主题：碳元素, 水与生命 -- ton
家园 碳元素, 水与生命 本文是应版主不爱吱声兄的邀约而写. 文中谈及的都是一些个人看法, 欢迎大家讨论指正.
在讨论电子赵括兄的贴子中, 好几位朋友提出是否在一些极端条件下存在非碳基生命 (如硅或磷). 小弟认为这种可能性是微乎其微的. 换言之, 碳有可能是唯一的生命”基础”元素.
首先, 我想分子必须大到或复杂到一定程度 (比如说, 分子量达到百万或千万, 所含的原子数目达数十万或百万) 才有可能成为生命的基础 (请哪位大老证实一下) . 这就要求作为生命基础的元素必须能够生成稳定的长链 ( 环可以看作是首尾相接的链) . 其次, 如果复杂的高级生命必然导致具有特定功能的组织, 系统的产生的话, 那么代谢产物对生命基础元素的限制就会很强. 具体的讲, 代谢产物的生成必须 1. 有能量的产生以维持生命活动, 2. 代谢的产物必须稳定且易于输送和便于排泄.
在已知的稳定化学元素中, 碳无疑是满足以上条件的. 碳链( 间或杂有其他原子) 稳定地存在于大量的大分子有机化合物中. 有机物与氧反应生成二氧化碳, 这一过程会产生大量能量, 而且二氧化碳稳定, 而且较易溶于水, 利于输送.
那么有没有可能别的化学元素, 如硅或磷, 也能满足上述条件呢? 我想大家都同意温和条件下 (如地球环境) 这种可能性几乎是不存在的. 但是, 即使在极端条件下, 这两种元素几乎不可能满足这些条件.
我想大家所指的极端条件不外乎高温高压, 高温低压, 低温低压和低温高压这四种情况. 首先我们来考察低温的两种情况. 我们知道温度是分子平均动能的标示. 低温标示着低的分子能量, 而低的分子能量则意味着高的化学反应势垒, 而高的化学反应势垒必然导致两个结果: 1. 化学反应的可能性大大降低, 2. 化学反应的能量输出大大减少. 因而, 在低温的条件下, 即使有生命产生, 这些 (种) 生命也必然是行动缓慢, 反应迟缓的. 是很难进化到高级生命的. 我们甚至可以人为, 不管压力如何, 在低温的条件下, 发生生命现象的几率是极低的.
在考察高温情况前, 我们先来看一看硅和磷的电子结构. 硅和磷都是第三周期元素. 硅与碳同属第四主族, 磷属第五主族. 硅的电负性大于碳, 因此硅的非金属性小于碳. 这导致硅原子与别的原子间的共价键的稳定性远小于相应的碳的共价键. 而这又导致在高温的情况下硅的化合物的稳定性小于相应的碳的化合物的稳定性. 而我们知道, 在温度较高时, 碳的化合物本身已不稳定, 因此几乎可以肯定, 高温下硅的化合物也是不稳定的. 实际上, 这似乎以被天文观测所证实. 我们在星际光谱中发现了一些较大的有机物, 如糖, 醛的踪影, 但从未见过有硅 (或磷) 的报道. 所以我猜想, 在我们所在的这个宇宙中, 以硅为基础的大分子, 很有可能是不存在的. 再来看磷的情况. 一方面, 高温状态下磷的化合物也不稳定, 另一方面, 虽然磷的电负性与碳相似, 但由于磷的最外电子层有5个电子, 这使磷原子在进行sp3杂化时 (别的杂化轨道更不可行. 此文不讨论这一情况) 必然有一孤对电子存在. 而由于孤对电子的较大的排斥作用, 与磷原子相连接的基团间必然较相应的碳的情况更为接近. 这导致相应的磷的反应中空间阻碍效应大为增加, 使磷的链接更为困难. 因此, 以磷为基础的大分子出现的几率较硅更小.
从代谢的最终产物来看, 以硅或磷为基础的生命的几率也是不大的. 硅和磷的氧化物是这两种元素最为稳定的小分子化合物, 如果有以硅或磷为基础的生命存在, 那么这些生命的代谢产物很有可能是相应的氧化物. 但硅的氧化物, 二氧化硅, 实际上并不以分子存在. 它实际上是一种原子晶体 (石英就是较纯净的二氧化硅晶体) , 几乎不溶于任何溶剂. 也就是说, 就生命来讲, 对二氧化硅的输送几乎是不可能的. 而基于相似的原因, 磷也是不适于作为生命的基础物质.
非硅或磷的其它非碳元素更不可能成为生命的基础, 原因此处不详谈. 总之, 我认为, 非碳生命几乎是不太可能存在的.
如果碳是唯一的生命基础元素, 那么我们几乎可以肯定地说, 水是生命发生和存活的必要条件之一. 在前面几个贴子中, 我已大致讨论了氢键对于生命的重要性, 此处不再重复 (有兴趣的朋友可以查看以前的贴子) . 本文想讨论一下为什么在所有能够生成氢键的物质中, 只有水最有可能成为生命的基础物质. 实际上, 小弟认为, 水很可能是唯一可能的.
在一个贴子中, 我提到相对于氨的碱性和氟化氢的酸性, 呈中性的水是最适合于生命的. 对此, 海天兄提出了非水体系的问题. 具体的讲, 就是会不会存在以氨为体液/溶剂的生命体系 (基于氟化氢的强腐蚀性, 以氟化氢为体液的生命应该是不存在的) . 对此我认为是不太可能的. 不提液态氨存在所必须的温压条件, 如果如前文所述, 生命体代谢必然产生二氧化碳, 那么, 在运输这些二氧化碳时, 必然与作为溶剂的氨反应产生水. 这些产生的水会立刻与氨相互溶解产生一个水基体系. 而由于氨的碱性, 水与氨形成的溶液会立刻与后来的二氧化碳反应生成淅盐 (二氧化碳溶于水形成碳酸, 呈弱酸性) . 由于淅盐的稳定性远远大于碳酸, 从淅盐中再分解产生二氧化碳而排泄是很困难的. 所以一个以氨为体液的碳基生命的体液和循环系统将会很快变成碳酸淅盐的饱和溶液而不再具有运输和排泄二氧化碳的能力, 从而最终导致生命体快速死亡. 这就是说, 以氨为体液的生命体系几乎是不太可能产生的.
如果我们从一个大的角度来看生命现象, 也许生命的产生与进化同样反映了我们这个宇宙的一个深刻哲理或原理. 我猜想我们的这个宇宙从现象上是极为复杂的, 而从本质上则是极为简单的. 从物理的角度看, 也许我们最终只有一种基本粒子或作用, 而由于不同能级下的自发对称破缺, 使这个宇宙产生了4种作用力和多种粒子从而形成了这个纷繁多彩的宇宙. 而碳元素加上水这种简单的物质, 再加上少数几种别的元素, 则产生了这个种类繁多, 形式多样的生命世界. 也许, 当上帝创造我们和我们的这个世界时, 为了保证复杂性, 她选择了最简单. 而如果她选择复杂的话, 结果很可能是简单的: 宇宙将不会有物质产生, 从而不会有智慧生命的产生, 因而也就不会有人问: “ 生命的形式有几种?” 如果真有上帝存在的话.
本帖一共被 1 帖 引用 (帖内工具实现)家园 好文推推 但是，妖道还是有些不同的观点，在这里提出来，欢迎讨论指正.
首先，让我们来讨论一下生命存在的方式。生命存在的最根本的特征有两个，自我复制和新陈代谢。根据耗散理论，在远离平衡点的条件下，某些外界物质不稳定分布存在的情况下，输入能量，可以将这些能量用来转化物质的外在分布的方式，从而形成高级有序的结构。这些高级有序的结构，在一定的情况下，可能形成自我复制的结构，并利用外在的能量进行新陈代谢。
换句话说，就是生命的存在只能在相对温和的条件下，因为这样的存在条件使得所有的化学反应远离平衡点，同时，外在的能量输入的情况下才能够相对于物质本来存在的能量有一个或者几个数量级的差异。这样的差异水平才能保证这些能量可以在不破坏物质的前提下，转换成影响物质排列方式，并形成高级有序结构的结构。并在物质重排中进行新陈代谢。
对于碳基生命，因为碳基键的键能在几个到十几个千焦的水平上，使得在一个到几个大气压的条件下，这种键的存在是非常稳定的。才有可能使碳水化合物有分子量达到几千到几万的水平（因为这种条件下，外界能量超过几个千焦的可能性比较小）。至于分子量达到百万或千万, 所含的原子数目达数十万或百万，就不是单个分子自己能够做到的事情了，（因为此时外界的流体剪切力对于大分子可以轻易达到十几个千焦的水平）。而只能以聚合体的形式存在，或者在极端的条件下，才能够维持住。（比如说我们的DNA，即使最短的23号染色体，在溶液的状态下，如果没有蛋白质组成高级结构维持住，是绝对不会存在的。DNA在没有外在蛋白存在的条件下不会超过20k，也就说分子量不会超过一百万，这还是在完全静止的液体中）。蛋白质倒是可以足够的大。但是越大的分子在自我复制的时候，出错的可能性也就越大。所以在一个维持低复制错误的体系中（这也是生命的又一个重要的特征），单个分子的最大长度或分子量是有限度的。
由此可以知道，大分子的出现，是生命的必要条件，但是这些所谓的大分子，所在的尺度要比现在的生物大分子小得多。
那么究竟有没有可能出现以其它元素为核心出现生命的可能性呢？我觉得ton已经说得够明白的了，没有必要在这里画蛇添足了。只是要补充一点，以键能的匹配来看，也是同样的结果。但是，这一切都是在我们目前所存在的宇宙部分分析所得出的结果。至于极端，如黑洞存在情况下的物理定律和耗散规则，我们并不知道，也许，在那种情况下会有另外形式的生命存在。唯一值得高兴的是，我们肯定是不会有机会见识了。
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家园 为什么火星上没有形成生命---特例 今天翻了一下最近一期的自然杂志。上面一篇文章讨论了为什么在火星上没有形成生命的原因。
大家都知道，火星在形成早期跟地球的形成早期是很相似的。也曾有过大规模的火山爆发，也曾形成过原始海洋，但是在火星地表的碳化合物的含量非常地少。预示着在早期火星的原始海洋中，并没有形成高级的碳水化合物。
为什么在相近的环境下，竟会出现如此不同的结果？
文章解释说，简单碳化合物的形成并在原始海洋中累积，是形成高级结构碳化合物的基础。在火星上，因为表面含有大量的硫元素，和铁元素。使得原始海洋呈现酸性，在这样的条件下，低级的碳化合物很快被催化成铁化合物，并被硫还原分解，这样的一个环境体系，在化学上不是远离平衡点，而是非常接近平衡点。所以，获得的能量在化学反应中被不停的消耗掉，无法形成更加高级的结构。另外，早期的碳化合物在中性或者碱性的条件下能够形成沉积物，在这些沉积物的表面极大的提高各种碳化合物的含量，进而提高高级化合物的生成速度。而在酸性条件下，沉积物会很快转化成 二氧化碳，释放到空气中，所以，也就没有高级的碳化合物生成。自然也没有生命。
家园 长知识啊 磷对身体有哪些作用?,谈先生能不能再分析一把?
- 复 长知识啊
家园 青方兄谈得很好。就不敢再献丑了 
- 复 长知识啊
家园 能量的载体 有趣的是磷酸产物象ATP（三磷酸酰酐）是能量的重要载体，而糖代谢的第一步是在葡萄糖激酶（GK）的催化下葡萄糖的磷酸化过程。磷酸化过程在代谢里发挥着重要的作用，很多蛋白的磷酸化也是蛋白发生作用的重要步骤。所以磷元素也是不可缺少的。
ton兄对碳为生命的基本元素分析的很有道理，碳能以多种形式存在，气体的形式，二氧化碳又能溶解在水里形成碳酸，也是pH的重要缓冲体系，又是能量的载体，无疑碳是一个很理想的别的元素又无法替代的生命基本元素。
但碳元素本身是无法单一组成生命的，需要与氢，氧，磷，钠，钾等共同完成生命的构建，而随着生命形式的复杂化，越来越多的元素也成为生命的必需，象参与激素形成的碘，锌等微量元素，还有镁也很重要。
不清楚在火星上是不是也都存在着这些元素？这些元素以一定比例存在在星球上，也许也是生命产生的一个必要条件。
