғыдан мүмкін болатын қосылыстардың бөлшегі ғана. Көміртек қосылыстарының зор алуантүрлілігі оларды көміртек қамтылмаған бейорганикалық қосылыстардан ерекшелендіреді. Органикалық қосылыстарды зерттейтін химия саласы – органикалық химия деп аталады. Көміртек Жер қыртысында 15-ші орында тұр, ал масса бойынша ғаламда сутегі, гелий және оттегіден кейін төртінші орында. Көміртектың кең таралғандығы, көптеген басқа элементтермен берік байланыстар құру қабілеті және Жерде жиі кездесетін температурада полимерлер құрудың ерекше мүмкіндігі оны барлық белгілі тірі организмдердің құрамына кіретін ортақ элемент ретінде қызмет етуге мүмкіндік береді. 2018 жылғы зерттеуде көміртек Жердегі барлық тіршіліктің шамамен 550 миллиард тоннасын құрайтыны анықталды. Ол адам денесінде масса бойынша оттегіден кейін екінші орында тұрады (шамамен 18,5%). Көміртектың жасушалық өмір химиясының негізі ретіндегі ең маңызды ерекшеліктері – әрбір көміртек атомының басқа атомдармен бір уақытта төрт валенттік байланыс құруға қабілеттілігі және көміртек атомымен байланыс жасау немесе оны үзу үшін қажетті энергияның деңгейі үлкен және күрделі молекулаларды құруға қолайлы, сондай-ақ олардың тұрақты және реакцияға түсуге қабілетті болуы. Көміртек атомдары басқа көміртек атомдарымен оңай байланысады, бұл катенация деп аталатын процесте кез келген ұзындықтағы макромолекулалар мен полимерлерді құруға мүмкіндік береді. Стивен Хокинг 2008 жылғы лекциясында: «Біз әдетте «өмір» деп есептейтін нәрсе көміртек атомдарының тізбегіне, сондай-ақ азот немесе фосфор сияқты бірнеше басқа атомдарға негізделген», – деді және «көміртек [ ] ең бай химияға ие». Норман Хоровиц 1976 жылы АҚШ-тың алғашқы «Викинг» миссиясында Марс бетіне ұшқышсыз зерттеуші құралды сәтті қондырған Реактивтік қозғалтқыштар зертханасының биология бөлімінің басшысы болды. Ол көміртек атомының жоғары әмбебаптығы оны басқа планеталарда тіршілікке қатысты мәселелерге, тіпті ерекше шешімдер табуға ең ықтимал элемент етеді деп санайды. Алайда, бұл миссияның нәтижелері Марс қазіргі уақытта көміртекке негізделген өмірге өте қауіпті екенін көрсетті. Ол сондай-ақ, көміртек емес тіршілік формаларының өзін-өзі көбейтуге және бейімделуге қабілетті генетикалық ақпарат жүйелерімен дамуының өте сирек мүмкіндік екенін атап өтті.

Басқа кандидаттар

Кейбір басқа элементтер де биологиялық жүйелер мен процестерді көміртектей негізгі түрде қолдауға үміткер ретінде ұсынылған, мысалы, метаболизм сияқты процестер. Ең көп ұсынылатын балама – кремний. Кремнийдің атомдық нөмірі 14, көміртекке қарағанда екі еседен астам, периодтық кестеде көміртекпен бір топты бөліседі, сондай-ақ төрт валентті байланыс құра алады және өзімен оңай байланысады, бірақ көбінесе ұзын тізбектер емес, кристалл торлар түрінде. Осы ұқсастықтарға қарамастан, кремний көміртекке қарағанда әлдеқайда электропозитивті, ал кремний қосылыстары тіршілікке ұқсас процестерді қолдай алатын түрлі комбинацияларға оңай қайта біріктірілмейді. Кремний Жерде көптеп кездеседі, бірақ электропозитивті болғандықтан, негізінен Si–O байланыстарын, ал емес Si–Si байланыстарын жасайды. Борон қышқылдармен реакцияға түспейді және табиғатта тізбек құрамайды. Сондықтан борон тіршілікке үміткер емес. Арсеник тіршілікке зиянды, сондықтан оның мүмкіндігі жоққа шығарылды. Бұрын (1960-1970 жылдары) өмірге басқа да үміткерлер бар болды, бірақ уақыт өте келе және зерттеулердің көбеюімен, көміртек ғана өмірдің күрделілігі мен тұрақтылығын қамтамасыз ететіні, полимерлер сияқты өте үлкен молекулалар жасауға мүмкіндік беретіні анықталды. Осылайша, өмір көміртекке негізделген болуы керек.

Көркем әдебиет

Ғылыми фантастикада көміртекке негізделмеген өмірдің химиялық құрылымы мен қасиеттері туралы болжамдар жиі кездесетін тақырып болып табылады. Кремний химиялық ұқсастығы болғандықтан, ойдан шығарылған тіршілік формаларында көміртектің орнына жиі қолданылады. Кино және әдебиеттегі ғылыми фантастикада, адам жасаған машиналар тірі емес күйден тірі күйге өткеңде, бұл жаңа форма көбінесе көміртекке негізделмеген өмірдің мысалы ретінде көрсетіледі. 1960 жылдардың соңында микропроцессордың пайда болуынан бері, мұндай машиналар көбінесе «кремнийге негізделген өмір» деп жіктеледі. «Кремнийге негізделген өмірдің» басқа мысалдары 1967 жылғы «Жұлдызды жол: Бастапқы серия» сериалындағы «Қараңғыдағы шайтан» эпизодында көрінеді, онда тірі тас жаратылысының биохимиясы кремнийге негізделген. 1994 жылғы «The X Files» сериалындағы «Firewalker» эпизодында, жанартауда кремнийге негізделген организм табылды. Артур Кларктың 1982 жылғы «2010: Odyssey Two» романының 1984 жылғы киноадаптациясында кейіпкер: «Біз көміртектен немесе кремнийден құралғанбыз, бұл ешқандай маңызды айырмашылық жасамайды; біздің әрқайсымызға лайықты құрметпен қарауымыз керек» дейді. «JoJo's Bizarre Adventure» сериясының сегізінші бөлігі – «JoJolion» да кремнийге негізделген тіршілік түрлерінің құпия нәсілі «Тас Адамдар» негізгі қарсыластар рөлінде көрінеді.