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[阿什卡咖啡馆] 生命元素黑老大:凭什么创建生命帝国

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发表于 2018-7-9 13:54:31 | 显示全部楼层 |阅读模式
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品质源于技术 服务源于态度
这是阿什卡微信公众号的第533篇原创文章
首发于2018年7月7日


想找到组成生物的基本元素——生物元素,最好看一眼元素周期表。


怎么看?一分为二地看。你会惊奇地发现,它不仅有乏味的一面,还有古板的一面。它是一个座次严格的大会场,按电子数排坐位。目前共有118个会员,其中地球上有94个。


找生物元素,要看会场前排。这并非因为生物元素是领导,而是因为生物元素大多比较轻(图1)。他们是:


四大金刚

碳,氢,氧,氮,共组成生物体96%以上的物质。


七大护法

磷,硫,钠,钾,钙,镁,氯,组成生物体物质的3.5%。


各路密使

铁,碘,锌,钴,铜…种类众多,但数量很少,所以叫微量元素。虽然量很少,但没它受不了。比如缺铁贫血,缺碘大脖子,缺锌长不高、生育力下降等等。


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图1 元素周期表。带框的是生命元素


都这么牛,哪个更重要呢?BOSS说,“都很重要”。这话没毛病,但你要信了,就没救了。角色有轻有重才叫团队,没轻没重那叫团购,最后只能被团灭。在这些生命元素里,碳元素是无可争议的老大。因为在我们地球,构成生命的物质,主要就是碳的各种化合物。这些化合物,以碳原子共价结合为主,结成碳链,成为各种生物分子的主干,形成生命。所以,地球生命也叫碳基生命。碳元素,也叫生命的骨架。


是的,做铅笔芯的石墨就是碳,卖炭翁卖的其实主要是碳,煤里含的主要也是碳…你还别嫌弃,正是这些黑不溜秋的东西,搭成咱们这些傲娇的生命体。所以别嫌老大黑,黑别黑老大。老大在,命就在,天地之间还有真爱。


那么,其貌不扬的碳,凭啥成了生命的基础呢?当然是凭电子数。


电子数,就是原子的“命数”。在原子圈,你有多少电子,决定了你能干啥。所以碳生下来就赢了。

凭借电子数,碳天生就有两个生化绝技。凭这两个绝技,碳在搭建生命界一枝独秀,其他元素望尘莫及。


第一绝技:成键神功。也就是非凡的成键能力。


碳原子有6个电子,住两层楼。一楼的1间房,2枚电子住满,直接牵手成功;二楼的4间房,住4个电子。按照“先占房,后配对”的原则,4个电子只好一人一间房,这就都成了渴望爱情的单身狗。于是碳的人生目的就是:撩来4个电子,实现生命大和谐。


所以它可以和4个原子组成4个共价键,形成金字塔结构(图2)。

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图2 碳的四个单键形成四面体结构,又称金字塔结构。在这个结构中,碳处于中心,和碳键合的原子(R1,R2,R3和R4)在四个角上。



4个共价键,是啥概念?两层楼的原子,最多能形成4个共价键。


这个“之最”虽然没入选吉尼斯世界纪录,但它决定了碳原子活波外向的性格。碳不爱独处,擅长交际,和其它主要生命元素氢、氧、氮等都搞得来,都可以键合。而且2P,3P…甚至群P,怎么P都可以,来者不拒,从不挑剔。


所以,碳的绝技,其实就是艳压乐高积木的共价键。尤其是碳碳共价键。碳和碳之间可谓基情四射:他们可以共享一对电子,形成单键;也可以共享两对电子,形成双键;还可以共享三对电子,形成三键等多种键型(图3)。


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图3 碳的单键,双键和三键结构。分别用单线、双线和三线表示。为了写出3D分子式,化学家放了两个楔形的符号,实楔表示突出纸面,虚线表示穿透纸背。



碳键是真正的USB3.0万向接口,支持热插拔。这种开挂的成键能力,让碳原子之间既可以形成长长的直链,也可以构筑环形链、支链,纵横捭阖,变幻无穷(图4)。


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图4 碳形成的直链、支链和环状结构



碳化合物的风骚指数,仅仅靠婀娜的碳链是不够的,还必须挂上各种珠宝佩玉小物件儿。这些东西不叫首饰,叫做“功能性基团”,昵称功能团

你看见大金链子、手串子、金镏子bulingbuling的一堆朝你走来,那是社会你大哥来了;但你看见bulingbuling一堆功能团向你走来,那是黑老大碳链来了。


碳化合物的结构,一般是以碳链为基本骨架,结合上各种不同的功能团。


“功能团”并非浪得虚名。它们就像游戏世界里的宝贝物品,各有各的功能。碳链挂上啥功能团,就得到了它附赠的各种化学功能。


功能团的名字很怪异,但都是“基字辈”的,常见的有羟基,氨基,醛基,酮基,羧酸基等(图5)。没挂上功能团的地方怎么办,空着吗?当然不。它会简单地接上一个氢,满足碳大腕集齐电子的精神和物质需求。


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图5 常见的功能团


看了这么多图,有没有发现一个问题:碳C和氢H太多了,看上去眼花缭乱。其实懒惰的化学家们也早就不爱画了。反正大家都知道,主干是碳,空白地方要挂上氢。于是一商量,干脆省掉C和H,只画其他元素,这就是“简化有机分子式”(图6)。顿时清爽多了吧。


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图6 有机分子的简化式



上面说的,都是碳和其他元素搭建的有机分子。


其实,以碳的成键能力,就算没有别人配合,他自己也能玩出很多花样,搭建各种怪异的结构(图7)。


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图7 碳分子的几种有趣形态:A金刚石,B石墨/石墨烯,C富勒烯,D碳纳米管。



瞧,能软能硬能弹性,能白能黑能透明。碳的成键能力可见一斑,不是一般。


正是碳的变态成键能力,使得碳化学成为最丰富多彩的化学。以碳为骨架形成的化合物,如恒河沙数,无穷无尽——这很重要。理解这一点,我们才能理解生命这朵奇葩为什么会出现。


前面聊过,越复杂、越精准的功能,就需要越复杂、越精巧的结构来实现。


生物们能吃能喝能拉能撒还能生孩子,会点赞会刷屏会讲段子会骂街……如此恣肆生活,没有大量、复杂的生物分子,怎么做得到。这就要求,生命的基本元素必须具有强大的化合能力才行。纵观元素周期表,谁配横刀立马?唯我碳黑老大。


不服?其实我也不服。但是随便看了一眼碳的业务版图,直接就跪了。


就拿人体氨基酸来说吧。碳勾搭氢、氧、氮组成的氨基酸有20种,这20种氨基酸,通过不同长度、不同排列组合方式,可以形成的蛋白质种类,数字大到正常人类无法理解:即使一个只有100个氨基酸的娇小蛋白质,理论上也可以形成超过10130种不同的蛋白结构。这个数字什么概念?它已经秒杀了天文数字,因为宇宙中的粒子总数也只有1080个。不过小姐姐们不用担心蛋白质太多,胖出了天际。我们人体的蛋白质应该不超过几万种。


正因为碳化合物形成的分子种类繁多,所以可以实现各种奇葩功能,比如能量转化、输送、新陈代谢等等。这才造就了五彩缤纷、龙腾虎跃的生命世界。


碳的化学是如此复杂,以至于要单立一门学科来研究它,这就是有机化学


前辈们认为,碳化合物只能通过生命体——也就是有机体获得,于是名其为“有机物”。其实不是所有的碳化合物都是有机物(比如一氧化碳、二氧化碳就不是),但有机物一定是碳化合物。所以,有机化学通俗一点来说就是碳化学


碳的绝技,其他元素望尘莫及。如果哪种元素能形成五六个原子的链条,就已经不屑参加乌镇饭局了。就算这样的元素,论化合物的种类,在碳面前也只能当贫困户。


碳的化合物不仅种类繁多,而且可以积木般不停搭下去,形成大分子,甚至超大分子。所以其物理、化学性质五花八门。只有你想不到,没有它做不到。


所以在118个元素中,碳可谓风头无两,一枝独秀。


皇上好当,但皇位不好保。在阴暗的角落,一枚元素日夜觊觎着碳的宝座。它就是坐席排在碳下面的神秘元素:硅。


硅凭啥和碳争风吃醋,哦不,争锋夺势呢?当然是凭电子数。硅原子有14个电子,一楼住2个,2楼住8个,最外层三楼就剩4个。所以硅也能形成4个共价键,可以与碳比肩。


于是江湖上就有了“硅基生命”的传说。“大楚兴,陈胜王”的号子余音绕梁。


然而悲剧的是,硅的外层电子在三楼,离核心太远,形成的键不够强。因此,想山寨碳链,打造一个硅的长链并不容易。材质太差,容易散架。跟碳比,硅在成键强度上就先天不足。


硅的交际能力也不如碳,碳飞个媚眼就能勾搭上的一些元素,硅就算煲鸡汤、送心形石也撩不来。这样一来,在形成分子的种类上,也输给了碳。


硅的另一个致命短板,更是尴尬到姥姥家了。


生物把碳的化合物进行氧化,产生能量,为己所用。形成的废料是二氧化碳。二氧化碳恰好是气体,很方便呼吸排泄。植物吸收空气中的二氧化碳,通过光合作用,合成各种有机物。二氧化碳还可以溶解在水里传运。物流比顺丰还顺,成本低、效率高。这套精美绝伦的工艺流程,保证了自然界壮丽伟大的碳循环。


同样是这个流程,让硅来一遍,就尴尬了。把硅化合物氧化后,形成的是二氧化硅。二氧化硅是啥?沙子。我们眼里不揉沙子,就是因为这东西不太好处理。你让动物怎么搞?植物怎么搞?


所以我们只能在科幻小说《火星奥德赛》(A Martian Odyssey)里感受这样的剧情:硅基生命每十分钟会拉出一块砖石——二氧化硅。肉疼不?


第二绝技:甩锅大法。碳键的强度刚刚好,想成就成,想甩就甩。不仅能撩、擅交,还能甩、擅抛,感情收放自如——成键的稳定性拿捏得恰到好处。


键的稳定很重要,不然,化合物就会昙花一现,眼看他起高楼,眼看他楼塌了,如何撑起生命之重?


但是,凡事不能走极端,键也不是越稳定越好。原则上要讲个灵活性。所有生物过程,都涉及生物分子的相互转化。这些转化,都牵涉到键的断裂和重建。如果化学键过于稳定,“我们都是铁姑娘,铁胳膊铁腿铁肩膀,浑身上下都是铁,响当当来硬邦邦”,谁能有化学反应?这是生命不能承受之重。


比方你是个科长,与手下肝胆相照,成键稳定,科室战斗力响当当。然后你被提拔为处长。而你却硬邦邦地说,“老子死也不去,成键在哪就一辈子在哪。”这样做的结局只有一个:很快死掉。原因就是成员成键过强,不能收放自如。


生命的基础元素,必须做到既团结又紧张,既严肃又活泼,既当婊子又立牌坊。在这一点上,碳独一无二。


由此,碳的内因外因俱备,天时地利人和,不干一番事业,不整点幺蛾子来,都对不起自己这满身才华。


那么碳化合物究竟是如何精诚合作,打造出生命这个神迹般的存在的呢?敬请关注:分子极性与物质形成。



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