Di Chris Deziel
Aggiornato il 24 marzo 2022
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I composti organici, quelli che costituiscono la chimica della vita, sono definiti dalla presenza di carbonio. Essendo il sesto elemento più abbondante nell’universo e il sesto nella tavola periodica, la struttura elettronica unica del carbonio gli conferisce una versatilità senza rivali. I suoi due elettroni del guscio interno e quattro elettroni del guscio esterno gli consentono di formare quattro forti legami covalenti, una proprietà che consente l'assemblaggio di molecole vaste e stabili anche in ambienti acquosi. Ciò rende il carbonio indispensabile non solo per la biologia della Terra ma anche per qualsiasi forma di vita che potrebbe esistere altrove.
I quattro elettroni di valenza del carbonio gli consentono di formare legami covalenti diversi e robusti, creando molecole che rimangono intatte nell’acqua. Sono stati catalogati quasi 10 milioni di composti di carbonio unici, alla base di tutti i sistemi viventi.
Gli atomi lottano per raggiungere un ottetto – otto elettroni nel loro guscio esterno – attraverso il legame ionico o covalente. Il carbonio, con i suoi quattro elettroni di valenza, può sia donare che accettare elettroni, formando fino a quattro legami covalenti contemporaneamente. Questa flessibilità è illustrata dal metano (CH₄), dove ciascun idrogeno condivide una coppia di elettroni con il carbonio, soddisfacendo i requisiti dell'ottetto di entrambi gli atomi.
Quando due atomi di carbonio condividono una singola coppia di elettroni, creano un forte legame con tre siti di legame rimanenti ciascuno. L'aggiunta di più atomi di carbonio espande rapidamente la rete, producendo catene lineari, anelli o strutture policicliche complesse. Le possibilità combinatorie sono vaste, il che spiega perché i chimici hanno identificato quasi 10 milioni di molecole distinte a base di carbonio. Tra i più vitali per la vita ci sono i carboidrati, i lipidi, le proteine e gli acidi nucleici, il più famoso dei quali è il DNA.
Il silicio, appena sotto il carbonio nella tavola periodica, è 135 volte più abbondante sulla Terra e ha anche quattro elettroni nel guscio esterno. Tuttavia, gli elettroni di valenza del silicio risiedono nel terzo orbitale, che può ospitare fino a 18 elettroni, risultando in legami più lunghi e più deboli. Di conseguenza, i legami silicio-silicio sono meno robusti dei legami carbonio-carbonio a temperature favorevoli alla vita, e i composti a base di silicio spesso si dissolvono o si decompongono in acqua. Inoltre, il biossido di silicio è un solido, quindi qualsiasi metabolismo basato sul silicio dovrebbe espellere i rifiuti solidi, un risultato evolutivo improbabile. Questi fattori, combinati con la prevalenza di ossigeno e la necessità di CO₂ gassosa per i cicli energetici, favoriscono il carbonio come sostanza chimica della vita.
