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硅基生命

胜于蓝2016-02-04【影视百科】人已围观

简介硅基生命是相对于碳基生命而言的。所谓碳基生命，根源于有机物的原始概念：只能由生物产生的物质（有机物现在指的是除了碳氧化物，碳硫化物，碳酸盐，氰化物，碳化物，硫氰化物，氰酸盐，碳硼

硅基生命是相对于碳基生命而言的。所谓碳基生命，根源于有机物的原始概念：只能由生物产生的物质（有机物现在指的是除了碳氧化物，碳硫化物，碳酸盐，氰化物，碳化物，硫氰化物，氰酸盐，碳硼烷，羰基金属，不含M-C键的金属有机配体配合物等在无机化学中研究的含碳物质之外的含有碳元素的化合物），虽然后来证明“有机物”可以通过化学方法合成，但“有机物”作为一个历史概念沿用下来，而再后来发现有机物都含碳元素，且均为碳骨架物质，而且构成我们的生物大分子（如蛋白质，DNA）都是有机物，因此便将我们称为“碳基生命”。
但一些人却并不将碳视作生命必然的核心元素。并由此提出了以硅、硼或磷等而非碳为核心元素的“非碳基生命”。
硅基生命相对地也可以这样定义：以硅骨架的生物分子所构成的生命。

早期思考

“硅基生命”这一概念首次于19世纪被提出。1891年，波茨坦大学的天体物理学家儒略申纳(Julius Sheiner)在他的一篇文章中就探讨了以硅为基础的生命存在的可能性，他大概是提及硅基生命的第一个人。这个概念被英国化学家詹姆斯·爱默生雷诺兹(James Emerson Reynolds)所接受，1893年，他在英国科学促进协会的一次演讲中指出，硅化合物的热稳定性使得以其为基础的生命可以在高温下生存。
三十年后，英国遗传学家约翰·波顿·桑德森·霍尔丹(John Burdon Sanderson Haldane)提出，在一个行星的深处可能发现基于半融化状态硅酸盐的生命，而铁元素的氧化作用则向它们提供能量。
硅由于在宇宙中分布广泛，且在元素周期表中位于碳的下方，与其同主族，所以和碳元素的许多基本性质相似。举例而言，正如同碳能和四个氢原子化合形成甲烷(CH₄)，硅也能同样地形成硅烷(SiH₄)，硅酸盐是碳酸盐的类似物，三氯硅烷(HSiCl₃)则是三氯甲烷(CHCl₃)的类似物，以此类推。而且，两种元素都能组成长链，或聚合物，它们都能在其中与氧交替排列，最简单的情形是，碳-氧链形成聚缩醛，它经常用于合成纤维，而用硅和氧搭成骨架则产生聚合硅酮（即硅氧烷）。所以乍看起来硅的确是一种作为碳替代物构成生命体的很有前途的元素，且有可能出现一些特异的生命形态就有可能以类似硅酮的物质构成。硅基动物很可能看起来象是些会活动的晶体，就如同迪金森和斯凯勒尔(Dickinson and Schaller)所绘制的一张想象图一样——一只徜徉在硅基植物丛中的硅基动物，这种生物体的结构件可能是被类似玻璃纤维的丝线串在一起，中间连接以张肌件以形成灵活、精巧甚至薄而且透明的结构。
然而，硅真的能不负众望，成为生命的核心元素吗？

对硅基生命的质疑

然而，随着无机化学的发展，人们却发现，硅的表现并不能合乎人们的期望。以有机化学为参考，依靠合成硅烷、硅氧烷等物质的衍生物对有机物的复刻，建立一个能望有机化学项背的硅氢化学体系的尝试以失败告终：

以硅烷及其衍生物作为分子骨架存在的问题

1、与很多人想的不同，硅的连接能力相当糟糕：不同于原子数可以很高的烃类，硅烷硅数只能到8且不稳定。
2、硅烷及其衍生物热稳定性差。
3、与碳-氢、碳-碳键不同，硅-氢键和硅-硅键容易被各类质子溶剂完全破坏。这也就意味着常见的水，氨等溶剂都不能作为基于硅烷的硅基生命的载体。

以硅氧烷及其衍生物作为分子骨架存在的问题

1、硅氧烷及其衍生物容易缩合。这也就意味着硅氧烷难以形成类似于核苷酸，氨基酸那样的单体。而是会形成难以进一步聚合的小型环状分子或只具有简单重复结构的庞大链状分子
2、硅氧烷衍生物没有合适的取代基——如果以硅氧链本身作为取代基，会形成庞大的难溶且难熔的网状固态分子；而如果像人类通常使用的链状硅氧烷那样，用有机基团作为高温下的取代基，则复杂的取代基本身是不稳定的，只能形成十分简单的取代基；有机基团作为低温下的取代基，则具有复杂有机取代基的分子在自然环境下会形成碳骨架分子，而不是硅骨架分子。
3、硅氧烷衍生物难以被氧化，因此难以形成储能物质。

硅氧烷和硅烷的通病

1、在宇宙中，人们只发现了二氧化硅和硅酸盐：人类已经在彗星、陨石上找到了碳的高级化合物，却没有找到硅的高级化合物：甲烷在太阳系中普遍存在，在星际物质和星云中也可以发现。甲基乙炔和氰基癸五炔这样的复杂分子也可以从星际物质中找到，甚至人们还在陨石上发现了氨基酸，却从来没有发现过硅烷或硅氧烷等物质。
2、而退一步说，即使在行星形成之后，也没有硅烷或硅氧烷产生的行星化学途径。也就是说，不仅星际物质中没有硅烷，而且即使通过行星的后续化学过程也无法形成硅烷或硅氧烷。
3、当碳在地球生物的呼吸过程中被氧化时，会形成二氧化碳气体，这种物质相对惰性易于产生且很容易从生物体中移除。但是，同时符合这三项条件的无机硅化合物却不存在。例如，易于产生且相对惰性的二氧化硅是难熔且难溶的固体，因为在二氧化硅刚形成的时候就会形成晶格，使得每个硅原子都被四个氧原子包围，而不是象二氧化碳那样每个分子都是单独游离的，这样的固体物质难以处理。而能溶解二氧化硅的氟化氢同时也会将硅氧链或硅链完全破坏，因此硅基生命不可能通过氟化氢来处理二氧化硅。（不过也有人指出，硅基生命可以用浓磷酸组成的“血液”来溶解氧化过程产生的二氧化硅，并由化学性质特别稳定的血管组成内循环系统来将产物运出机体，但光合作用的问题仍然未解决）

总结

硅烷及其衍生物热稳定性和化学稳定性不足；而硅氧烷虽然十分稳定，其复杂性和多变性却要依赖复杂的有机基团。因此，它们都难以形成生命。

转向其他元素

相比硅，或许我们更应该寄希望于硼和磷
早期研究者对硅所拥有的高期望更多是由于当时人类对硅元素的性质了解不够的知识客观局限所带来的，但今天的我们如果还像古人一样认为硅基生命存在的可能性非常大，那无疑就是十分可笑的了。
不过也不必太沮丧，硅元素存在诸多问题，并不代表非碳基生命是不可能的，因为基于硅烷的氢化物体系实际上并非碳以外的最优解：实际上，硼和磷都具有超过硅的连接能力和成键多样性；硼烷硼数和磷烷磷数最大都已超过20；硼烷磷烷衍生物也都较硅烷衍生物更复杂、多变；而且磷烷已在宇宙中发现，硼烷则可能依靠行星化学过程生成。而事实上，就氢化物体系的综合实力而言，它们也的确远胜于硅。它们无疑才是非碳基生命的更有力竞争者。

化学层面的非碳基生命研究中的问题

有人指出，对包括硅基生命在内的化学层面的非碳基生命的研究长期缺少来自无机化学领域的声音，但研究化学层面的非碳基生命却不可能绕过无机化学。而有机化学家和生物化学家对无机化学知识的缺乏也导致他们对非碳基生命作出了错误的判断，例如过分高估硅的能力和低估其它元素的潜力。^[
早期化学家都认为，“无机化学不过是矿物的化学，即使有复杂分子，也不过是硅烷这样的碳烃复刻品”；而“硅基生命”也是在这样的背景下所提出的。
但事实的发展却出乎所有人意料——最终发展出一个综合实力与碳相当的氢化物体系的反而是至今仍被多数科幻作家忽视的硼；以雄据当今无机化学半壁江山的羰基金属原子簇为代表的的金属原子簇则拥有远超有机物的深刻性和多变性（尽管规模暂不能与有机物相比）；而硅元素的由于自身的不足，其对应有机物的复刻品十分有限，氢化物体系的综合实力实际还不如磷。
而这些结构，成键方式都与有机物有所不同，甚至大相径庭的分子，或许才更有形成化学层面的非碳基生命的潜力。

对硅基生命的猜测

尽管从化学角度看，硅基生命诞生的希望很渺茫。但硅基生命在科幻小说中则很兴盛，而且科幻作家的许多描述会提出不少有关硅基生命的有益构想。
在斯坦利·维斯鲍姆(Stanley Weisbaum)的《火星奥德赛》(A Martian Odyssey)中，该生命体有1百万岁，每十分钟会沉淀下一块砖石，而这正是维斯鲍姆对硅基生命所面临的一个重大问题的回答，文中进行观察的科学家中的一位观察到：
“那些砖石是它的废弃物……我们是碳组成，我们的废弃物是二氧化碳，而这个东西是硅组成，它的废弃物是二氧化硅——硅石。但硅石是固体，从而是砖石。这样它就把自己覆盖进去，当它被盖住，就移动到一个新的地方重新开始。”

呼吸作用

有人认为，硅基生命可以呼吸二氧化碳或二氧化硫：
用二氧化硫作为氧化剂：
储能物质 —SO₂，酶→ SiO₂+ S

二氧化硅的处理

硅元素一个很大的缺陷就是它同氧的结合力非常强。当碳在地球生物的呼吸过程中被氧化时，会形成二氧化碳气体，这是种很容易从生物体中移除的废弃物质；但是，由于硅氧双键不稳定，硅的氧化会形成只含单键的庞大的原子晶体——二氧化硅，处置这样的难熔且难溶的固体物质会给硅基生命的呼吸过程带来很大挑战。
但有人认为，硅基生命可能利用氢氧化钠或浓磷酸处理二氧化硅：它们分别可以生成硅酸钠和杂多酸。硅酸钠易溶于水。但如果体外环境与血液相差较大，则排出体外后仍然会形成二氧化硅，无法进行光合作用
有人误以为因为某些条件下二氧化硅可以与水反应，所以可以方便排出。虽然以粉末形式存在的二氧化硅可以和水反应生成原硅酸，但由于原硅酸和偏硅酸同样都是难熔且难溶的固体，实际上并不能解决问题。
也有人误认为，硅基生命也可以用氟化氢处理二氧化硅——他们根据硫细菌能合成一种物质使自身不被硫酸破坏而提出，硅基生物同样也可能产生一种催化剂，防止它自己被氟化氢破坏。但是，硫酸并不破坏一切碳链，而任何硅氧链和硅链都会被氟化氢完全破坏，硅基生命无法合成符合条件的物质。而且，预计产物四氟化硅和六氟合硅酸都较易水解，氟化氢量不足难以生成

关于代谢的猜测

Horta：《星际迷航》中的硅基生命:
由于只有基于硅氧烷的硅基生命相对比较有可能存在，而硅氧烷的支链又通常是有机基团，所以硅基生命产生的代谢产物、废物、氧化物可能是非常复杂的，这意味着硅基生命需要更多的酶作为催化剂。每个酶的长度大约为50nm，细胞体积太小就装不下足够的酶。硅基生物的细胞比碳基生物的细胞更大。如果一个细胞体积越大，那么它的相对表面积就越小。如果一个细胞相对表面积越小，那么物质进入细胞膜的速度就越小。所以硅基生物的新陈代谢比碳基生物更慢。^[4]

硅基生命的溶液和介质

前文已经提到，基于硅氧烷的硅基生命可以在水，氨甚至硫酸等溶剂中生存，而考虑到需要处理二氧化硅，浓磷酸或许是个不错的选择；而基于硅烷的硅基生命则对质子溶剂不稳定，只可能在非质子溶剂中诞生。

硅基生命的广义解释

尽管化学家并不会将人工智能视为硅基生命，但“硅基生命”可以指代人工智能这一谬误已经被外行人广泛接受。因此人工智能也被大众视为广义的“硅基生命”。
靠大自然的化学过程形成真正的硅基生命的可能性微乎其微，但是20世纪发展起来的以硅为主要半导体元件的计算机技术以及其后的人工智能学、来势汹汹的网络技术都使这种“硅基生命”的发展在和计算机人工智能结合的层面有了突破的可能。

对生命形式的总结

1.阿西莫夫猜测的六类生命

用硅、硼或磷代替碳；用氨、氟化氢或硫化氢等代替水；用砷酸代替磷酸；用硫代替氧等都只是个别的、零星的构想。首次进行了全面性的考察和系统性的分析的，是著名生化学家，科幻、科普作家阿西莫夫所写的一篇文章《并非我们所认识的》。他在文中提出了六种生命形态：

以氟化硅酮为介质的氟化硅酮生物；
以硫为介质的氟化硫生物；
以水为介质的核酸/蛋白质(以氧为基础的)生物；
以氨为介质的核酸/蛋白质(以氮为基础的)生物；
以甲烷为介质的类脂化合物生物；
以氢为介质的类脂化合物生物。

其中第一项便是他认为可能出现的硅基生命，而第三项则是我们所熟悉的———亦是我们惟一所认识的生命——地球碳基生命。至于第一、第二项，是一些高温星球上可能存在的生命形式。另外，地球上曾经出现过的那些生活在硫矿里的厌氧古细菌就很有可能是以硫作为自己生命的介质；而第四项至第六项，则是一些寒冷星球上可能存在的生物形态。^[7]

2.硼基生命

尽管受硼的元素丰度影响，阿西莫夫并不认为硼基生命可能出现。但仅从化学角度看，硼具有很多优点：硼拥有比硅更小的原子半径和远比硅强的连接能力——硼是唯一和碳一样具有无限延伸自身的能力的同时氢化物系列稳定性不受原子数目制约的元素；同时硼还具有比碳更丰富的成键多样性；硼烷拥有种类众多的衍生物，且复杂硼烷及其衍生物稳定性也十分可观。有人据此猜测，硼也可能作为生命骨架。（详见词条“硼基生命”）^[7]
同时，也有人指出，如果某片星际尘埃通过机缘巧合受到了大量宇宙射线的照射，硼元素的富集也是可以实现的（宇宙中硼元素主要是由宇宙射线与碳、氧作用发生散裂反应得到）。^[7]
有人猜测，硼基生命可能诞生在以氟化氢为溶剂的海洋中，以硫或多硫化物作为氧化剂。以类似嘌呤和嘧啶的基于二十面体结构的碳硼烷和碳氮硼烷作为遗传信息的载体的核心部分。而氮配合的硼烷基硼酸则相当于氨基酸，其中，对应氨基NH₂C的RNH₂B和对应羧基COOH的B(OH)₂通过脱水和重分配可产生类似于蛋白质，以类似肽键-CO-NH-C的B(-NHR-B)₂为连接中心的多聚物。

3.科幻作品

然而，科幻作家仍不满足于生命的这些多样性，他们在各自的作品中充分发挥了想像力，为我们创造出一些更不可思议、但细想之下又似乎不无道理的生命世界。一些作家设想，在某些极寒冷的星球之上，可能存在着以液体氦为基础，并以超导电流作联系的生命形式；另一些作家则认为，即使在寒冷而黑暗的太空深处，亦可能有一些由星际气体和尘埃组成，并由无线电波传递神经讯号的高等智能生物——霍耳的科幻小说正是这方面的代表作；还有一些想像力更丰富的作家甚至认为外星生命也许根本不需要化学物质基础，他们可能只是一些纯能量的生命形式，比如一束电波。
　　最为有趣的是著名科幻作家福沃德所写的《龙蛋》，这部构思出色的作品描述了一颗中子星表面的生物。这颗中子星直径仅20公里，但表面的引力却等于地球上的670亿倍，磁场是地球的1万亿倍，表面温度达到8000多摄氏度。什么生物可以在这样的环境下生存呢？是由“简并核物质”组成的生物。所谓“简并”，就是指原子外部的电子都被挤压到原子核里去，因此所有原子都可以十分紧密地靠在一起，形成超密物质。中子星上的生物身高约半毫米，直径约半厘米，体重却有70公斤，这是因为他们由简并物质所组成。此外，他们的新陈代谢是基于核反应而非化学反应，因此一切变化(包括生老病死和思维)的速率都比人类快100万倍！

4.金属细胞和金属生命体

就在科幻作家构思“硅基生命”的时候，实验室里的“金属细胞”已经有了生命征象，并且初步显露出进化的趋势。不同于有机物，这种“无机生命”的基础是金属钨的杂多酸阴离子——6族（即第VIB族）元素能与氧配位成多面体（姑且理解成酸根），然后脱水缩聚成共用氧原子的巨大结构，比如车轮形Na₁₅Fe₃Co₁₆[Mo₁₇₆O₅₂₈H₃(H₂O)₈₀]Cl₂₇·450H₂O。
这些庞大的阴离子可以继续缩聚并容纳其它含氧酸，进而在强酸溶液里自组织成泡状结构，如同活细胞——这或许意味着，我们的生物学只是生命科学里的一小部分。
研究该项目的克罗宁和同事通过从大分子金属氧化物中提取负电荷离子形成盐溶液，来束缚氢或者钠等一些较小的正电荷离子；这种盐溶液注入另一种含有较大负电荷有机离子的溶液中，可以束缚较小负电荷离子的活动性。
当这两种盐溶液混合，交换其中部分大分子金属氧化物，使其不再形成较大的有机离子。这种新溶液在水中无法溶解：沉淀物质像包裹注射溶液的壳状物。克罗宁称这种沉淀物质为泡沫无机化学细胞(iCHELLs)，并表示它们还具有更多的特性。通过修改它们的金属氧化物主干部分使iCHELLs具备自然细胞膜的属性，例如：以iCHELLs为基础的洞状结构氧化物可作为多孔膜，依据大小尺度，有选择性地让化学物质进出细胞，其作用就像生物细胞膜。这将使细胞膜可以控制发生一系列化学反应，这是iCHELLs细胞关键性的特征。
同时，研究小组还在泡沫中制造泡沫，建立的隔膜模拟生物细胞的内部结构。他们通过连接一些氧化分子至光敏染料，可灌输iCHELLs细胞进行光合作用。克罗宁称，早期实验结果形成的细胞膜可将水分解为氢离子、氢电子和氧分子，这是光合作用的初始状态。
克罗宁称，我们可以抽吸质子分布在细胞膜上，来设置形成一个质子坡度。这是从光线中获得能量的关键一步，如果生命体能够完成这些步骤，将建立形成具有类似植物新陈代谢功能的自供给细胞。
这项实验仍处于早期阶段，一些合成生物学家目前保留发言意见。西班牙巴伦西亚大学的曼纽尔-波尔卡说：“克罗宁研制的金属细胞泡沫目前还不能说完全具备生命特征，除非这些细胞可以携带类似DNA的物质，可驱动自我繁殖和进化。”克罗宁回应称，在理论上这是可能实现的，去年他在实验中显示利用金属氧酸盐彼此作为模板可实现自复制功能。
在为期7个月的实验中，目前克罗宁可以大批量生产这些金属细胞泡沫，并将它们注入充满不同pH值的试管容器中，他希望这种混合环境将测试它们的生存性。如果pH值过低，一些细胞将溶解死亡。
如果克罗宁的实验是正确的，或许宇宙生命的存在性将更加广阔。日本东京大学的Tadashi Sugawara说：“这项实验结果说明生命体并不全是基于碳结构，水星的物质结构与地球相差很大，或许在水星上也有可能通过无机元素形成生命体。克罗宁的这项研究开辟了一个新的领域。”