El carbono es un componente principal de toda la vida conocida en la Tierra y representa aproximadamente el 45-50% de toda la biomasa seca . [1] Los compuestos de carbono se producen de forma natural en gran abundancia en la Tierra. Las moléculas biológicas complejas consisten en átomos de carbono unidos a otros elementos , especialmente oxígeno e hidrógeno y, con frecuencia, también nitrógeno , fósforo y azufre (conocidos colectivamente como CHNOPS ). [2] [3]
Debido a que es liviano y relativamente pequeño en tamaño, las moléculas de carbono son fáciles de manipular para las enzimas . La anhidrasa carbónica es parte de este proceso. El carbono tiene un número atómico de 6 en la tabla periódica . El ciclo del carbono es un ciclo biogeoquímico que es importante para mantener la vida en la Tierra durante un largo período de tiempo. El ciclo incluye el secuestro de carbono y los sumideros de carbono . [4] [5] La tectónica de placas es necesaria para la vida durante un largo período de tiempo, y la vida basada en el carbono es importante en el proceso de tectónica de placas. [6] Una abundancia de formas de vida de fotosíntesis anoxigénica basadas en hierro y azufre que vivieron hace 3.80 a 3.85 mil millones de años en la Tierra produce una abundancia de depósitos de esquisto negro . Estos depósitos de esquisto aumentan el flujo de calor y la flotabilidad de la corteza, especialmente en el fondo del mar, lo que ayuda a aumentar la tectónica de placas. El talco es otro mineral orgánico que ayuda a impulsar la tectónica de placas. [7] [8] Los procesos inorgánicos también ayudan a impulsar la tectónica de placas. [9] La vida basada en la fotosíntesis del carbono provocó un aumento del oxígeno en la Tierra. Este aumento de oxígeno ayudó a que la tectónica de placas formara los primeros continentes. [10] En astrobiología se supone con frecuencia que si existe vida en otras partes del universo , también estará basada en el carbono. [11] [12] Los críticos, como Carl Sagan en 1973, se refieren a esta suposición como chovinismo del carbono . [13]
El carbono es capaz de formar una gran cantidad de compuestos , más que cualquier otro elemento, con casi diez millones de compuestos descritos hasta la fecha, [14] y, sin embargo, eso es solo una fracción del número de compuestos que son teóricamente posibles en condiciones estándar. La enorme diversidad de compuestos de carbono, conocidos como compuestos orgánicos , ha llevado a una distinción entre ellos y los compuestos inorgánicos que no contienen carbono. La rama de la química que estudia los compuestos orgánicos se conoce como química orgánica . [15]
El carbono es el decimoquinto elemento más abundante en la corteza terrestre y el cuarto elemento más abundante en el universo en términos de masa, después del hidrógeno , el helio y el oxígeno . La abundancia generalizada del carbono, su capacidad para formar enlaces estables con muchos otros elementos y su capacidad inusual para formar polímeros a las temperaturas que se encuentran comúnmente en la Tierra le permiten servir como un elemento común de todos los organismos vivos conocidos. En un estudio de 2018, se descubrió que el carbono compone aproximadamente 550 mil millones de toneladas de toda la vida en la Tierra. [16] [17] Es el segundo elemento más abundante en el cuerpo humano en términos de masa (alrededor del 18,5 %) después del oxígeno. [18]
Las características más importantes del carbono como base de la química de la vida celular son que cada átomo de carbono es capaz de formar hasta cuatro enlaces de valencia con otros átomos simultáneamente, y que la energía requerida para hacer o romper un enlace con un átomo de carbono está en un nivel apropiado para construir moléculas grandes y complejas que pueden ser estables y reactivas. [19] Los átomos de carbono se unen fácilmente a otros átomos de carbono; esto permite la construcción de macromoléculas y polímeros arbitrariamente largos en un proceso conocido como concatenación . [20] [21] [22] "Lo que normalmente consideramos como 'vida' se basa en cadenas de átomos de carbono, con algunos otros átomos, como nitrógeno o fósforo", según Stephen Hawking en una conferencia de 2008, "el carbono [...] tiene la química más rica". [23]
Norman Horowitz fue el jefe de la sección de biociencia del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la primera misión estadounidense, Viking Lander de 1976 , que logró posar con éxito una sonda no tripulada en la superficie de Marte . Consideraba que la gran versatilidad del átomo de carbono lo convierte en el elemento con más posibilidades de aportar soluciones, incluso exóticas, a los problemas de supervivencia en otros planetas. Sin embargo, los resultados de esta misión indicaban que Marte era en la actualidad extremadamente hostil a la vida basada en el carbono. También consideraba que, en general, sólo existía una remota posibilidad de que formas de vida no basadas en el carbono pudieran evolucionar con sistemas de información genética capaces de autorreplicarse y adaptarse. [24]
Las clases más notables de macromoléculas biológicas utilizadas en los procesos fundamentales de los organismos vivos incluyen: [25]
El agua líquida es esencial para la vida basada en el carbono. La unión química de las moléculas de carbono requiere agua líquida. [30] El agua tiene la propiedad química de hacer el emparejamiento compuesto-disolvente. [31] En los humanos , del 55% al 60% del cuerpo es agua. [32] El agua proporciona la hidratación reversible del dióxido de carbono . La hidratación del dióxido de carbono es necesaria en la vida basada en el carbono. Toda la vida en la Tierra utiliza la misma bioquímica del carbono. El agua es importante en la anhidrasa carbónica de la vida , la interacción entre el dióxido de carbono y el agua. La anhidrasa carbónica necesita una familia de enzimas de base de carbono para la hidratación del dióxido de carbono y la homeostasis ácido-base , que regula los niveles de pH en la vida. [33] [34] En la vida vegetal , el agua líquida es necesaria para la fotosíntesis , el proceso biológico que utilizan las plantas para convertir la energía de la luz y el dióxido de carbono en energía química . [35]
Se han propuesto otros pocos elementos como candidatos para sustentar sistemas y procesos biológicos de manera tan fundamental como lo hace el carbono, por ejemplo, procesos como el metabolismo . La alternativa sugerida con más frecuencia es el silicio . [36] El silicio, de número atómico 14, más del doble del tamaño del carbono, comparte un grupo en la tabla periódica con el carbono, también puede formar cuatro enlaces de valencia y también se une a sí mismo fácilmente, aunque generalmente en forma de redes cristalinas en lugar de cadenas largas. A pesar de estas similitudes, el silicio es considerablemente más electropositivo que el carbono, y los compuestos de silicio no se recombinan fácilmente en diferentes permutaciones de una manera que pueda sustentar plausiblemente procesos similares a la vida. El silicio es abundante en la Tierra, pero como es más electropositivo, forma principalmente enlaces Si-O en lugar de enlaces Si-Si. [37] El boro no reacciona con ácidos y no forma cadenas de forma natural. Por lo tanto, el boro no es un candidato para la vida. [38] El arsénico es tóxico para la vida y su posible candidatura ha sido rechazada. [39] [40] En el pasado (década de 1960-1970) otros candidatos para la vida eran plausibles, pero con el tiempo y más investigación, sólo el carbono tenía la complejidad y estabilidad para la vida, para formar moléculas muy grandes, como polímeros. Por lo tanto, la vida debe basarse en el carbono. [41] [42] [43] [44]
Las especulaciones sobre la estructura química y las propiedades de la vida hipotética no basada en el carbono han sido un tema recurrente en la ciencia ficción . El silicio se utiliza a menudo como sustituto del carbono en formas de vida ficticias debido a sus similitudes químicas. En la ciencia ficción cinematográfica y literaria, cuando las máquinas creadas por el hombre pasan de no estar vivas a estar vivas, esta nueva forma se presenta a menudo como un ejemplo de vida no basada en el carbono. Desde la llegada del microprocesador a finales de la década de 1960, estas máquinas suelen clasificarse como "vida basada en el silicio". Otros ejemplos de "vida basada en el silicio" ficticia se pueden ver en el episodio de 1967 " El diablo en la oscuridad " de Star Trek: La serie original , en el que la bioquímica de una criatura rocosa viviente se basa en el silicio. [45] En el episodio de 1994 de Expediente X " Firewalker ", en el que se descubre un organismo basado en silicio en un volcán. [46] [47]
En la adaptación cinematográfica de 1984 de la novela 2010: Odisea dos de Arthur C. Clarke de 1982 , un personaje argumenta: "No hay ninguna diferencia fundamental entre si estamos basados en carbono o en silicio; a cada uno de nosotros se nos debe tratar con el debido respeto". [48]
En JoJolion , la octava parte de la serie más grande JoJo's Bizarre Adventure , una misteriosa raza de formas de vida basadas en silicio, los "Humanos de Roca", sirven como antagonistas principales. [49]
La mayoría de las moléculas biológicas están formadas por combinaciones covalentes de seis elementos importantes, cuyos símbolos químicos son CHNOPS. ... Aunque se pueden encontrar más de 25 tipos de elementos en las biomoléculas, seis elementos son los más comunes. Estos se denominan elementos CHNOPS; las letras representan las abreviaturas químicas de carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, fósforo y azufre.
