碳与生命

                                                                           碳与生命　　　           人们发现，地球上的生命都是以碳为骨架组成的。化学家和生物学家相信，生命的自然演化需要碳的存在，碳具有异乎寻常的灵活性，所以它成了生命体中像DNA和RNA那样的螺旋分子的基础。碳的存在不仅依赖于宇宙的年龄和大小，而且还依赖于决定着原子核自然能级的自然常数值的巧合。　　当恒星中的核反应将氦与氦结合成铍时，再加上一个氦核就形成了碳。　　氦核+氦核=铍核　　铍核+氦核=碳核　　碳核+氦核=氧核　　什么原因使宇宙中产生多得举足轻重的碳呢？1952年弗雷德·霍伊尔预言，碳原子核必定具有一个能级，其位置正好略高于氦核和铍核能量之和。这种情况造成了某种特别迅速的反应。因为在恒星中结合氦和铍两种粒子能量形成的“共振态”，正好与人们所盼望的自然能级相近。核物理学家发现，这个能级正好处于霍伊尔预言的位置上。　　有了碳以后，碳还可与氦核发生核反应生成氧核。但这一反应并不是“共振”的，碳和氦的能量比氧的自然常数高一些，使得由碳和氦变为氧的顺利程度受到“先天的阻挠”，从而使碳得以留存了下来。否则，宇宙中就不会有足够的碳，生命将不复存在，至少其含义会和我们现在所理解的完全不同。以上例子说明，宇宙中所以存在复杂的结构，可能是由自然常数值的巧合和互相结合所致。复杂的生命是由简单的核反应和奇妙的自然常数所决定。这是一个多么令人难以接受而又无法完全拒绝的结论！　　　　　宇宙中的有机物　　本世纪70年代以来星际多炔分子的研究，导致C60分子的发现。1985年，克罗托（H．Kroto）利用激光照射使石墨气化，制得了含60个碳原子的稳定化合物。C60研究为当代化学开拓了一个新领域，也为星际聚链烃和环烃提供了确认数据。宇宙物质中复杂有机分子和构成生命基础分子的搜索，是地球外生命探索的一个重要目标。人类正在展开广泛的搜索。在浩瀚无垠的苍茫宇宙中所进行的这样一项工作，是对“大海捞针”的最恰当的注解。何况直到现在是否真的有针和针可能是什么样子还都是一片蒙眬，但是否存在着以碳为骨架的有机物，已成为人们的第一搜索目标。于是火星上有机物质的是否存在，成了判断火星曾经是否存在过生命可能性的依据；土卫6成为研究地外生命的重要目标之一；类木行星大气有机物的观测等，目前也已成为研究太阳系起源、演化，了解这些行星的重要途径。　　古生物地质学提供的证据表明，地壳刚形成时生命就已出现了，生命似乎出现得太快，给地球上化学进化留下的时间太短。人们最近发现，宇宙星际物质中存在大量生物单分子化合物，因而认为前生物的化学物质来源于宇宙空间。新的结论是：地球上的生命不是从水、二氧化碳、氨等无机分子开始的，而是来源自宇宙空间的生物分子。　　有人认为，含有生物分子的星际尘埃颗粒，是在地球形成的凝聚阶段后期，由彗星带到地球上来的。地球形成早期，曾遭受过彗星大规模轰击，彗星尾部把大量的有机分子撒到地球上。据认为，在地球形成的50亿年内，有几十亿吨的星际尘埃参与了地球的凝聚，从空间带来了大量的有机物。从地球大气圈上层收集到的宇宙空间颗粒分析结果表明，由于有大气圈制动作用，细小的颗粒没有发生剧烈的升温，因而有机物没被彻底破坏掉。　　　　　地球上的碳　　地球上生命起源的一个关键问题是碳的经历。因为碳是所有生物分子中均含有的一个元素，它的丰度是最重要的。在地球形成期间曾发生过的凝结顺序中（见表2．1），大约到100K，甲烷冻结出来时碳才凝结。地球形成时的温度在600K，只有很少的甲烷会因冻结而析出，所以形成固体地球的粒子实际上不含碳，而地球上没有碳就不可能有生命。　　地球上碳的存在是个迄今尚未解决的问题。它暗示着有某些过程是沿着不同于凝结顺序所排定的顺序进行的。我们已经知道，碳与氧在高温下化合形成一氧化碳（CO）气体。当温度下降（例如降到我们说的600K的区域）时，一氧化碳与氢反应生成甲烷。CO＋3H2→CH4＋H2O
　　在原始地球的温度600K处，形成甲烷的反应必然一直正常地进行着。但当没有固体催化剂表面的吸收和催化作用时，反应就进行得非常慢。因此如果不存在催化剂，一氧化碳也能在低于600K的低温下存在。硅酸盐和金属铁粒子是不良的催化剂，即使温度为600K，一氧化碳还会遗留在原始地球附近（但一氧化碳在此温度下为气体，它不能凝结）。假若在地球附近的太阳星云中有个400K左右温度的区域，则铁粒子开始氧化形成磁铁矿层（Fe3O4），硅酸盐粒子成为水化物。四氧化三铁和含水硅酸盐都对CO与H2的反应起催化作用。这时，有效的催化剂将开始形成。　　在这样的催化剂作用下，反应并不一直进行到生成甲烷，而是在中途停顿。并且每个碳原子与两个氢原子键合，而不是甲烷中的四个氢原子。这个反应叫做费-托反应（是根据发现这个反应的德国化学家的名字命名的。这个反应可用于人造石油）。可能发生的一个反应是：20CO＋41H2→C20H42＋20H2O　　所生成的分子含有氢和碳，称做碳氢化合物，例如C20H42。复杂一点的碳氢化合物有高分子量，是一种类似沥青的物质。在太阳星云中，这类物质可以淀积在四氧化三铁层和含水硅酸盐颗粒上（见图2．1）。这种形式的碳可成为原始地球的一部分。　　有证据表明，费-托反应确实可以在太阳星云中所形成的陨石母体的区域中发生。陨石中的一个亚类，即含碳球粒陨石，含有大量碳，按重量计达百分之几。我们分析这些碳的化合物时，发现它们完全可能是由费-托反应形成的、含有氨基酸的复杂有机化合物，而氨基酸是生命的基本单元。因为氮和氧能自然地结合到沥青产品中，所以我们预期，即使水和氨在600K下仍保持为气态，氮和氧也应成为地球的一部分。只需要存在的碳、氮和氧总数的一小部分（10-5～10-4）被结合到沥青中，便可说明在地球上它们已被观察到的丰度了。