碳是构成生命形式最合适的元素
posted on 13 Sep 2021 under category 自然科学
大部分生命分子中最核心的元素：碳。它有6个电子。为了满足泡利不相容原理，这6个电子必须以这种方式排布：2个电子在最低的轨道上，称为1s轨道；2个电子位于靠外的相邻轨道，称为2s轨道；剩下的2个电子位于同等高度的另一个轨道，2p轨道。
碳的大小刚好合适。它的最外层电子能够跟其他原子的电子配对成化学键，从而形成分子，但是这些电子仍受到原子核的紧密束缚，也就是说这种连接很牢固。它们之间的距离并不远，如果太远的话，电子就很容易脱离原子。生命体必须能够构建像DNA一样稳定的分子，还必须能够在不消耗大量能量的情况下分解旧分子，以形成新分子。碳元素完全符合上述要求。
最外层的电子（包括2p轨道上的2个电子和2s轨道上的2个电子）喜欢和其他原子上的电子配对形成化学键。在一个非常常见的碳原子反应中，它的一个电子会跟氢元素唯一的电子形成碳氢键，这种键出现在生命分子的各种形式里。碳还可以和其他碳原子以及硫、磷、氧、氮原子等形成化学键。这些键的强度相似，所以碳只需要花费很少的能量就能切换与之连接的原子种类。这种原子还有其他的排列方式：2p轨道上的2个电子可以和其他碳原子中2p轨道上的2个电子形成双键，还可以形成三键，这进一步增加了含碳分子的复杂性。
碳元素易于形成化学键，成键之后灵活多变，这些特性造就了碳链、碳环等多种结构：最简单的气体甲烷就是由1个碳原子结合4个氢原子组成，而复杂的DNA分子则拥有惊人的长度，一个人的DNA完全解开有2米长！
因此，你可能会问，其他元素是否也可以像碳一样，以灵活的方式组装成多种多样的分子呢？我们不妨试试硅，它是地球上除了氧之外丰度第二高的元素，看起来是个相当好的选择。尽管硅和碳最外层的电子构型相似，但是它们有一个关键的不同点。前面说过，硅有14个电子，碳只有6个，这意味着硅的外层电子离原子核更远，受到的束缚也比碳的外层电子小。硅的电子与原子核结合得不那么紧密，所以它们与别的分子形成的键也比碳要弱。硅硅键的强度只有碳碳键的一半，所以在自然界你很难找到超过三个硅原子相连的情况。所以，硅几乎不能组装成复杂的链条和环。
硅还有另外一个致命的弱点。碳原子与氧原子可以通过双键结合，一个碳原子与两个氧原子结合后会形成二氧化碳气体，这种气体用途很多，比如成为光合作用的原料。然而，因为硅的尺寸更大，所以它不容易和氧形成双键。这些氧原子仍然有一个单键是空闲的，可以跟其他硅原子结合。结果就是，硅和氧的连接能够形成一张大网。这张网大家都比较熟悉，就是硅酸盐的结构，硅酸盐也是组成玻璃、矿物、岩石的成分。不幸的是，不像很多其他硅化合物，硅酸盐非常稳定，一旦硅被锁入这个结构，它就只能待在原地了。只要看一眼岩石，我们就能直观感受到为什么硅基生命是不可能存在的。
——《生命的实验室》第10章