生命元素黑老大：凭什么创建生命帝国

刘萝卜锅

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。

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）。

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。

刘萝卜锅

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）。

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）。

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。

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。

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）。

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。

刘萝卜锅

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。不过我爱您中国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。

阅读前文

• 一个闲得蛋疼的问题：生命是什么？
• 生命的热力学基础：自组织能力
• 生死悖论｜非死不可PK永远不死
• 绳命的反鸡汤操作
• 宇宙万物形成的原动力：不满
  
  

相关文章

• 地球极简史
• 宇宙极简史
  
  

（关注微信号 每期早看到↘）

--------------版权声明--------------

阿什卡原创文章

转发请注明出处

--------------版权声明--------------