終於有了答案!爲什麼生物都是碳基生命?硅基,氧基爲什麼不行?

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爲什麼地球上發現的所有生物都是碳基生命,硅基,氧基,氮基到底能不能構成生命?

在地殼的元素含量中,碳只佔據0.03%,可以說是極其稀有的,而地殼中含量最豐富的元素則是氧和硅,分別佔據46.6%和27.72%。

如果以豐富度來看,地球上最應該出現的生命是氧基生命和硅基生命。

事實上,人體的確也是含氧量最多的生命體。

我們知道,人體共有60多種元素,含量最多四種元素分別是氧,碳,氫和氮。

其中氧元素佔比最高,達到61%,而碳元素只有20%。

那這樣說來,人類更應該叫氧基生命,畢竟氧的含量最多。其實,之所以人類不能稱作氧基生命,主要是由於人體60-70%都是水,因此才造就了氧和氫在人體元素的超高佔比,氧元素並不是人體物質構造中的核心元素。

事實上,構成生命的核心元素不能只看豐富度,還得考慮其穩定性。這種元素不能太穩定,也不能不穩定。太穩定的元素其核外電子就不易形成化學鍵,這樣一來,生命體所需的大分子就無法構建。但要是不穩定,這種元素即便可以構建更多的大分子,那韌性也大打折扣,生命就顯得太脆弱。

這就要求構成生命的元素穩定性剛好處於折中位置。

那哪些元素可以承擔如此的要求呢?

在元素週期表中,人類已經找到了118種元素,其中自然界天然形成的元素,只有前98個。第98號元素是鐦,也就是說鐦之後的元素都是人工合成的。

元素週期表的排列方式讓我們很容易得出,第一列元素的核外電子只能連接一個電子,也就是隻能形成一個共價鍵,第二列元素能連接兩個電子,形成兩個共價鍵,第三列可以連接三個電子,形成三個共價鍵。第四列可以連接四個電子,形成四個共價鍵。之後第五列元素就只能連接三個電子,形成三個共價鍵。此後依次遞減,直到惰性元素,其核外最外層電子沒有形成共價鍵的需求,所以惰性元素也是最穩定的元素。

因此惰性元素作爲生命的基礎元素應該第一個被pass掉。

剛纔已經說了,要成爲生命體的基礎元素,那麼這種元素就得既穩定又不穩定。這裏面的穩定性指的是衰變穩定性,原子序數不能太大,核外電子數不能太多,如果核外電子數越多,那麼原子覈對最外層電子的掌控力就越弱,元素就越容易衰變。

而不穩定性指的是元素最外層電子形成共價鍵的難易程度,越不穩定,越易形成更多的共價鍵。

在元素週期表中,既要保證原子序數不能太大,又要核外電子形成更多的共價鍵,也只有碳元素能滿足。

碳原子序數爲6,一共有6個電子,其中最外層有4個電子。

這四個電子可以形成四個共價鍵。

這四個共價鍵就可以讓碳元素以共價鍵的形式形成更爲複雜的分子,這是生命形成的必然條件。碳基分子可以形成十分長的非重複聚合物鏈,也可以形成閉環,或者與其他的元素形成單鍵,雙鍵或者三鍵,這些組合形式甚至可以達到數百萬種類型。這就讓碳基分子可以參與大量生命必需分子的形成過程。分子組合的形式越多,越複雜,攜帶的信息也就越大,這就造就了DNA可以攜帶大量的遺傳信息,生命體的功能也就越齊全。

可能有人會說,生命體核心元素爲什麼一定需要四個共價鍵,難道形成兩個或者三個共價鍵的元素不行嗎?擁有兩個或者三個共價鍵的元素,雖然形成的生命大分子種類沒有那麼多,但也足夠有成千上萬種組合,這些數量的組合形式對生命來說,或許就足夠了。

我們以擁有兩個共價鍵的氧元素爲例,氧的核外電子決定其只能和兩個原子結合,所以形成的分子不管是從複雜度還是豐富度都大打折扣,即便存在氧基生命,其生命的物質結構也會十分簡單,無法進化成更高級的生命形式。

而硼可以生成三個共價鍵,所形成的分子複雜度也比較多,但是硼在地殼中的含量極其稀有,地殼含量只有0.001%,與碳元素含量存在量級上的差距,這也許是硼元素沒有形成生命的一個重要原因。

氮同樣可以形成三個共價鍵,但是氮原子最外能層的一個能級上有兩個電子,這就是富餘電子

這部分富餘電子在一般的生命分子中可以起到氫鍵的作用,方便形成其他空間結構,但在氮基的生命分子中就是反作用了,它們會擠壓其他的三對鍵的位子,這使得氮基骨架在空間結構的可能性上遠小於碳基骨架。

其實在元素週期表中,構成生命的基礎元素只需考慮前18種元素即可,越靠後的元素越不穩定。

就以碳和硅舉例,它們雖然最外層電子都可以形成四個共價鍵,但是硅的最外層電子在第三個能層上,而碳的最外層電子在第二個能層上,最外層電子距離原子核越遠,就越不穩定,形成的共價鍵就越容易斷裂,比如硅-硅共價鍵的強度是196KJ/mol,

而碳-碳共價鍵的強度是334KJ/mol,碳共價鍵的強度接近硅共價鍵強度的二倍,所以同樣複雜度的大分子,碳基生命受到外界輻射的穩定性就比硅基生命強了接近一倍。

共價鍵越穩定就越能對抗來自母星的電磁輻射。

碳基生命作爲地球上的主宰,還有一個很重要的原因,那就是水。碳基生命要想複製自己的基因,就得需要水作爲溶劑運輸這些碳基分子。

而對於其他星球來說,或許最常見的液體並不是水,而是液態甲烷或者乙烷,比如土衛六。這些液體可能就和地球上的水一樣,充當其他生命形式的溶劑。不同的星球有不同的壓力和溫度,在其他星球上,或許非碳基分子的元素更易形成生命體。從這個角度來看,宇宙中的某一個行星上,是有可能存在硅基或者其他生命形式的生物的。

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