“硅基生命”的由來

地球上所有生命體的每一個(gè)細(xì)胞中都離不開碳、氫和氧三種元素，其中碳是有機(jī)分子的骨架，因此我們把地球上的生物稱為碳基生命。生物和化學(xué)家們普遍認(rèn)為，如果地球之外的某一個(gè)地方存在生命體，它一定也與我們一樣，是碳基的。

外星生物的想象圖

1891年，基于硅和碳在化學(xué)上的相似性，德國天體物理學(xué)家朱利葉斯·席納（Julius Scheiner）率先提出硅在生命元素中替代碳的觀點(diǎn)。一些科幻作者和科幻迷們也覺得茫茫宇宙，浩瀚無垠，外星球的自然條件有別于地球，它孕育的生命體有可能不是以碳為骨架，而有可能是硅。這種生物被稱為“硅基生命”。

外星硅人

為什么是硅而非其它元素？

如果你還記得元素周期表，一定不難背出前邊二十幾個(gè)元素：氫氦鋰鈹硼碳氮氧氟氖鈉鎂鋁硅磷硫氯氬鉀鈣......這其中碳（C）排在第6位，硅（Si）位列第14。

硅是地殼中含量第2高的元素，按質(zhì)量算它占了地殼總質(zhì)量的27.2%；同時(shí)地殼中90%以上都是硅酸鹽礦物，占絕對(duì)統(tǒng)治地位；而在宇宙中，以質(zhì)量計(jì)算，硅的含量排名第8，也是相當(dāng)可觀。

硅與碳緊挨著

硅不僅蘊(yùn)含豐富，它在化學(xué)性質(zhì)上與碳也有相似之處。在元素周期表的第IV主族中，硅于碳的下方，它們最外層都有4個(gè)價(jià)電子；可以與氫結(jié)合形成有機(jī)烷；純硅與鉆石一樣都是金剛石立方的晶體結(jié)構(gòu)，它們很堅(jiān)硬并且有很高的熔點(diǎn)。于是有些人很自然地認(rèn)為，既然這兩種元素如此相像，地球上有豐富的碳基生命，也理應(yīng)存在硅基生命。

科幻電影里的硅基人

碳基的優(yōu)勢

盡管在地球表面碳的含量僅為硅的1/920，但碳在銀河系中的豐度卻是硅的7倍。碳在恒星內(nèi)部形成，通過“三重α過程”和“CNO聚變循環(huán)”，較輕的元素可以很容易被壓成更重的碳。相比之下，硅的產(chǎn)生需要經(jīng)歷巨型恒星坍縮，也就是在超新星爆炸的過程中才有機(jī)會(huì)產(chǎn)生出來，因此硅在宇宙中的含量比碳少得多。

純碳可以以石墨或鉆石的形式存在于地球上，它有很好的穩(wěn)定性，不會(huì)輕易與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，碳或碳化合物只有在氧氣中燃燒時(shí)才會(huì)形成氣態(tài)氧化物——二氧化碳。

鉆石可以在氧氣中燃燒

前節(jié)提到，碳的最外圍有4個(gè)價(jià)電子，它們分別位于2s和2p軌道，這意味著它能與其它原子組成4個(gè)共價(jià)鍵，共價(jià)半徑為77pm。由于共價(jià)半徑短，碳共價(jià)鍵能高，鍵合穩(wěn)定。

任何生命的化學(xué)基礎(chǔ)都必須滿足三個(gè)基本要求：足夠的化學(xué)多樣性；穩(wěn)定性和反應(yīng)性；溶劑的存在。

在我們的地球上，生命體需要多種具有不同功能的化學(xué)物質(zhì)參與。包括用于制造蛋白質(zhì)的氨基酸，用于制造核酸的糖和含氮堿基，作為核心代謝中間體的酮酸和羥基，以及用于制造細(xì)胞膜的脂質(zhì)等等。為了組合出這些化學(xué)物質(zhì)以提供生物學(xué)功能，生命體需要一套元素來構(gòu)建各種分子，同時(shí)這些分子中應(yīng)該事先建立起一個(gè)“腳手架”。

碳因其獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)成為這個(gè)生命支架的不二之選。

碳是生命的骨架

碳原子可以通過兩個(gè)電子與相鄰的碳組成長鏈，同時(shí)通過另兩個(gè)電子與其它雜原子組合形成一個(gè)大分子。在這個(gè)大分子中，碳是支架，而雜原子提供了豐富的化學(xué)活性。碳支架提供了制造大分子的能力，因此可以制造大量不同功能的分子。碳支架相對(duì)穩(wěn)定，同時(shí)與碳結(jié)合的雜原子為每個(gè)分子提供化學(xué)功能和獨(dú)特性。

硅為什么不能？

在太陽系形成的過程中，硅在地球表面的含量遠(yuǎn)超過碳，它的原子結(jié)構(gòu)與碳相近，為什么地球上沒有出現(xiàn)哪怕一種以硅為基礎(chǔ)的生命形態(tài)，甚至我們連一塊純硅都找不到呢？

這還需要從硅原子本身開始說起。

硅的原子半徑比碳大，它的共價(jià)半徑也達(dá)到117pm。硅的四個(gè)外圍電子兩個(gè)位于3s軌道，兩個(gè)在3p軌道，更長的鍵長和不同的鍵角導(dǎo)致硅比碳更活潑，它的共價(jià)鍵也更不穩(wěn)定。

水晶是固體的二氧化硅

硅很容易被氧化形成固態(tài)的二氧化硅，它是砂子的主要成分。所以我們在地球上找不到純凈的硅，只能找到二氧化硅和硅酸鹽礦物。

與碳、氮、氧和氫相比，硅有更強(qiáng)的正電性，這會(huì)在硅原子中形成一個(gè)電子“洼地”，導(dǎo)致它與其它非金屬組成的鍵有更強(qiáng)的極化，進(jìn)而造成以硅為核心的分子更容易受到親電和親核攻擊。與碳相比，硅化合物更容易水解，它因此也更不穩(wěn)定。在有水的環(huán)境里，硅不能作為大分子的骨架，而只會(huì)作為碳分子鏈條中雜原子存在。

氫和氧是宇宙中最豐富的兩種元素，并且天文學(xué)家已經(jīng)證實(shí)水分子在宇宙中也廣泛存在。在這樣的環(huán)境里，硅要么被氧化變成固體，要么它的分子鏈被水分子破碎，化學(xué)多樣性無從談起，也沒有機(jī)會(huì)發(fā)展成為生命的基礎(chǔ)性物質(zhì)。

科幻電影中可怕的外星生命

綜合與結(jié)論

許多人覺得硅與碳很相似，通過對(duì)其元素性質(zhì)的分析，我們知道它們是一對(duì)“假雙胞胎”，其相似之處是膚淺的，它的的差異是明顯的。碳與硅在化學(xué)穩(wěn)定性的外部條件上幾乎截然相反，而硅能穩(wěn)定形成復(fù)雜有機(jī)大分子的自然條件在宇宙中并不存在。

宇宙中不具備硅生命形成的條件

在宇宙中，碳比硅要豐富得多。氫、氧和水也廣泛存在，科學(xué)家至今沒有在宇宙的光譜中接收到支持硅基生命存在的化學(xué)信息。與之相對(duì)應(yīng)地，大量證據(jù)表明高分子碳基化學(xué)物質(zhì)在宇宙中的分布非常廣泛。

想象中的外星人，他們應(yīng)該也是碳基的

即便是地外星球存在生命繁衍的條件，它首先也應(yīng)該是碳基的，硅要么被氧化成石頭埋在了地底，要么被水解，要么活在科幻小說家的文字里。