الحياة القائمة على الكربون

الحياة القائمة على الكربون هي مفهومٌ يُشير إلى أن الكربون هو العنصر الأساسي لجميع أشكال الحياة المعروفة ، ومكوّنٌ رئيسيٌّ لجميع الجزيئات البيولوجية المعقدة، حيث يُمثّل الكربون ما يقارب 45-50% من الكتلة الحيوية الجافة . تتكوّن الجزيئات البيولوجية المعقدة من ذرات كربون مرتبطة بعناصر أخرى، ولا سيما الأكسجين والهيدروجين، ولكن غالبًا ما ترتبط أيضًا بالنيتروجين والفوسفور والكبريت ( المعروفة مجتمعةً باسم CHNOPS ) . [ 1 ] [ 2 ] في هذه الجزيئات ، تُساهم إلكترونات ^{التكافؤ الأربعة للكربون ، وما يتبعها} من ميلٍ لتكوين أربع روابط، في وظيفته كـ"هيكل" للجزيئات العضوية. بالإضافة إلى خصائص الكربون على المستوى الجزيئي، تعتمد الحياة على الأرض أيضًا على عمليات واسعة النطاق تُعرف بدورة الكربون ، والتي تشمل عمليات جيولوجية وجوية.

على الرغم من الاعتقاد السائد بأن أي حياة تُكتشف في أي مكان آخر في الكون ستكون على الأرجح قائمة على الكربون، فقد نوقش السيليكون والبورون كبدائل نظرًا لقدرتهما على تكوين 4 أو 5 روابط على التوالي. وقد أدت هذه الاحتمالات إلى ظهور قصص في أدب الخيال العلمي تتضمن حياة قائمة على السيليكون أو البورون أو عناصر بديلة أخرى.

إن وفرة الكربون على نطاق واسع ، وقدرته على تكوين روابط مستقرة مع العديد من العناصر الأخرى، وقدرته الفريدة على تكوين البوليمرات في درجات الحرارة الشائعة على الأرض، تجعله عنصرًا مشتركًا بين جميع الكائنات الحية المعروفة. في دراسة أجريت عام 2018، وُجد أن الكربون يُشكّل ما يقارب 550 مليار طن من جميع أشكال الحياة على الأرض. ^{[ 3 ] [ 4 ]} ويُشكّل الكربون حوالي 50% من الكتلة الحيوية للأرض بوزنها الجاف (أي بدون ماء). ^{[ 5 ]} ويتراوح محتوى الكربون في أنواع الكتلة الحيوية المختلفة بين 42% و71%. ^{[ 6 ]}

تتمثل أهم خصائص الكربون كأساس لكيمياء الحياة الخلوية في قدرة كل ذرة كربون على تكوين ما يصل إلى أربع روابط تكافؤية مع ذرات أخرى في آن واحد، وأن الطاقة اللازمة لتكوين أو كسر رابطة مع ذرة كربون تُعدّ مناسبة لبناء جزيئات كبيرة ومعقدة، قد تكون مستقرة ونشطة في الوقت نفسه. ^{[ 7 ]} ترتبط ذرات الكربون بسهولة مع ذرات كربون أخرى؛ وهذا يسمح ببناء جزيئات ضخمة وبوليمرات طويلة كيفما كانت في عملية تُعرف باسم التكاتف . ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} يقول ستيفن هوكينج في محاضرة ألقاها عام 2008: "ما نعتبره عادةً "حياة" يقوم على سلاسل من ذرات الكربون، مع وجود عدد قليل من الذرات الأخرى، مثل النيتروجين أو الفوسفور، والكربون [...] يمتلك أغنى كيمياء." ^{[ 11 ]}

نظراً لخفة وزن جزيئات الكربون وصغر حجمها نسبياً، يسهل على الإنزيمات التعامل معها. يُعدّ إنزيم الأنهيدراز الكربوني إنزيماً أساسياً لجميع أشكال الحياة القائمة على الكربون. ^{[ 12 ]}

تشمل أبرز فئات الجزيئات الحيوية الكبيرة المستخدمة في العمليات الأساسية للكائنات الحية ما يلي: ^{[ 13 ]}

• البروتينات ، وهي اللبنات الأساسية التي تُبنى منها هياكل الكائنات الحية (يشمل ذلك جميع الإنزيمات تقريبًا ، التي تحفز التفاعلات الكيميائية العضوية). ^{[ 1 ]}
• الأحماض الأمينية ، التي تُكوّن البروتينات، تُستخدم في الشفرة الوراثية للحياة. ^{[ 1 ]}
• الأحماض النووية ، التي تحمل المعلومات الوراثية . ^{[ 1 ]}
• الحمض النووي الريبي (RNA)، إنتاج البروتينات. ^{[ 14 ]}
• الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA)، وهو حمض نووي في شكله الوراثي. ^{[ 15 ]}
• الببتيد ، وهو وحدة بناء البروتينات. ^{[ 1 ]}
• الدهون ، التي تخزن الطاقة أيضاً، ولكن بشكل أكثر تركيزاً، والتي يمكن تخزينها لفترات طويلة في أجسام الحيوانات. ^{[ 1 ]}
• الفوسفوليبيد المستخدم في غشاء الخلية . ^{[ 1 ]}
• الكربوهيدرات ، التي تخزن الطاقة في شكل يمكن أن تستخدمه الخلايا الحية . ^{[ 1 ]}
• الليكتين ، لربط البروتينات. ^{[ 16 ]}
• السكريات الأحادية ، وهي سكريات بسيطة، بما في ذلك الجلوكوز والفركتوز . ^{[ 1 ]}
• السكريات الثنائية ، وهي سكريات قابلة للذوبان في الماء، بما في ذلك اللاكتوز والمالتوز والسكروز . ^{[ 1 ]}
• النشا ، المكون من الأميلوز والأميلوبكتين ، هو مخزن الطاقة في النباتات. ^{[ 1 ]}
• الجليكوجين ، مصدر الطاقة في الحيوانات. ^{[ 1 ]}
• السليلوز ، وهو بوليمر حيوي ، يوجد في جدران خلايا النباتات. ^{[ 1 ]}
• الأحماض الدهنية ، بنوعيها، الدهون المشبعة والدهون غير المشبعة (الزيوت)، هي طاقة مخزنة. ^{[ 1 ]}
• الأحماض الدهنية الأساسية ، وهي ضرورية ولكن لا يقوم الجسم البشري بتصنيعها. ^{[ 1 ]}
• الستيرويد ، الهرمون ، ويستخدم في غشاء الخلية. ^{[ 1 ]}
• الناقلات العصبية هي جزيئات إشارة . ^{[ 17 ]}
• الكوليسترول ، الذي يُستخدم في دماغ وحبل شوك الحيوانات. ^{[ 1 ]}
• الشمع ، الموجود في شمع العسل واللانولين . شمع نباتي يستخدم للحماية. ^{[ 1 ]}

الماء السائل ضروري للحياة القائمة على الكربون. فالترابط الكيميائي لجزيئات الكربون يتطلب وجود الماء السائل. ^{[ 18 ]} يتميز الماء بخاصية كيميائية تمكنه من تكوين أزواج من المركبات والمذيبات. ^{[ 19 ]} يوفر الماء عملية ترطيب عكسية لثاني أكسيد الكربون ، وهي عملية ضرورية للحياة القائمة على الكربون. تستخدم جميع الكائنات الحية على الأرض نفس العمليات الكيميائية الحيوية للكربون. يلعب الماء دورًا هامًا في تفاعل الأنهيدراز الكربوني، وهو التفاعل بين ثاني أكسيد الكربون والماء. يحتاج الأنهيدراز الكربوني إلى مجموعة من الإنزيمات القائمة على الكربون لترطيب ثاني أكسيد الكربون والحفاظ على التوازن الحمضي القاعدي ، الذي ينظم مستويات الرقم الهيدروجيني في الكائنات الحية. ^{[ 20 ]} في النباتات ، يُعد الماء السائل ضروريًا لعملية التمثيل الضوئي ، وهي العملية البيولوجية التي تستخدمها النباتات لتحويل الطاقة الضوئية وثاني أكسيد الكربون إلى طاقة كيميائية . ^{[ 21 ]} يشكل الماء من 55% إلى 60% من وزن جسم الإنسان. ^{[ 22 ]}

دورة الكربون هي دورة بيوجيوكيميائية بالغة الأهمية لاستمرار الحياة على الأرض على مدى فترات زمنية طويلة. تشمل هذه الدورة عزل الكربون ومستودعاته . [ ^{23 ] [ 24 ] تُعدّ} حركة الصفائح التكتونية ضرورية لاستمرار الحياة على مدى فترات زمنية طويلة، وتُعدّ الحياة القائمة على الكربون مهمة في عملية هذه الحركة. ^{[ 25 ]} أنتجت أشكال الحياة التي تعتمد على الحديد والكبريت ، والتي تقوم بعملية التمثيل الضوئي اللاهوائي، والتي عاشت على الأرض قبل 3.80 إلى 3.85 مليار سنة، كميات وفيرة من رواسب الصخر الزيتي الأسود . تزيد هذه الرواسب من تدفق الحرارة وطفو القشرة الأرضية، خاصة في قاع البحر، مما يُسهم في زيادة حركة الصفائح التكتونية. يُعدّ التلك معدنًا عضويًا آخر يُساعد في دفع حركة الصفائح التكتونية. ^{[ 26 ] [ 27 ]} كما تُساهم العمليات غير العضوية أيضًا في دفع حركة الصفائح التكتونية. ^{[ 28 ]} تسببت الحياة القائمة على الكربون، والتي تقوم بعملية التمثيل الضوئي، في ارتفاع نسبة الأكسجين على الأرض. وقد ساعدت هذه الزيادة في الأكسجين على تشكيل القارات الأولى بفعل حركة الصفائح التكتونية. ^{[ 29 ]}

يُفترض في علم الأحياء الفلكي غالبًا أنه إذا وُجدت حياة في مكان آخر من الكون ، فستكون قائمة على الكربون أيضًا. ^{[ 30 ] [ 31 ]} ويشير النقاد، مثل كارل ساغان عام 1973، إلى هذا الافتراض بـ" التعصب الكربوني" . ^{[ 32 ]} وقد اقتُرحت بعض العناصر الأخرى كمرشحة لدعم الأنظمة والعمليات البيولوجية بنفس أهمية الكربون، مثل عمليات الأيض . ويُعد السيليكون البديل الأكثر شيوعًا . ^{[ 33 ]} فالسيليكون، ذو العدد الذري 14، أكبر من الكربون بأكثر من الضعف، ويشترك معه في نفس المجموعة في الجدول الدوري ، كما أنه قادر على تكوين أربع روابط تكافؤية ، ويرتبط بنفسه بسهولة، وإن كان ذلك عادةً على شكل شبكات بلورية بدلًا من سلاسل طويلة. وعلى الرغم من هذه التشابهات، فإن السيليكون أكثر كهرجابية من الكربون، ولا تتحد مركباته بسهولة لتكوين تراكيب مختلفة بطريقة تدعم بشكل معقول عمليات شبيهة بالحياة. السيليكون متوفر بكثرة على الأرض، ولكنه نظرًا لكونه أكثر كهرجابية وفي بيئة مائية، فإنه يُكوّن روابط Si–O بدلًا من روابط Si–Si. ^{[ 34 ]} لا يتفاعل البورون مع الأحماض ولا يُكوّن سلاسل بشكل طبيعي. لذا، لا يُعد البورون مرشحًا للحياة. [35] الزرنيخ سام ^{للحياة ، وقد} رُفض ترشيحه المحتمل. ^{[ 36 ] [ 37 ]} في الماضي (الستينيات والسبعينيات) كانت هناك مرشحات أخرى للحياة واردة، ولكن مع مرور الوقت والمزيد من البحث، أصبح الكربون وحده يمتلك التعقيد والاستقرار اللازمين لتكوين جزيئات وبوليمرات كبيرة ضرورية للحياة. ^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]}

لطالما كانت التكهنات حول التركيب الكيميائي وخصائص الحياة غير الكربونية موضوعًا متكررًا في الخيال العلمي . غالبًا ما يُستخدم السيليكون كبديل للكربون في الكائنات الحية الخيالية نظرًا لتشابههما الكيميائي. في الخيال العلمي السينمائي والأدبي، عندما تنتقل الآلات المصنعة من حالة الجماد إلى حالة الحياة، يُقدَّم هذا الشكل الجديد عادةً كمثال على الحياة غير الكربونية. منذ ظهور المعالج الدقيق في أواخر الستينيات، تُصنَّف هذه الآلات غالبًا على أنها "حياة سيليكونية". يمكن رؤية أمثلة أخرى على "الحياة السيليكونية" الخيالية في حلقة " الشيطان في الظلام " من مسلسل " ستار تريك: السلسلة الأصلية " عام 1967 ، حيث تعتمد الكيمياء الحيوية لكائن صخري حي على السيليكون. ^{[ 41 ]} وفي حلقة " فاير ووكر " من مسلسل " ملفات إكس " عام 1994 ، حيث تم اكتشاف كائن حي سيليكوني في بركان. ^{[ 42 ] [ 43 ]}

في الفيلم المقتبس عام 1984 من رواية آرثر سي كلارك عام 1982 بعنوان 2010: أوديسي تو ، تقول إحدى الشخصيات: "سواء كنا نعتمد على الكربون أو على السيليكون، فلا فرق جوهري؛ يجب أن نعامل كل منا باحترام مناسب." ^{[ 44 ]}

في جوجوليون ، الجزء الثامن من سلسلة مغامرات جوجو العجيبة الأكبر ، يمثل جنس غامض من الكائنات الحية القائمة على السيليكون "البشر الصخريون" الخصوم الرئيسيين. ^{[ 45 ]}

• 
  العلاقة بين دورة الكربون وتكوين المركبات العضوية .
• 
  يقوم جدار الخلية النباتية ( السليلوز ) والبلاستيدات الخضراء بعملية التمثيل الضوئي في الخلايا النباتية والكائنات الحية حقيقية النواة الأخرى .
• 
  ترتيب السليلوز والسكريات المتعددة الأخرى في جدار الخلية النباتية
• 
  أنواع الخلايا : خلية حقيقية النواة (يسار) وخلية بدائية النواة (يمين)
• 
  دورة الكربون السريعة التي توضح حركة الكربون بين الأرض والغلاف الجوي
• 
  الكربون المخزن في النظم البيئية
• 
  أين يذهب الكربون عندما يتدفق الماء؟
• 
  دورة الكربون في المحيطات
• 
  رسم تخطيطي مبسط لدورة الكربون العالمية
• 
  مخطط دورة الكربون
• 
  الرابطة الثلاثية للكربون في البنزين
• 
  نموذج لهيدريد ثنائي إيزوبوتيل الألومنيوم ، يوضح الألومنيوم باللون الوردي، والمرتبط بالكربون باللون الأسود، والهيدروجين باللون الأبيض في كيمياء الألومنيوم العضوية
• 
  الأحماض الدهنية تتكون من سلاسل طويلة من الكربون

• مصدر الكربون (علم الأحياء)
• علم الأحياء الخلوي
• CHONPS ، وهو اختصار تذكيري لترتيب العناصر الأكثر شيوعًا في الكائنات الحية: الكربون ، والهيدروجين ، والأكسجين ، والنيتروجين ، والفوسفور ، والكبريت .
• منطقة صالحة للسكنى للحياة المعقدة

• "موسوعة علم الأحياء الفلكي وعلم الفلك ورحلات الفضاء" . تم الاطلاع عليها بتاريخ 14-03-2006 .
• "كلية الكيمياء، جامعة بريستول، المملكة المتحدة" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 28 أبريل 2021. تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 أغسطس 2009 .