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第十八章 硅基生命的困难

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硅基生命,很难存在。

硅基生命(silicon-based life)——是相对于碳基生命而言的,以硅骨架的生物分子所构成的生命。含有硅以及硅的化合物为主的物质。也可以是人造的,只与外界交换能量和信息,不进行新陈代谢的。1891年德国儒略申纳提出了这个概念。

“硅基生命”这一概念首次于19世纪被提出。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。

硅由于在宇宙中分布广泛,且在元素周期表中位于碳的下方,与其同主族,所以和碳元素的许多基本性质相似。举例而言,正如同碳能和四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,三氯硅烷(hSicl3)则是三氯甲烷(chcl3)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(即硅氧烷)。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吗?

对硅基生命的质疑

然而,随着无机化学的发展,人们却发现,硅的表现并不能合乎人们的期望。以有机化学为参考,依靠合成硅烷、硅氧烷等物质的衍生物对有机物的复刻,建立一个能望有机化学项背的硅氢化学体系的尝试以失败告终:

以硅烷及其衍生物作为分子骨架存在的问题

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。

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,氨等溶剂都不能作为基于硅烷的硅基生命的载体。

以硅氧烷及其衍生物作为分子骨架存在的问题

1、硅氧烷及其衍生物容易缩合。这也就意味着硅氧烷难以形成类似于核苷酸,氨基酸那样的单体。而是会形成难以进一步聚合的小型环状分子或只具有简单重复结构的庞大链状分子。

2、硅氧烷衍生物没有合适的取代基——如果以硅氧链本身作为取代基,会形成庞大的难溶且难熔的网状固态分子;而如果像人类通常使用的链状硅氧烷那样,用有机基团作为高温下的取代基,则复杂的取代基本身是不稳定的,只能形成十分简单的取代基;有机基团作为低温下的取代基,则具有复杂有机取代基的分子在自然环境下会形成碳骨架分子,而不是硅骨架分子。

3、硅氧烷衍生物难以被氧化,因此难以形成储能物质。

氧烷和硅烷的通病

1、在宇宙中,人们只发现了二氧化硅和硅酸盐:人类已经在彗星、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,却从来没有发现过硅烷或硅氧烷等物质。[4]

2、而退一步说,即使在行星形成之后,也没有硅烷或硅氧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或硅氧烷。

3、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,同时符合这三项条件的无机硅化合物却不存在。例如,易于产生且相对惰性的二氧化硅是难熔且难溶的固体,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,这样的固体物质难以处理。而能溶解二氧化硅的氟化氢同时也会将硅氧链或硅链完全破坏,因此硅基生命不可能通过氟化氢来处理二氧化硅。(不过也有人指出,硅基生命可以用浓磷酸组成的“血液”来溶解氧化过程产生的二氧化硅,并由化学性质特别稳定的血管组成内循环系统来将产物运出机体,但光合作用的问题仍然未解决)

总结

硅烷及其衍生物热稳定性和化学稳定性不足;而硅氧烷虽然十分稳定,其复杂性和多变性却要依赖复杂的有机基团。因此,它们都难以形成生命。

对硅基生命的猜测

尽管从化学角度看,硅基生命诞生的希望很渺茫。但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。”

呼吸作用

有人认为,硅基生命可以呼吸二氧化碳或二氧化硫:

用二氧化硫作为氧化剂:

储能物质—So2,酶→ Sio2+ S

二氧化硅的处理

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,由于硅氧双键不稳定,硅的氧化会形成只含单键的庞大的原子晶体——二氧化硅,处置这样的难熔且难溶的固体物质会给硅基生命的呼吸过程带来很大挑战。

但有人认为,硅基生命可能利用氢氧化钠或浓磷酸处理二氧化硅:它们分别可以生成硅酸钠和杂多酸。硅酸钠易溶于水。但如果体外环境与血液相差较大,则排出体外后仍然会形成二氧化硅,无法进行光合作用。

关于代谢的猜测

由于只有基于硅氧烷的硅基生命相对比较有可能存在,而硅氧烷的支链又通常是有机基团,所以硅基生命产生的代谢产物、废物、氧化物可能是非常复杂的,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。

硅基生命的溶液和介质

前文已经提到,基于硅氧烷的硅基生命可以在水,氨甚至硫酸等溶剂中生存,而考虑到需要处理二氧化硅,浓磷酸或许是个不错的选择;而基于硅烷的硅基生命则对质子溶剂不稳定,只可能在非质子溶剂中诞生。

硅基生命的广义解释

尽管化学家并不会将人工智能视为硅基生命,但“硅基生命”可以指代人工智能这一谬误已经被外行人广泛接受。因此人工智能也被大众视为广义的“硅基生命”。

靠大自然的化学过程形成真正的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。

科学家实现硅碳共存

虽然有某些生物体内含有植硅体,而硅藻是可以成功进行光合作用的植物,但是真正的有意识的硅基生物似乎没有被发现。

虽然目前还没有发现硅基生命的存在,但是人们正在努力的将碳和硅两种元素向共存的方向引导,比如加州理工大学的化学工程师阿洛德就正在进行这种实验。他们想通过操纵硅的酶进行研究,最终找到了一种叫做海洋红嗜热盐菌中提取出的蛋白质,在经过了三次基因突变后便能让这种蛋白质转化成一种可以生产碳-硅键的强效催化剂。据说这种变异的酶至少能够生产20种不同的硅化物,也就意味着能大大提高效率,据说比最好的工业合成技术还快上至少15倍。

当然人工合成的硅和碳还是比较常见的,很多药物、密封剂、粘合剂等等都含有机硅化合物,有关这方面的研究也一直在不断的继续中。

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