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地球為什麼選擇了碳基生命,而不是硅基生命?硅基生命長什麼樣?

這是一張讓萬千國中生痛不欲生的表格,從153年前門捷列夫首次制作它至今,元素家族的成員數量已經翻了快兩倍,目前是118個,而未來會增加多少,還不能確定。

現在,我們目光所能觸及的一切,都是由這張表上的元素構成的,甚至包括復雜的生命在內。

目前,一般認為地球生命必需的元素共有28種,但最基礎、含量最多的主要是四種,分別是「氧、碳、氫、氮」。

而這其中又有一個元素以絕對的地位,主宰著整個地球生命,它就是碳。

因此,地球上的生命又被稱為「碳基生命」。

可能有人會奇怪,明明大部分地球生命的體內,含量最高的元素是氧,而不是碳,比如人類體內氧元素的含量高達65%,而碳元素的含量僅為18%。

但為什麼地球生命還叫「碳基生命」,而不叫「氧基生命」呢?

其實原因很簡單,在大部分地球生物體內,氧元素并不是以單質形式存在的,而是和氫元素一起組合成了水。

對于體內的細胞來說,水雖然重要,但真正對細胞結構和功能起關鍵作用的,卻是碳。

那麼地球生命為什麼選擇了碳元素,而不是其他元素呢?這還要從原子的結構開始說起。

我們都知道,原子之所以能夠緊密地聯系在一起形成分子,是因為化學鍵的作用,具體來說,就是最外層電子的數量不同。

對于原子們而言,穩定的狀態是它們畢生的追求,也就是要讓最外層電子的數量變成2或者8。

比如氧原子家里有8個電子,最外層只有6個,為了達到穩定狀態,它渴望再得到2個電子,讓最外層電子變成8個。

這時它的選擇是,從隔壁兩個氫原子鄰居那里,各搶一個電子。

但兩個被搶的氫原子鄰居不樂意了,在保護自己電子的同時,鄰居決定以其人之道還治其人之身,也開始動手搶奪氧原子的電子。

它們離得越來越近,最終三個元素的家重合了,中間的墻合二為一,被搶奪的電子成了三者共用的電子。

對于氧元素來說,它多了兩個電子,達到了穩定狀態,而對于兩個氫原子來說,它們也分別得到了一個電子,也達到了穩定狀態。

由于它們的手,都死死抓著對方的電子,它們再也不能分開了。

這樣的結合方式在化學中有一個名稱,叫做「共價鍵」,而它們牢牢抓在一起的手,就是「化學鍵」。

對化學鍵有一定的了解之后,我們可以根據剛剛的例子,將化學鍵簡單的想象成,每種元素長出的手臂,而不同元素根據最外層電子的數量不同,擁有的手臂數量也是不同的。

比如氫原子只有一只手,所以它每次只能和一個原子牽手,而氧原子長出了兩只手,因此它最多可以同時和兩個原子牽手。

而碳元素就厲害了,它足足有四條手臂,這意味著它最多能夠同時和四個原子手牽手。

想象一下,每個碳元素都有四只手,如果它們相互連接一起,手拉手形成三維結構,就會創造出千差萬別的各種碳骨架——這就形成了各種各樣有機化合物的基礎。

在科學界,科學家們將這種含有碳元素的分子稱為「有機分子」,而專門研究有機物的化學也因此擁有了一個別稱——「碳化學」。

從最簡單的碳氫化合物甲烷,到復雜的高分子有機物DNA,以碳元素為基礎的化合物,用極為龐大的構成形式,為碳基生命的形成,提供了豐富的物質基礎。

就像搭積木一樣,大自然以神奇的碳元素為框架,搭建出了繽紛多彩的碳基生命,而這一過程就是壯麗的地球生命演化史,同時也是大自然選擇生命形態的唯一方式。

這時可能有人要說了,碳元素不過是四只手,自然界中有很多元素都比它多,如果以這些元素為基礎,不是能組合成更多樣的分子結構嗎?

沒錯,手臂越多的元素,組合成的分子結構數量也就越多。但化學世界比的是巧,而不是量。分子結構的復雜性是增加了,但它的穩定性就會不足。

正因為如此,碳元素憑借著一手復雜性和穩定性,并存的特性,成為了化合物種類最多的元素,目前已知的純有機化合物就有1000多萬種,而這僅僅是理論上,化合物世界中的冰山一角而已。

除了復雜多樣性,以碳元素為基礎的化合物在常溫下的反應速度,也是自然選擇的重要依據。

生命的任何活動,像新陳代謝,繁殖和對環境刺激的種種反應,都需要依靠化學反應來完成。

以環境刺激的反應為例,從獵豹的飛速追逐獵物,到變色龍瞬間改變體表顏色,從眼睛遇到強光時瞳孔的收縮,到植物的向光性,都是生物趨利避害的本能。

而這些反應實際上都是由生物體內的化學反應來支撐的。這些化學反應的速度,很大程度上決定了生物反應的速度,而有機分子的活性,則保證了這些化學反應能夠及時、快速地進行,以應對環境中可能出現的一些列復雜變化。

如果剛剛對碳元素的描述,算是生命選擇它的充分條件的話,那麼它龐大的體量則是生命選擇它的必要條件。

在地殼中,碳元素的含量排在第15位,而在整個宇宙中,排名則驟然上升到了第四位,僅次于氫、氦和氧之后。

如此豐富的含量,讓碳元素一開始就擁有了其他元素只能仰視的競爭力,所以我們可以說,碳是地球生命的基石,是碳基生命的化學根本。

地球上都是碳基生命,那在地球之外,會不會存在以其他元素為基礎的生命形式呢?

1891年,波茨坦大學的天體物理學家儒略申納(Julius Sheiner),首次提出了以硅為基礎的硅基生命概念。

1893年,英國化學家詹姆斯·愛默生雷諾茲(James Emerson Reynolds)在一次會議中指出了硅基生命存在的可能性。

比如「硅元素」和「碳元素」屬于同族元素,它們擁有相似的基本化學性質,就如同碳能和四個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,以及兩種元素都能組成長鏈,或聚合物等等。

所以硅元素,很可能成為,構成生命的有機化合物中,碳原子的可替代物。

但這種觀點,也并不是所有人都贊同的。

反對者指出,雖然硅元素跟碳元素一樣,擁有四只手,也就是能夠同時形成4個化學鍵,但硅元素四只手天生不給力,明顯沒有碳元素的四只手安全可靠。

這主要是由于,硅原子比碳原子多了一個電子層,導致其對最外層4個電子的控制力,遠小于碳原子,使得以它為基礎骨架的化合物極不穩定,很容易斷裂。

更何況,地球上硅元素的含量要比碳元素多了一千多倍,如果硅基生命真的能夠在現實中存在的話,那現在統治地球的就不是碳基生命了。

因此,大多數研究者認為,宇宙中存在硅基生命的可能性是非常低的,如果其他星球存在生命的話,那麼它們大機率也是碳基生命。

不過,就像著名天文學家卡爾薩根說過的那樣,碳基生命唯一論、中心論,很可能大大限制了人類對外星生命的探索和想象,這是一種徹頭徹底的「碳沙文主義」。

畢竟宇宙之大已經遠遠超出了我們的認知,或許在人類想象不到的地方,就安然生活著一群「不可能存在的」硅基生命。

而天體物理學家維克多·J·斯騰格(Victor John Stenger)的觀點更是激進,他認為,生命由分子組成,這個觀點其實也是一種「沙文主義」,在具有不同性質的宇宙中,原子核或其他結構,可能會以完全陌生的方式組裝,從而出現我們認知以外的生命形式。

如果按照卡爾薩根的觀點,碳基生命并不一定是宇宙中唯一的生命形式的話,那麼作為最有可能存在的硅基生命,它們和我們會有哪些不同之處呢?

首先,我們能夠確定的是,呼吸系統肯定會有極大的差異。

在有氧環境下,當碳在碳基生物的呼吸過程中被氧化時,會形成二氧化碳氣體,這很容易排出體外。

而硅在被氧化時,會形成二氧化硅,也就是玻璃或沙子,處理這樣的固體物質,會給硅基生命的呼吸系統帶來很大的挑戰,或者說困難。

除非某個星球上的溫度高到,能夠讓固態的二氧化硅變成氣態或液態,它們才有可能像地球生物一樣呼吸。

其次,它們對環境溫度的需求,相較地球上的碳基生命來說,要更「狂野」不少。

比如一些硅基化合物具有非常高的熱穩定性,像硅-氧鍵可以承受大約600K的溫度,而硅-鋁鍵能承受將近900K的溫度。

對于這樣的硅基生物來說,200度甚至到400度才能讓它們感到舒適,而在我們覺得舒適的室溫下,它們很可能會被凍死。

最后,也是最明顯的一點,硅基生命的外觀,肯定和碳基生命有非常大的不同。

大部分研究者相信,硅基生命看起來更像是晶體,可以理解為擁有生命、會移動的水晶塊。

天文學家特倫斯·狄金森(Terence Dickinson)就曾在《外星人:地球人實地指南》《Extraterrestrials: A Field Guide for Earthlings》一書中,對硅基生命進行了簡單的描繪。

他的這種描繪,基本滿足了研究者,對自然硅基生命的初步想象。

其實除了硅基生命之外,宇宙中還有很多,可能存在的生命形式。

比如著名科幻小說家阿西莫夫,曾在 《并非我們所知的:論生命的化學形式》這篇文章中,從生物化學的角度,描述過6種其他的生命形態,比如砷( shēn)基生命、硼基生命,甚至是硫基生命。

看到這里,應該有人已經發現了,我們對于非碳生命化學形式的各種猜想,本質上,其實只是我們對于,碳基生命化學,基本原理認知的延伸。

這主要是由于,我們對其他任何一種生命形式的完全無知,在很大程度上限制了我們的眼界和想象力。

與此同時,它也會導致一種悲劇的情況出現——在太空探索中,人類遇到了外星生命,但是卻認不出它們。

其實根據這種可能,我們可以結合費米悖論思考一下,人類找不到外星人,會不會是因為,不同環境中誕生的生命形式不同,而我們缺少辨別的方法,這才看到了一個「寂靜」的宇宙呢?

反過來,是否有可能,宇宙主流的生命形式并不是碳基生命,而是某種人類完全未知的形式,我們才是別人無法發現和理解的「異類」呢?

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