Karbon temelli yaşam

Karbon, Dünya üzerinde bilinen tüm yaşamın birincil bileşenidir ve tüm kuru biyokütlenin yaklaşık %45-50'sini temsil eder. Karbon bileşikleri Dünya'da doğal olarak bol miktarda bulunur. Karmaşık biyolojik moleküller, diğer elementlerle, özellikle oksijen ve hidrojenle ve sıklıkla nitrojen, fosfor ve kükürt ile (topluca CHNOPS olarak bilinir) bağlı karbon atomlarından oluşur.

Bir karbon atomunun dört değerlik elektronunu gösteren Lewis yapısı

Hafif ve nispeten küçük boyutlu olduğundan, karbon moleküllerinin enzimler tarafından işlenmesi kolaydır. Karbonik anhidraz bu sürecin bir parçasıdır. Periyodik tabloda karbonun atom numarası 6'dır. Karbon döngüsü, Dünya üzerindeki yaşamın uzun bir süre boyunca sürdürülmesinde önemli olan biyojeokimyasal bir döngüdür. Döngü, karbon tutulmasını ve karbon yutaklarını içerir. Levha tektoniği, uzun bir zaman dilimi boyunca yaşam için gereklidir ve levha tektoniği sürecinde karbon bazlı yaşam önemlidir. Dünya'da 3,80 ile 3,85 milyar yıl önce yaşamış olan demir ve kükürt bazlı Anoksijenik fotosentez yaşam formlarının bolluğu, bol miktarda siyah şeyl yatakları üretmektedir. Bu şeyl birikintileri, özellikle deniz tabanında ısı akışını ve kabuğun kaldırma kuvvetini artırarak levha tektoniğinin artmasına yardımcı oluyor. Talk, plaka tektoniğini yönlendirmeye yardımcı olan başka bir organik mineraldir. İnorganik süreçler aynı zamanda levha tektoniğinin yönlendirilmesine de yardımcı olur. Karbon bazlı fotosentez yaşamı, Dünya'daki oksijenin artmasına neden oldu. Oksijendeki bu artış levha tektoniğinin ilk kıtaları oluşturmasına yardımcı oldu. Astrobiyolojide, eğer evrenin başka yerlerinde yaşam varsa, bunun da karbon temelli olacağı sıklıkla varsayılır. 1973'teki Carl Sagan gibi eleştirmenler bu varsayıma karbon şovenizmi adını veriyor.

Özellikler

Karbon, bugüne kadar açıklanan neredeyse on milyon bileşikle diğer elementlerden daha fazla çok sayıda bileşik oluşturma kapasitesine sahiptir ve yine de bu, standart koşullar altında teorik olarak mümkün olan bileşik sayısının yalnızca bir kısmıdır. Organik bileşikler olarak bilinen karbon bileşiklerinin muazzam çeşitliliği, bunlarla karbon içermeyen inorganik bileşikler arasında bir ayrıma yol açmıştır. Organik bileşikleri inceleyen kimya dalına organik kimya denir.

Karbon, yerkabuğunda en çok bulunan 15. elementtir ve kütle bakımından evrende hidrojen, helyum ve oksijenden sonra en çok bulunan dördüncü elementtir. Karbonun yaygın bolluğu, çok sayıda başka elementle kararlı bağlar oluşturma yeteneği ve Dünya'da yaygın olarak karşılaşılan sıcaklıklarda alışılmadık polimer oluşturma yeteneği, onun bilinen tüm canlı organizmaların ortak bir elementi olarak hizmet etmesini sağlar. 2018 yılında yapılan bir araştırmada, karbonun Dünya üzerindeki tüm yaşamın yaklaşık 550 milyar tonunu oluşturduğu tespit edildi. İnsan vücudunda kütlece oksijenden sonra en çok bulunan ikinci elementtir (yaklaşık %18,5).

Hücresel yaşamın kimyasının temeli olarak karbonun en önemli özellikleri, her bir karbon atomunun diğer atomlarla aynı anda dört değerlik bağı oluşturabilmesi ve bir karbon atomuyla bağ kurmak veya kırmak için gereken enerjinin hem kararlı hem de reaktif olabilen büyük ve karmaşık moleküllerin oluşturulması için uygun bir seviyededir. Karbon atomları kolaylıkla diğer karbon atomlarına bağlanır; bu, katenasyon olarak bilinen bir işlemle keyfi uzunlukta makromoleküllerin ve polimerlerin oluşturulmasına olanak tanır. Stephen Hawking'in 2008'deki bir konferansında "Normalde 'yaşam' olarak düşündüğümüz şey, nitrojen veya fosfor gibi diğer birkaç atomla birlikte karbon atomu zincirlerine dayanır", "karbon [...] en zengin kimyaya sahiptir" demiştir.

Norman Horowitz, Mars yüzeyine insansız bir araştırmayı başarıyla indirmek için 1976'daki ilk ABD misyonu olan Viking Lander'ın Jet İtki Laboratuvarı'nın biyobilim bölümünün başkanıydı. Karbon atomunun çok yönlülüğünün, onu diğer gezegenlerde hayatta kalma sorunlarına çözümler, hatta egzotik çözümler sağlama olasılığı en yüksek olan element haline getirdiğini düşünüyordu. Ancak bu görevin sonuçları, Mars'ın şu anda karbon temelli yaşama son derece düşman olduğunu gösterdi. Ayrıca, genel olarak, karbon olmayan yaşam formlarının, kendi kendini kopyalayabilen ve uyum sağlayabilen genetik bilgi sistemleriyle evrimleşebilmesinin çok uzak bir ihtimal olduğunu da düşünüyordu.

Önemli moleküller

Canlı organizmaların temel süreçlerinde kullanılan biyolojik makromoleküllerin en dikkate değer sınıfları şunları içerir:

• Canlı organizmaların yapılarının oluşturulduğu yapı taşları olan proteinler (organik kimyasal reaksiyonları katalize eden hemen hemen tüm enzimler buna dahildir).
• Amino asit, proteinleri oluşturan, yaşamın genetik kodunda kullanımını içeriyordu.
• Genetik bilgiyi taşıyan nükleik asitler.
• Ribonükleik asit (RNA), protein üretimi.
• Deoksiriboznükleik asit (DNA), genetik formdaki nükleik asit.
• Peptit, proteinlerin yapı taşı.
• Aynı zamanda enerjiyi de depolayan, ancak daha konsantre bir biçimde olan ve hayvanların vücutlarında uzun süre depolanabilen lipitler.
• Hücre zarında kullanılan fosfolipit .
• Enerjiyi canlı hücrelerin kullanabileceği biçimde depolayan karbonhidratlar.
• Proteinleri bağlamak için Lektin.
• Monosakkarit, glikoz ve fruktoz dahil basit şekerler.
• Disakkaritler, suda çözünebilen şekerler; laktoz, maltoz ve sükroz dahil.
• Amiloz ve amilopektinden oluşan nişasta, bitkilerin enerji deposudur.
• Glikojen, hayvanlarda enerji.
• Bitkilerin hücre duvarlarında bulunan bir biyopolimer olan selüloz.
• Yağ asidi, doymuş yağ ve doymamış yağ (yağ) olmak üzere iki türde enerji depolanır.
• İnsan vücudunun ihtiyaç duyduğu fakat sentezleyemediği esansiyel yağ asidi.
• Steroidt, hormon ve hücre zarında kullanılır.
• Nörotransmitter, sinyal molekülleridir.
• Kolesterol, hayvanların beyin ve omuriliğinde kullanılır.
• Balmumu, balmumu ve lanolinde bulunur. Koruma amaçlı kullanılan bitki mumu.

Su

Ana maddeler: Su, Fotosentez, Karbonun jeokimyası ve Hücre

Bitkilerde fotosentezin şeması. Üretilen karbonhidratlar bitkide depolanır veya bitki tarafından kullanılır. Fotosentez Dünyadaki gıdanın temelidir

Karbon temelli yaşam için sıvı su şarttır. Karbon moleküllerinin kimyasal bağlanması sıvı su gerektirir. Su, bileşik-çözücü eşleşmesi yapabilecek kimyasal özelliğe sahiptir. İnsanlarda vücudun %55 ila %60'ı sudur. Su, karbondioksitin geri dönüşümlü hidrasyonunu sağlar. Karbon temelli yaşamda karbondioksitin hidrasyonuna ihtiyaç vardır. Dünyadaki tüm yaşam aynı karbon biyokimyasını kullanır. Su, yaşamın karbonik anhidrazının karbondioksit ve su arasındaki etkileşiminde önemlidir. Karbonik anhidraz, yaşamdaki PH seviyelerini düzenleyen karbondioksitin hidrasyonu ve asit-baz homeostazisi için bir karbon bazlı enzim ailesine ihtiyaç duyar. Bitki yaşamında, bitkilerin ışık enerjisini ve karbondioksiti kimyasal enerjiye dönüştürmek için kullandıkları biyolojik süreç olan fotosentez için sıvı suya ihtiyaç vardır.

Diğer adaylar

Ana madde: Varsayımsal biyokimya türleri

Karbonun yaptığı gibi temel olarak biyolojik sistemleri ve süreçleri (mesela metabolizma gibi süreçleri) desteklemek için aday olarak birkaç başka element daha önerilmiştir. En sık önerilen alternatif ise silikondur. Atom numarası 14 olan ve karbonun iki katından daha büyük olan silikon, periyodik tabloda karbonla aynı grubu paylaşır, ayrıca dört değerlik bağı oluşturabilir ve ayrıca kendisine kolayca bağlanır, ancak genellikle uzun zincirler yerine kristal kafesler şeklindedir. Bu benzerliklere rağmen silikon, karbondan önemli ölçüde daha elektropozitiftir ve silikon bileşikleri, gerçekçi süreçleri makul bir şekilde destekleyecek şekilde farklı permütasyonlarla kolayca yeniden birleşmezler . Silikon Dünya'da bol miktarda bulunur, ancak daha elektropozitif olduğu için Si-Si bağları yerine esas olarak Si-O bağları oluşturur. Bor asitlerle reaksiyona girmez ve doğal olarak zincir oluşturmaz. Bu nedenle bor yaşama aday değildir. Arsenik yaşam için zehirlidir ve olası adaylığı reddedilmiştir. Geçmişte (1960'lar-1970'ler) yaşam için başka adaylar da makuldü, ancak zamanla ve daha fazla araştırmayla, yaşamın karmaşıklığı ve kararlılığı olarak yalnızca karbonun, polimerler gibi çok büyük moleküller oluşturması mümkün oldu. Bu nedenle yaşamın karbon temelli olması gerekir.

Kurgu

Karbon temelli olmayan varsayımsal yaşamın kimyasal yapısı ve özelliklerine ilişkin spekülasyonlar, bilim kurguda yinelenen bir tema olmuştur. Silikon, kimyasal benzerlikleri nedeniyle kurgusal yaşam formlarında sıklıkla karbonun yerine kullanılır. Sinema ve edebiyat bilim kurgularında, insan yapımı makinelerin cansızdan canlıya geçişi sırasında, bu yeni form çoğu zaman karbon temelli olmayan yaşamın bir örneği olarak sunuluyor. 1960'ların sonlarında mikroişlemcilerin ortaya çıkışından bu yana, bu tür makineler genellikle "silikon temelli yaşam" olarak sınıflandırıldı. Kurgusal "silikon temelli yaşamın" diğer örnekleri, yaşayan bir kaya yaratığının biyokimyasının silikona dayandığı Star Trek: The Original Series'in 1967 tarihli "Karanlıktaki Şeytan" bölümünde görülebilir. 1994 yılında The X-Files'ın "Firewalker" bölümünde, bir yanardağda silikon bazlı bir organizmanın keşfedildiği anlatılıyor.

Arthur C. Clarke'ın 1982 tarihli romanı 2010: Odyssey Two'nun 1984 tarihindeki film uyarlamasında bir karakter şunu savunuyor: "Karbon mu yoksa silikon temelli olmamız hiçbir temel fark yaratmaz; her birimize uygun saygıyla davranılmalıdır."

Daha büyük JoJo's Bizarre Adventure serisinin sekizinci bölümü olan JoJolion'da, silikon temelli yaşam formlarından oluşan gizemli bir ırk olan "Rock Humans", birincil düşmanlar olarak hizmet ediyor.

Galeri

• 
  Karbon döngüsü ileorganik bileşennoluşumu arasındaki ilişki.
• 
  Bitki hücre duvarı (selüloz) ve kloroplastlar, bitki hücrelerinde ve diğer ökaryotik organizmalarda fotosentezi gerçekleştirir.
• 
  Bitki hücre duvarındaki selüloz ve diğer polisakkaritlerindizilişi
• 
  Hücre türleri: ökaryotik hücre (solda) ve prokaryotik hücre (sağda)
• 
  Karbonun kara ve atmosfer arasındaki hareketini gösteren hızlı karbon döngüsü
• 
  Ekosistemlerde depolanan karbon
• 
  Su aktığında karbonun nereye gittiği
• 
  Okyanus karbon sorunu
• 
  Küresel karbonların basitleştirilmiş diyagramı
• 
  Karbon döngüsü diyagramı
• 
  Benzendeki üçlü karbon bağı
• 
  Organoalüminyum kimyasında alüminyumu pembe, karbona bağlı siyah ve hidrojeni beyaz olarak gösteren diizobütilalüminyum hidrür modeli
• 
  Uzun karbon zincirlerinden oluşanyağ asitleri

Ayrıca bakınız

• Karbon kaynağı (biyoloji)
• Hücre biyolojisi
• CHNOPS, canlı organizmalardaki en yaygın elementlerin sırasının nimonik bir kısaltmasıdır: karbon, hidrojen, nitrojen, oksijen, fosfor ve kükürt
• Karmaşık yaşam için yaşanabilir bölge

Dış bağlantılar

• "Encyclopedia of Astrobiology, Astronomy & Spaceflight". 19 Haziran 2006 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 14 Mart 2006. 
• "School of Chemistry, University of Bristol, United Kingdom".