Γιατί η ζωή στη Γη βασίζεται στον άνθρακα;
Ο κύριος λόγος που η ζωή στη Γη βασίζεται στον άνθρακα είναι λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων του ατόμου άνθρακα. Τα άτομα άνθρακα μπορούν να σχηματίσουν ισχυρούς δεσμούς με άλλα άτομα, συμπεριλαμβανομένων άλλων ατόμων άνθρακα, γεγονός που επιτρέπει το σχηματισμό πολύπλοκων μορίων όπως το DNA και οι πρωτεΐνες. Επιπλέον, τα άτομα άνθρακα είναι σχετικά μικρά, γεγονός που τα καθιστά ιδανικά για το σχηματισμό των εκατομμυρίων περίπλοκων χημικών δεσμών και αντιδράσεων που είναι απαραίτητες για τη διατήρηση της ζωής. Τέλος, ο άνθρακας είναι άφθονος στη Γη, καθιστώντας τον το τέλειο στοιχείο για την οικοδόμηση ζωής από την αρχή.
Οι εικασίες για την ύπαρξη εξωγήινης ζωής ήταν ένας αιώνιος κάτοικος της ατελείωτης ικανότητας της ανθρωπότητας για θαύμα. Για να δούμε αν υπάρχει κάποιος εκεί έξω, στείλαμε και τα δύο Voyager, όχι για να μελετήσουν ένα συγκεκριμένο αστέρι, αλλά για να αφήσουν τις ακτές μας και να εξερευνήσουν άλλα νησιά στους απέραντους ωκεανούς του διαστήματος. Οι αστροφυσικοί έχουν επίσης αναρωτηθεί (αν ανακαλύψουμε κάτι τέτοιο) για τη φύση ενός τέτοιου εξωγήινου πολιτισμού.
Εάν επρόκειτο να συμπεράνουμε τη βιοχημεία οποιασδήποτε μορφής ζωής από αυτό που έχουμε ήδη συναντήσει, που είναι καλά, εμείς, θα συμπεραίναμε ότι θα βασιζόταν στον άνθρακα. Ο άνθρακας, ή όπως τακτικά απεικονίζει η επιστημονική φαντασία, ο πλησιέστερος ξάδελφος του άνθρακα, το πυρίτιο. Ωστόσο, ο Carl Sagan ονόμασε αυτή την ενοριακή άποψη Carbon σωβινισμός. Πίστευε ότι δεν έπρεπε να περιορίσουμε τη φαντασία μας και γελοιοποιούσε την υπόθεση ότι η εξωγήινη ζωή θα έμοιαζε με τη ζωή στη Γη.
Η ζωή σε όλη της την ποικιλία.
Ωστόσο, λόγω της απόλυτης κυριαρχίας του στη Γη, ο άνθρακας παραμένει η καλύτερη εικασία μας. Δεδομένου αυτού, τι κάνει τον άνθρακα τόσο ξεχωριστό;
Η ζωή είναι πολύπλοκη
Κάθε μορφή ζωής, φυτική ή ζωική, είναι η ενσάρκωση της πολυπλοκότητας. Ο πρώτος αυτοαναπαραγόμενος οργανισμός εξέλιξε όλο και πιο πολύπλοκες βιολογικές λειτουργίες ενσωματώνοντας όλο και περισσότερη μοριακή πολυπλοκότητα. Εδώ, η πολυπλοκότητα αναφέρεται στην καλλιέργεια εκατομμυρίων περίπλοκων χημικών δεσμών και αντιδράσεων που είναι επιτακτική ανάγκη για τη διατήρηση ανώτερων μορφών ζωής. Μια πρωτόγονη μορφή ζωής, όπως μια αμοιβάδα, καλλιεργεί πολύ μικρότερη μοριακή πολυπλοκότητα από ένα ανώτερο θηλαστικό, όπως ο σκύλος.
Η μοριακή πολυπλοκότητα επέτρεψε τη σύνθεση λειτουργιών, όπως η αναπνοή, η απέκκριση, η πέψη και το πιο σημαντικό, η αναπαραγωγή. Τίποτα από αυτά δεν θα ήταν δυνατό χωρίς άνθρακα. Χωρίς άνθρακα, δεν θα υπήρχε DNA, πρωτεΐνες, λιπίδια, σάκχαρα, λίπος, μυϊκός ιστός ή οτιδήποτε άλλο που συνθέτει το υλικό της ζωής.
(Φωτογραφία:Pixabay)
Λαμβάνοντας υπόψη τα 118 στοιχεία που είναι γνωστά στον άνθρωπο, είναι περίεργο γιατί μόνο 5-6 από αυτά χρησιμοποιούνται για την κατασκευή οργανικής ζωής. Το πιο συνηθισμένο από αυτά είναι, φυσικά, το carbon, αφιερωμένο στις γελοιότητες του οποίου είναι ένας ολόκληρος κλάδος της χημείας. Είναι οι εξαιρετικές θερμοδυναμικές και χημικές ιδιότητες του άνθρακα που τον καθιστούν τόσο ανώτερο από άλλα στοιχεία.
Δυνατότητα άνθρακα
Ένα άτομο άνθρακα έχει τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους, επιτρέποντάς του να σχηματίσει τέσσερις απλούς δεσμούς (μεθάνιο), δύο διπλούς δεσμούς (διοξείδιο του άνθρακα) και έναν τριπλό δεσμό (ακετυλένιο, ένα καύσιμο συγκόλλησης και μια πρώτη ύλη για τη σύνθεση πλαστικού). Η κυριαρχία του άνθρακα, ωστόσο, δεν είναι αποτέλεσμα της ικανότητάς του να σχηματίζει αυτούς τους πολύπλοκους δεσμούς, αλλά μάλλον την ευκολία και την ελαστικότητα με την οποία τους σχηματίζει. Στην πραγματικότητα, όλα τα στοιχεία που βρίσκονται στη στήλη που καταλαμβάνει ο άνθρακας στον περιοδικό πίνακα διαθέτουν τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους, αλλά η σταθερότητα των δεσμών που σχηματίζουν είναι ασύγκριτη με τον άνθρακα.
Η χημική δομή ενός θραύσματος τεσσάρων ζευγών βάσεων μιας διπλής έλικας DNA. (Φωτογραφία:Thomas Shafee / Wikimedia Commons)
Ακόμη και το πυρίτιο, το στοιχείο που βρίσκεται ακριβώς κάτω από τον άνθρακα, σχηματίζει αμέτρητα μόρια, αλλά ένα μόριο πυριτίου με διπλούς δεσμούς, σε αντίθεση με τον άνθρακα με διπλούς δεσμούς, είναι παροδικό - η αστάθειά του τελικά το αναγκάζει να χωριστεί σε άτομα πυριτίου με μονό δεσμό. Τα μόρια άνθρακα, όπως οι υδρογονάνθρακες, ένα από τα πιο σημαντικά είδη μορίων για τη διατήρηση της ζωής, δεν είναι ούτε πολύ εύθραυστα για να διασπαστούν εύκολα, ούτε πολύ άκαμπτα για να αποτρέψουν την πλαστικότητα και την προσαρμοστικότητα. Αυτό επιτρέπει στα ένζυμα να χειρίζονται εύκολα τα μόρια του άνθρακα. Επιπλέον, οι αντιδράσεις με το πυρίτιο δεν είναι και τόσο αποτελεσματικές. Το διοξείδιο του πυριτίου είναι ένα τεράστιο μόριο (άμμος), σε σύγκριση με το διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο υπάρχει άνετα ως αέριο.
Η ζωή με βάση το πυρίτιο δεν μπορεί να επιβιώσει στη Γη ούτως ή άλλως. Το πυρίτιο είναι πιο αντιδραστικό από τον άνθρακα και μπορεί να σχηματίσει μακριές «αλυσίδες» μορίων, που θυμίζουν υδρογονάνθρακες, αλλά θα αντιδράσει επίσης βίαια με το οξυγόνο σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτό σημαίνει ότι αλυσίδες πυριτίου ή «σιλάνια» δεν θα μπορούσαν να έχουν επιβιώσει στην ατμόσφαιρά μας. Η ζωή με βάση τον άνθρακα επίσης δεν θα είχε επιβιώσει εάν οι οργανισμοί αποθήκευαν ενέργεια απευθείας ως υδρογονάνθρακες - τα αλκάνια είναι από μόνα τους αρκετά εύφλεκτα (βενζίνη και κηροζίνη), αλλά οι οργανισμοί με βάση τον άνθρακα αποθηκεύουν ενέργεια ως σάκχαρα, λιπίδια, αλκοόλες και άλλοι υδρογονάνθρακες που παρουσιάζουν πολύ διαφορετικές χημικές ουσίες ιδιότητες.
Ένας δηλητηριώδης βάτραχος φράουλας από ένα τροπικό δάσος στον Παναμά. (Προσφορά:Dirk Ercken/Shutterstock)
Όλες αυτές οι ιδιότητες μπορούν να εξηγηθούν με μία μόνο δήλωση:ο άνθρακας είναι το μικρότερο άτομο που διαθέτει τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους. Το μέγεθός του το καθιστά τον ιδανικό φίλο για δημιουργία. Τα ομόλογα ενός κλάδου δεν επηρεάζονται από τα ομόλογα άλλων υποκαταστημάτων. Ωστόσο, η ζωή θα ήταν αδύνατο να κατασκευαστεί εάν η φύση δεν είχε τις πρώτες ύλες. Ο άνθρακας είναι άφθονος στη Γη, επομένως η φύση δεν θα μπορούσε να χάσει την ευκαιρία. Αξιοποίησε τις ιδιότητές του για να χτίσει τη ζωή από την αρχή!
