当前位置: 首页 > 教育

硅基生命是什么形式的?

来自: 沈阳 查看: 1183 蓶yiの依瀨  百度已收录


许多对外星生命的探索都集中在发现与我们相似的生命迹象——液态水的可用性,或者由碳(地球上生命的基础元素)制成的复杂化合物的存在。但是如果生命可以由不同的东西构成呢?

元素周期表中有一种元素非常接近碳,有人认为这可能是生命的另一种化学基础。我们更习惯于在电脑芯片、沙子和润滑剂中找到它。硅基生命形式看起来可能是什么样的生命?

地球上的生命

地球上所有已知的生命都是基于碳元素。它是宇宙中第四丰富的元素;在我们的身体里,它约占我们质量的18.5 %。它是脂质等生物分子的重要组成部分,蛋白质碳水化合物和核酸。

碳的重要性源于其丰富的化学成分。每个碳原子可以与其他原子形成四个键,为构建复杂分子释放出无数可能性。例如,它可以形成长而稳定的链——碳氢化合物——这种链存在于细胞膜中。它也可以很容易地与氧形成和断开键,这发生在呼吸从食物中释放能量。

复杂的化学和科幻生物

在周期表中,硅刚好位于碳的下方。像碳一样,它也可以同时与其他四个原子形成键,形成长链(聚合物),并与氧结合。地球上有大量的这种元素——事实上,它是地壳中仅次于氧的第二丰富的元素。

正是硅和碳之间的这些化学相似性孕育了硅基生命的概念。在科幻小说中,它无疑被证明是生命的沃土:几十年来,硅基生命形式一直是科幻小说中的宠儿,从有知觉的晶体到岩石、熔岩生物和排泄硅块的外星人。然而,硅和碳化学之间的一些重要差异意味着我们不太可能很快被这些生物入侵。

虽然硅可以形成链,但这些链不像烃链那样稳定;硅也不具备碳容易与氧形成和解除化学键的能力。当能量在呼吸过程中从碳化合物中释放出来时,它被“氧化”,废物是二氧化碳——一种容易排泄的气体。当硅化合物经历同样的过程时,固体二氧化硅会作为副产品产生——不太容易去除,尽管排泄砖块的科幻外星人似乎有答案。

一个勇敢的新世界?

复杂的碳化学对地球条件下的生命非常有利。然而,这并不意味着硅基生命形式在不同的行星环境下是不可能的。

理论上,遥远的星球可能有利于硅化学而不是碳化学的环境条件。例如,硅键在高温下比碳稳定得多。或许硅基生命可能出现在对碳基生命来说太热的星球上。

会是什么样子?

如果硅基生命形式确实存在,我们将如何寻找它们——我们甚至能识别什么时候找到它们?寻找硅基生命肯定不容易;未来的宇航员不会跌跌撞撞地穿过岩石怪兽的足迹或硅生物的沙质排泄物。

基于硅的生命形式可能非常原始,其存在的迹象更加模糊——比如硅分子群出现在意想不到的地方。它甚至可能在行星表面找不到——行星内部非常热、富氢、贫氧的条件可能更有利于复杂的硅化学反应。

在寻找其他星球上的生命时,也许事实会比科幻小说更奇怪。

“汽车人,变形!”在风靡全世界的《变形金刚》中,人们就幻想出了一种全新的生命形式——硅基生命。

我们地球上的生命,无一例外都是碳基生命,生命的基础是碳水化合物,生命必需的蛋白质、核酸、糖等都是以碳为骨架形成的。那么,在宇宙的其他地方,有没有可能出现完全不同的生命形式呢?

人们发现,在元素周期表上,碳的下方是硅,因此硅和碳的许多基本性质都相似。比如,碳能和4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等等。另外,硅和碳一样,都能组成长链或聚合物,在其中它还能和氧交替排列,形成类似丙酮之类的化合物——硅酮,电影中的特异生命形态就有可能由类似的物质构成。

硅基动物很可能看起来像是些会活动的晶体,再复杂一些,则可能出现类似机器狗和机器人那样的生物。当然,要想进化出变形金刚这样强大的硅基生物是相当有难度的,但如果真的有,那它们的生存能力可能是普通碳基生物无法想象的。或许,它们可以不加任何防护进入太空,它们可以耐高温和其他各种极端的物理条件,它们可能不需要食物和排泄,而只是通过某种方式获取恒星和行星的能量……

如果有朝一日真的发现了硅基生命,那么人类就要重新书写生命的定义了。

自然科学奥妙探秘,中考高考资源普及,更多科普教育资料欢迎点击右上角关注“物理小金鱼”。

硅原子替代碳作为生化系统的基础已被学界广泛讨论过,因为硅具有与碳类似的许多化学性质,并且与元素周期表中的碳同族。与碳一样,硅可以产生足够大的分子来携带生物信息。

硅作为碳的替代物的缺点

与碳不同,硅缺乏与不同类型原子形成化学键的能力,这对于新陈代谢所需的化学多功能性是必需的。能够与碳形成有机基团的元素包括氢、氧、氮、磷、硫以及金属如铁、镁和锌等等,而硅只与极少数的其他类型原子相互作用,这似乎是因为硅比碳拥有更多的质子,因此化学性质更不活泼。而在与其他原子相互作用时,硅产生的分子相对更单调。这是因为硅原子更大,具有更大的质量和原子半径(硅原子比碳原子大50%左右,质量是碳原子的两倍多),因此难以形成双键,例如:碳氧双键是羰(tang)基的一部分,羰基是生物有机化学的基本主题。[头条·小宇堂—未经许可,严禁转载]

硅烷是氢和硅的化学化合物,类似于烷烃,与水高度反应,长链硅烷自发分解。而硅-氧原子交替连接而成的聚合物(统称为硅酮)比硅-硅直接相连的分子更稳定。而有人提出,在富含硫酸的环境中,有机硅化学物质比对等的碳氢化合物更稳定,就像在一些外星区域发现的那样。因此似乎在高浓度硫酸的环境中,更可能存在硅基生命。在硫酸为主体的液体以及大气中生活的硅基生命可能是一个搜寻的方向。

硅化合物可能在不同于类地行星表面的温度或压力下的其他星星上具有生物学活性,以与碳直接相似或不太直接相似的形式。例如:多硅烷醇,这种化合物对应着糖的硅化合物,可溶于液氮,这表明它们可以在非常低温的生物化学中发挥作用。因此,硅基生命可能在一些具低温环境的行星上搜寻。

硅基生命的探索

截至1998年,在星际介质中确定的分子种类中,84种基于碳,而只有8种基于硅,而在这8种化合物中,有4种还同时含有碳。碳与硅的宇宙丰度大约为10比1——这可能表明整个宇宙中存在更多种类的复杂碳化合物,而为构建硅基生物的基础要少得多。虽然地球和其他类地行星实际上硅元素丰度远超碳元素(地壳中硅与碳的相对丰度大约为925:1),其陆地生命也是以碳为基础的,这些生物使用碳代替硅的事实可能证明硅似乎不太适合类地行星上的生物化学。其原因可能是硅在形成化合物方面不如碳通用,硅形成的化合物不稳定,并阻止热传导。所以可能硅基生命不大可能生活在类似地球的行星上。

硅基生命面临的另一个问题是:硅的主要氧化物——二氧化硅(SiO2,沙子的主要化合物),二氧化碳的类似物,在水是液体的常温下是难溶性的固体(溶解度极低),这使得它很难进入水基生化系统。二氧化硅的另一个问题是它应该是硅基生物有氧呼吸的产物,如果硅基生命形式使用氧气“呼吸”的话。这就像地球上的生命一样,那么它很可能会产生二氧化硅作为其呼吸的副产品。但是二氧化硅是一种固体,而不是一种气体,这样硅基生物的排泄器官就要与碳基动物的肺部以及碳基陆生植物的气孔完全不同。虽然其吸氧器官或多或少可以具有可比性,但二氧化硅的排泄则完全不能像陆生碳基生物的吸氧过程一样进行。人们可以想象硅基生物的排泄器官可与我们熟悉的肾脏相比,在这种假设的生物化学情况下,它可以排出某种硅酸盐凝胶——类似陆生碳基生命体排泄废弃氮化合物(主要以尿素的形式)的情况。或者硅酸盐化合物也可能会以固体形式排出,就像地球上一些通过鼻孔排泄尿素的沙漠蜥蜴

地球上的硅基生物候选

即便如此,生物二氧化硅也被一些地球生命所使用,例如硅藻的硅酸盐骨架结构。

上图:地球上的硅藻,其外骨骼不是碳酸盐质,而是硅酸盐质

人造的硅基生命

尽管在自然界中未观察到,但通过使用定向进化(人工选择)将碳-硅键添加到生物化学中。含有来自海洋红嗜热盐菌的细胞色素c蛋白的血红素已经使用定向进化设计,以便在工业生产中催化在氢硅烷和重氮化合物之间形成碳-硅键。[头条·小宇堂—未经许可,严禁转载]

上图:来自海洋红嗜热盐菌细胞的细胞色素c蛋白的结构显示在中心附近结合的铁(红色)。 研究人员使粉红色区域的氨基酸发生了突变,提高蛋白质的碳-硅键的形成能力。


自从20世纪60年代后期微处理器问世以来,这些机器通常被归类为计算机(或计算机引导机器人),并归入“硅基生命”,即使这些处理器的硅背衬矩阵几乎不像他们的创造着过着一种“湿漉漉的生活”。

所有已知的地球生物都是碳基生物,碳基生物的意思就是以碳元素为有机为基础的生物,而硅基生物不过是科学家设想的一种生物,它是以硅元素为有机物基础的生物。那么,如果硅基生物存在的话,它们是以什么形式存在的呢?我们简单的来探讨一下这个问题。


硅基生命假说

之所以说现存地球上已知的生物都是碳基生物,是因为所有地球生物体内氨基酸的链接元素就是碳元素,也就是链接氨基和羧(suo)基的就是碳元素。但是,在地球生物体内,含量最多的并不是碳元素,而是氧元素。我们以人为例,占据人类质量65%的是氧元素,而碳元素只排在第二位,占比18%。虽然碳元素不是生物体内最多的元素,但是它除了是细胞结构必不可少的元素外,在细胞干重中碳元素的质量分别占约44%(植物)和56%(动物),因此,碳元素对于地球生物来说是最重要的生命元素,这也是地球生物被称为“碳基生物”的主要原因。


弄清了碳基生物的概念,硅基生物就很好理解了,它就是将连接氨基和羧基的由碳元素,变为了硅元素。最早提出硅基生物概念的是德国的天体物理学家儒略·申纳尔,他在1981年的论文中首次提出了可能会有以硅元素为基础的生物存在的可能性。理由是,在宇宙中有许多温度很高的星球,而对于碳基生物而言高温的星球显然不是宜居的,但是,硅元素与碳元素的化学性相近,而且相对碳元素,硅元素的耐高温性更强,而这就是我们电脑的CPU和风扇间要涂一层硅胶,而不是其他物质的原因。

从这个角度看,假如宇宙中有其他生物的话,它们是硅基生物的可能性还是很高的。


硅基生物如果存在的话,它们是以什么形态存在的?

首先,碳基生物必须摄入含碳的食物才能够维持正常的生命体征,同样的,硅基生命必须也要以含硅的食物为食,不过,从目前科学对宇宙的探索看,硅元素在宇宙中含量较低,因此,即便是硅基生物存在,它们的数量也比较的少,当然也不排除它们在我们没有探测到的星球上,而这个星球上富含硅元素的可能性。

其次,碳基生物之所以能够存在就是因为碳元素与氧极容易结合,而结合后的二氧化碳是一种气体,可以直接被新陈代谢掉。但是,硅基生物就不同了,硅元素与氧也容易结合,而且结合后的二氧化硅是固体,这就代表着,硅基生物呼吸或者是进食都会在身体中产生大量的固体,而这些固体很难排出体外,而且稳定性极强(熔点为1650℃左右)。而解决这个问题,最好的办法就是星球上的温度高于二氧化硅的熔点,此时二氧化硅呈液态,才更有助于它们排出这些“垃圾”。


最后就是结合了。在地球上碳基生物有各种各样的形态,这是由什么决定的呢?还是碳原子。碳原子小到我们无法观察到,但是正是这些看不见的原子组成了分子,而让它们组合的就是化学键。碳原子与硅原子都有4个化学键,这就是它们组合的方式。不同的是碳原子在结合时(碳基化合物具备不对称性),因为不对称性出现了左旋和右旋,这就使得分子有了形状,这些简单的分子再合成高分子时,同样也会产生不同的形状,此时,碳基生物的形态多样性就有了。

硅原子虽然和碳原子一样都有4个化学键,但是硅原子比碳原子多了一个电子层,这就导致了硅原子在结合时相当的不稳定,而且硅基化合物具备对称性,所以它们也就没有了左旋右旋,进而它们的形态也较为单一。并且硅原子因为不稳定性很难形成长链,也就无法形成较大的大分子。

基于以上的分析,如果硅基生物存在,几乎可以肯定地说它们生活的星球上一定是高温的,在如此高温的条件下,它们要想形成稳定的形态,那么就需要身体组成的其他部分的熔点要高于二氧化硅。因此,它们要么是由稳定性极高的物质组成的小个体(硅链比较的短),要么是液态甚至是气态的存在。这是一个可能。


看到这里,有些小伙伴会问:硅基生物有没有可能不需要呼吸呢?这个问题也比较有意思,但是只要是生命就要活动(肢体活动或者是生命活体),活动就需要能量,能量是通过物质交换完成的,也就是说呼吸是硅基生物也无法避免的。

不过,从化合物的角度看,虽然二氧化硅是固体,但是硅基生物生活的环境也不一定有氧气,如果没有氧气,呼吸也不会产生二氧化硅,此时,硅基生物的形态又变了。因为,如果它们生存的星球上有氟的话,硅与氟能够产生四氟化硅,而四氟化硅在干燥的环境下是气体存在的。

这个假设即满足了干燥(高温),又解决了呼吸成为固体的问题。所以,如果是这样的硅基生物的话,它们虽然满足体型不大,形态单一,但是好歹也能成为像机器人一样的固态。


总结

硅基生物只是科学家提出的一个假说,到目前为止,没有任何的证据表面硅基生物的存在,当然,我们也不能完全否认它们的存在。假如它们存在的星球上有氧气的话,它们大概是液体甚至是气态的,假如它们存在的星球上没有氧,有大量的氟的话,它们则有可能是固态,不过,不管是哪种形态,它们的形态并不稳定,而且体型也很小。

就这么说吧,这个问题没有任何人知道。碳和硅存在化学性质的相似性,而所谓的“硅基生命”只是科学家根据碳与硅性质的相似性推测出的生命形式,它并不一定实际存在。

所以说硅基生命到底是什么样的没人知道,我们只能通过硅这种碳的同族元素的性质来推测。碳是因为其化学性质比较活泼,所以可以和氢、氧、氮、磷等元素构成构造复杂的有机物,而有机物的结构决定着有机物的功能,酶的功能就和自身的结构有关,还有抗原抗体反应,都是类似于钥匙插钥匙孔,蛋白和另一种蛋白相互匹配才可以发生的。碳基生命由于碳的活性,导致碳基构成的核酸也变得十分多样,它可以在外界影响下而变异,而变异则是生物进化的动力,它为生物提供了多种多样的基因类型,生物因为基因类型多所以有了多样性。

硅因为和碳是同族元素所以某些性质相似,允许在更为苛刻的环境中硅也可以像碳一样构成生命的基础,但是难度应该是非常高的。硅在现代社会中也有很重要的作用,它的化合物可以拿来做玻璃,也可以拿来做电路板,可是这些都是因为硅化合物的性质稳定。硅的化合物很难溶解在有机或者无机的溶剂中,因此硅化合物可能生成的物质类型就比碳少得多。而目前科学家对碳基生命的了解,认为生命是“无中生有”,是因为物质的自由碰撞反应诞生的,可是这样的进程也必须一种相对活跃的物质才可以发生,金刚石它万年后还是金刚石,性质太稳定了。

硅基生命是推测得来的,现代人类也无力在实验室中创造一种基于硅的生命,所以这种生命形式在宇宙中是否存在没人知道,科学家们也不知道。基于硅的性质,我们可以假设硅基生命存在的情况下,硅基生命的物质需求。既然类似于碳,硅基生命适是以硅为基础物质构成,那么硅这种元素在此种生物的生长发育繁殖中必定占据重要的作用,它需要以大量的硅基有机物为食物才能满足自身的生长发育,也必须有以硅为基础的色素物质,例如绿色素等,它们可以将光能或者化学能转化为生物可以利用的形式,可是这种物质的生成比碳难得多,至少在现有的有机物中没有发现。

反过来想,地球的硅储量也是很丰盛的,可是地球上却偏偏诞生了以碳为基础的生命,而硅化合物在生物体内的存在量很低,硅的化合物更多的是人类认识到自然的某些性质后拿来用来制造某些材料,就连生物也难以分解硅化合物,有科学家认为人类消失后数百万年依然可能有人类拿硅化合物创造的事物。硅化合物性质的稳定使得它很难承担构成生命的重担,至少迄今为止人类没有发现某种生物以硅为主,在宇宙中发现了很多碳基有机物,也没有发现以硅为基础的复杂的化合物,所以硅它本身就不行嘛,它辜负了人类的期待。

若是有某种生物以硅为基础,那么这种生物的生长发育繁殖估计会是很缓慢的,虽然宇宙中以硅为基础的化合物很多,比如二氧化硅,比如硅酸盐石头等等,可是要以硅为核心构造类似碳基有机物那么复杂的物质,也是很难办的。文末再重提一次,硅基生物只是人类的推测、想象,它不是实际存在的,所以探讨它是何种组成形式没什么意义。

各位手里现在握着的正是它的原始形态。

不可能有硅基生命,因为地球有大量的硅,但并没有出现硅基生命,连最基本的有活性的硅病毒都不存在。地球上没有的,太空中也不可能有。

科幻小说当然可以随便写了。

但是所谓的“硅基生物”有其科学意义。

我们说生命的基本特征就是繁衍自己延续自己,像水母,已经在地球上繁衍几亿年了。

如此说来,我们人类制造的机器也是可以实现繁衍自己的,从某种意义上来说,这也可以称之为“生命“吧,因为“繁殖信息”需要记录在半导体上,因此可以算作所谓的“硅基生物”。

如果发明出来这种会自我复制繁衍的机器将是一件挺可怕的事情。

科学家估计,如果银河系中有智慧生命发明出一种探测器,且能够从其他行星和小行星开采原材料并制造自己的复制品,探测器和它的复制品再不停地复制自己,探测器的数量就会呈指数增长——由1个变为2个,2个变4个,进而变成8个、16个,像病毒一样不断复制,在短短1000万年内,银河系内将布满这种可怕的机器!

这个观点可以算作费米悖论的一个实例。

费米悖论是说如果有外星人,按照时间估计,现在至少也应该在地球上留下一些证据了。

但为什么到目前还没有任何直接证据能够证明存在外星人呢?

这个宇宙既然诞生了碳基生命,就有可能产生硅基生命啊。

这就好比我们地球人需要呼吸氧气,才能生存,可是别的星球人,可能视氧气为毒气,需要呼吸一氧化碳才能生存。

因为生命的形成基础不同,所以相应的需求也会不同。宇宙这么浩瀚,无奇不有啊。硅基生物可能根本不需要吃我们人类一样的食物,直接进食的是能源,例如电能。

碳基可以组成大的有机分子,这是形成生命的关键。硅基一样也可以形成长链的大分子,如果有足够复杂的组合,形成生命也是可能的。只是硅基生物需要的生存条件和我们人类一定有着天壤之别。地球上的空气他们肯定不能适应,我们也无法适应他们星球的环境。

现在人工智能极速发展,如果未来有一天它们拥有了自主意识,那么就诞生了新的生命形态。它们也是智慧生物的一种,和人类一样拥有意识、拥有生命。它们就是硅基生物。需要的生存条件和我们不一样,但是它们已经是一个新的物种了,不再是人类的附属。

硅基生命已经在地球萌芽!他的创造者就是碳基生命的人类。