Av Chris Deziel
Uppdaterad 24 mars 2022
RTimages/iStock/GettyImages
Organiska föreningar - de som bildar livets kemi - definieras av närvaron av kol. Som det sjätte vanligaste grundämnet i universum och sjätte i det periodiska systemet, ger kolets unika elektroniska struktur en oöverträffad mångsidighet. Dess två elektroner med inre skal och fyra elektroner med yttre skal gör att den kan bilda fyra starka kovalenta bindningar, en egenskap som möjliggör sammansättning av stora, stabila molekyler även i vattenhaltiga miljöer. Detta gör kol oumbärligt inte bara för jordens biologi utan också för allt liv som kan existera någon annanstans.
Kolets fyra valenselektroner låter det bilda olika, robusta kovalenta bindningar, vilket skapar molekyler som förblir intakta i vatten. Nästan 10 miljoner unika kolföreningar har katalogiserats, som ligger till grund för alla levande system.
Atomer strävar efter en oktett - åtta elektroner i deras yttre skal - genom jonisk eller kovalent bindning. Kol, med sina fyra valenselektroner, kan både donera och ta emot elektroner och bilda upp till fyra kovalenta bindningar samtidigt. Denna flexibilitet illustreras av metan (CH₄), där varje väte delar ett elektronpar med kol, vilket uppfyller båda atomernas oktettkrav.
När två kolatomer delar ett enda elektronpar skapar de en stark bindning med tre kvarvarande bindningsställen vardera. Att lägga till fler kolatomer expanderar nätverket snabbt, vilket ger linjära kedjor, ringar eller komplexa polycykliska strukturer. De kombinatoriska möjligheterna är stora, vilket förklarar varför kemister har identifierat nästan 10 miljoner distinkta kolbaserade molekyler. Bland de mest livsviktiga för livet är kolhydrater, lipider, proteiner och nukleinsyror – mest känt, DNA.
Kisel, strax under kolet i det periodiska systemet, är 135 gånger mer rikligt på jorden och har också fyra yttre skalelektroner. Silikonets valenselektroner finns dock i den tredje orbitalen, som kan rymma upp till 18 elektroner, vilket resulterar i längre, svagare bindningar. Följaktligen är kisel-kiselbindningar mindre robusta än kol-kolbindningar vid livsvänliga temperaturer, och kiselbaserade föreningar löses eller sönderdelas ofta i vatten. Dessutom är kiseldioxid ett fast ämne, så all kiselbaserad metabolism skulle behöva driva ut fast avfall - ett osannolikt evolutionärt resultat. Dessa faktorer, i kombination med förekomsten av syre och nödvändigheten av gasformig CO₂ för energicykler, gynnar kol som livets kemi.
