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为什么是碳这种元素构成了我们生命的基础 而不是其他元素

我要新鲜事2023-09-11 19:12:453

从宇宙大爆炸开始的150亿年,到太阳系的形成,再到地球的诞生约45亿年前,以及大约37亿年前地球上生命的起源,这一过程如此复杂,又如此偶然。有人用一个形象的比喻来形容这一奇迹:让一只猴子在打字机的键盘上随机选择字母,这种随机组合形成大英博物馆的所有图书的概率,甚至比地球上产生生命的概率还要大。

事实却是我们存在于这里,地球上的生命自然而然地产生了,而且产生了宇宙中唯一的生命体系——智慧的人类,宇宙中最灿烂的花朵。

那么,为什么生命的基础是碳元素而不是其他元素呢?本文将探讨生命的起源以及为何碳元素成为了生命的基础。

1.生命的起源

在理论上,生命不应该受限于特定的化学物质。演化生物学家道金斯认为,生物的基本特征是自我制造,表现为新陈代谢和自我复制,本质上是信息的持久性。换句话说,生物是自然选择所塑造的信息。

在自然界中,任何物质要形成生命必须具备两个关键条件:足够的稳定性和足够的复杂性。稳定性确保了新陈代谢和自我复制的可靠性,而复杂性使生命能够不断演化成多种形式。

大约46亿年前,位于银河系的一个偏心位置形成了一个巨大的物质盘,其中的气体和颗粒最终融合形成了太阳,而残余的物质则构成了行星和小天体。

其中包括我们的原始地球,这颗行星在月球诞生之后,遭受了许多小行星的撞击,带来了大量水和有机分子。

地球上的碳、氢、氧、氮等元素的大量存在为生命的起源创造了条件。在这些元素中,碳具有一些关键特征,使其成为生命的基础。碳原子由于其化学性质以及四个自由电子的特点,能够形成复杂多样的分子。碳原子就像一位交际高手,善于与其他元素组成各种不同的化合物,从而构成复杂多样的分子。

例如,原始海洋中的二氧化碳或甲烷通过各种化学反应转化为甲醛,然后再逐渐形成更大的分子,如糖。此外,海洋中的氮元素也与碳原子相结合,形成了蛋白质和核酸等关键分子。

这些反应都是随机发生的,数亿年间,分子之间不断地随机组合,大约37亿年前,第一个生命体从无生命的物质中诞生。这种初始生命继承了碳元素构成物质的特性,使得生命得以延续。生命的各种特征,如新陈代谢、繁殖和对环境刺激的反应,都依赖于化学反应。碳基分子的活性极高,可以确保化学反应能够迅速进行,以适应地球上不断变化的环境。

2.为何不是硅基生命?

虽然理论上硅也有与碳相似的性质,但在地球上,碳元素成为了生命的基础,而硅没有。那么为什么地球上没有硅基生命呢?

硅作为周期表中与碳同一周期的元素,性质与碳极其相似,理论上可以形成硅基生命。事实上,德国化学家朱利斯·施耐纳于1891年描述了硅基生命的可能性,而许多科幻作家也设想过外星存在硅基生命。

硅基生命面临着一些挑战。早期地球上富含氧元素,而碳作为生命的基础时,生成的二氧化碳气体容易排出体外。相比之下,硅生成的化合物将以固态形式,如玻璃或沙子,存在于体内。此外,硅化合物的反应速度远远慢于碳化合物,这意味着硅基生命的演化速度会受到限制,可能无法应对地球上快速变化的环境。

硅基生命的活动速度也会相对较慢。在极端温度下,硅基生物的分子活性可能会更高,但其反应速度仍然远低于碳基生物。这意味着硅基生物的生命周期可能会极端漫长,可达数百万年,与人类相比,他们的动作看起来会缓慢得多。

尽管我们不能否定其他生命基础的可能性,但碳元素已经成为地球上生命的基础。地球上的生命起源于碳元素的多样性和活性,使得化学反应能够以适当的速度进行,以适应不断变化的环境。尽管硅也具有相似的性质,但它面临着一系列挑战,包括与氧的反应和反应速度的问题,这些问题在地球上阻止了硅基生命的出现。因此,碳基生命成为了地球上唯一的生命形式,继续在这个星球上繁衍生息,探索宇宙的奥秘。

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