#头条创作挑战赛#

我们所知道的生命都是基于碳的，但一定如此吗？元素周期表上还有另一个元素与碳具有一些关键特性，而且在大多数行星上更为丰富。我说的是硅。那么，宇宙中是否存在硅基生命？

碳基生命

所有生命的化学机制——生物化学——都是围绕碳原子进行的，至少在我们所认知的范围内都是如此。如果我们想了解宇宙中生命可能的多样性和丰富程度，那就需要问一问，这是唯一的选择吗？

或许最受欢迎的替代方案——至少在科幻作品中——就是硅基生命。从《异形》系列中的异形到《星球大战》中的巨型太空虫子，还有许多其他例子。

硅基生命想象图

那么，为什么科幻作家如此喜欢硅基生命呢？因为从化学相似性来看，它确实是最有前景的非碳生命。而且硅在地球上比碳更丰富。那么，生命能否以硅为基础？如果可以，为什么我们不是硅基的呢？

当我们说生命是基于碳的时候，不仅仅是生命大量使用碳——而是组成生命的分子机制的每一个方面都是基于碳。碳链和碳环为大量不同类型的分子提供了支架，使生命的基本机制得以实现——从 DNA 和 RNA 到氨基酸和蛋白质，以及在此基础上的各种结构。

生物化学从定义上讲就是碳的化学。事实上，生物化学家甚至不会在他们的公式中写碳，他们只是画弯曲的线条，他们知道那就是一个碳原子。那么为什么碳如此受到生命的青睐呢？仅仅是因为第一个生命形式恰好是基于碳的，所以其他的都必须以这个原子为基础吗？

或者说，碳基化学只能是生命产生的唯一途径，没有任何例外？

归根结底，碳的广泛用途来自于它与其他元素键合的方式，这使得反应性和稳定性之间达到了恰到好处的平衡。为了理解这一点，我们需要考虑能量。

一般来说，自然总是试图达到尽可能低的能量状态。例如，我们熟悉的炸药，由于硝酸甘油中存储的化学键中的能量而处于高能状态。爆炸背后的原理就是，如果能找到一种更低的能量状态，原子就会选择这种状态。

炸药中的硝基在转化为较小分子的过程中，剧烈地释放出能量。硝酸甘油是不稳定的，因为只需要少量能量就可以断裂它的脆弱键，从而释放出的能量比输入的要多得多，引发连锁反应。这种反应只能单向进行，因为将较小分子重新组合到硝基是不具能量优势的。

生命本质上是一个持续的化学反应。你不希望生命的化学反应是单向的，不希望所有的原材料最终都变成相同的过度稳定分子，没有回头路。这意味着反应结束了，对于生命来说，这意味着……死亡。同时，你希望执行生命功能的分子足够稳定——它们需要持续足够长的时间来完成它们的工作。

换句话说，你需要反应性和稳定性之间的平衡。

硅在化学上与碳相似，因此可能被认为是碳的替代品。然而，硅与碳之间在一些关键方面存在差异，这使得基于硅的生命在实际中变得不太可能。硅在形成化学键时，尽管可以形成多种结构，但其化合物通常比碳化合物更稳定且反应性较差。这可能导致基于硅的生命无法实现碳生命中所需的反应多样性。

除此之外，硅与水的相互作用也不利于生命。在地球上，水是生命的基本溶剂，而硅在水中往往形成不溶性的化合物。这可能会限制基于硅的生命体系的复杂性和进化能力。

尽管如此，我们不能完全排除硅基生命的可能性，特别是在与地球条件截然不同的外星环境中。然而，在我们目前所了解的范围内，碳依然是实现生命化学多样性和复杂性的最佳选择。

让我们找出哪些元素可能有助于达到这种平衡。

首先，我们要打开整个周期表，看看能排除哪些元素。

这里的关键在于，给定元素可以形成哪种类型的化学键。主要有三种键类型：离子键、金属键和共价键。

三种化学键

离子键过于不稳定，而金属键会导致重复结构——晶体——它们没有生命所需的化学多样性。共价键实际上是生命唯一的选择。

在这些键中，原子与一个或多个邻近原子共享电子，以填满它们的外层或价层。例如，碳具有4个价电子，它需要8个电子以获得最大稳定性。它通过连接到4个氢原子并共享它们的单个电子来实现这种稳定性。这也使得每个氢原子多出一个电子以填满其自身的价层。这种排列的结果是甲烷。

共价键的有趣之处在于有无数种方式来进行这种电子共享，使得分子结构具有巨大的多样性和模块化。例如，如果我们从两个甲烷分子中移除一个氢原子，将它们粘在一起，就得到了乙烷。现在将其中一个氢原子替换为氧原子，我们就得到了乙醇。

共价键是实现生命所需复杂且具有弹性的分子结构的关键。

牢记这一点，我们就可以查看周期表并排除所有形成主要为离子或金属键的元素，实际上这是大多数元素。我们保留那些擅长形成共价键的元素，即使它们有时也以其他方式形成键。

我们还可以排除惰性气体，因为它们几乎完全不反应，以及卤素，因为它们实在太麻烦了。让它们与多个元素同时形成共价键是很困难的，而且当它们与其他元素发生反应时，通常是爆炸性的。

最后，我们将剔除周期表中第4排及以下的元素。尽管这些元素可能形成共价键，但这些原子如此之大，以至于原子核不能足够牢固地保持电子，从而导致分子变得异常不稳定。

顺便说一下，这就是砷有毒的原因。细胞可能会因为它们具有相同数量的价电子而误将砷代替磷来构建分子。当发生这种情况时，生成的分子会断裂，破坏细胞中的重要结构，或者干扰重要的生物过程。如果这种情况发生过多，细胞就会死亡。

经过以上筛选，我们可以缩小适合构建生命的元素范围。然而，尽管可以找到一些具有共价键的元素，但我们需要考虑它们是否能形成生命所需的复杂分子结构。在这方面，碳具有独特的优势，因为它可以形成多种不同的化合物。

硅基生命可能存在，但在我们已知的现实条件下，碳基生命在化学多样性和复杂性方面仍然具有优势。因此，在寻找外星生命时，我们仍然需要关注碳基生命的可能性，同时保持对硅基生命及其他可能的替代方案的好奇心和开放性。

最后，我们只剩下七种元素：氢、碳、氮、氧、硅、磷和硫。在这些元素中，除了硅以外，其它元素都是地球上生命的基本构建模块。虽然其他元素被生命用于特定功能，但氢、碳、氮、氧、磷和硫是最重要的。在这些元素中，碳是最关键的，因为它为所有生物化学提供了支架。它之所以适合这个角色，是因为它能与自身形成强烈的键。实际上，在生命的六个基本模块中，只有碳可以与自身形成一维和二维结构。

在我们确定可能对生命有用的元素的过程中，我们找到了6个主要的生命构建模块，外加硅。

硅基生命存在的问题

但是为什么硅会被进化淘汰掉呢？

这似乎很奇怪，因为硅在化学上与碳类似，也具有4个价电子。硅可以模仿碳，形成长链和环，由此产生的分子通常具有与碳产生的分子相似的性质。

举个例子，我们可以制造硅油，它们的感觉和外观与其他种类的油相似。这是唯一一种能够形成复杂共价支架，并支持大量分子多样性的其他元素。尽管如此，地球生命对硅的利用比对许多其他微量元素（如铁）的利用还要少。

要知道，硅占地壳质量的28％以上，主要存在于硅酸盐岩石中。而碳仅占地壳的约0.02％，这听上去是不是很奇怪。这说明，碳必须具有比硅更大的形成生命的优势。那么，让我们来谈谈硅作为生命基础的一些问题。

一个最大的问题是，硅基分子比碳基分子对水的反应要大得多。事实上，大多数复杂的硅分子在水中不稳定。

你可以想象，对于我们这个水分子非常丰富的地球上的硅基生命来说，这就是一个大问题。

一般来说，生命需要一个溶剂——一种液体介质，使分子能够移动和相互作用。水对此非常有用，其热稳定性、溶剂能力和在宇宙中的丰富程度使得水成为生命基本溶剂的最佳选择，甚至可能是唯一合适的选择。大多数硅分子在水中的不稳定性实际上对硅基生命的可行性造成了巨大打击。

然而，水并非唯一的选择。在液态烃中，硅基分子的多样性要大得多——这些烃存在于巨大行星的卫星上，甚至在金星大气中的硫酸中也有。

不过，两种情况都有问题——液态烃温度太低，这意味着它们在溶解已知生命所依赖的大型复杂分子方面存在困难。硫酸化学性质非常激进，生命可能无法生存。

不过，《异形》中的异形怪物是硅基的，它们确实有酸性血液——硅与硫酸基的结合是有道理的。

如果金星生命真的是这样的，那我们还是打消殖民金星的计划，取消浮空都市的建造，绕着金星走吧，太可怕了。

水中实现硅基生命？

在水中实现硅基生命的一种方法是将硅与碳或氧结合起来，形成支架分子，可以产生一定的化学多样性。然而，两种情况似乎都没有比仅使用碳链展示出更大的优势。

硅不太可能作为生命支架元素的另一个原因是，硅非常喜欢与氧形成键。

硅与氧形成的键比与生命的其他“基本构建模块”形成的键要强，当然，与其他硅原子形成的键也更强。

硅基分子很容易被氧破坏，而硅氧键反过来又很难被破坏。这意味着，当氧气可用时，反应往往只朝一个方向进行。硅氧键的强度或许正是硅在地球生命中很少被利用的主要原因。

尽管硅含量很多，但地球上的硅都被锁在岩石中，生命无法接触到。而地球上大部分的碳都以二氧化碳的形式存在于大气中，通过光合作用相对容易获得。

硅氧键的强度在某种程度上对生命有用，那就是能量生成。

让我们思考一下能量从哪里来。能量来源于将含有大量能量的氧分子转化为含有很少能量的二氧化碳分子。获取能量的最简单方法是点燃某物，这对蒸汽机非常有效，但对细胞来说效果不好。

我们的真核细胞中的线粒体通过更多的步骤释放能量，最终将其储存在ATP分子中。那么，硅基外星人是否可以通过将氧气转化为二氧化硅来获取能量呢？表面上看起来不错，因为二氧化硅比二氧化碳更稳定，所以有更多的能量可以释放。

问题在于，虽然二氧化碳是一种容易排出的气体，但二氧化硅却是硅石……就是沙子。它又粗又硬，到处都是，不少人都很讨厌它。

你不希望它在你的细胞或肺部积累，而且数量不会太少。一个普通人在一天里会呼出大约一公斤的二氧化碳，这意味着硅基外星人需要咳出相当多的沙子。或者他们排泄玻璃珠之类的东西——可能有办法解决这个问题。但这肯定不如呼出二氧化碳那样方便和节能。而对于生命来说，任何节省能量的小方法都是大事。

总结一下，在某些条件下，硅可能具有足够的化学多样性用于外星生物化学，但这些条件相当特殊，远不如支持碳基生命的条件理想。如果生命有使用碳的选择，那么它应该这样做。但在非常不寻常的环境中，硅基生命并非不可能。

那么，硅基生命看起来会是什么样子？

几十年来，科幻作家一直将硅基生命想象成生活中的晶体或岩石的变种，因为地球上硅的常见形式正是如此。

但是，以碳为基础的生物看起来并不像是行走的钻石或铅笔芯，所以没有理由认为硅基外星人看起来特别像晶体。

这里有一个佐证，那就是因为地球上的确存在硅基晶体生物。

让我向您介绍硅藻。这些单细胞生物将硅纳入了它们的细胞壁，使其变得坚硬，基本上就是将细胞内的所有部分封装在硅酸盐晶体中。这些美丽的生物晶体过着简单的生活。它们漂浮在海洋里进行光合作用，产生我们呼吸所需的一半氧气。

硅藻

不过，再明确一下，硅藻并不是硅基生命，只有它们的细胞壁是由硅构建的。它们内部的一切都是以碳为基础的。但至少它们证明了生命的一个重要组成部分——细胞壁——可以由硅构建。

综上所述，那么我们学到了什么？硅基外星人在小说中的比例，可能会稍微高于宇宙中的实际可能性。实际上，碳-水组合对生物化学来说是如此惊人地契合，以至于可能没有其他选择。著名科普作家卡尔·萨根也因此称自己为“碳沙文主义者”。

我们与第一个接触的外星物种之间的相似之处可能比不同之处要多。但是，也不能因此忽视土卫六上的烃湖或金星的酸性云景观，其中的硅基生物，可能扩展我们对生命多样性在整个时空中可能的认识。