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  • 硅基生命

    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,烷基金属,羰基金属,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),而过去人类知道的这样的物质都含碳元素;后来证明“有机物”可以通过化学方法合成。“有机物”虽然作为一个历史概念沿用下来,人们却不再将碳视作生命必然的核心元素。并由此提出了以硅、硼或磷而非碳为核心元素的“非碳基生命”。

    从物质组成上看,地球上所有生物都具由基本相似的物质组成——基本上都由碳、氢、氧、氮、磷、硫、钙等元素构成。这些元素相互结合,构成氨基酸、核苷酸、葡萄糖等生命小分子;这些小分子再通过特殊的方式相互结合,形成蛋白质、核酸、多聚糖和脂类等生物大分子。这些分子成为构建生命的基本的“砖块”。由于构成这些生命的这些重要的生物大分子都以碳骨架为基础,所以研究者称这样的生命为“碳基生命”。

    硅基生命相对的也可以这样定义:以含有硅以及硅的化合物为主的物质构成的生命。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 硅基生命 英文名: silicon-based life
    其他外文名: silicon-based life
    构成: 含有硅以及硅的化合物为主的物质 人物: 儒略申纳(德国科学家)
    提出时间: 1891年 提出地点: 德国

    目录

    早期思考/硅基生命 编辑

    硅基生命是碳基生命以外的生命形态,这个概念早在19世纪就出现了。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。

    因为它在宇宙中分布广泛, 且在 元素周期表 中,它就在碳的下方,所以和碳元素的许多基本性质都相似。举例而言,正如同碳能和四个氢原子化合形成甲烷(CH),硅也能同样地形成硅烷(SiH),硅酸盐是碳酸盐的类似物,三氯硅烷(HSiCl)则是三氯甲烷(CHCl)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。 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 ?  

    对硅基生命的质疑/硅基生命 编辑

    硅元素存在的问题

    (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且容易缩合。而这无疑与硅基生命需要的高温环境是相悖的。

    (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,氨甚至氟化氢等溶剂都不能作为硅基生命的载体。

    (4) 在宇宙中,人们只发现了二氧化硅和硅酸盐,却从来没有发现过硅烷和硅酮等物质。在天文学家向宇宙中搜寻生命存在的可能性时,他们在彗星、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。

    而退一步说, 即使在行星形成之后,也没有硅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。

    (5)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, 符合条件的无机气态硅化合物却不存在。而易于产生的 二氧化硅则是固体,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, 处置这样的固体物质会给硅基生命的呼吸过程和植物光合作用带来很大挑战

    不过有人提出质疑,“造物主”可以在创造这种生物体系时对它们的能量收集方式进行“创新”:这种生物同时“吃”产生能量所需的两种(也可以是多种)物质,分开存储于体内,这两种(或多种)物质完全可以不是气体。产生成分为硅化合物的废物后也可以用浓磷酸(或氟化氢等这些能与二氧化硅反应生成液体或气体的物质)组成的“血液”和化学性质特别稳定的血管组成内循环系统,虽然这种循环系统并不是硅基的却是可能的。这样看来没有呼吸系统的生命也是可能的,并且对于碳基生命也是可行的,但显然这种形式显然是低效的,因为地球碳基生命为了适应地球大自然而选定了呼吸这种形式。

    (6) 氧化问题的 另一面就是如何使用能量。碳基生命以碳水化合物储存能量, 硅基生命也可以用类似的化合物进行能量储存,但如何使用这些能量则比较难办。碳基生命用左旋或右旋的大分子———酶来控制碳水化合物,但硅则难以组成这样的大分子。有人认为,硅可能不能像碳一样产生众多的具有左旋右旋特征的化合物,只要是生命形态,就必须从外界环境中收集、储存和利用能量。在碳基生物这里,储存能量的最基本的化合物是碳水化合物。在碳水化合物中,碳原子由单键连接成一条链,而利用酶控制的对碳水化合物的一系列氧化步骤会释放能量,废弃物产生水和二氧化碳。这些酶是些大而复杂的分子,它们依照分子的形状和左旋右旋对特定的反应进行催化,这里说的左旋右旋是因分子含有的碳的手性使得分子出现左旋或者右旋,而多数碳基生物体内的物质都显示这个特征,正是这个特点使得酶能够识别和规范碳基生物体内的大量不同新陈代谢进程。然而, 硅没能像碳这样产生众多的具有左旋右旋特征的化合物(主要由于复杂硅烷衍生物稳定性太低,导致硅难以形成烃衍生物的复刻品),这也让它难以成为生命所需要大量相互联系的链式反应的支持元素。即它不能像类似碳基生命一样识别和规范碳基生物体内的大量不同新陈代谢进程,把储存的能量释放出来。

    (7)遗传又是另一个难题。碳形成的基因链在水中很稳定,这使得碳基生物体内可以充满着。但是, 硅形成的基因链在水中很不稳定,这决定了硅基生物无法以水充实身体,而其他的液体,如铁水、熔化玻璃,也很难保持其基因链的稳定。    

    转向其他元素

    相比硅,或许我们更应该寄希望于硼和磷 相比硅,或许我们更应该寄希望于硼和磷

    早期研究者对硅元素所拥有的 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, 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 ,因为硅实际上并非碳以外的最优解:实际上,硼和磷都各自拥有一个比硅更复杂的氢化物体系,它们的连接能力也都强于硅: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、稳定;而且磷烷已在宇宙中发现,硼烷则可以依靠行星化学过程生成。而事实上 它们也的确在当今无机化学中具有 远比硅更重要的地位。它们无疑才是非碳基生命的更有力竞争者。  

    思考推论/硅基生命 编辑

    1.基本描述

    尽管从化学角度看,硅基生命诞生的希望很渺茫。 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。”

    2.硅基生命的化学反应

    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,硅的氧化会形成固体,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,而不是像二氧化碳那样每个分子都是单独游离的, 处置这样的固体物质会给硅基生命的呼吸过程带来很大挑战。 二氧化硅是原子晶体,很难溶解在水和其他液体之中,它是巨大的分子。

    (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与水反应生成原硅酸;且二氧化硅在催化剂的作用下,也可以和水反应:

    HO + SiO → HSiO(偏硅酸)

    2HO + SiO → HSiO(水过量时,生成原硅酸)  

    但由于原硅酸和偏硅酸同样都是固体,实际上并不能解决问题)

    但有人认为,硅基生命可能利用氢氧化钠处理二氧化硅:氢氧化钠可以和二氧化硅反应,生成硅酸钠。硅酸钠易溶于水。硅基生命可以将硅酸钠排除体内。

    也有人认为,硅基生命也可以用氟化氢处理二氧化硅,氟化氢二氧化硅反应后,硅基生命可以呼出四氟化硅(气体)并排出水,并且硅基植物通过“光合作用”吸入四氟化硅、水和光经过一系列反应生成氟化氢排回大气中并生成“硅淀粉”。但硅基植物的“光合作用”没有详细的可行性论述。

    二氧化硅生成气态的四氟化硅反应方程式如下:

    SiO(s) + 4 HF(aq) → SiF(g) + 2HO(l)

    生成的SiF可以继续和过量的HF作用,生成氟硅酸:

    SiF(g) + 2HF(aq) → H[SiF](aq)

    总反应:

    6HF + SiO→ HSiF+ 2HO

    Horta:《星际迷航》中的硅基生命: Horta:《星际迷航》中的硅基生命:

    (氟硅酸是一种二元强酸。氟硅酸的酸性比硫酸还强,受热分解放出有毒的氟化物气体。具有较强的腐蚀性)

    有的人则担心氟化氢 对硅基生命是有毒的,可以破坏硅化物——无水氟化氢及其水溶液为氢氟酸都具有极强的腐蚀性,能强烈地腐蚀含硅的物体。与硅和硅化合物反应生成气态的四氟化硅(能腐蚀玻璃)。

    他们据此猜测,氟化氢会对硅基生命的皮肤有强烈刺激性和腐蚀性:氢氟酸中的氢离子对硅基生命组织有脱水和腐蚀作用,而硅则亲氟。有人猜测,硅基生命皮肤与氢氟酸接触后,氟离子不断解离而渗透到深层组织,溶解细胞膜,造成表皮、真皮、皮下组织乃至肌层液化坏死。

    但有人指出,硅基生命可能用一种特殊的催化剂消除氟化氢的毒性。这种催化剂可以让氟化氢只和二氧化硅反应。事实上,地球上有一种硫细菌,这种生物能在稀硫酸中生活,最适生长pH值范围为pH2~3。绝大多数有机物都容易被硫酸破坏,硫细菌却能产生一种催化剂防止它自己被硫酸破坏。他们据此猜测: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。

    有人认为,硅基生命可以呼吸二氧化碳和 二氧化硫 化学方程式:

    甲基甲硅烷和二氧化硫反应:

    2SiHCH+ 7SO→ 2CO+ 2SiO+ 7S + 6HO

    四甲基甲硅烷和二氧化硫反应:

    Si(CH)+ 8SO→ 4CO+ SiO+ 8S + 6HO

    因为硅硅单键(Si-Si)不稳定,所以乙硅烷( SiH-SiH)不稳定。乙硅烷( SiH-SiH)比碳烷烃更不稳定,在低温之下缓慢分解成甲硅烷和氢,在300~500℃分解成为SiH、SiH、H,在光照下也分解。硅只能形成杂链高分子化合物。硅基杂链高分子的主链除硅原子外,还含有碳、氧、氮、硫、铝、硼等其他元素。有机硅高分organosilion- polymers主链(或骨架)是由硅、氧交替组成的高分子。又称聚硅氧烷或聚硅醇。因为硅只能形成杂链高分子化合物,所以硅基生命产生的代谢产物、废物、氧化物是非常复杂的,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。

    3.硅基生命的溶液和介质

    水是一切蛋白质生命所必需的溶液和介质。然而硅-硅键和硅-氢键在质子溶剂中的不稳定却导致了水无法作为硅基生命的介质。虽然这点不会因此排除硅基生命存在的可能,但 存在大量液态水的星球肯定是排斥硅基生命的。而同为质子溶剂的氨也无法胜任这项工作。因此 硅基生命也不能是氨基生物。

    因此,硅基生命只能在非质子溶剂中诞生。

    对生命形式的早期总结/硅基生命 编辑

    硅、硼磷代替碳;用氟化氢硫化氢等代替水;用砷酸代替磷酸;用代替氧等都只是个别的、零星的构想,真正对问题作出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:
      一、以氟化硅酮为介质的氟化硅酮生物
      二、以硫为介质的氟化硫生物
      三、以水为介质的核酸/蛋白质(以氧为基础的)生物
      四、以氨为介质的核酸/蛋白质(以氮为基础的)生物
      五、以甲烷为介质的类脂化合物生物
      六、以氢为介质的类脂化合物生物
      其中第三项便是我们所熟悉的———亦是我们惟一所认识的———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,其中第一项便是他认为可能出现的硅基生命。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。

    化学层面的非碳基生命研究中的问题/硅基生命 编辑

    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——碳下方的硅基生命已存在许多问题,因此生命必然是碳基的。

    然而,硅由于自身的不足,其对有机物的复刻品十分有限。而一些其他元素在无机化学中则占据比远硅更重要的地位: 被多数科幻作家忽视的硼真正拥有一个综合实力与碳相当的氢化物体系;雄据当今无机化学半壁江山的以羰基金属原子簇为代表的的 金属原子簇虽然规模仍然不能与有机化学相比,但 也拥有远超有机物的深刻性和多变性;甚至就连硅右边的磷,其氢化物体系也比硅更复杂……

    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。

    硅基生命的广义解释/硅基生命 编辑

    可以展望的硅基生命——人工智能(广义)

    靠自然进化在进化链上寻找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。  

    除硅基生命和碳基生命以外的生命形式/硅基生命 编辑

    1.硼基生命

    在一系列硅烷被合成后,人们又成功合成了种类众多的硼烷。于是,有人将目光投向了这种位于碳左边的元素: 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”)

    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RNHB和对应羧基COOH的B(OH)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)为连接中心的多聚物。

    2.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!

    3.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。 不同于碳元素的共价键有机物,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NaFeCo[MoOH(HO)]Cl₂₇·450HO。

    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。

    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。”

    尾声/硅基生命 编辑

    也许在未来很远很远的某一天,以硅为基础的可自我复制的人造机器“硅基生命”会作为一种新的生命形态而替代我们碳基生命,就像《科幻世界》中一篇《沙漠蚯蚓》中说的:硅基纳米机器可以直接把光能转化为电能,以维持其生命活动。是否符合生命定义存疑。不过那一定离我们很远很远。

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