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最も高いセコイアから、最も賢い人間、最も毒性の強いキノコ、最も小さな細菌まで…地球上の全ての生命を結びつけるものが一つあります。それは全ての生命が炭素化学に基づいているという事実です。この元素は非常に重要で、有機化学という独自の化学分野があるほどです。
しかし炭素は地球上で最も豊富な元素ではありません。それは酸素です。また最も安定しているわけでもなく、ヘリウムのような元素もあります。表面的には、特に特別には見えません。しかし私たちの体の構成を見ると、細胞のあらゆる場所に炭素が見つかります。私たちの体の20%は炭素でできていますが、地球の大気、海洋、地殻の質量の1%未満しか占めていません。
なぜ生命は、酸素やケイ素のような豊富な元素や、大気の78%を占める窒素などが利用可能だったにもかかわらず、炭素を私たちの体内で20倍も濃縮する手間をかけたのでしょうか？大きな疑問は「なぜ？」です。これから、その理由を調べ、自然がこの重要な元素である炭素を選択した論理を追っていきます。
それでは早速始めましょう…
周期表には94の自然に存在する元素があります。選択肢がこれほど多いのに、なぜすべてが炭素をベースにしていて、他のものではないのでしょうか？答えは3つの要素に集約されます：複雑性、豊富さ、そして安定性です。これはどういう意味でしょうか？まず複雑性から始めましょう。
炭素は生命に必要な複雑な化学反応のために、複雑な分子構造を形成することができます。なぜ炭素はこれができるのでしょうか？これを理解するには、化学の基礎である物理学、特に量子力学を見る必要があります。量子力学によれば、一部の電子軌道配置はエネルギー的に他よりも有利であり、より安定しています。
電子の最も安定した配置は、周期表の右端にある希ガスのものです。これらは外殻の電子が完全に埋まった特別な元素です。これはある原子が持ち得る最もエネルギーが低い配置です。これにより、より安定するために他の原子と結合して電子を共有、獲得、または失う必要がないため、化学的に安定しています。
これもまた、一般的に他の原子と相互作用して分子を形成しないため、化学的に不活性である理由です。なぜ希ガスだけがこのような性質を持ち、他の元素はそうではないのでしょうか？…それは、彼らが外殻を完全に埋めるのに適切な数の電子を持つための適切な数の陽子を持っているからです。化学の背後にある推進力は、システムの中で最もエネルギー効率の良い状態、最も低いエネルギー状態に到達することです。
そして大部分において、この最低エネルギー状態は、原子が希ガス元素のように外殻を完全に埋めることができるときに発生します。そして一部の原子は、他の原子と電子を共有することで、共有結合と呼ばれる化学結合を形成してこれを達成できます。元素の周期表は、ある元素が他の元素と形成できる結合の最大数を列ごとに簡単に確認できるように配置されています。
表の左列から始めると、最初のグループの原子は最大1つの結合を形成できます。2列目の元素は2つの結合を形成できます。3列目は3つの結合です。この傾向は4つの結合を形成できる4列目まで続きます。その後、最大結合数は減少し、5列目の元素は最大3つの結合しか形成できません。
次に2つの結合、1つの結合、そして最後に最も右の列である希ガス元素は0の結合です。これらはすでに最も安定しています。あなたが気づくのは、炭素は最大数の結合を形成できる元素のグループに属していることです。全部で6つの電子を持ち、そのうち4つが外殻にあります。
外殻を埋めるためには、希ガスのネオンのように8つにするためにさらに4つの電子が必要です。そのため、より安定するために他の原子から最大4つの追加電子を共有して共有結合を形成することができます。これにより炭素は非常に多用途になります。レゴブロックが2面ではなく4面で接続できると想像してみてください。それは物を構築するのが容易になるでしょう。
各炭素原子は他の炭素原子を含む最大4つの他の原子と強く安定した結合を形成できます。炭素のこの特性により、生命に必要な複雑な化学機能に必要な複雑な分子を形成する能力が得られます。炭素ベースの分子は長い非反復的なポリマー鎖を形成でき、閉じたリングを形成でき、そして他の元素との単結合、二重結合、または三重結合を形成できます。
何百万もの可能な構成があります。これらを総合すると、炭素は膨大な数の化学プロセスに参加できるユニークな能力を持っています。容易に長く安定したポリマー鎖を形成でき、例えば多くの情報を運ぶことができます。これはDNAの場合です。結局のところ、DNAは生物を構成するすべての情報を運んでいます。
そしてDNAの構成要素である4つのヌクレオチドは複雑です。炭素はこの複雑さに対応できるため、部分的にバックボーンとなっています。他の元素はそれほど興味深くありません。例えば、地球上で最も豊富な元素である酸素は、2つの結合しか形成できません。これは、2つの他の原子と結合すると、もう終わりということです。
炭素のように興味深い複雑な分子の足場を本当に形成することはできません。ホウ素は3つの結合を形成できるので興味深いかもしれませんが、分子構造もかなり複雑になる可能性があります。問題は非常に希少であるため、生命がそのバックボーンとして選択するのに十分に利用可能ではないということです。
これが、生命が炭素に着目した2つ目の要因である豊富さです。炭素は多用途であるだけでなく、豊富でもあります。太陽系で最も豊富な上位5つの元素を見ると、豊富さの順に次のようになります：1.水素 2.ヘリウム 3.酸素 4.炭素 5.窒素
そして私たちの体内で最も豊富な上位5つの元素を見ると、豊富さの順に次のようになります：1.酸素 2.炭素 3.水素 4.窒素 5.カルシウム。そこで分かるのは、太陽系の上位5つの元素のうち4つが、人体を構成する上位5つの元素にも含まれているということです。
これは、なぜ生命が炭素に基づいているのかについての別の手がかりを与えます。宇宙には豊富にあります。非常に豊富です。たくさん持っているものを使って何かを構築する方が簡単です。レゴブロックが十分になければお城は建てられません。この時点で、もし豊富さがそれほど重要なら、豊富で4つの結合も形成できるケイ素や、3つの結合しか形成しないが大気の78%を占める窒素についてはどうなのかと疑問に思うかもしれません。
これが自然が生命に選んだ最も適した元素を決定する3つ目の要因、安定性につながります。これは結合の安定性を意味します。それを見てみましょう。先ほど述べたように、周期表の構造は各列のすべての元素が同じ一般的な性質を持つという経験則があります。
炭素は14族または4族（数え方によって異なる）の中で最も軽い元素です。したがって、ケイ素やゲルマニウムのような姉妹元素も同様の化学的能力を持つと予想されます。ケイ素は列の中で次に軽い元素です。周期表上の位置から、炭素と同様に4つの価電子を持つことがわかります。
これは4つの共有結合も形成できることを意味します。炭素からできているすべての分子に対して、ケイ素がその位置にある類似した分子が存在する可能性があります。ケイ素も地球上に非常に豊富です。実際、地球には炭素よりもケイ素の方が多くあります。ただ地球の地殻内の岩石に閉じ込められているだけです。
化学的には、ケイ素は炭素と同様に外殻に4つの不対電子を持っています。主な違いは、ケイ素の不対電子が原子核からより遠く、3番目の殻にあるのに対し、炭素の電子は原子核により近い2番目の殻にあることです。これによりケイ素の電子は原子核により弱く結合しています。
その結果、ケイ素が自身を含む他の原子と結合すると、形成される結合は弱く、したがって安定性が低くなります。数値を示すと、ケイ素-ケイ素の結合強度は196kJ/molです。対照的に、炭素-炭素結合は334kJ/molでより強いです。この結合強度の要因も、窒素が有機化学のバックボーンとして適していない理由です。窒素の結合強度は炭素のおよそ半分です。
段ボールから作られた基礎で超高層ビルを建てることはできません。構造的なサポートは壁、窓、ドアを支えるために強くなければなりません。有機分子も同じニーズを持っています。バックボーンは、分子の他の部分が結合を壊して他の分子と化学的に反応する条件に耐えるのに十分な強度が必要です。
そのため、炭素-炭素の足場はその機能的な構成要素が分解している間も無傷のままである必要があります。窒素やケイ素で作られた分子の足場はより簡単に分解されてしまいます。そこで今、周期表に戻り、最初の3行の元素を見てみましょう。化学的に不活性な元素をすべて取り除き、2つ以上の結合を形成できない元素を取り除き、豊富さが極めて低い元素をすべて取り除くと、炭素、窒素、ケイ素が残ります。
次に、強力な分子のバックボーンを作るために自身との強い単結合を形成できない元素を取り除くと、最良の選択肢として実質的に炭素だけが残ります。豊富さ、複雑な構造を形成する能力、そして他の炭素原子との安定した結合という最高の組み合わせにより、生命に独自に適しています。
とはいえ、条件が適切であれば、地球外の惑星にケイ素ベースの生命体が存在することを排除するものは何もありません。この論理によれば、ゲルマニウム、スズ、さらには鉛でできた超高密度の生物を想像することもできます。しかし、元素が重くなるほど希少になる傾向があることを念頭に置く必要があります。
例えば、ゲルマニウムは炭素よりも少なくとも5桁少なく、スズはさらに希少です。地球上の圧力と温度は、溶媒として液体の水を使用し、生物学的化学反応が行われる安定した基盤を形成できる炭素ベースの分子を使用する生命体にうまく適合しています。
あまりに寒すぎると水は氷になり、化学的な輸送に問題が生じます。あまりに熱すぎると、炭素ポリマー鎖が簡単に壊れるという問題が発生します。確実にはわからないかもしれませんが、極端な環境を除いて、炭素が他のすべてを凌駕している可能性は十分にあります。しかし、何も排除することはできず、生命が理論的に発生する可能性のある条件については開かれた心を持つ必要があります。
例えば、タイタンにはエタンとメタンの湖があります。これらの液体は地球上の水のように、異なるタイプの生命体によって溶媒として使用される可能性があります。そのため、異なる温度と圧力では、別の元素が生命により適している可能性が考えられます。私のパトロンサポーターの一人が指摘したのは、私たち炭素生命体が現在、ケイ素人工生命体を作成する過程にある可能性があるということです。
そしてこのプロセスは加速しています。この形態の生命は、近い将来、地球上に存在する可能性があります。しかし、地球外での生命の証拠はありません。宇宙では非常に希少かもしれません。つまり、様々な元素が豊富に利用可能であっても、これらの様々な元素の相互作用や化学反応が生命の発生に必要な重要なプロセスなのです。
そのプロセスが有機化学です。さらなる学習のために、今日の動画のスポンサーであるWondriumで最近観た素晴らしいコース「有機化学の基礎」を強くお勧めします。そのタイトルが示す通り、このビデオで紹介した内容の詳細と基礎を理解するのに役立ちます。
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