Введение
Углерод является основным компонентом всей известной жизни на Земле и составляет приблизительно 45–50% всей сухой биомассы. Углеродные соединения встречаются в природе в большом изобилии на Земле. Сложные биологические молекулы состоят из атомов углерода, связанных с другими элементами, особенно с кислородом и водородом, а также часто с азотом, фосфором и серой (в совокупности известные как CHNOPS). Благодаря своей легкости и относительно небольшому размеру, молекулы углерода легко поддаются манипулированию ферментами. Карбоангидраза участвует в этом процессе. Углерод имеет атомный номер 6 в периодической таблице. Углеродный цикл – это биогеохимический цикл, важный для поддержания жизни на Земле в течение длительного времени. Цикл включает секвестрацию углерода и резервуары углерода. Тектоника плит необходима для существования жизни в течение длительного времени, и жизнь на основе углерода играет важную роль в процессе тектоники плит. Обилие железо- и серосодержащих аноксигенных фотосинтезирующих организмов, существовавших на Земле от 3,80 до 3,85 миллиардов лет назад, привело к образованию обширных отложений черного сланца. Эти сланцевые отложения увеличивают тепловой поток и плавучесть коры, особенно на морском дне, способствуя усилению тектонической активности плит. Тальк – еще один органический минерал, способствующий движению тектонических плит. Неорганические процессы также способствуют движению тектонических плит. Фотосинтез на основе углерода вызвал повышение уровня кислорода на Земле. Это увеличение кислорода способствовало формированию первых континентов посредством тектоники плит. В астробиологии часто предполагается, что если жизнь существует где-либо еще во Вселенной, она также будет основана на углероде. Критики, такие как Карл Саган в 1973 году, называют это предположение углеродным шовинизмом.
the music group
Carbon is a primary component of all known life on Earth, and represents approximately 45–50% of all dry biomass. Carbon compounds occur naturally in great abundance on Earth. Complex biological molecules consist of carbon atoms bonded with other elements, especially oxygen and hydrogen and frequently also nitrogen, phosphorus, and sulfur (collectively known as CHNOPS). Because it is lightweight and relatively small in size, carbon molecules are easy for enzymes to manipulate. Carbonic anhydrase is part of this process. Carbon has an atomic number of 6 on the periodic table. The carbon cycle is a biogeochemical cycle that is important in maintaining life on Earth over a long time span. The cycle includes carbon sequestration and carbon sinks. Plate tectonics are needed for life over a long time span, and carbon based life is important in the plate tectonics process. An abundance of iron and sulfur based Anoxygenic photosynthesis life forms that lived from 3.80 to 3.85 billion years ago on Earth produces an abundance black shale deposits. These shale deposits increase heat flow and crust buoyancy, especially on the sea floor, helping to increase plate tectonics. Talc is another organic mineral that helps drive plate tectonics. Inorganic processes also help drive plate tectonics. Carbon based photosynthesis life caused a rise in oxygen on Earth. This increase of oxygen helped plate tectonics form the first continents. It is frequently assumed in astrobiology that if life exists elsewhere in the Universe, it will also be carbon based. Critics, like Carl Sagan in 1973, refer to this assumption as carbon chauvinism.
Характеристики
Углерод способен образовывать огромное количество соединений, больше, чем любой другой элемент, и на сегодняшний день описано почти десять миллионов соединений, но это лишь малая часть числа соединений, которые теоретически возможны при стандартных условиях. Огромное разнообразие углеродных соединений, известных как органические соединения, привело к разграничению между ними и неорганическими соединениями, не содержащими углерода. Раздел химии, изучающий органические соединения, известен как органическая химия. Углерод – 15-й по распространенности элемент в земной коре и четвертый по распространенности элемент во Вселенной по массе после водорода, гелия и кислорода. Широкая распространенность углерода, его способность формировать устойчивые связи с многочисленными другими элементами и его уникальная способность образовывать полимеры при температурах, обычно встречающихся на Земле, позволяет ему быть общим элементом всех известных живых организмов. В исследовании 2018 года было установлено, что углерод составляет приблизительно 550 миллиардов тонн всей жизни на Земле. Это второй по распространенности элемент в человеческом теле по массе (около 18,5%) после кислорода. Наиболее важными характеристиками углерода как основы химии клеточной жизни являются то, что каждый атом углерода способен образовывать до четырех валентных связей с другими атомами одновременно, и что энергия, необходимая для образования или разрыва связи с атомом углерода, находится на подходящем уровне для построения крупных и сложных молекул, которые могут быть одновременно стабильными и реакционноспособными. Атомы углерода легко образуют связи с другими атомами углерода, что позволяет создавать произвольно длинные макромолекулы и полимеры в процессе, известном как катенация. "То, что мы обычно понимаем под "жизнью", основано на цепях атомов углерода с небольшим количеством других атомов, таких как азот или фосфор", – заявил Стивен Хокинг в лекции 2008 года, – "углерод [ ] обладает самой богатой химией". Норман Хоровиц возглавлял отдел биологических наук Лаборатории реактивного движения в рамках первой американской миссии Viking Lander 1976 года, успешно осуществившей посадку беспилотного зонда на поверхность Марса. Он полагал, что большая универсальность атома углерода делает его наиболее вероятным кандидатом для предоставления решений, даже экзотических, для проблем выживания на других планетах. Однако результаты этой миссии показали, что Марс в настоящее время крайне неблагоприятен для жизни на основе углерода. Он также считал, что в целом существует лишь маловероятная возможность того, что не углеродные формы жизни смогут эволюционировать, обладая генетическими информационными системами, способными к самовоспроизведению и адаптации.
Другие кандидаты
Несколько других элементов были предложены в качестве кандидатов для поддержания биологических систем и процессов в той же степени, что и углерод, например, таких процессов, как метаболизм. Наиболее часто упоминаемым альтернативным вариантом является кремний. Кремний, имеющий атомный номер 14 и более чем вдвое превышающий углерод по размеру, находится в той же группе периодической таблицы, что и углерод, способен образовывать четыре валентные связи и легко соединяется с самим собой, хотя обычно в форме кристаллических решеток, а не длинных цепей. Несмотря на эти сходства, кремний значительно более электроположителен, чем углерод, и соединения кремния нелегко рекомбинируют в различные комбинации, что могло бы поддерживать процессы, подобные жизненным. Кремний в изобилии присутствует на Земле, но из-за его большей электроположительности он преимущественно образует связи Si–O, а не Si–Si. Бор не реагирует с кислотами и не образует цепочек в естественных условиях. Следовательно, бор не может быть основой для жизни. Мышьяк токсичен для жизни, и его потенциальная пригодность была отвергнута. В прошлом (1960-1970-е годы) другие кандидаты на роль основы жизни казались правдоподобными, но со временем и по мере проведения дальнейших исследований, только углерод обладает необходимой сложностью и стабильностью для создания очень больших молекул, таких как полимеры. Таким образом, жизнь должна быть углеродной.
Художественная литература
Спекуляции о химической структуре и свойствах гипотетической жизни, не основанной на углероде, неоднократно возникали в научной фантастике. Кремний часто используется в качестве замены углерода в вымышленных формах жизни из-за их химического сходства. В кинематографе и литературе, когда созданные человеком машины переходят из неживого состояния в живое, эта новая форма часто представляется как пример жизни, не основанной на углероде. С появлением микропроцессоров в конце 1960-х годов такие машины часто классифицируют как "жизнь на основе кремния". Другие примеры вымышленной "жизни на основе кремния" можно увидеть в эпизоде 1967 года "Дьявол в темноте" из сериала "Звёздный путь: Оригинальный сериал", где биохимия живого каменного существа основана на кремнии. В эпизоде 1994 года "Firewalker" сериала "Секретные материалы" обнаружен организм на основе кремния в вулкане. В фильме 1984 года, снятом по роману Артура Кларка "2010: Одиссея два" (1982), один из персонажей утверждает: "Не имеет принципиального значения, основаны мы на углероде или кремнии; ко всем нам следует относиться с должным уважением". В JoJolion, восьмой части масштабной серии JoJo's Bizarre Adventure, загадочная раса кремниевых форм жизни, "Каменные люди", выступает в роли главных антагонистов.