第一章
我們的宇宙是生命的搖籃

第一節
碳元素是生命的核心元素

生命是由多種化學元素組成的，主要是氫、氧、碳、氮、硫、磷、鉀、鈉、鈣、鎂、鐵。而宇宙大爆炸和隨后的發展不僅產生了我們的宇宙，包括星系以及星系里面的恒星、行星和衛星，而且還產生了生命賴以形成的各種化學元素。而生命是高度復雜的有機體，需要結構和功能復雜的分子來執行各種功能。這樣的復雜大分子是如何形成的呢？

從理論上說，如果1個原子可以和多個原子形成共價鍵，在和第一個原子相連的原子中，又至少有1個原子可以和多個原子形成共價鍵，在和第二個原子相連的原子中，也有原子可以和一個以上的原子相連，這樣下去就可以形成越來越大、越來越復雜的分子。是否有元素的原子可以滿足這個要求呢？幸運的是，在我們的宇宙中，有一種元素叫做碳（carbon），它就能夠通過電子共享形成長鏈（分支的或不分支的）或者環，成為各種生物大分子的骨架。正是因為我們的宇宙中有碳，生命才成為可能。

碳元素在周期表第2周期的中間，外層有4個電子，說多不多，說少不少。無論是失去4個電子使下一層的電子成為外層電子，還是得到4個電子使外層電子變為8個，難度都很大，唯一滿足外層電子為8個的途徑就是通過電子共享。可是碳原子的4個外層電子中，已經有兩個填入了2s亞層的軌道，另外兩個分別填入3個3p軌道中的兩個。所以碳原子和氧原子一樣，只有兩個未配對電子可以和其他的原子共享。但是和氧原子不同，碳原子這兩個未配對電子的共享只能使碳原子的外層電子增加到6個，離8個的滿員狀態還差兩個。怎么辦呢？碳原子有一個“辦法”，就是把所有4個外層電子都變成未配對電子。2s軌道上的一個電子先被“激發”（從外界得到一些能量），跳到余下的一個空的2p軌道上，這樣1個2s軌道和3個2p軌道都只有一個電子，也就是4個電子都變成了未配對電子。不僅如此，這樣各有1個電子的2s軌道和2p軌道還彼此混合，形成4個完全相同的sp³“雜化”軌道，在空間均勻分布，就像一個由4個等邊三角形圍成的4面體，碳原子位于4面體的中心，4個軌道的方向就是中心碳原子和4個頂角的連線。每個軌道里的未配對電子都可以通過軌道重疊和其他原子的未配對電子配對，形成4個共價鍵。例如甲烷分子（CH4）就是1個碳原子中的4個sp³雜化軌道分別和氫原子的1s軌道重疊而形成的。碳原子位于4面體的中央，氫原子位于4個頂角上。（圖1-1上）

圖1-1 碳原子的共價鍵。上圖：甲烷分子。下圖：乙烯分子

由于碳原子可以形成4個共價鍵，如果碳原子上再連上碳原子，第二個碳原子用一個電子與第一個碳原子形成共價鍵，還有3個電子可以和其他原子形成共價鍵。如果與第二個碳原子相連的原子中，又有一個碳原子，這個碳原子也通過共價鍵與第二個碳原子相連，就可以再連上一個碳原子。這樣發展下去，就可以形成由碳原子組成的長鏈，鏈上的碳原子用“余下”的共價鍵與氫原子相連，就可以形成碳氫化合物（hydrocarbons）的分子。汽油就是多種碳氫化合物的混合物。如果鏈中的碳原子除了連上氫原子外，還連上羥基（hydroxylgroup，由一個氧原子和一個氫原子組成基團 —OH），還可以形成像葡萄糖這樣的分子。除了形成由碳原子組成的直鏈，如果鏈中的一個碳原子連上三個碳原子，還可以形成分支的鏈。如果末端的碳原子又連回第一個碳原子，就會形成環狀分子。這樣，碳原子就可以生成各種生物分子中的“骨架”，上面再連上不同的功能基團，形成功能各異的各種生物分子（圖1-2）。

我們身體里面的許多分子，例如葡萄糖、氨基酸、脂肪酸，都是這樣組成的，它們的骨架都是由碳原子相連而成。我們現在看到的煤和石油，主要成分就是過去的生物大分子經過地下高溫高壓下分解，殘留下來的碳骨架。從這個意義上講，地球上的生物是以碳為基礎的。

上面說的碳原子的“直鏈”只是簡化的說法，由于碳原子的4個共價鍵不在一個平面上，由碳原子以單鍵相連組成的長鏈實際上是彎彎曲曲的，只在總體上像一條直鏈（圖1-2右上）。兩個碳原子通過一個共價鍵相連時，這兩個碳原子是可以帶著與它們相連的原子或者原子團相互轉動的，就像兩個塑料球被一根牙簽穿在一起。由于碳原子的4個共價鍵是伸向四面體的4個方向的，每個單鍵又可以轉動，所以由單鍵連起來的碳-碳長鏈具有高度的“柔韌性”，可以彎曲成各種形狀。這樣的碳氫鏈的形狀在圖2-16中可以看到：

碳原子之間除了用單鍵相連，還可以通過共價雙鍵，甚至共價三鍵相連。在兩個碳原子通過雙鍵相連時，它的2s軌道只和3個2p軌道中的兩個實行雜化，形成3個相同的sp²雜化軌道，第三個2p軌道不變。這3個sp²雜化軌道分布在一個平面上，彼此之間有120度的夾角，沒有改變的2p軌道則和這個平面垂直（見圖1-1中）。兩個碳原子用各用一個sp²軌道彼此相連，形成1個共價鍵。兩個碳原子沒有改變的2p軌道由于呈啞鈴形，可以彼此融合，形成碳原子之間的另一個共價鍵，這樣兩個碳原子就以兩個共價鍵相連。兩個碳原子其余的sp²軌道還可以和其他的原子相連。如果都連上氫原子，就會形成乙烯（見圖1-1下）；如果還連有碳原子，還可以形成長鏈，例如圖1-2中的不飽和脂肪酸。

圖1-2 生物分子中的碳骨架。在輔酶Q的分子中，上為氧化型，下為還原型，線條交匯處即為碳原子。右下方有字母n的括弧表示括弧里面的部分有n個單位彼此相連，所以輔酶Q有一根很長的側鏈。這種畫法使得圖形更加緊湊

與碳原子之間通過單鍵相連時可以彼此轉動不同，兩個碳原子通過雙鍵相連時，就像用兩個牙簽穿在一起的兩個塑料球，就不能彼此相互轉動了。這時雙鍵和兩個碳原子上面的其他兩個單鍵都在一個平面上，而且單鍵和雙鍵不能在一條直線上（見圖1-1左下）。如果碳原子之間的雙鍵發生在碳鏈之中，碳鏈在這個地方就會出現一個“拐彎”（見圖1-2中的不飽和脂肪酸，即分子中有碳-碳雙鍵的脂肪酸）。在圖1-2的輔酶Q分子中，環上的碳原子以雙鏈相連，使得環上的6個碳原子都在一個平面上。