第十八章 硅基生命的困難

　　硅基生命，很難存在。

　　硅基生命(silicon-based life)——是相對于碳基生命而言的，以硅骨架的生物分子所構(gòu)成的生命。含有硅以及硅的化合物為主的物質(zhì)。也可以是人造的，只與外界交換能量和信息，不進(jìn)行新陳代謝的。1891年德國儒略申納提出了這個(gè)概念。

　　“硅基生命”這一概念首次于19世紀(jì)被提出。1891年，波茨坦大學(xué)的天體物理學(xué)家儒略申納(Julius Sheiner)在他的一篇文章中就探討了以硅為基礎(chǔ)的生命存在的可能性，他大概是提及硅基生命的第一個(gè)人。這個(gè)概念被英國化學(xué)家詹姆斯·愛默生雷諾茲(James Emerson Reynolds)所接受，1893年，他在英國科學(xué)促進(jìn)協(xié)會的一次演講中指出，硅化合物的熱穩(wěn)定性使得以其為基礎(chǔ)的生命可以在高溫下生存。

　　三十年后，英國遺傳學(xué)家約翰·波頓·桑德森·霍爾丹(John Burdon Sanderson Haldane)提出，在一個(gè)行星的深處可能發(fā)現(xiàn)基于半融化狀態(tài)硅酸鹽的生命，而鐵元素的氧化作用則向它們提供能量。

　　硅由于在宇宙中分布廣泛，且在元素周期表中位于碳的下方，與其同主族，所以和碳元素的許多基本性質(zhì)相似。舉例而言，正如同碳能和四個(gè)氫原子化合形成甲烷(CH4)，硅也能同樣地形成硅烷(SiH4)，硅酸鹽是碳酸鹽的類似物，三氯硅烷(HSiCl3)則是三氯甲烷(CHCl3)的類似物，以此類推。而且，兩種元素都能組成長鏈，或聚合物，它們都能在其中與氧交替排列，最簡單的情形是，碳-氧鏈形成聚縮醛，它經(jīng)常用于合成纖維，而用硅和氧搭成骨架則產(chǎn)生聚合硅酮（即硅氧烷）。所以乍看起來硅的確是一種作為碳替代物構(gòu)成生命體的很有前途的元素，且有可能出現(xiàn)一些特異的生命形態(tài)就有可能以類似硅酮的物質(zhì)構(gòu)成。硅基動(dòng)物很可能看起來象是些會活動(dòng)的晶體，就如同迪金森和斯凱勒爾(Dickinson and Schaller)所繪制的一張想象圖一樣——一只徜徉在硅基植物叢中的硅基動(dòng)物，這種生物體的結(jié)構(gòu)件可能是被類似玻璃纖維的絲線串在一起，中間連接以張肌件以形成靈活、精巧甚至薄而且透明的結(jié)構(gòu)。

　　然而，硅真的能不負(fù)眾望，成為生命的核心元素嗎？

　　對硅基生命的質(zhì)疑

　　然而，隨著無機(jī)化學(xué)的發(fā)展，人們卻發(fā)現(xiàn)，硅的表現(xiàn)并不能合乎人們的期望。以有機(jī)化學(xué)為參考，依靠合成硅烷、硅氧烷等物質(zhì)的衍生物對有機(jī)物的復(fù)刻，建立一個(gè)能望有機(jī)化學(xué)項(xiàng)背的硅氫化學(xué)體系的嘗試以失敗告終：

　　以硅烷及其衍生物作為分子骨架存在的問題

　　1、與很多人想的不同，硅的連接能力相當(dāng)糟糕：不同于原子數(shù)可以很高的烴類，硅烷硅數(shù)只能到8且不穩(wěn)定。

　　2、硅烷及其衍生物熱穩(wěn)定性差。

　　3、與碳-氫、碳-碳鍵不同，硅-氫鍵和硅-硅鍵容易被各類質(zhì)子溶劑完全破壞。這也就意味著常見的水，氨等溶劑都不能作為基于硅烷的硅基生命的載體。

　　以硅氧烷及其衍生物作為分子骨架存在的問題

　　1、硅氧烷及其衍生物容易縮合。這也就意味著硅氧烷難以形成類似于核苷酸，氨基酸那樣的單體。而是會形成難以進(jìn)一步聚合的小型環(huán)狀分子或只具有簡單重復(fù)結(jié)構(gòu)的龐大鏈狀分子。

　　2、硅氧烷衍生物沒有合適的取代基——如果以硅氧鏈本身作為取代基，會形成龐大的難溶且難熔的網(wǎng)狀固態(tài)分子；而如果像人類通常使用的鏈狀硅氧烷那樣，用有機(jī)基團(tuán)作為高溫下的取代基，則復(fù)雜的取代基本身是不穩(wěn)定的，只能形成十分簡單的取代基；有機(jī)基團(tuán)作為低溫下的取代基，則具有復(fù)雜有機(jī)取代基的分子在自然環(huán)境下會形成碳骨架分子，而不是硅骨架分子。

　　3、硅氧烷衍生物難以被氧化，因此難以形成儲能物質(zhì)。

　　氧烷和硅烷的通病

　　1、在宇宙中，人們只發(fā)現(xiàn)了二氧化硅和硅酸鹽：人類已經(jīng)在彗星、隕石上找到了碳的高級化合物，卻沒有找到硅的高級化合物：甲烷在太陽系中普遍存在，在星際物質(zhì)和星云中也可以發(fā)現(xiàn)。甲基乙炔和氰基癸五炔這樣的復(fù)雜分子也可以從星際物質(zhì)中找到，甚至人們還在隕石上發(fā)現(xiàn)了氨基酸，卻從來沒有發(fā)現(xiàn)過硅烷或硅氧烷等物質(zhì)。[4]

　　2、而退一步說，即使在行星形成之后，也沒有硅烷或硅氧烷產(chǎn)生的行星化學(xué)途徑。也就是說，不僅星際物質(zhì)中沒有硅烷，而且即使通過行星的后續(xù)化學(xué)過程也無法形成硅烷或硅氧烷。

　　3、當(dāng)碳在地球生物的呼吸過程中被氧化時(shí)，會形成二氧化碳?xì)怏w，這種物質(zhì)相對惰性易于產(chǎn)生且很容易從生物體中移除。但是，同時(shí)符合這三項(xiàng)條件的無機(jī)硅化合物卻不存在。例如，易于產(chǎn)生且相對惰性的二氧化硅是難熔且難溶的固體，因?yàn)樵诙趸鑴傂纬傻臅r(shí)候就會形成晶格，使得每個(gè)硅原子都被四個(gè)氧原子包圍，而不是象二氧化碳那樣每個(gè)分子都是單獨(dú)游離的，這樣的固體物質(zhì)難以處理。而能溶解二氧化硅的氟化氫同時(shí)也會將硅氧鏈或硅鏈完全破壞，因此硅基生命不可能通過氟化氫來處理二氧化硅。（不過也有人指出，硅基生命可以用濃磷酸組成的“血液”來溶解氧化過程產(chǎn)生的二氧化硅，并由化學(xué)性質(zhì)特別穩(wěn)定的血管組成內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)來將產(chǎn)物運(yùn)出機(jī)體，但光合作用的問題仍然未解決）

　　總結(jié)

　　硅烷及其衍生物熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性不足；而硅氧烷雖然十分穩(wěn)定，其復(fù)雜性和多變性卻要依賴復(fù)雜的有機(jī)基團(tuán)。因此，它們都難以形成生命。

　　對硅基生命的猜測

　　盡管從化學(xué)角度看，硅基生命誕生的希望很渺茫。但硅基生命在科幻小說中則很興盛，而且科幻作家的許多描述會提出不少有關(guān)硅基生命的有益構(gòu)想。

　　在斯坦利·維斯鮑姆(Stanley Weisbaum)的《火星奧德賽》(A Martian Odyssey)中，該生命體有1百萬歲，每十分鐘會沉淀下一塊磚石，而這正是維斯鮑姆對硅基生命所面臨的一個(gè)重大問題的回答，文中進(jìn)行觀察的科學(xué)家中的一位觀察到：

　　“那些磚石是它的廢棄物……我們是碳組成，我們的廢棄物是二氧化碳，而這個(gè)東西是硅組成，它的廢棄物是二氧化硅——硅石。但硅石是固體，從而是磚石。這樣它就把自己覆蓋進(jìn)去，當(dāng)它被蓋住，就移動(dòng)到一個(gè)新的地方重新開始?！?p>　　呼吸作用

　　有人認(rèn)為，硅基生命可以呼吸二氧化碳或二氧化硫：

　　用二氧化硫作為氧化劑：

　　儲能物質(zhì)—SO2，酶→ SiO2+ S

　　二氧化硅的處理

　　硅元素一個(gè)很大的缺陷就是它同氧的結(jié)合力非常強(qiáng)。當(dāng)碳在地球生物的呼吸過程中被氧化時(shí)，會形成二氧化碳?xì)怏w，這是種很容易從生物體中移除的廢棄物質(zhì)；但是，由于硅氧雙鍵不穩(wěn)定，硅的氧化會形成只含單鍵的龐大的原子晶體——二氧化硅，處置這樣的難熔且難溶的固體物質(zhì)會給硅基生命的呼吸過程帶來很大挑戰(zhàn)。

　　但有人認(rèn)為，硅基生命可能利用氫氧化鈉或濃磷酸處理二氧化硅：它們分別可以生成硅酸鈉和雜多酸。硅酸鈉易溶于水。但如果體外環(huán)境與血液相差較大，則排出體外后仍然會形成二氧化硅，無法進(jìn)行光合作用。

　　關(guān)于代謝的猜測

　　由于只有基于硅氧烷的硅基生命相對比較有可能存在，而硅氧烷的支鏈又通常是有機(jī)基團(tuán)，所以硅基生命產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物、廢物、氧化物可能是非常復(fù)雜的，這意味著硅基生命需要更多的酶作為催化劑。每個(gè)酶的長度大約為50nm，細(xì)胞體積太小就裝不下足夠的酶。硅基生物的細(xì)胞比碳基生物的細(xì)胞更大。如果一個(gè)細(xì)胞體積越大，那么它的相對表面積就越小。如果一個(gè)細(xì)胞相對表面積越小，那么物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞膜的速度就越小。所以硅基生物的新陳代謝比碳基生物更慢。

　　硅基生命的溶液和介質(zhì)

　　前文已經(jīng)提到，基于硅氧烷的硅基生命可以在水，氨甚至硫酸等溶劑中生存，而考慮到需要處理二氧化硅，濃磷酸或許是個(gè)不錯(cuò)的選擇；而基于硅烷的硅基生命則對質(zhì)子溶劑不穩(wěn)定，只可能在非質(zhì)子溶劑中誕生。

　　硅基生命的廣義解釋

　　盡管化學(xué)家并不會將人工智能視為硅基生命，但“硅基生命”可以指代人工智能這一謬誤已經(jīng)被外行人廣泛接受。因此人工智能也被大眾視為廣義的“硅基生命”。

　　靠大自然的化學(xué)過程形成真正的硅基生命的可能性微乎其微，但是20世紀(jì)發(fā)展起來的以硅為主要半導(dǎo)體元件的計(jì)算機(jī)技術(shù)以及其后的人工智能學(xué)、來勢洶洶的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都使這種“硅基生命”的發(fā)展在和計(jì)算機(jī)人工智能結(jié)合的層面有了突破的可能。

　　科學(xué)家實(shí)現(xiàn)硅碳共存

　　雖然有某些生物體內(nèi)含有植硅體，而硅藻是可以成功進(jìn)行光合作用的植物，但是真正的有意識的硅基生物似乎沒有被發(fā)現(xiàn)。

　　雖然目前還沒有發(fā)現(xiàn)硅基生命的存在，但是人們正在努力的將碳和硅兩種元素向共存的方向引導(dǎo)，比如加州理工大學(xué)的化學(xué)工程師阿洛德就正在進(jìn)行這種實(shí)驗(yàn)。他們想通過操縱硅的酶進(jìn)行研究，最終找到了一種叫做海洋紅嗜熱鹽菌中提取出的蛋白質(zhì)，在經(jīng)過了三次基因突變后便能讓這種蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化成一種可以生產(chǎn)碳-硅鍵的強(qiáng)效催化劑。據(jù)說這種變異的酶至少能夠生產(chǎn)20種不同的硅化物，也就意味著能大大提高效率，據(jù)說比最好的工業(yè)合成技術(shù)還快上至少15倍。

　　當(dāng)然人工合成的硅和碳還是比較常見的，很多藥物、密封劑、粘合劑等等都含有機(jī)硅化合物，有關(guān)這方面的研究也一直在不斷的繼續(xù)中。