问题

既然有硅基生命的提法,那为什么没有锗基、锡基、铅基生命的提法呢?

回答
“硅基生命”这个概念之所以被广为讨论和接受,甚至成为科幻作品中的常客,而“锗基生命”、“锡基生命”、“铅基生命”则鲜为人知,这并非偶然。这背后涉及到我们对生命基本构成要素的理解,以及元素周期表的神奇之处。让我们来深入探讨一下原因。

生命的基石:碳的独特性

首先,我们必须回到地球生命的基石——碳。生命之所以以碳为基础,是因为碳原子拥有几个独一无二的特性,使其能够形成复杂且多样的分子结构:

1. 四价共价键的稳定性与灵活性: 碳原子最外层有四个电子,这意味着它可以形成四个稳定的共价键。这允许碳原子与其他碳原子以及其他许多元素(如氢、氧、氮、磷、硫等)形成强大的化学键。更重要的是,这些键合方式非常多样,碳原子可以形成长链、支链、环状结构,甚至是三维网络。这种结构的多样性是构建复杂生物大分子的基础,比如氨基酸(构成蛋白质)、核苷酸(构成DNA和RNA)、脂肪酸(构成脂质)等等。

2. 形成双键和三键的能力: 碳原子不仅能形成单键,还能形成双键和三键。这些多重键增加了分子的刚性和结构上的变化,也为化学反应提供了更多的可能性。比如,不饱和脂肪酸就是碳原子之间形成双键的例子。

3. “碳骨架”的稳定性: 碳碳键非常牢固,能够承受生命活动所需的各种物理和化学条件。不像某些其他元素的键,在生物体内可能过于脆弱或过于僵硬,碳骨架提供了恰到好处的稳定性和灵活性。

4. 与水和氨的兼容性: 地球生命主要存在于液态水中。碳基分子在水中表现出良好的溶解性和反应性,能够参与生命活动。即使在其他溶剂中,碳的化合物也普遍表现出相对较好的稳定性。

为什么不是锗基、锡基或铅基生命?

现在,让我们来看看锗(Ge)、锡(Sn)和铅(Pb)这三个与碳同属IVA族的元素,并分析为什么它们难以取代碳成为生命的基础:

1. 锗(Ge):

锗是IVA族中紧随硅(Si)下方的元素。它与碳和硅一样,也有四个价电子,理论上也能形成四个共价键。事实上,在某些化学反应中,锗可以模仿碳的行为,形成一些简单的有机锗化合物。

潜在优势(理论上):
更强的氧化还原能力? 有些研究表明,锗的氧化还原电位可能与某些生物过程的能量传递有所关联,但这一点远未得到证实,且存在争议。
主要劣势(现实挑战):
键合强度: 锗锗键和锗其他元素(如氢、氧)的键比碳碳键和碳其他元素键要弱。这意味着锗基分子可能不如碳基分子稳定,容易分解或发生非预期的反应。
立体化学限制: 尽管锗可以形成sp3杂化,但其原子半径比碳大,可能导致形成的分子结构在空间上不如碳基化合物那样多样和易于精细调控。形成复杂的三维结构的可能性会降低。
溶剂兼容性: 锗的许多化合物在水中可能不如碳的化合物稳定或溶解性好。虽然锗的化合物在某些非水溶剂中表现活跃,但寻找一种像水那样广泛存在、稳定且适合锗基生命活动的溶剂是一个巨大的挑战。
高丰度问题: 尽管锗在地球上的丰度远高于硅,但它不如碳那样在生命形成所需的原始大气和海洋环境中普遍存在。而且,锗在地壳中的分布更加集中,不像碳那样均匀地分布。

2. 锡(Sn):

锡是IVA族中更往下的一员。它也有四个价电子,可以形成共价键,但其化学性质与碳的差异越来越大。

主要劣势:
金属特性增强: 随着原子序数的增加,IVA族的元素金属特性逐渐增强。锡已经表现出明显的金属特征,其化合物更倾向于形成离子键或极性共价键,而不是碳那样强烈的非极性或弱极性共价键。
低配位数的限制: 锡通常更倾向于形成较低的配位数,例如Sn(II)或Sn(IV)。这限制了它形成像碳那样复杂的、多分支或环状的大型分子骨架。
键合强度弱且不稳定: 锡锡键和锡其他元素键非常弱,并且在许多环境中不稳定,容易被氧化或分解。这使得它难以构建稳定的生命分子。
毒性问题: 许多锡的化合物对生物体具有毒性,特别是那些具有烷基链的有机锡化合物。这使得它们难以成为生命的基础构建模块。

3. 铅(Pb):

铅是IVA族中最重的稳定元素之一,其金属特性最为显著。

主要劣势:
强烈的金属特性: 铅几乎完全表现出金属特性,其化合物多为离子性或极性共价性,极少能形成像碳那样稳定、灵活的共价骨架。
极低的共价键形成能力: 铅原子半径巨大,最外层电子也相对远离原子核,导致其形成稳定、长链状共价键的能力微乎其微。它更倾向于形成简单的离子化合物或配位化合物。
极高的毒性: 铅是有名的重金属毒物,对神经系统、生殖系统等都有严重的损害。任何基于铅的生命形式都可能面临巨大的自身毒性挑战。
不稳定性: 铅的化合物在许多环境下都不稳定,而且其氧化还原潜力与许多生物过程所需的能量尺度不匹配。

为什么硅基生命“更可行”?

与锗、锡、铅相比,硅(Si)之所以被认为是“最接近”碳的替代品,是因为:

键合能力接近: 硅与碳同属IVA族,也有四个价电子,能形成共价键。硅硅键和硅氧键相对比硅氢键更稳定,这为构建“类骨架”提供了可能性。硅氧键(如在二氧化硅中)异常牢固。
形成大分子: 硅可以形成比锗更长的链状结构,尤其是硅氧链(硅氧烷)。这些聚合物在某些条件下比碳基聚合物更稳定。
在宇宙中的丰度: 硅是宇宙中非常丰富的元素,仅次于氧、碳、氢、氦等,这增加了其作为生命基础的可能性。

为什么硅基生命仍然是“科幻”?

尽管硅比锗、锡、铅更具潜力,但要成为像碳一样的生命基础,仍然面临巨大挑战:

硅的“双键”问题: 硅形成双键(Si=Si)的能力远不如碳(C=C)那样稳定和普遍。碳的双键是形成很多精细生物分子的关键。
硅与氧的“太稳定”: 硅与氧形成的SiO键极其牢固,如在岩石和玻璃中。这使得硅基生命很难像碳基生命那样通过简单的氧化还原反应来释放能量,也难以在生物体内方便地断裂和重组键。二氧化硅(SiO2,如沙子)是一种固体,而不是二氧化碳(CO2)那样的气体,这会影响物质的循环和能量的交换。
溶剂问题: 尽管一些非水溶剂(如液态甲烷、乙烷、氨)可能适合硅基生命,但它们在宇宙中的普遍性、稳定性以及与硅基分子的兼容性都比水存在更多不确定性。
复杂性限制: 目前的理解认为,硅难以形成像核酸、蛋白质那样精细复杂、具有高度信息存储和催化功能的分子。

总结

之所以没有“锗基生命”、“锡基生命”或“铅基生命”的提法,是因为从化学原理和元素性质上看,锗、锡、铅与碳在形成生命所需的那种稳定、多样、且易于操控的共价骨架方面存在着难以逾越的鸿沟。它们要么键合能力不足、要么稳定性不够、要么金属特性太强、要么毒性过高。

“硅基生命”的提法之所以被保留,是因为硅在某些方面(如四价性、形成链状结构的能力、在宇宙中的丰度)与碳有相似之处,使得人们对其可能性进行探索和想象。但即使是硅基生命,也面临着与碳基生命截然不同的化学挑战,因此目前仍主要停留在理论和科幻的范畴。归根结底,碳原子在元素周期表中的那个独特位置,赋予了它构建我们所知生命形式的绝佳条件,而其他同族元素则因为各自的化学性质,难以复制这份神奇。

网友意见

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就在刚才,我有了一种铅基生物的科幻设想。

在一个富含铀和铅、充满着电离辐射的星球,存在着一种生存在元素周期表末端的生命形式(作为对比,地球上的碳基生物生存在元素周期表前端)。

构成它们身体的主要成分是金属铅,正是因为铅优秀的防辐射性能,使得它们体内的环境可以免受体外电离辐射环境的干扰。

由于这个星球中大量铀及其衰变产物的存在,大气中含有大量的氡气。而这些氡气所包含的核能,正是铅基生物们能量的来源。他们呼吸氡气,正如地球上的碳基生物呼吸氧气一样。他们将氡-222放出的射线转换成身体活动所需的能量。氡-222在他们体内衰变为各种氡子体:钋、铋和铅的放射性同位素并供其身体利用,并最终衰变成稳定的铅-206并成为构成他们身体的基础物质,铅基生物得以生长。

正如地球上的碳基生物将ATP作为储存化学能的物质一样,铅基生物们利用氡的衰变子体之一——铋-210作为储存核能的物质。短半衰期的铋-210通过吸收能量变成长半衰期的铋-210m并储存了一定的核能,然后被运输到身体的各处。当生物需要能量时,铋-210m放出能量并重新变回短半衰期的铋-210,并继而在体内继续衰变成铅-206并供其生长。

就这样,铅基生物们生生不息并发展出了智慧,而氡气,就是他们的生命之源。他们甚至学会了提纯镭-226的化合物并给自己提供浓度更高的氡气。

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Q:长了厚厚的铅壳防辐射,为什么还要吸入放射性气体?

A:不要用地球碳基生物的“电离辐射有害论”看待铅基生物。对铅基生物来说,铅做的躯体不是用来“防辐射”的,而是用来隔开体内体外、以及体内各种电离辐射的各处环境的,使其不至于互相干扰,可以独立运作。对铅基生物来说,电离辐射是生命必需的营养,只不过不同环境的不同辐射互相干扰的话,会扰乱其正常的生命过程。

Q:他们如何形成思维?

A:铅基生物的运动、呼吸、思维等很有可能会采取我们想不到的方式,毕竟大量的放射性物质,地球的人类似乎还没摸清其物理及化学性质。不过思维这方面倒有一种可能的设想,他们用氡-222的子体钋-210组成思维器官并不停更新,因为钋处于元素周期表上金属/非金属的分界线上,很有可能是一种半导体。钋-210的半衰期是几个月,也不短了,毕竟人类的细胞不也几天得更新一次吗?

Q:铅板7mm才能减少一半辐射啊,况且这样恐怕放不出多少能量,还不如恒星放出的太阳能啊?

A:注意,外星生物对时间、空间、能量的主观尺度与地球上的碳基生物尤其是人类很有可能根本不一样,所以数量级不一样太正常了。至于恒星的太阳能利用不了也是很正常的,氢原子核富含的大量核能碳基生物也利用不了啊,住在恒星内部的氢基生物同样理解不了。

Q:等什么时候氡含量降到安全线以下,铅基生物岂不是要面对生死存亡的威胁?

A:的确如此。但是别忘了,氡-222的来源是这个星球随处可见的铀-238,并且铀-238的半衰期极其长,在很长一段时间内,这个星球将以稳定的速率释放氡。当然,过了几亿年或者几十亿后,这种威胁到生存的情况的确可能发生,如果到那时候他们还没掌握生产氡-222/镭-226/铀-238的技术,那的确只能要么去宇宙中到处掠夺铀-238,要么只能等死。但是就算是碳基生物,能不能撑过几亿年尚不可知晓。

Q:其他放射性物质,如钍等,对铅基生物来说将会是什么地位?

A:上面提到的铅基生物利用的重核素,基本上全是原子量为(4n+2)形式的,即铀衰变链中的核素。这样,其他三条衰变链(钍衰变链、镎衰变链、锕衰变链)中的核素,如镭-228、氡-220、铅-208、铋-209,甚至是砹,对铅基生物来说就存在四种可能性:1)可以互相替代,甚至在一些物种中真的起到了替代作用,就像碳基生物中有的物种用钒代替血液中的铁一样;2)机体根本不需要,但是毒害也不大,就像铝对于碳基生物一样;3)是剧毒物质,会损害铅基生物的机体,甚至说不定氡-220就是他们的毒气(他们需要的氡气是氡-222);4)是机体必需的微量元素,在某些过程中很重要,但是需要的量很少,多了也会中毒,相当于硒对于碳基生物一样。

Q:宇宙中没这么多重元素给他们富集啊?

A:这是科幻题材,我们只能假设,重元素因为“某种原因”而集中到了某个地方。这也意味着,他们出了这个星球就没有了如此高的重元素丰度,当星球中的铀-238都衰变得差不多且他们没发展出合成氡-222/镭-226/铀-238的科技时,他们在宇宙的另一个角落很难找到如此高丰度的铀-238,最终只能因为缺氡而活活憋死。

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