Ilmastonmuutos on nostanut hiilen – ja varsinkin sen yhdisteen hiilidioksidin – päivän polttavaksi puheenaiheeksi. Lähes kaikkien eloperäisten energialähteiden hyödyntäminen vapauttaa hiiltä ilmakehään. Tämä kuvastaa hiilen asemaa elämän perusedellytyksenä: hiili on kaiken elävän pääasiallinen rakennusaine.

Elämän perusedellyksiä käsittelevän artikkelisarjan kolmannessa osassa tarkastellaan hienosäätöä jälleen yhden elämän perusedellytyksen, hiilen, näkökulmasta. Elävien organismien solukoneistot ja lähes kaikki elintärkeät rakenteet molekyylitasolta lähtien muodostuvat hiilen yhdisteistä.

Piihin, jota pidetään toisena mahdollisena elävien organismien rakennusaineena, verrattuna hiilen ominaisuudet ovat elämän perusedellytyksenä ylivoimaiset. Toisin kuin pii, hiili muodostaa herkästi muiden yleisimpien alkuaineiden kanssa kovalenttisia sidoksia, joiden ansiosta hiilen yhdisteistä muodostuu elämän vaatimia monimutkaisia molekyylejä.

Kovalenttiset sidokset muodostavat kestäviä yhdisteitä

Kovalenttisessa sidoksessa atomi muodostaa uloimman elektronikuorensa elektroneja jakamalla sidoksen toisen atomin kanssa. Jokaisella elektronikuorella voi olla korkeintaan 2n² elektronia, missä n on kuoren järjestysnumero. Siten ensimmäiselle kuorelle mahtuu kaksi elektronia (2*1²), toiselle kuorelle kahdeksan elektronia (2*2²), kolmannelle kuorelle 16 elektronia (2*3²) ja niin edelleen. Elektronien jakamisen myötä molempien atomien uloin elektronikuori tulee täyteen. Elektronikuorten täyttyminen tekee kovalenttisesta sidoksesta erittäin kestävän.

Hiili on jaksollisen alkuainejärjestelmän kuudes alkuaine eli sillä on ytimessään kuusi protonia ja sen ydintä kiertää kuusi elektronia. Hiiliatomilla on kaksi elektronikuorta, joten sen uloimmalle kuorelle mahtuu kahdeksan elektronia. Koska sillä itsellään on sisemmällä kuorella kaksi elektronia ja uloimmalla kuorella neljä elektronia, se voi vastaanottaa uloimmalle kuorelleen neljä muiden atomien elektronia.

Esimerkiksi metaanimolekyyli muodostuu hiiliatomin yhdistyessä kovalenttisilla sidoksilla neljän vetyatomin kanssa. Vedyllä on vain yksi elektronikuori, joten sen uloimmalle kuorelle mahtuu kaksi elektronia. Lainaamalla hiileltä elektronin sen elektronikuori tulee täyteen. Hiili puolestaan lainaa kultakin vetyatomilta elektronin, jolloin myös sen uloin elektronikuori tulee täyteen.

              ^{Kuva: Metaanin molekyylirakenne}  

Hiilen yhdisteitä on valtava määrä

Hiili muodostaa kovalenttisia sidoksia poikkeuksellisen helposti muiden yleisimpien alkuaineiden kanssa. Hiiliatomit yhdistyvät useimmiten vetyyn, happeen ja typpeen. Näiden yhdisteiden mahdollinen määrä on käytännössä lähes rajoittamaton. Jo 1900-luvun vaihteessa tunnettiin yli 100000 hiilen yhdistettä. Nykyään niitä tunnetaan jo yli miljoona.

Hiili muodostaa vedyn kanssa laajan joukon hiilivetyjä, joihin kuuluu muun muassa laaja joukko polttoaineita, voiteluaineita ja liuottimia. Yhdessä hapen kanssa hiili muodostaa esimerkiksi alkoholeja, aldehydejä, ketoneja ja rasvahappoja. Hiilen, vedyn ja hapen yhdisteitä ovat esimerkiksi sokerit ja selluloosa. Hiilen, vedyn, hapen ja typen yhdisteitä ovat muun muassa aminohapot, jotka ovat proteiinien rakennusaineita.

Dentonin mukaan ”vaikuttaa siltä, että luomisen hetkellä elämän muodostama biokemia oli ennalta säädettynä atomien muodostamisprosessissa, aivan kuin luonto olisi pyrkinyt elämän synnyttämisen tavoitteeseen aivan alusta lähtien.” Jo maailmankaikkeuden alkuvaiheessa hiiltä, vetyä, happea ja typpeä on muodostunut tähdissä tapahtuvien kemiallisten reaktioiden seurauksena. Hienosäädön näkökulmasta merkittävää on, että nämä herkimmin hiilen kanssa yhdistyvät alkuaineet ovat myös kaikkein yleisimmät alkuaineet.

Kovalenttisten sidosten suhteellinen vakaus

Hiilen ja yleisimpien alkuaineiden muodostamien yhdisteiden muodostumisherkkyyden ja valtavan lukumäärän lisäksi yksi hiilen merkittävä ominaisuus on sen muodostamien yhdisteiden vakaus huoneenlämmössä. Ilman ulkoisten tekijöiden vaikutusta hiilen yhdisteet säilyvät vakaina pitkän aikaa.

Toisaalta hiilen yhdisteiden kemialliset reaktiot eivät vaadi paljoa energiaa aktivoituakseen. Lämpö, säteily tai jokin katalyyttinä toimiva aine saa hiilen yhdisteissä aikaan kemiallisia reaktioita suhteellisen helposti. Vaikka hiilen yhdisteet ovat suhteellisen vakaita tasaisissa olosuhteissa, ne ovat samanaikaisesti myös suhteellisen epävakaita altistuessaan ulkoisille tekijöille.

^{Kuva: Hiilen yhdisteisiin varastoitunut energia vapautuu oikeissa olosuhteissa helposti. Tutuimpia  hiilen yhdisteiden kemiallisia reaktioita on palaminen, jossa hiilen yhdisteitä yhdistyy happeen. Palamisen tuloksen syntyy muun muassa hiilidioksidia.}

Lämmitettäessä hiilen yhdisteiden kemialliset reaktiot alkavat herkästi ja vaativat vain vähän energiaa. Toisaalta lämpötilan laskiessa reaktiot muuttuvat pian mahdottomiksi. Hiilen yhdisteiden kyky elämää ylläpitäviin kemiallisiin reaktioihin on parhaimmillaan 0 ja 100 celsiusteen välillä.

Heikot sidokset muodostavat kolmiulotteisia muotoja

Heikot sidokset ovat noin 20 kertaa heikompia kuin kovalenttiset sidokset. Heikot sidokset pitävät kovalenttisista sidoksista muodostuvia molekyylejä kuten proteiineja monimutkaisissa kolmiulotteisissa muodoissa. Lähes kaikki solujen suurten molekyylien biologiset ominaisuudet ovat riippuvaisia kolmiulotteisesta muodosta.

^{Kuva: DNA muodostuu kovalenttisin sidoksiin toisiinsa yhdistyneistä hiilivedyista. DNA:n kolmiulotteinen kaksoiskierre muodostuu heikkojen sidosten ansiosta.}

Heikkojen sidosten säilymisen lämpötilaväli sijoittuu samalle alueelle kuin kovalenttisten sidosten eli 0–100 celsiusasteen välille. Hienosäädön näkökulmasta merkittävää on, että vahvojen ja heikkojen sidosten säilymisellä on sama vaihteluväli, vaikka sidosten rakenteet ovat täysin erilaiset. Koska heikot sidokset ovat herkempiä purkautumaan kuin kovalenttiset sidokset, esimerkiksi kananmunaa keitettäessä munanvalkuaisen proteiinien kovalenttiset sidokset säilyvät, mutta heikkojen sidosten purkautuminen saa proteiinit jähmettymään.

Yhteenveto

Kaikista tunnetuista alkuaineista hiili vaikuttaa olevan ylivoimaisesti paras elävien organismien rakennusaineena. Hiilen kyky muodostaa kovalenttisia sekä heikkoja sidoksia, reagointiherkkyys toisten yleisimpien alkuaineiden eli vedyn, hapen ja typen kanssa sekä suhteellinen vakaus tekevät hiiilestä ylivoimaisen verrattuna parhaaseen haastajaan eli piihin.

Hienosäädön kannalta erityisen merkittävää on se, että universumissamme yleisimpiä alkuaineita ovat juuri nämä hiilen kanssa herkimmin reagoivat aineet. Lisäksi happi ja vety ovat toisen elämän perusedellytyksen eli veden rakennusaineet (veden hienosäädetyistä ominaisuuksista voi lukea täältä).

Hiilen hienosäädön tarkastelu näyttää lisäävän todistusaineistoa sen päätelmän tueksi, että biologinen ympäristömme on hienosäädetty elämän ylläpitämiseksi. Hiilen yhdisteiden kovalenttiset ja heikot sidokset ovat elämän kannalta hyödyllisimmillään 0–100 celsiusasteen välillä eli täsmälleen samalla lämpötilavälillä kuin vedellä. Hienosäädöstä viestii, että näiden elämän perusedellytysten ominaisuudet perustuvat täysin erilaisiin fysikaalisiin ominaisuuksiin, ne mutta pysyvät elämää ylläpitävinä samalla lämpötilavälillä.

Lähteet:

Carbon Compounds. – Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/carbon-chemical-element/Compounds.

Denton, Michael (1998): Nature’s Destiny: How the Laws of Biology Reveal Purpose in the Universe. The Free Press, New York.

Artikkelikuva: Fdecomite @ Flickr (CC BY 2.0)

Kuva 1: Dynablast @ Wikimediacommons (CC BY-SA 2.5)

Kuva 2: Jon Sullivan @ Wikimediacommons

Kuva 3: Zephyris @ Wikimediacommons (CC BY-SA 3.0, muokattu)