地球上の生命が炭素ベースである主な理由は、炭素原子のユニークな特性によるものです。炭素原子は、他の炭素原子を含む他の原子と強い結合を形成することができ、DNA やタンパク質などの複雑な分子の形成を可能にします。さらに、炭素原子は比較的小さいため、生命の維持に必要な何百万もの複雑な化学結合や反応を形成するのに理想的です。最後に、炭素は地球上に豊富に存在し、生命をゼロから構築するのに最適な要素です。
地球外生命体の存在についての憶測は、人類の果てしない驚きの能力を長年占有してきました。そこに誰かがいるかどうかを確認するために、特定の星を調査するためではなく、岸を離れて宇宙の広大な海にある他の島を探索するために、両方のボイジャーを送りました。天体物理学者はまた、そのような異星人の文明の性質について疑問に思っています.
私たちがすでに遭遇したことから生命体の生化学を推測するとしたら、それは炭素に基づいていると結論付けるでしょう.炭素、またはサイエンス フィクションで定期的に描写されているように、炭素に最も近い兄弟であるシリコン。しかし、カール・セーガンはこの偏狭な見方を炭素排外主義と呼んだ。 彼は想像力を制限すべきではないと信じており、エイリアンの生命が地球上の生命に似ているという仮定を嘲笑しました。
あらゆる種類の人生。
それでも、地球上で炭素が圧倒的に優勢であるため、炭素は依然として私たちの最良の推測です.それを考えると、カーボンが特別な理由は何ですか?
人生は複雑です
植物であろうと動物であろうと、すべての生命体は複雑さの具現化です。最初の自己複製生物は、ますます複雑な分子を組み込むことにより、ますます複雑な生物学的機能を進化させました。ここで複雑性とは、高等生物を維持するために不可欠な何百万もの複雑な化学結合と反応を促進することを指します。アメーバなどの原始的な生命体は、犬などの高等哺乳類よりもはるかに分子の複雑性が低くなります。
分子の複雑さは、呼吸、排泄、消化、そして最も重要な生殖などの機能の統合を可能にしました。カーボンがなければ、これは不可能でした。炭素がなければ、DNA、タンパク質、脂質、糖、脂肪、筋肉組織など、生命を構成するものは何もありませんでした.
(写真提供:Pixabay)
人類に知られている 118 の元素を考えると、有機生命体を構成するのに使用されるのはそのうちの 5 ～ 6 つだけであるというのは不思議です。それらの中で最も一般的なのはもちろん炭素であり、そのふざけた態度は化学の全分野です。炭素が他の元素より優れているのは、炭素の並外れた熱力学的および化学的特性です。
カーボンの親和性
炭素原子には 4 つの価電子があり、4 つの単結合 (メタン)、2 つの二重結合 (二酸化炭素)、および三重結合 (アセチレン、溶接燃料、プラスチック合成の原料) を形成できます。しかし、炭素の優勢は、これらの複雑な結合を形成する能力の結果ではなく、それらを形成する容易さとしなやかさの結果です.実際、周期表で炭素が占める列に存在するすべての元素は 4 つの価電子を持っていますが、それらが形成する結合の安定性は炭素に匹敵しません。
DNA 二重らせんの 4 つの塩基対フラグメントの化学構造。 (写真提供:Thomas Shafee / ウィキメディア・コモンズ)
炭素のすぐ下に存在する元素であるシリコンでさえ、無数の分子を形成しますが、二重結合のシリコン分子は、二重結合の炭素とは異なり、一時的です。その不安定性により、最終的に単結合のシリコン原子に分かれます。生命を維持するために最も重要な分子種の 1 つである炭化水素などの炭素分子は、脆すぎて簡単に分解することも、硬すぎて可塑性と適応性を妨げることもありません。これにより、酵素は炭素分子を簡単に操作できます。さらに、シリコンとの反応はそれほど効率的ではありません。二酸化ケイ素は、ガスとして快適に存在する二酸化炭素と比較して、巨大な分子 (砂) です。
いずれにせよ、シリコンベースの生命は地球上で生き残ることはできません。シリコンは炭素よりも反応性が高く、炭化水素に似た分子の長い「鎖」を形成できますが、比較的低温では酸素と激しく反応します。これは、シリコン鎖または「シラン」が大気中で生き残ることができなかったことを意味します。有機体がエネルギーを炭化水素として直接蓄えていたら、炭素ベースの生命も生き残れなかったでしょう — アルカンはそれ自体非常に可燃性です (ガソリンと灯油)、しかし炭素ベースの有機体は、非常に異なる化学物質を示す糖、脂質、アルコール、その他の炭化水素としてエネルギーを蓄えます。
パナマの熱帯雨林に生息するイチゴ毒カエル。 (クレジット:Dirk Ercken/Shutterstock)
これらの特性はすべて、1 つのステートメントで説明できます。炭素は、4 つの価電子を持つ最小の原子です。そのサイズは、作るのに理想的な友達になります。 1 つの分岐の結合は、他の分岐の結合の影響を受けません。しかし、もし自然が原材料そのものを欠いていたなら、生命は製造できなかったでしょう。炭素は地球上に豊富に存在するため、自然はこの機会を逃すことはできませんでした。その特性を利用して、生命をゼロから構築しました!
