第一章
我们的宇宙是生命的摇篮

第一节
碳元素是生命的核心元素

生命是由多种化学元素组成的，主要是氢、氧、碳、氮、硫、磷、钾、钠、钙、镁、铁。而宇宙大爆炸和随后的发展不仅产生了我们的宇宙，包括星系以及星系里面的恒星、行星和卫星，而且还产生了生命赖以形成的各种化学元素。而生命是高度复杂的有机体，需要结构和功能复杂的分子来执行各种功能。这样的复杂大分子是如何形成的呢？

从理论上说，如果1个原子可以和多个原子形成共价键，在和第一个原子相连的原子中，又至少有1个原子可以和多个原子形成共价键，在和第二个原子相连的原子中，也有原子可以和一个以上的原子相连，这样下去就可以形成越来越大、越来越复杂的分子。是否有元素的原子可以满足这个要求呢？幸运的是，在我们的宇宙中，有一种元素叫做碳（carbon），它就能够通过电子共享形成长链（分支的或不分支的）或者环，成为各种生物大分子的骨架。正是因为我们的宇宙中有碳，生命才成为可能。

碳元素在周期表第2周期的中间，外层有4个电子，说多不多，说少不少。无论是失去4个电子使下一层的电子成为外层电子，还是得到4个电子使外层电子变为8个，难度都很大，唯一满足外层电子为8个的途径就是通过电子共享。可是碳原子的4个外层电子中，已经有两个填入了2s亚层的轨道，另外两个分别填入3个3p轨道中的两个。所以碳原子和氧原子一样，只有两个未配对电子可以和其他的原子共享。但是和氧原子不同，碳原子这两个未配对电子的共享只能使碳原子的外层电子增加到6个，离8个的满员状态还差两个。怎么办呢？碳原子有一个“办法”，就是把所有4个外层电子都变成未配对电子。2s轨道上的一个电子先被“激发”（从外界得到一些能量），跳到余下的一个空的2p轨道上，这样1个2s轨道和3个2p轨道都只有一个电子，也就是4个电子都变成了未配对电子。不仅如此，这样各有1个电子的2s轨道和2p轨道还彼此混合，形成4个完全相同的sp³“杂化”轨道，在空间均匀分布，就像一个由4个等边三角形围成的4面体，碳原子位于4面体的中心，4个轨道的方向就是中心碳原子和4个顶角的连线。每个轨道里的未配对电子都可以通过轨道重叠和其他原子的未配对电子配对，形成4个共价键。例如甲烷分子（CH4）就是1个碳原子中的4个sp³杂化轨道分别和氢原子的1s轨道重叠而形成的。碳原子位于4面体的中央，氢原子位于4个顶角上。（图1-1上）

图1-1 碳原子的共价键。上图：甲烷分子。下图：乙烯分子

由于碳原子可以形成4个共价键，如果碳原子上再连上碳原子，第二个碳原子用一个电子与第一个碳原子形成共价键，还有3个电子可以和其他原子形成共价键。如果与第二个碳原子相连的原子中，又有一个碳原子，这个碳原子也通过共价键与第二个碳原子相连，就可以再连上一个碳原子。这样发展下去，就可以形成由碳原子组成的长链，链上的碳原子用“余下”的共价键与氢原子相连，就可以形成碳氢化合物（hydrocarbons）的分子。汽油就是多种碳氢化合物的混合物。如果链中的碳原子除了连上氢原子外，还连上羟基（hydroxylgroup，由一个氧原子和一个氢原子组成基团 —OH），还可以形成像葡萄糖这样的分子。除了形成由碳原子组成的直链，如果链中的一个碳原子连上三个碳原子，还可以形成分支的链。如果末端的碳原子又连回第一个碳原子，就会形成环状分子。这样，碳原子就可以生成各种生物分子中的“骨架”，上面再连上不同的功能基团，形成功能各异的各种生物分子（图1-2）。

我们身体里面的许多分子，例如葡萄糖、氨基酸、脂肪酸，都是这样组成的，它们的骨架都是由碳原子相连而成。我们现在看到的煤和石油，主要成分就是过去的生物大分子经过地下高温高压下分解，残留下来的碳骨架。从这个意义上讲，地球上的生物是以碳为基础的。

上面说的碳原子的“直链”只是简化的说法，由于碳原子的4个共价键不在一个平面上，由碳原子以单键相连组成的长链实际上是弯弯曲曲的，只在总体上像一条直链（图1-2右上）。两个碳原子通过一个共价键相连时，这两个碳原子是可以带着与它们相连的原子或者原子团相互转动的，就像两个塑料球被一根牙签穿在一起。由于碳原子的4个共价键是伸向四面体的4个方向的，每个单键又可以转动，所以由单键连起来的碳-碳长链具有高度的“柔韧性”，可以弯曲成各种形状。这样的碳氢链的形状在图2-16中可以看到：

碳原子之间除了用单键相连，还可以通过共价双键，甚至共价三键相连。在两个碳原子通过双键相连时，它的2s轨道只和3个2p轨道中的两个实行杂化，形成3个相同的sp²杂化轨道，第三个2p轨道不变。这3个sp²杂化轨道分布在一个平面上，彼此之间有120度的夹角，没有改变的2p轨道则和这个平面垂直（见图1-1中）。两个碳原子用各用一个sp²轨道彼此相连，形成1个共价键。两个碳原子没有改变的2p轨道由于呈哑铃形，可以彼此融合，形成碳原子之间的另一个共价键，这样两个碳原子就以两个共价键相连。两个碳原子其余的sp²轨道还可以和其他的原子相连。如果都连上氢原子，就会形成乙烯（见图1-1下）；如果还连有碳原子，还可以形成长链，例如图1-2中的不饱和脂肪酸。

图1-2 生物分子中的碳骨架。在辅酶Q的分子中，上为氧化型，下为还原型，线条交汇处即为碳原子。右下方有字母n的括弧表示括弧里面的部分有n个单位彼此相连，所以辅酶Q有一根很长的侧链。这种画法使得图形更加紧凑

与碳原子之间通过单键相连时可以彼此转动不同，两个碳原子通过双键相连时，就像用两个牙签穿在一起的两个塑料球，就不能彼此相互转动了。这时双键和两个碳原子上面的其他两个单键都在一个平面上，而且单键和双键不能在一条直线上（见图1-1左下）。如果碳原子之间的双键发生在碳链之中，碳链在这个地方就会出现一个“拐弯”（见图1-2中的不饱和脂肪酸，即分子中有碳-碳双键的脂肪酸）。在图1-2的辅酶Q分子中，环上的碳原子以双链相连，使得环上的6个碳原子都在一个平面上。