תרכובות אורגניות הן אלה שהחיים תלויים בהם, וכולן מכילות פחמן. למעשה, ההגדרה של תרכובת אורגנית היא המכילה פחמן. זהו האלמנט השישי בשכיחותו ביקום, ופחמן תופס גם את המיקום השישי בטבלה המחזורית. יש לו שני אלקטרונים בקליפה הפנימית שלו וארבעה בחלקו החיצוני, והסדר הזה הוא שהופך את הפחמן לאלמנט כל כך תכליתי. מכיוון שהוא יכול לשלב בכל כך הרבה דרכים שונות, ומכיוון שקשרי צורות הפחמן חזקים מספיק להישאר שלמים במים - הדרישה האחרת לחיים - פחמן הוא הכרחי לחיים כידוע זה. למעשה, ניתן לטעון כי פחמן הוא הכרחי בכדי שהחיים יתקיימו במקום אחר ביקום כמו גם על כדור הארץ.
TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)
מכיוון שיש לו ארבעה אלקטרונים במסלול השני שלו, שיכולים להכיל שמונה, פחמן יכול להשתלב בדרכים רבות ושונות, והוא יכול ליצור מולקולות גדולות מאוד. קשרי פחמן חזקים ויכולים להישאר יחד במים. פחמן הוא יסוד כה תכליתי שכמעט 10 מיליון תרכובות פחמן שונות קיימות.
זה בערך ולנסי
היווצרות של תרכובות כימיות בדרך כלל עוקבת אחר כלל האוקטט לפיו האטומים מחפשים יציבות על ידי השגת או איבוד אלקטרונים כדי להשיג את המספר האופטימלי של שמונה אלקטרונים בקליפתם החיצונית. לשם כך הם יוצרים קשרים יוניים וקוולנטיים. בעת יצירת קשר קוולנטי, אטום חולק אלקטרונים עם אטום אחד לפחות, ומאפשר לשני האטומים להגיע למצב יציב יותר.
עם ארבעה אלקטרונים בלבד בקליפתו החיצונית, פחמן מסוגל באותה מידה לתרום ולקבל אלקטרונים, והוא יכול ליצור ארבעה קשרים קוולנטיים בבת אחת. מולקולת המתאן (CH4) היא דוגמה פשוטה. פחמן יכול גם ליצור קשרים עם עצמו, והקשרים חזקים. יהלום וגרפיט מורכבים שניהם מפחמן. הכיף מתחיל כאשר פחמן מתחבר עם שילובים של אטומי פחמן ואלמנטים אחרים, במיוחד מימן וחמצן.
היווצרות מקרומולקולות
שקול מה קורה כששני אטומי פחמן יוצרים קשר קוולנטי זה עם זה. הם יכולים לשלב בכמה דרכים, ובאחת, הם חולקים זוג אלקטרונים יחיד, ומשאירים שלוש עמדות קשירה פתוחות. לזוג האטומים יש כעת שש עמדות קישור פתוחות, ואם אחד או יותר תופסים אטום פחמן, מספר עמדות הקישור גדל במהירות. מולקולות המורכבות ממיתרים גדולים של אטומי פחמן ואלמנטים אחרים הם התוצאה. מיתרים אלה יכולים לצמוח באופן ליניארי, או שהם יכולים להיסגר וליצור טבעות או מבנים משושים שיכולים לשלב גם עם מבנים אחרים כדי ליצור מולקולות גדולות עוד יותר. האפשרויות כמעט בלתי מוגבלות. עד היום כימאים כיווגו כמעט 10 מיליון תרכובות פחמן שונות. החשובים ביותר לחיים כוללים פחמימות, שנוצרות כולה עם פחמן, מימן, שומנים, חלבונים וחומצות גרעין, שהדוגמה הידועה ביותר שלהן היא DNA.
מדוע לא סיליקון?
הסיליקון הוא היסוד שנמצא מתחת לפחמן בטבלה המחזורית, והוא נמצא בשפע פי 135 יותר על פני כדור הארץ. כמו פחמן, יש לו רק ארבעה אלקטרונים בקליפה החיצונית שלו, אז מדוע המיקרומולקולות היוצרות אורגניזמים חיים לא מבוססות על סיליקון? הסיבה העיקרית היא שפחמן יוצר קשרים חזקים יותר מסיליקון בטמפרטורות התורמות לחיים, במיוחד עם עצמו. ארבעת האלקטרונים הלא-זוגיים במעטפת החיצונית של הסיליקון נמצאים במסלולו השלישי, שיכול להכיל 18 אלקטרונים. לעומת זאת, ארבעת האלקטרונים הלא מזווגים של פחמן נמצאים במסלול השני שלה, שיכול להכיל 8 בלבד וכאשר המסלול מתמלא, השילוב המולקולרי הופך ליציב מאוד.
מכיוון שקשר הפחמן-פחמן חזק יותר מקשר הסיליקון-סיליקון, תרכובות פחמן נשארות יחד במים בזמן שתרכובות הסיליקון מתפרקות. מלבד זאת, סיבה אפשרית נוספת לדומיננטיות של מולקולות מבוססות פחמן על כדור הארץ היא שפע החמצן. חמצון מתדלק את מרבית תהליכי החיים, ותוצר לוואי הוא פחמן דו חמצני, שהוא גז. אורגניזמים שנוצרו באמצעות מולקולות מבוססות סיליקון היו מקבלים כנראה גם אנרגיה מחמצון, אך מכיוון שהסיליקון דו-חמצני הוא מוצק, הם יצטרכו לנשוף חומר מוצק.