Углеродная жизнь
Углерод является основным компонентом всей известной жизни на Земле и составляет примерно 45–50% всей сухой биомассы . [1] Углеродные соединения встречаются на Земле в большом количестве. Сложные биологические молекулы состоят из атомов углерода , связанных с другими элементами , особенно кислородом и водородом , а также часто азотом , фосфором и серой (известными под общим названием CHNOPS ). [2] [3]
Поскольку он легкий и относительно небольшой по размеру, молекулами углерода легко ферментами манипулировать . Карбоангидраза является частью этого процесса. Углерод имеет атомный номер 6 в таблице Менделеева . Углеродный цикл — это биогеохимический цикл , который важен для поддержания жизни на Земле в течение длительного периода времени. Цикл включает секвестрацию углерода и поглотители углерода . [4] [5] Тектоника плит необходима для жизни в течение длительного периода времени, а жизнь на основе углерода важна в процессе тектоники плит. [6] Обилие форм жизни с аноксигенным фотосинтезом, основанных на железе и сере , которые жили на Земле от 3,80 до 3,85 миллиардов лет назад, образуют обилие залежей черного сланца . Эти сланцевые отложения увеличивают тепловой поток и плавучесть коры, особенно на морском дне, способствуя усилению тектоники плит. Тальк — еще один органический минерал, который способствует тектонике плит. [7] [8] Неорганические процессы также способствуют тектонике плит. [9] Углеродная жизнь, основанная на фотосинтезе, привела к увеличению содержания кислорода на Земле. Это увеличение кислорода помогло тектонике плит сформировать первые континенты. [10] часто предполагается В астробиологии , что если жизнь существует где-то во Вселенной , то она также будет основана на углероде. [11] [12] Критики, такие как Карл Саган в 1973 году, называют это предположение углеродным шовинизмом . [13]
Характеристики
[ редактировать ]Углерод способен образовывать огромное количество соединений , больше, чем любой другой элемент: на сегодняшний день описано почти десять миллионов соединений. [14] и все же это лишь часть того числа соединений, которые теоретически возможны в стандартных условиях. Огромное разнообразие соединений углерода, известных как органические соединения , привело к различию между ними и неорганическими соединениями , не содержащими углерод. Раздел химии, изучающий органические соединения, известен как органическая химия . [15]
Углерод — 15-й по распространенности элемент в земной коре и четвертый по массе элемент во Вселенной после водорода , гелия и кислорода . Широкое распространение углерода, его способность образовывать стабильные связи со многими другими элементами и его необычная способность образовывать полимеры при температурах, обычно встречающихся на Земле, позволяют ему служить общим элементом всех известных живых организмов. Исследование 2018 года показало, что углерод составляет примерно 550 миллиардов тонн всей жизни на Земле. [16] [17] Это второй по распространенности элемент в организме человека по массе (около 18,5%) после кислорода. [18]
Важнейшие характеристики углерода как основы химии клеточной жизни заключаются в том, 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, равна на соответствующем уровне для создания больших и сложных молекул, которые могут быть как стабильными, так и реакционноспособными. [19] Атомы углерода легко связываются с другими атомами углерода; это позволяет создавать макромолекулы и полимеры произвольной длины в процессе, известном как катенация . [20] [21] [22] «То, что мы обычно считаем «жизнью», основано на цепочках атомов углерода с несколькими другими атомами, такими как азот или фосфор», — согласно Стивену Хокингу в лекции 2008 года, «углерод [...] имеет богатейший химический состав». ." [23]
Норман Горовиц был главой отдела бионауки Лаборатории реактивного движения в первой американской миссии «Викинг-посадочный модуль» 1976 года , в которой удалось успешно посадить беспилотный зонд на поверхность Марса . Он считал, что большая универсальность атома углерода делает его тем элементом, который, скорее всего, обеспечит решения, даже экзотические, проблем выживания на других планетах. Однако результаты этой миссии показали, что Марс в настоящее время крайне враждебен углеродной жизни. Он также считал, что в целом существует лишь отдаленная возможность того, что неуглеродные формы жизни смогут развиваться с помощью генетических информационных систем, способных к самовоспроизведению и адаптации. [24]
Ключевые молекулы
[ редактировать ]Наиболее известные классы биологических макромолекул, используемых в фундаментальных процессах живых организмов, включают: [25]
- Белки , являющиеся строительными блоками, из которых строятся структуры живых организмов (сюда входят почти все ферменты , катализирующие органические химические реакции). [2]
- Аминокислоты , входящие в состав белков, включены в генетический код жизни. [2]
- Нуклеиновые кислоты , несущие генетическую информацию. [2]
- Рибонуклеиновая кислота (РНК), производство белков. [26]
- Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), нуклеиновая кислота в генетической форме. [27]
- Пептид , строительный блок белков. [2]
- Липиды , которые также запасают энергию, но в более концентрированной форме и могут храниться в организме животных в течение длительного времени. [2]
- Фосфолипид, используемый в клеточной мембране . [2]
- Углеводы , которые хранят энергию в форме, которая может быть использована живыми клетками . [2]
- Лектин для связывания белков. [28]
- Моносахариды , простые сахара, включая глюкозу и фруктозу . [2]
- Дисахариды , сахарорастворимые в воде, включая лактозу , мальтозу и сахарозу . [2]
- Крахмал , состоящий из амилозы и амилопектина , является хранилищем энергии растений. [2]
- Гликоген , энергия у животных. [2]
- Целлюлоза — биополимер , содержащийся в клеточных стенках растений. [2]
- Жирные кислоты двух типов: насыщенные жиры и ненасыщенные жиры (масла) — это запасенная энергия. [2]
- Незаменимая жирная кислота , необходимая, но не синтезируемая организмом человека. [2]
- Стероид , гормон и используемый в клеточной мембране. [2]
- Нейромедиатором являются сигнальные молекулы . [29]
- Холестерин , используемый в головном и спинном мозге животных. [2]
- Воск , содержащийся в пчелином воске и ланолине . Растительный воск, используемый для защиты. [2]
Вода
[ редактировать ]
Жидкая вода необходима для существования углеродной жизни. Для химической связи молекул углерода необходима жидкая вода. [30] Вода обладает химическим свойством образовывать пары соединение-растворитель. [31] У человека от 55% до 60% тела состоит из воды. [32] Вода обеспечивает обратимую гидратацию углекислого газа . Гидратация углекислого газа необходима для жизни, основанной на углероде. Вся жизнь на Земле использует одну и ту же биохимию углерода. жизни, Вода играет важную роль в карбоангидразе взаимодействии между углекислым газом и водой. Карбоангидразе необходимо семейство ферментов с углеродной основой для гидратации углекислого газа и кислотно-щелочного гомеостаза , который регулирует уровень pH в жизни. [33] [34] В жизни растений жидкая вода необходима для фотосинтеза , биологических процессов, которые растения используют для преобразования энергии света и углекислого газа в химическую энергию . [35]
Другие кандидаты
[ редактировать ]Несколько других элементов были предложены в качестве кандидатов на поддержку биологических систем и процессов так же фундаментально, как углерод, например, такие процессы, как обмен веществ . Наиболее часто предлагаемая альтернатива – кремний . [36] Кремний, атомный номер 14, более чем в два раза больше углерода, разделяет группу в периодической таблице с углеродом, также может образовывать четыре валентные связи , а также легко связывается сам с собой, хотя обычно в форме кристаллических решеток , а не длинных цепи. Несмотря на это сходство, кремний значительно более электроположителен , чем углерод, а соединения кремния не легко рекомбинируются в различные перестановки таким образом, чтобы это могло бы правдоподобно поддерживать процессы, похожие на живые. Кремния много на Земле, но, поскольку он более электроположителен, он в основном образует связи Si-O, а не связи Si-Si. [37] Бор не реагирует с кислотами и не образует цепей естественным путем. Таким образом, бор не является кандидатом на жизнь. [38] Мышьяк токсичен для жизни, и его возможная кандидатура была отвергнута. [39] [40] В прошлом (1960-1970-е годы) другие кандидаты на жизнь были правдоподобны, но со временем и дальнейшими исследованиями остался только углерод как сложность и стабильность жизни, позволяющие создавать очень большие молекулы, такие как полимеры. Таким образом, жизнь должна быть основана на углероде. [41] [42] [43] [44]
Вымысел
[ редактировать ]Спекуляции о химической структуре и свойствах гипотетической неуглеродной жизни были постоянной темой в научной фантастике . Кремний часто используется в качестве заменителя углерода в вымышленных формах жизни из-за его химического сходства. В кинематографической и научной фантастике, когда созданные человеком машины превращаются из неживых в живые, эта новая форма часто представляется как пример жизни, не основанной на углероде. С момента появления микропроцессора в конце 1960-х годов такие машины часто называют «жизнь на основе кремния». Другие примеры вымышленной «жизни на основе кремния» можно увидеть в эпизоде 1967 года « Дьявол в темноте » из сериала «Звездный путь: Оригинальный сериал» , в котором биохимия живого каменного существа основана на кремнии. [45] В » сериала «Секретные материалы эпизоде « Огнеход » 1994 года , в котором в вулкане обнаружен кремниевый организм. [46] [47]
В экранизации 1984 года романа Артура Кларка 1982 года « 2010: Одиссея вторая » персонаж утверждает: «На основе ли мы углерода или кремния, нет фундаментальной разницы; к каждому из нас следует относиться с соответствующим уважением». [48]
В «ДжоДжолионе» , восьмой части более крупной серии «Невероятные приключения ДжоДжо» , загадочная раса кремниевых форм жизни «Каменные люди» выступает в качестве главных антагонистов. [49]
Галерея
[ редактировать ]
Корреляция между круговоротом углерода и образованием органических соединений .
Стенка растительной клетки ( целлюлоза ) и хлоропласты проводят фотосинтез в растительных клетках и других эукариотических организмах .
Расположение целлюлозы и других полисахаридов в клеточной стенке растений.
Типы клеток : эукариотическая клетка (слева) и прокариотическая клетка (справа).
Быстрый углеродный цикл, показывающий движение углерода между сушей и атмосферой.
Углерод хранится в экосистемах
Куда уходит углерод, когда течет вода
Упрощенная схема глобального углеродного цикла
Диаграмма углеродного цикла
Тройная связь углерода в бензоле
Модель диизобутилалюминийгидрида : алюминий показан розовым, связанный с углеродом черным, а водород белым в алюминийорганической химии.
Жирные кислоты, состоящие из длинных цепочек углерода
См. также
[ редактировать ]- Источник углерода (биология)
- Клеточная биология
- ЧОНПС — мнемоническая аббревиатура, обозначающая порядок наиболее распространенных элементов в живых организмах: углерод , водород , кислород , азот , фосфор и сера .
- Обитаемая зона для сложной жизни
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Справочник знаний для национальных оценок лесов – моделирование для оценки и мониторинга» . www.фао.орг . Архивировано из оригинала 13 января 2020 года . Проверено 20 февраля 2019 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р Мольнар, Чарльз; Гейр, Джейн (14 мая 2015 г.). «2.3 Биологические молекулы» . Введение в химию жизни – через opentextbc.ca.
- ^ Образование (2010). «CHNOPS: Шесть самых распространенных элементов жизни» . Образование Пирсона . Пирсон БиоКоуч. Архивировано из оригинала 27 июля 2017 года . Проверено 10 декабря 2010 г.
Большинство биологических молекул состоят из ковалентных комбинаций шести важных элементов, химическими символами которых являются CHNOPS. ... Хотя в биомолекулах можно обнаружить более 25 типов элементов, наиболее распространены шесть элементов. Они называются элементами CHNOPS; буквы обозначают химические сокращения углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы.
- ^ Рибик, Холли (16 июня 2011 г.). «Углеродный цикл» . Земная обсерватория . НАСА. Архивировано из оригинала 5 марта 2016 года . Проверено 5 апреля 2018 г.
- ^ Арчер, Дэвид (2010). Глобальный углеродный цикл . Принстон: Издательство Принстонского университета. ISBN 9781400837076 .
- ^ «Как тектоника плит сохранила климат Златовласки на Земле» . Сиднейский университет .
- ^ «Тальковая обработка» . www.soapstonetalc.com .
- ^ Сиддер, Аарон (23 августа 2023 г.). «Тальк может сделать зону субдукции Мексики более скользкой» . Эос .
- ^ «Геология, возраст и происхождение супракрустальных пород в Акилии, Западная Гренландия» .
- ^ Брессан, Дэвид. «Повышение содержания кислорода на ранней Земле связано с формированием первых континентов» . Форбс .
- ^ «Астробиология» . Биологический кабинет. 26 сентября 2006 года . Проверено 17 января 2011 г.
- ^ «Полициклические ароматические углеводороды: интервью с доктором Фаридом Саламой» . Журнал астробиологии . 2000. Архивировано из оригинала 20 июня 2008 г. Проверено 20 октября 2008 г.
- ^ Дорогой, Дэвид. «Углеродная жизнь» . Энциклопедия жизни . Проверено 14 сентября 2007 г.
- ^ «Известно около десяти миллионов углеродных соединений, многие тысячи из которых жизненно важны для органических и жизненных процессов». Химические операции (15 декабря 2003 г.). «Карбон» . Лос-Аламосская национальная лаборатория. Архивировано из оригинала 13 сентября 2008 г. Проверено 9 октября 2008 г.
- ^ Клейден, Дж.; Гривз Н. и Уоррен С. (2012) Органическая химия . Издательство Оксфордского университета. стр. 1–15. ISBN 0-19-927029-5 .
- ^ Бар-Он, Инон М.; Филлипс, Роб; Майло, Рон (21 мая 2018 г.). «Распределение биомассы на Земле» . Труды Национальной академии наук . 115 (25): 6506–6511. Бибкод : 2018PNAS..115.6506B . дои : 10.1073/pnas.1711842115 . ПМК 6016768 . ПМИД 29784790 .
- ^ Кэррингтон, Дамиан (21 мая 2018 г.). «Люди составляют лишь 0,01% всей жизни, но уничтожили 83% диких млекопитающих – исследование» . Хранитель . Получено 20 февраля 2019 г. - через www.theguardian.com.
- ^ Рис, Джейн Б. (31 октября 2013 г.). Кэмпбелл Биология (10-е изд.). Пирсон . ISBN 9780321775658 .
- ^ «Углерод и углеводороды (статья)» . Ханская академия .
- ^ Оксфордский словарь английского языка , 1-е издание (1889 г.) [ http://www.oed.com/view/Entry/30197 s.v. 'цепь', определение 4g
- ^ «27.8: Полимеры и реакции полимеризации» . Химия LibreTexts . 18 января 2015 г.
- ^ «Полимеры» . www2.chemistry.msu.edu .
- ^ Стивен Хокинг (1 октября 2008 г.). «Жизнь во Вселенной, празднование 50-летия НАСА» . НАСА . Проверено 28 августа 2015 г.
- ^ Горовиц, Нью-Хэмпшир (1986). Утопия и Назад и поиски жизни в Солнечной системе. Нью-Йорк: WH Freeman and Company. ISBN 0-7167-1766-2
- ^ Мольнар, Чарльз; Гейр, Джейн (14 мая 2015 г.). «2.3 Биологические молекулы» . Введение в химию жизни .
- ^ «РНК: универсальная молекула» . Университет Юты . 2015.
- ^ «дезоксирибонуклеиновая кислота» . Словарь Merriam-Webster.com .
- ^ УРС Рутисхаузер; Лео Сакс (1 мая 1975 г.). «Межклеточное связывание, индуцированное различными лектинами» . Журнал клеточной биологии . 65 (2): 247–257. дои : 10.1083/jcb.65.2.247 . ПМК 2109424 . ПМИД 805150 .
- ^ Смелзер, Нил Дж.; Балтес, Пол Б. (2001). Международная энциклопедия социальных и поведенческих наук (1-е изд.). Амстердам, Нью-Йорк: Эльзевир. ISBN 978-0-08-043076-8 .
- ^ «Восемь ингредиентов жизни в космосе» . www.nhm.ac.uk.
- ^ Уэстолл, Фрэнсис; Брак, Андре (1 марта 2018 г.). «Важность воды для жизни» . Обзоры космической науки . 214 (2):50. Бибкод : 2018ССРв..214...50Вт . дои : 10.1007/s11214-018-0476-7 . S2CID 255068746 – через НАСА ADS.
- ^ «Вода в вас: вода и человеческое тело | Геологическая служба США» . www.usgs.gov .
- ^ «Реактом | Обратимая гидратация углекислого газа» . http://reactome.org .
- ^ «Жизнь, основанная на углероде — обзор | Темы ScienceDirect» . www.sciencedirect.com .
- ^ «Фотосинтез» . Lexico Британский словарь английского языка . Издательство Оксфордского университета. Архивировано из оригинала 11 августа 2022 г. Проверено 15 июля 2023 г.
- ^ Пейс, НР (2001). «Универсальная природа биохимии» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (3): 805–8. Бибкод : 2001PNAS...98..805P . дои : 10.1073/pnas.98.3.805 . ПМЦ 33372 . ПМИД 11158550 .
- ^ «Кремний (Si) – Химические свойства, воздействие на здоровье и окружающую среду» . www.lenntech.com .
- ^ «Семейство бора и его физические и химические свойства | PDF | Углерод | Кремний» . Скрибд .
- ^ Проверьте Хайден, Эрика (20 января 2012 г.). «Исследование бросает вызов существованию жизни, основанной на мышьяке» . Природа . дои : 10.1038/nature.2012.9861 . S2CID 211729481 – через www.nature.com.
- ^ Шеридан, Керри. «Ученые говорят, что «новая мышьяковистая форма жизни» НАСА не соответствует действительности» . физ.орг .
- ^ Аоно, Масаси; Китадай, Норио; Ооно, Йоши (12 февраля 2015 г.). «Принципиальный подход к проблеме происхождения» . Происхождение жизни и эволюция биосферы . 45 (3): 327–338. Бибкод : 2015OLEB...45..327A . дои : 10.1007/s11084-015-9444-3 . ПМЦ 4510921 . ПМИД 26177711 .
- ^ «Уникальный атом углерода, Национальное управление океанических и атмосферных исследований, noaa.gov » (PDF) .
- ^ «Биология, химия жизни, химическая основа жизни, углерод» . ОЭРТКС .
- ^ Петковский, Януш Юранд; Бэйнс, Уильям; Сигер, Сара (10 июня 2020 г.). «О потенциале кремния как строительного материала для жизни» . Жизнь . 10 (6): 84. Бибкод : 2020Жизнь...10...84П . дои : 10.3390/life10060084 . ПМЦ 7345352 . ПМИД 32532048 .
- ^ «Звездный путь | Наука о кремниевой жизни» . Компаньон . 30 марта 2022 г.
- ^ Лоури, Брайан (1995). Истина где-то рядом: Официальный путеводитель по «Секретным материалам» . Харпер Призма. ISBN 0-06-105330-9 .
- ^ Эдвардс, Тед (1996). Секретные материалы Секретных материалов . Литтл, Браун и компания. ISBN 0-316-21808-1 .
- ^ «2010: Цитаты» . IMDB . Архивировано из оригинала 12 января 2017 года . Проверено 26 июля 2017 г.
- ^ «Рок-организм» . Энциклопедия необычных вещей ДжоДжо — JoJo Wiki . 23 ноября 2023 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Энциклопедия астробиологии, астрономии и космических полетов» . Проверено 14 марта 2006 г.
- «Школа химии Бристольского университета, Великобритания» .
Отрасли химии |
|---|
