¿Por qué es tan importante el átomo de carbono para la vida?

Los químicos dividen la química en dos secciones: “orgánica” e “inorgánica”; La primera se ocupa de compuestos que contienen el átomo de carbono, y la segunda de compuestos que contienen cualquiera de las otras 104 clases de átomos, excluyendo solo el del carbono.

¿No es una división extrañamente desigual? Si, lo es; pero no por lo que podría parecer.

En realidad hay más moléculas que incluyen el átomo de carbono, muchas más, que de los restantes 104 elementos combinándose entre ellos de cualquier modo concebible y la única restricción de evitar el átomo de carbono. Además los compuestos que contienen carbono, son la base de la vida.

Aquellos de entre nosotros que no son químicos puede que hayan oído esto, y en tal caso habrán tenido que aceptarlo sin más. Los átomos de carbono pueden formar cadenas y anillos de todos los tamaños y complejidades, y sobre este hecho descansa la complejidad y versatilidad de la vida. Admitido.

Pero el carbono ¿es de veras el único elemento con átomos capaces de combinarse en compuestos los bastante variados, lo bastante complejos y versátiles como para poseer las sorprendentes propiedades que asociamos a la vida? ¿No podría hacerlo también algún otro elemento, quizás con una ayudita? ¿Cómo es que el carbono es tan diferente de todos los demás elementos?

Buena pregunta. Pasemos al tema.

Hay 105 elementos en total, cada uno con su propia variedad de átomos. La pregunta es cuáles de esos 105 diferentes tipos de átomos pueden formar cadenas y anillos de todo tipo, grandes y pequeños, los bastante versátiles como para constituir la base de la vida.

¿Podemos eliminar alguno de antemano?

Para empezar  podemos eliminar todos los elementos que poseen átomos radioactivos. Es difícil imaginar cómo podría construirse la vida sobre moléculas que cambian al azar y a intervalos aleatorios. Esto suprime 24 elementos ( los que tienen un número entre paréntesis bajo el símbolo) Eso dejan 81 elementos. Sin embargo de estos 81 hay cinco ( los gases nobles: helio, neon , argón kriptón y xenón, situados en la última columna) que están hechos de átomos que no se unen entre sí en ninguna circunstancia, por tanto también los eliminamos como candidatos.

De los 66 elementos restantes hay un grupo, los metales ( con tendencia a compartir electrones móviles) , que también los tenemos que descartar puesto que tienden a formar moléculas gigantes pero no moléculas pequeñas, y el tejido vivo necesita tanto moléculas pequeñas como grandes.  Esto representa una gran reducción de las posibilidades porque elimina los 58 elementos metálicos y nos deja con los 18 elementos no metales estables ( excluidos los gases nobles) como candidatos para servir como base de la vida ( de la columna 14 a la 17). Todos estos átomos tienen la capacidad de compartir electrones  formando enlaces covalentes, que son enlaces muy estables, porque no hay electrones sueltos. Según el número y la disposición de los electrones los átomos pueden formar un número variable de enlaces covalentes con otros átomos. Algunos solo pueden formar uno , otros dos , otros tres y algunos hasta cuatro.

1 enlace	2 enlaces	3 enlaces	4 enlaces
Hidrógeno Fluor Cloro Bromo Iodo	Oxígeno Azufre Selenio Telurio	Nitrógeno Fósforo Arsénico Antimonio	Carbono Silicio Germanio Estaño

Consideremos los que forman un solo enlace covalente, el hidrógeno, y todos los de la columna 17 (fluor, cloro , cromo y  yodo). Solamente son capaces de formar moléculas de dos átomos, H_2, F_2, Cl₂  e  I_2.  Ninguno de esos elementos de un solo enlace puede formar una cadena de átomos larga. Así que eliminados.

Pasemos a los elementos con átomos capaces de formar cada uno dos enlaces covalentes. Podríamos considerar la posibilidad de una cadena de este estilo O-O-O-O-O-, y así sucesivamente. Ya tendríamos una primea posibilidad de una cadena larga. Lo malo es que no se da en la naturaleza, porque energéticamente tiene más tendencia a usar los dos enlaces para unirse entre sí, formando el oxígeno O=O ( O₂) tal como lo conocemos. Eso elimina al oxígeno y a todos los elementos de su misma columna ( aunque cuanto más abajo más capacidad de formar cadenas o anillos porque cuanto mayor sean los átomos menos pueden aproximarse para formar un enlace covalente)

Si eliminamos los elementos de dos enlaces podemos pasar  a los de tres. La situación del nitrógeno es muy semejante a la del oxígeno. Tiene una mayor tendencia ( el enlace es más energético) en unirse mediante un triple enlace a otro nitrógeno N₂  que a formar cadenas con un enlace libre disponible. Lo mismo pasa con el fósforo, y los restantes pero cuanto más grande sea el átomo más posibilidades, así que podríamos considerar al fósforo ( P) como un posible candidato a formar el esqueleto de las moléculas de la vida. 

 Nos queda el grupo final de elementos, los de cuatro enlaces. De entre ellos, el carbono es el más pequeño. ¿Podemos seguir el camino marcado por el oxígeno y el nitrógenos y considerar dos átomos de carbono unidos por los cuatro enlaces formando la molécula C₂ con un enlace cuádruple? No, no podemos. El enlace cuádruple no existe, y los átomos de carbono solo pueden unirse entre sí mediante enlaces simples , dobles y triples. En cualquiera de estos casos el átomo de carbono seguirá teniendo enlaces covalentes disponibles para unirse a otros átomos. Podríamos decir que las cadenas de carbono no solo son posibles, sino inevitables.

Pero ¿cuál es el enlace predilecto en los átomos de carbono? Los átomos de carbono logran las máximas energías de enlace si se conectan exclusivamente con enlaces sencillos. Las diferencias de energía no son enormes. Pueden existir y existen átomos de carbono conectados por enlaces dobles o triples.  Sin embargo suelen ser más inestables y pueden transformarse con poco esfuerzo en enlaces sencillos.

La situación típica se puede expresar como una cadena de longitud indefinida –C-C-C-C-C- donde cada átomo de carbono posee dos enlaces adicionales que pueden conectarse a otros átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno…formando cadenas ramificadas, o a otros lugares de la cadena formando anillos.

Sacarosa ( glúcido) 

ADN

La cuestión es: ¿ qué pasa con los demás elementos de esa columna, que tienen la misma capacidad de unión a cuatro bandas? Por ejemplo el silicio. En la ciencia ficción se ha contemplado muchas veces la posibilidad de una vida de silicio.  La siguiente tabla muestra las  energías de enlace ( la energía necesaria para romper el enlace, que da una idea de la fuerza del enlace o la afinidad entre estos dos átomos) del carbono y el silicio con ellos mismos y con los dos elementos capaces de reaccionar con ellos más abundantes en la tierra ( el hidrógeno y el oxígeno) 

Carbono	Silicio
Energía de enlace ( Kcal /mol)	Energía de enlace ( Kcal/ mol)
Carbono-carbono:  82	Silicio-silicio: 53
Carbono- hidrógeno: 93	Silicio- hidrógeno: 75
Carbono-oxígeno:  85	Silicio-oxígeno: 88

 Texto adaptado de un artículo de Isaac Asimov  Uno y el único del libro "La tragedia de la luna"



Preguntas a contestar ( como comentario a la entrada) 

      1- Sabiendo que en la atmósfera terrestre hay una gran cantidad de oxígeno, deduce, a partir de la tabla, por qué en la tierra no se forman largas cadenas de silicio que puedan propiciar la vida, sino que todo el silicio está formando parte de silicatos ( Si O₄ )

      

2-       ¿Por qué en cambio, aunque el carbono también está en contacto con un exceso de oxígeno e hidrógeno, forma las cadenas largas que pueden sustentar la vida?

3-      Observa estos dos “quesitos” sobre la composición de la corteza y de la atmósfera.

  Si consideramos la abundancia relativa de los átomos que constituyen las biomoléculas ( moléculas que forman los seres vivos)  encontramos que sólo 4 elementos (C, H, O, N), representan más del 99% de todos los átomos, con la particularidad de que ninguno de ellos, con excepción del oxígeno, se encuentra entre los 8 elementos más  abundantes de la corteza terrestre: O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg. Explica cuál es la causa de esta circunstancia.