Bajo revisión. Esta respuesta fue escrita hace algún tiempo y está desactualizada. Lo siento si obtuviste esto en un resumen, Quora no comprueba antes de enviarlos.
Debo disculparme por una respuesta larga aquí, pero a veces las preguntas grandes necesitan respuestas largas. Entonces, comenzaré explicando que la vida no es solo carbono, sino que involucra principalmente la química del hidrógeno, carbono, nitrógeno y oxígeno. Todos estos están contenidos dentro de los ocho elementos más ligeros de la tabla periódica. El agua está hecha de elementos ligeros. La respuesta a la pregunta planteada es que el carbono forma fácilmente cadenas largas y es abundante en todo el universo.
La razón por la que estos elementos más ligeros son abundantes es que se forman dentro de las estrellas por los procesos básicos de la fusión nuclear. Las estrellas más grandes y viejas producen elementos más y más pesados. Desde hidrógeno hasta hierro y níquel, las reacciones de fusión termonuclear producen estos elementos y liberan energía. El carbono no se creó en una gran explosión, proviene del “flash de carbono”, ya que esa reacción se enciende en una estrella “ardiente”. Para todos los usuarios de Google, el término de búsqueda sería algo así como: Nucleosíntesis estelar como la wiki muestra:
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Incidentalmente, para producir elementos más pesados que el hierro y el níquel, la estrella debe tomar prestada energía de su estructura existente y sufrir una explosión. Básicamente, una estrella masiva consume suficiente de sus combustibles más ligeros, y luego, de manera repentina y catastrófica, colapsa bajo su propia gravedad, liberando grandes cantidades de energía. Esta masa se precipita hacia el núcleo y luego, literalmente, rebota nuevamente y arroja materia al espacio, como un fertilizante cósmico, junto con mucha energía de radiación. En el proceso, los elementos más pesados que el hierro tienen la posibilidad de ser creados por la reacción de fusión, y muchos de ellos también vuelven a formar átomos más estables. Otra fuente de neutrones proviene de interacciones que involucran objetos compactos, como estrellas de neutrones e incluso cerca de agujeros negros, que pueden crear los elementos más pesados. Las cantidades relativas son conocidas como las “abundancias cósmicas” de los elementos. Esto significa que es muy probable que la vida en el universo tenga acceso a toda la gama de elementos más pesados según las abundancias cósmicas, aunque depende en gran medida de la forma en que se formen los planetas y su historia, y de si son gélidos, gaseosos o rocosos. .
El gráfico de Wikipedia a continuación es más regular que el gráfico basado en el peso, ya que se expresa en número atómico en lugar de peso atómico. (Vea los comentarios a continuación, discutiendo por qué Li Be y B pueden ser tan bajos).
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Archivo: SolarSystemAbundances.png
Ahora, un planeta recién formado es un poco triste, si es rocoso, hay una buena posibilidad de que todos los elementos pesados hayan migrado al núcleo, y la radiación que producen mantiene al planeta caliente durante mucho tiempo, lo que tiende a para hervir las sustancias volátiles, asistidas por el viento solar que efectivamente las elimina. Parecería que la Tierra tuvo una colisión que produjo la luna y aumentó el núcleo de hierro para brindarnos protección adicional contra la radiación dañina, por no mencionar una corteza más delgada que permite la tectónica de placas y las posibilidades evolutivas derivadas de eso. Ningún otro planeta que sepamos tiene placas tectónicas. Además, ningún otro planeta tiene granito, lo que ciertamente sugiere que tiene un origen biológico, bueno, al menos como consecuencia.
Y también parece cierto que una gran cantidad de agua y minerales como el oro, etc. se depositaron en la superficie de nuestro planeta debido a los impactos, junto con una rica infusión de sustancias orgánicas. Esto puede ser sorprendentemente complejo, hay una química orgánica completa entre las estrellas, y vale la pena recordar que las reglas pueden ser muy diferentes en condiciones tan diferentes. Lo más importante es que es probable que el fósforo del que dependen las formas de vida superiores también se haya enviado desde el espacio a la superficie de nuestro planeta. ¿Este fósforo ya era parte de alguna forma de vida? Polémico.
Los cuerpos grandes en el cinturón de asteroides como Ceres probablemente no son asteroides como tales, sino que son planetas exteriores capturados, y estos son los tipos de cuerpos que entregaron agua a la Tierra primitiva. La tierra primitiva acumuló reservas de arcillas amoníacas, como un precursor de la vida, que se remontan a 3.8 Gyr. Los nuevos resultados de la misión Dawn sobre Ceres indican que la superficie de Ceres contiene arcillas amoniadas, al igual que varias lunas del sistema solar exterior, y existe una escuela de pensamiento que sostiene que los materiales de arcilla están implicados en la vida temprana en la tierra.
Los océanos también contenían una gran cantidad de hierro disuelto, pero con la llegada de las bacterias productoras de oxígeno, se depositaron como óxidos. La vida tiene una tendencia a limpiar los océanos de metales pesados precipitándolos como flóculos minerales, por lo que la radioactividad en los océanos se puede mantener en niveles seguros. Desafortunadamente, las actividades del hombre están intentando revertir este arduo trabajo.
El silicio no es el próximo mejor candidato para la vida, y no forma cadenas largas con facilidad. De hecho, las cadenas de sílice en las rocas alternan silicio y oxígeno. Esta idea probablemente se derive de las películas de ciencia ficción y la confusión con la tecnología de chip de silicio. Además, no olvide que la atmósfera natural de los planetas es una atmósfera reductora, no oxidativa. De hecho, su próximo mejor candidato es Sulphur. Está en la misma columna de la tabla periódica que el oxígeno.
Hay una animación aquí Crofts Lab Página de inicio
describiendo una molécula compleja que consiste en enlaces Fe-S alternos (hierro – azufre). Hay dos imágenes para que puedas mirarlas con los ojos cruzados y obtener una imagen estereoscópica. Este tipo de descubrimientos son característicos de las bacterias termofílicas y formas de vida similares.
Hay un pasaje en la biblia que habla de los mares convirtiéndose en azufre. En los primeros días de las pruebas atómicas en el océano, alguien señaló que había una posibilidad de reacción en cadena nuclear que fusionaba dos átomos de oxígeno juntos, produciendo azufre. Ya no conducen tales explosiones bajo el agua, solo para asegurarnos de que no cumplimos una profecía bíblica.
No tienes que suponer que la vida comenzó solo en la tierra. En realidad, solo hay dos posibilidades, ya sea que la vida exista solo en la Tierra, o es ubicua en todo el universo.
El otro ingrediente esencial es el agua, y el agua está literalmente en todas partes. Si la vida comienza en todas partes, entonces podría tener múltiples puntos de partida. De hecho, podría haber comenzado con carbono y azufre y luego cambiarse a oxígeno. El azufre es capaz de interactuar con las proteínas, que es la base del acondicionador del cabello de forma incidental. Los respiraderos de aguas profundas (fumadores blancos y fumadores negros) son muy interesantes desde el punto de vista de los orígenes de la vida, tiene excelentes condiciones. El agua de mar se succiona para mezclarse con la roca basáltica reactiva, lo que le brinda una gran fuente de energía, ya que las rocas basálticas que se encuentran debajo de nuestros pies son de hecho muy reactivas y más ricas en minerales, a diferencia de los aburridos granitos ligeros que flotan en la parte superior y son esencialmente Un producto de desecho biológico de todos modos. (Esa es otra historia completa, cómo la vida terra-forma la geología planetaria). Luego, fluye hacia arriba a través de innumerables canales que traen productos químicos. Es como un vasto reactor de flujo, ya que el agua caliente se filtra a través de innumerables canales, hasta el microscopio. No tienes que encontrar el desayuno, el sistema te lo traerá desde abajo.
Nuevamente tenemos un sistema natural que desarrolla un orden, los minerales se estratificarán naturalmente en un sistema de minerales en ascenso disueltos en solución.
Cuando los científicos investigaron la vida alrededor de las rejillas de ventilación, encontraron un sistema que no se basa en el carbono y el oxígeno, sino en el carbono y el azufre. Por supuesto, la vida podría haberse adaptado a los respiraderos, pero la investigación continúa.
También tenga en cuenta que una reacción se duplica en la velocidad por cada aumento de temperatura de diez grados, por lo que aquí tenemos agua calentada a cientos de grados y bacterias que provienen de la ventilación, como la nieve.
La mayor parte de la bio-materia de la tierra está debajo de la tierra en forma de bacterias. Aquí hay un buen video de las formas de vida que viven en cuevas profundas y de bacterias que se alimentan de rocas.
Me parece que hay una cierta desconexión entre las bacterias y las formas de vida “superiores”, y existe amplia evidencia de que las bacterias han “patrocinado” el desarrollo de las formas superiores de vida celular en muchos aspectos. También existe una rica variedad de vida viral en asociación con las bacterias, y probablemente formas de vida nanoscópicas intermedias. Los nanobios son un tema muy controvertido, hay algunas evidencias de que los nanobios sobrevivieron a los impactos de meteoritos. A menudo se ven películas de Hollywood que muestran cuerpos de impacto de meteoritos ardientes, pero recuerden que en el espacio hace mucho frío. No es raro que un meteorito más grande desarrolle una capa de escarcha después de que el exterior se enfríe.
Aparte: alimento para el pensamiento. Se le podría perdonar por pensar que si las formas de vida llegan desde el espacio y se incuban en la tierra, es casi como si anticiparan planetas como la tierra. Si los microbios se terraforman en entornos a escala cósmica, ¿hay aquí una forma de súper-darwinismo cósmico? ¿La existencia de planetas como la Tierra está conectada con el hecho de que los microbios probablemente los interceptarán? Incluso si no es cierto, es una buena idea. Study El estudio de los precursores biológicos en el espacio y el potencial de vida, se conoce como exobiología.
A menudo escuchará esta historia sobre cadenas largas de átomos con carbono, pero esa no es una respuesta adecuada hasta que explique POR QUÉ una molécula larga es tan importante. La respuesta tiene que ver con la entropía. Un producto químico orgánico es uno que contiene carbono, por lo que cuando decimos que en química orgánica no queremos decir que provenga de pollos de corral. El primer dato útil que hay que apreciar es que cuando se mezclan sustancias químicas orgánicas en un cubo de agua, son sorprendentemente poco reactivas. No es como mezclar sales solubles en agua. La razón básica se llama “estereoquímica”. Esto significa que los ángulos relativos que dos moléculas se llevan la una a la otra. Con la química basada en el carbono, básicamente significa que necesita alinear las cosas en el ángulo correcto, solo así. (Son los ángulos formados por la unión de pequeñas pirámides de cuatro puntas). Y este es el secreto para la vida poder hacer un tipo de computación. Esta idea básica de la química estéreo permite que se desarrolle un tipo de sistema de cerradura y llave. La llave debe ser difícil de colocar en la cerradura, de modo que la puerta esté protegida, pero al mismo tiempo, una vez que alinea las cosas correctamente, debe abrirse fácilmente. Este es el tipo de sistema que es ideal para preservar la información en un sistema material.
El problema es que las moléculas que flotan libremente pueden adoptar todas las orientaciones diferentes y las posibilidades de obtener la reacción correcta en su cubeta son muy bajas. Lo que necesitamos hacer es mantener dos centros de reacciones de alguna manera. Una forma es formar láminas de estructuras en forma de burbujas para que al menos una superficie quede bien colocada. Las proto-células se formarán espontáneamente a partir de moléculas de tipo detergente y, por lo tanto, si empaquetamos cosas dentro de la burbuja y / o empaquetamos las burbujas en alguna cavidad, o burbuja más grande, entonces tenemos más posibilidades de mantener las cosas aún más quietas.
(Otra nota sobre las superficies, las superficies de las sustancias y las interfaces entre las fases son muy interesantes desde el punto de vista de la química cuántica, y los tipos de fenómenos en dos dimensiones pueden ser manifiestamente diferentes del caso tridimensional. Sospecho que existe espacio para la autoorganización y / o los fenómenos cooperativos, que siempre me hacen sentarme y prestar atención, especialmente cuando pienso en cómo podría haber evolucionado la vida. Los efectos eléctricos en las interfaces también son más pronunciados, por ejemplo, si hay partículas cargadas (iones). es más probable que los iones más grandes ocupen las ubicaciones de la superficie que los iones más pequeños.)
Los minerales de silicato pueden entrar en juego a este respecto porque pueden tener caries, pero aún mejor, pueden estar en capas de manera natural hasta el nivel nano-escópico, y también pueden contener agua entre las hojas de mineral. Pequeñas casas protegidas, protegidas de la radiación, provistas de agua, qué más podría desear un químico orgánico. Tal vez a medida que los cometas se acercan al sol, precisamente estas condiciones ocurren naturalmente también. Los minerales también pueden formar estructuras irregulares nano-escópicas con superficies similares a los fractales, como árboles de navidad en miniatura. Espacio para más especulación. Otro tema que clama por una explicación es la quiralidad, por qué las moléculas de la vida tienen una particular “tenacidad”, mientras que si se deja solo una sopa orgánica tiene una mezcla igual de formas izquierda y derecha. Algo que explicar en otro lado.
Pero también hay un hecho muy interesante e importante que me queda para durar aquí. Cuando arrojas tus productos químicos a un cubo acuoso, y usas moléculas basadas en carbono más y más largas, de repente y como la magia, alcanzas un punto donde algunas reacciones químicas ocurren mucho más rápido. Es como si ser más largo te da una ventaja. La razón es que una molécula más larga es como una serpiente que se revuelve. Pero debido a la forma piramidal de los enlaces de carbono, solo golpea con combinaciones de ese tipo de ángulos torcidos. En algún momento, la molécula se volverá lo suficientemente larga como para poder doblarse y hacer contacto con ella misma. Y lo hará en ángulos precisos, y mucho más frecuentemente de lo que podría hacer contacto con las moléculas vecinas de esta manera. Ser más largo te permite tocar tus propios dedos. (PS. Acoplar con tu vecino también es más probable si tu vecino está inmovilizado parcial o temporalmente, y por supuesto que lo consientes). En esencia, comenzarás a segregar las moléculas en clases por procesos naturales, como clubes exclusivos que reconocen y reaccionan con el club. Miembros en preferencia a los no miembros.
Hay otros efectos que entran en juego que también están relacionados con la segregación espontánea de especies químicas. Una característica de la química orgánica del carbono es que diferentes “grupos funcionales” se unen fácilmente a diferentes partes de una cadena larga y así podemos obtener moléculas con “detergencia”. donde un extremo se disuelve en agua mientras que el otro extremo se disuelve en grasa. Estas moléculas tienen características extraordinarias. Pueden formar películas mono-moleculares de forma natural en las superficies y pueden autoensamblarse espontáneamente en esferas para minimizar la energía de la superficie. Cuando los compartimentos así formados tienen una carga eléctrica en la superficie interior, cualquier molécula que entre en el compartimiento y se cargue ganará la carga opuesta y quedará atrapada en el compartimiento. En particular, las moléculas de ácido naturalmente quedarán atrapadas en los compartimentos alcalinos y las moléculas naturalmente alcalinas quedarán atrapadas en los compartimentos ácidos. Ver partición PH y captura de iones.
Debes recordar con todo esto, en dimensiones más pequeñas, que las fuerzas eléctricas dominan otras fuerzas. A medida que se hace más pequeño, los efectos eléctricos en la superficie de un sólido o líquido podrían colocarlo fácilmente en esa superficie, de manera similar a como un peine recoge trozos de papel de seda a través de la electricidad estática). Aún puede ver este tipo de efecto con alimentos y Las drogas, las sustancias alcalinas se absorben desde el estómago ácido y las sustancias ácidas se absorben desde los intestinos más alcalinos. Las drogas alcalinas se secretan en el estómago (por ejemplo, la morfina), y las drogas ácidas se excretan en la orina, que es alcalina. Estas sustancias concentradas se dividirán de forma pasiva, sin necesidad de ninguna fuente de energía externa. Con el tiempo, las células desarrollaron maquinaria activa para bombear iones en la dirección opuesta, utilizando enzimas y energía. El bombeo de iones cargados eléctricamente es la base de la acción eléctrica.
Así que ahí lo tienen, la restricción de la entropía en moléculas más largas, este es el secreto de la cerradura y la química clave del carbono, las moléculas más largas se vuelven conscientes de sí mismas. La palabra “estérico” es clave para la bioquímica. Significa disposición geométrica en el espacio. Además, se crea un puente vital entre la energía química y el movimiento. El movimiento térmico es esencialmente ondulado aleatorio, pero una vez que puede diseñar estructuras donde los movimientos de ondulación están restringidos, puede comenzar a combinar pequeños movimientos en sistemas de ingeniería. Los movimientos aleatorios de los átomos se pueden canalizar hacia movimientos de masas coordinados.
El acoplamiento de la química al movimiento físico es algo sutil y maravilloso, y está profundamente implicado en los sistemas vivos, comenzando con la molécula que toca sus dedos, hasta el movimiento de masa a gran escala del tejido muscular. Así que no solo se pueden generar movimientos en masa, sino que se pueden generar fuerzas reales, de modo que llegamos a un verdadero entorno de nanoingeniería. Usando la instrucción programada, los sistemas vivos pueden enviar materiales a un sitio, construir un aparato para realizar alguna función, y luego desarmar el aparato e incluso reutilizar algunos de los componentes en otros lugares. A medida que aumenta la escala, el mundo orgánico de las proteínas aumenta hasta la estructura secundaria y terciaria. La conformación de cadenas simples evoluciona hacia propiedades conformacionales elaboradas en tres dimensiones y, finalmente, una reorganización de los esquemas de codificación concentra la información en formas de organización cada vez más abstractas y más eficientes, a medida que la célula desarrolla un concepto del núcleo.
Como ilustración de la capacidad de la nanoingeniería, aquí vemos que las moléculas de kinesina literalmente caminan hacia arriba y hacia abajo en las vías de tubulina que consumen energía ATP en distintos quanta. (La actina hace un truco similar al de la kinesina y la dineína).
Existe cierto debate sobre si es estocástico o estequiométrico. Aquí el modelo estocástico le da una idea del espacio de muestreo.
Confío en que se haya dado cuenta de que se trata de películas efectivamente de lapso de tiempo en la escala del procesamiento humano, y estos eventos se producen de decenas a cientos de veces por segundo. Esas vías de micro-túbulos son nanotubos y apenas estamos empezando a apreciar las propiedades de los nanotubos en el laboratorio. Las vías no solo se usan de la forma que se muestra en el video a continuación, tienen múltiples usos estructurales, como andamios. Los andadores se utilizan en otras funciones, y suceden cosas más complejas, como la carga que llevan los andadores y los acompañantes que van con los caminantes y los dirigen a diversos lugares y funciones.
Las vías son también tubulinas y tienen muchos usos estructurales, así como propiedades eléctricas. Si toma dos de estos caminantes y se une a ellos cabeza a cabeza, y cada uno tiene su propio camino, y luego hace que uno de ellos camine a un ritmo diferente al del otro, puede hacer que los caminos se doblen bajo las fuerzas generadas. Así es como tu cuerpo mueve la mucosa alrededor. O puede trabajar el sistema hacia atrás, doblando los cilios puede enviar señales hacia atrás para hacer los órganos sensoriales.
Me siento obligado a incluir aquí una referencia a la charla de nano ingeniería molecular que es, por falta de una palabra mejor, convincente.
Habiendo visto eso, ¿no te gustaría que hubiera un proyecto llamado “Google Body” o algo así? Si observas de cerca los microtúbulos, verás que crecen en un extremo y se disocian en el otro. De esta manera se pueden mover a lo largo. Este efecto químico también se puede utilizar para empujar o jalar con los túbulos al sumar o restar dinámicamente su longitud. Las proteínas incrustadas en ellas modifican su función.
Aquí hay una referencia a una conexión entre la tensión física y la regulación celular. Homeostasis de la membrana celular, regulación de la tensión, regulación del área, tráfico de membrana mechanosensitive y presión osmótica.
Apéndice
Desde que escribí esto, he aprendido un poco más sobre las posibles rutas para que se desarrolle la vida en la tierra, y probablemente volveré a trabajar en esto para ofrecer una mejor imagen del proceso mediante el cual operan las cadenas de carbono. Parece que, de hecho, hay dos fuentes separadas de energía a considerar. Una vía es la fijación del carbono del dióxido de carbono en azúcares, mediante la fotosíntesis natural. La otra ruta es la fijación de nitrógeno a partir de una ruta fotosintética separada. Ambos sistemas construyen el potencial químico en los océanos. Recordar que la tierra es estéril y que la vida útil de las moléculas bastante complejas puede ser muy larga. Si la atmósfera es aceitosa, habrá una capa de escoria o grasa en los océanos. Esto será constantemente irradiado por la luz solar para recircular los compuestos, pero cualquier solubilidad en agua dentro de una molécula orgánica constituye detergencia, por lo que podemos tener una lluvia constante de moléculas con detergencia que llueve desde la superficie hacia el cuerpo de los océanos, atrapando los componentes a medida que se forman.
Las familias poliméricas que resultan de la fijación de carbono y nitrógeno, son azúcares y carbohidratos en una mezcla compleja, y aminoácidos y proteínas en otra mezcla.
Quizás no sea una coincidencia que la vida parece haberse desarrollado a partir de una intersección entre estas dos familias principales. El ARN es una Ribosa (familia del Azúcar) combinada con un ácido nucleico (familia del Nitrógeno) después de todo. Las sustancias poliméricas que se forman a partir de la intersección entre dos ciclos de energía de agitación se separarían de la agitación debido a la estabilidad de la unión. El azufre debe estar implicado en la unión, que eventualmente dio paso al fósforo.
Para sobrevivir al ser polimerizado en exceso y ser llevado a la superficie, para exponerse a la radiación y descomponerse nuevamente, una molécula deberá estabilizarse para encajar en un nicho físico para sobrevivir.
Este tipo de modelos tienen un cierto sabor darwiniano, lo que los hace atractivos. Arcillas, espumas, agua caliente, panspermia, tal vez todo lo anterior?
Continuará….