有机物的基石

有机物的基石——碳

碳是人类接触到的最早的元素之一，也是人类利用得最早的元素之一。自从人类在地球上出现以后，就和碳有了接触。由于闪电使木材燃烧后残留下来木炭，动物被烧死以后，便会剩下骨碳，人类在学会了怎样引火以后，碳就成为人类永久的“伙伴”了，所以碳是古代就已经知道的元素。

在生命世界里，碳占有特殊重要的地位，是生命世界的栋梁之材，没有碳，就没有生命。

碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。它的化学符号是C，原子序数6，原子量12.011。元素名来源拉丁文，愿意是“炭”。碳是自然界中分布很广的元素之一，在地壳中的含量约0.027%。碳单质通常是无臭无味的固体。单质碳的物理和化学性质取决于它的晶体结构，外观、密度、熔点等各自不同。

常温下单质碳的化学性质比较稳定，不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂；不同高温下与氧反应，生成二氧化碳或一氧化碳；在卤素中只有氟能与单质碳直接反应；在加热下，单质碳较易被酸氧化；在高温下，碳还能与许多金属反应，生成金属碳化物。

在大气里，二氧化碳气算是次要的成分，只占大气总重量的0.03%。但其中碳的重量仍多达2万亿吨。主要由含碳物质燃烧和动物的新陈代谢过程产生。这是一笔巨大的财富。它为生命提供了基本的材料。在国民经济各个部门，二氧化碳有着十分广泛的用途。其主要用途有：作化工原料；作致冷剂；作惰性介质；作溶剂；作压力源；同时，二氧化碳在食品方面有广泛的用途。二氧化碳的温室效应还为生命提供了适宜的温度环境。

二氧化碳有个特殊性质：在太阳光通过大气层的时候，它吸收波长13～17微米的红外线。这如同给地球罩上一层硕大无比的塑料薄膜，留住温暖的红外线，不让它散失掉，使地球成为昼夜温差不太悬殊的温室。

二氧化碳是绿色植物进行光合作用的主要原料。绿色植物通过光合作用，将大气里二氧化碳变成纤维素、淀粉和蛋白质，为动物和人类提供了食物。

光合作用

现在动植物机体里，碳的含量大约有7000亿吨。这些碳组成植物的根、茎、叶和动物的骨肉、血液。

古代动植物的遗体由于地壳运动而变成了煤炭、石油和天然气，为我们留下了亿万吨的燃料。

碳的单质以两种结晶状态存在于自然界——金刚石和石墨。煤的大部分是无定形碳；它是史前地质时代有机物质的分解产物，生物体死亡后被深埋在地下，经过数千年乃至上万年的复杂的物理和化学的变化而形成，所以常常含有碳和氢、氮、氧等元素的煤是一种复杂的化合物。煤的年代愈久，这些氢、氮、氧元素的含量愈少。白煤是地质上最古的煤，原来与碳化合的其他元素绝大部分已经失去。这种煤含碳量在90%以上，并含有少量的氢与微量的氮元素，燃烧时只产生很短的火焰，因此，只有少量的气体发生。

人工合成的金刚石

金刚石和石墨是碳的两种同素异形体。无定形碳实质上是微小的石墨晶体。1772年，拉瓦锡等法国化学家用聚光镜，把日光聚焦在金刚石上。金刚石很快燃烧起来，化为青烟而消失。通过研究，他们证明金刚石燃烧后的气体是二氧化碳。1797年，英国化学家坦南特严格证明金刚石和石墨相同，都是纯粹的碳。1799年，法国化学家摩尔沃在隔绝空气的条件下，把金刚石加热得到了石。可是，直到1955年美国科学家们才首次把石墨转变为金刚石。这最终证明金刚石和石墨是可以互相转变的碳的同素异形体。

甲烷（CH₄）是天然气的主要组分，是最简单的碳氢化合物。石油是由各种烷烃、环烷烃和芳香烃所组成的碳氢化合物。碳元素存在较多的是矿物界，主要形式为碳酸盐，例如石灰石（CaCO₃）。碳更是生物界的必要成分。没有一种有机体在它的各种结构的部分不含有碳的化合物，除了上述之外，随科技发展，人们已经研究过的碳的化合物已超过600万种，远远超过其他所有元素化合物的总数。

人们掌握了碳的性质以及许多有机物的结构之后，合成出众多的原来依赖自然资源提供的碳的化合物。从最简单的甲醇、酒精、醋酸、福尔马林，到复杂些的维生素C、葡萄糖、靛蓝染料、紫罗兰香酮，一直到合成生命的基石——各种氨基酸、核苷酸和显示生命活力的简单的蛋白质、核糖核酸。不仅如此，自然界里从未有过的各式各样的碳的化合物，人类也制造出来了。

我们相信，当人类能够合成各种蛋白质和核酸的时候，在化学实验室里合成生命、指挥生命交响乐的日子也就不再是遥遥无期的了。