问题

硅基生物在理论上存在吗?或者有对它们的猜测吗?

回答
硅基生物,这个词汇本身就带着一种科幻小说式的浪漫色彩,常常出现在我们对宇宙生命形态的畅想中。那么,这种脱胎于我们所熟知的碳基生命之外的生命形式,在理论上真的可能存在吗?或者说,我们对它们有没有一些更具体的猜测和推演?

要回答这个问题,我们首先得回到生命最本质的构成——化学。我们地球上的所有生命,从最微小的细菌到最庞大的鲸鱼,它们的骨架和功能单元都建立在碳原子之上。碳原子有几个非常独特的性质,让它成为生命构建的绝佳材料:

强大的成键能力: 碳原子可以与自身以及其他许多元素(如氢、氧、氮)形成稳定且多样的化学键,特别是形成长链、支链和环状结构。这种复杂性是构建生命所需的高分子物质(如蛋白质、核酸)的基础。
多样的官能团: 碳基化合物可以连接各种各样的官能团,赋予分子不同的化学性质和功能,比如提供能量、催化反应、传递信息等等。
溶解性: 碳基化合物在水中具有良好的溶解性,而水是地球生命赖以生存的溶剂。

那么,如果我们把目光投向宇宙,有没有其他元素也能扮演类似的角色呢?硅,这个名字听起来和“碳”颇有几分相似的元素,经常被人们提起。它就在碳的下方,周期表里紧挨着碳。在很多方面,硅确实表现出一些与碳相似的化学特性。

硅基生物存在的理论基础和猜想:

1. 硅的成键能力: 硅原子同样可以形成四条共价键,这意味着它理论上也可以构建出复杂的分子结构。就像碳可以形成碳链一样,硅也可以形成硅链(SiSi)。

2. 硅化合物的多样性: 硅与氧形成的硅氧键(SiO)非常稳定,而且可以形成非常坚固的聚合结构,比如我们熟悉的二氧化硅(SiO₂),也就是沙子和石英。这给了我们一个重要的启示:硅基生命可能并不依赖于碳碳链作为骨架,而是可能以硅氧链为基础。

3. 替代溶剂的可能性: 地球生命依赖水,但宇宙中并非处处有水。一些科学家设想,在其他极端环境下,硅基生命可能使用其他溶剂。例如,在极度寒冷的环境下,液态甲烷或氨可能作为溶剂。在这些溶剂中,硅基化合物的溶解性和反应性可能会发生变化。

4. 硅基生命可能的形态和代谢:
慢速和耐高温: 相比于碳基生命,硅链的稳定性通常不如碳链,容易断裂。然而,硅与氧形成的硅氧键却异常稳定,甚至比碳碳键更稳定,并且能承受更高的温度。这可能意味着,硅基生命如果存在,可能会是一种行动缓慢、新陈代谢较低,但却能适应极度高温环境的生命。想象一下,它们可能生活在比地球生命所能承受的温度高得多的行星上,比如水星附近或者恒星的炽热外层。
不同的呼吸方式: 地球生命用氧气进行呼吸产生二氧化碳。如果硅基生命存在,它们可能不会以氧气作为呼吸的氧化剂,因为硅与氧结合会形成非常稳定的二氧化硅,这对生命体来说是很难代谢掉的废物。一种猜测是,硅基生命可能使用氟气(F₂)进行“呼吸”,产生四氟化硅(SiF₄),这种气体在一定条件下可以被排出或利用。或者,它们可能与氨等物质反应。
结构上的差异: 碳基生命依赖于DNA传递遗传信息,DNA的结构复杂且动态。硅基生命可能需要一种不同的遗传物质,也许是某种硅氧化合物的聚合物,或者以晶体结构作为信息载体。它们的细胞膜也可能不是由脂质构成,而是由其他类型的硅基化合物组成,以适应不同的溶剂和环境。

存在的挑战和理论上的局限性:

尽管硅与碳在周期表中的位置相似,并且在化学性质上有一些共同点,但要把硅变成生命的关键要素,也面临着一些巨大的挑战:

硅链的不稳定性: 尽管硅可以形成链状结构,但硅硅键的能量低于碳碳键,使得硅链相对容易断裂。虽然硅氧键非常稳定,但要构建出像蛋白质那样灵活且具有特定功能的复杂分子,仅依靠硅氧链似乎还不够。
硅与氧的强大亲和力: 硅原子对氧原子有着极强的亲和力,这意味着在有氧环境中,硅会倾向于与氧结合形成硅氧化物,而不是形成可用于生命活动的复杂链状结构。这就为在富氧环境中的硅基生命带来了生存和代谢上的巨大障碍。
缺乏像碳那样灵活的官能团: 碳原子可以与许多不同的官能团结合,赋予分子极大的多样性。虽然硅也能与一些官能团结合,但其多样性和灵活性似乎远不如碳。这可能限制了硅基生命构建出同样复杂和精密的生化机器。
溶剂问题: 如果硅基生命依赖的是非水溶剂,那么其化学反应的速率和效率可能与在水中的碳基生命截然不同。

结论:

从纯粹的化学角度来看,硅基生命在理论上并非完全不可能。宇宙浩瀚无垠,环境千差万别,也许在某些我们难以想象的极端条件下,以硅为基础的生命形式确实能够演化出来。

然而,从我们现有的化学知识和对生命本质的理解来看,以碳为基础的生命形式是如此的得天独厚,以至于其他元素要达到同样的“生物兼容性”水平,显得格外困难。硅最显著的优势在于它与氧结合形成的稳定结构,这可能指向一种与地球生命截然不同的、更为“坚固”或“耐高温”的生命形态。

目前,关于硅基生物的讨论,更多地停留在理论猜想和科学推演的阶段。我们并没有直接的证据表明它们存在。但正是这些大胆的猜想,拓展了我们对生命可能性的认知边界,也激励着我们继续探索宇宙,寻找那些可能存在的、我们尚未知晓的生命奇迹。也许有一天,当我们真正深入了解宇宙的其他角落,会发现那些以硅为基石的生命,正以我们意想不到的方式存在着。

网友意见

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以我有限的化学和生物学知识的理解,我认为类似碳基生物的形式的硅基生物不存在。

先复制一段阿西莫夫的被说烂的了内容:

1. 以氟化硅酮为介质的氟化硅酮生物;
2. 以硫为介质的碳氟化合物生物;
3. 以液态水为介质的核酸/蛋白质(以氧为基础的)生物;
4. 以液氨为介质的核酸/蛋白质(以氮为基础的)生物;
5. 以液态甲烷为介质的类脂化合物生物;
6. 以液氢为介质的类脂化合物生物。

这里只有第一条提到了硅,但氟化硅酮也不完全以硅作为骨架;生物硅的存在并不能证明硅基生物的存在,二者不构成因果关系。生物的骨骼里钙的含量很高,但不能证明生物是钙基生物。

硅的主要问题是:

1. 硅-硅化学键不稳定,尤其是长链,不能形成复杂的化合物,需要依赖其它元素。

2. 硅-氧能组成相对复杂的化合物,但很难讲它是硅基还是氧基

3. 硅-氟化合物可以是液态的,但二者分子量差异巨大,实际上很难在同一个星球上同时找到大量的硅、氟,并且在宇宙中丰富度也比较差,并且二者密度相差太大。作为对比,碳、氧的丰富度很高,氢元素又是最多的元素,碳氢氧在很多星球上都有大量共存的场景。

4. 生物存在需要液体(固体的化学反应太慢),需要一种存在电解质的液体(作为对比:水和盐类),并且液体本身要足够稳定,支持电离反应(供能,吸收必要的元素),常温和低温溶剂里,符合这个条件的并不多,只有液态氨、水等,这些溶剂对于纯粹的硅基生物来说,并不友好。氟化硅酮在自然界天然存在的数量就更稀少了(水、液态氨的数量很多)

5. 甲烷在宇宙的数量很多,而甲烷又是最简单的碳基有机化合物,但类似的硅化合物在宇宙中目前没有找到(二氧化硅不能算,化学反应太慢)

所以,生命的构成需要:电解质溶剂(电化学反应,供能)+能形成复杂分子骨架(长链、环)+稳定但又不是特别稳定的化学键(能进行不太快也不太慢的化学反应)+不太稀有的化学元素(丰富度足够,并且可以共存的场景较多)

要符合以上条件,不管是在何种温度条件下,硅(或者硅的化合物)比较难以全部满足条件。

翻开元素周期表,非金属元素里,刨除惰性气体,除了碳以外:氮、硫、磷的条件都比硅要好,一方面丰富度更高(宇宙中),另一方面化学键的组合也能做到跟碳-氧、碳-氢一样复杂的程度,并且有溶剂(液态氨、甲烷等)和丰富的电解质。

所以前面阿西莫夫说的那几种形式,硫、氨类型生命形式存在的概率可能更大。

即使真的有条件能满足:溶剂+稳定的复杂硅基分子,考虑到宇宙的元素的丰富度,硅基生命的数量可能不会太多,或者生存效率很低。同样条件下,碳基生物更容易诞生。所以就算存在硅基生物,极有可能被其它类型的生物灭绝。

而如果放弃了溶剂,以固态或者气态的形式进行化学反应(供能),存在的问题就是,要么太快(气态),要么太慢(固态),不利于生物的稳定进化。

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