地球上27%都是硅元素,幾十億年來,為何卻只有碳基生命?

目前的理論認為

一場由奇點引發的宇宙大爆炸噴出了所有物質,形成了我們今天看到的浩瀚宇宙,同時也孕育了地球上的生命。

從地球誕生以來,這個星球上共存在過874萬個生物物種,它們形態各異,生存習慣也千差萬別,但包括人類在內,這些生命無一例外的有個共性:它們都由碳元素組成。

雖然人類體內65%都是氧元素,但氧元素并不以單質存在,而是和氫元素結合成了水,水對于生命來說固然重要, 但對細胞的結構和功能起關鍵作用的卻是碳,因此地球上的生命又被稱為碳基生命。

所以天文學家在尋找地外生命時,會在不同波段對目標星球掃描進行元素構成分析,來判斷該星球是否可能存在生命。

同時也常常以星球上的 碳元素和氧元素作為判斷標準,但是宇宙這麼大,難道不可能存在以其他元素為基本構成的生命嗎?

科幻泰斗阿西莫夫曾在 《并非我們所認識的:論生命的化學性質》中指出了宇宙中可能存在的六種生物形態,其中碳基生命只排在了第三。

第一則是硅基生命

這是因為在宇宙中,硅元素的含量要遠超碳元素。特別是在一些類地行星上,硅元素和碳元素的質量比可達到925:1,科幻電影《星際迷航》中曾出現過硅基生命Horta,劉慈欣的短篇小說《山》中更是對硅基生命進行了詳細描述:

它們的大腦是超高集成度的芯片,它們的血液是電流和磁場,金屬構成了它們的肌肉和骨骼,它們以放射性的巖石為食物。

但為什麼地球上的生命以碳元素為主要構成?

硅元素能誕生生命嗎?

宇宙中會不會存在以其他元素為主的生命形式呢?

我們在學校學習化學時,一定都背過元素周期表。其中碳元素的原子序號是六,這表明它是宇宙中第六個誕生的元素,整個元素周期表以最輕的氫原子開頭,越往后元素形成的反應條件越苛刻,碳元素靠前,所以它的形成條件相對簡單,在宇宙中的含量也比較多。

其次我們知道,原子組成了分子, 原子由原子核和核外電子構成,電子并不總是穩固地圍繞在原子核身邊,它們可能會被其他原子核帶走,或者被強塞進來多余的電子。

要想保持穩定的狀態, 最外層的電子數量就要變成2或者8,別人搶不走也進不來,假如不這麼湊巧呢?一般來說最外層電子少于4個的,大機率會被其他原子搶走,多于4個的則可能會把別人原子搶過來。

碳原子既不多也不少,最外層電子剛好是四個

它可以根據其他元素的類型選擇主動失去或得到電子,也可以和其他元素共享電子,也就是說它不僅可以自己組成其他化合物,還能讓其他碳原子來一起組成化合物。

人類的兩只手讓我們可以和其他人連結到一起,碳原子則有四只手,它們相互連結形成了龐大的碳鏈,這條鏈的所有物質統稱為有機物,最后這些有機物開始有規律地排列,形成了地球上成千上萬種不同的生命。

硅元素和碳元素同屬一族,所以二者有著極為相近的性質,比如碳元素可以和四個氫原子合成甲烷,硅同樣也可以形成硅烷,碳有碳酸鹽,硅也有硅酸鹽,以及它們都可以組成長鏈,形成聚合物,并且宇宙中硅元素還更加豐富, 那麼既然碳元素能形成生命,硅元素是不是也可以呢?

與碳不同的是,硅元素的原子核外有三層電子,而碳只有兩層。所以相比碳原子來說,硅原子控制核外電子的能力更差些。這就意味著以硅為基礎的化合物極不穩定,很容易斷裂,極限只能到8個,而碳原子則可以到成百上千個,所以大部分科學家認為,宇宙中可能不存在硅基生命。

不過宇宙大的已經超出了我們的想象, 假如存在硅基生命,它們會是什麼樣子呢?

為了保持體內的平衡,我們在吸入氧氣的同時也會排出二氧化碳,那麼硅基生命應該會排出二氧化硅,而二氧化硅是晶體,它們呼吸的方式可能是向外沉降二氧化硅晶體。

所以假如真的存在硅基生命,它們的壽命應該可以達到上百萬年,由于硅氧聚合物十分耐高溫,硅基生命可以在更惡劣的環境的生存,我們可以想象一個以晶體構成身體的外星人,這大概就是硅基生命的樣子。

雖然硅基生命存在的機率很小, 但茫茫宇宙無奇不有誰又能保證在哪個星球上不會存在以硅為基本構成的晶體人呢?


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