【思考】地球生命以碳為基礎,為什麼宇宙中不會存在硅基生命?

「硅基生命」的由來

地球上所有生命體的每一個細胞中都離不開碳、氫和氧三種元素,其中碳是有機分子的骨架,因此我們把地球上的生物稱為碳基生命。生物和化學家們普遍認為,如果地球之外的某一個地方存在生命體,它一定也與我們一樣,是碳基的。

外星生物的想象圖

1891年,基于硅和碳在化學上的相似性,德國天體物理學家朱利葉斯·席納(Julius Scheiner)率先提出硅在生命元素中替代碳的觀點。一些科幻作者和科幻迷們也覺得茫茫宇宙,浩瀚無垠,外星球的自然條件有別于地球,它孕育的生命體有可能不是以碳為骨架,而有可能是硅。這種生物被稱為「硅基生命」。

外星硅人

為什麼是硅而非其它元素?

如果妳還記得元素周期表,一定不難背出前邊二十幾個元素:氫氦鋰鈹硼碳氮氧氟氖鈉鎂鋁硅磷硫氯氬鉀鈣......這其中碳(C)排在第6位,硅(Si)位列第14。

硅是地殼中含量第2高的元素,按質量算它占了地殼總質量的27.2%;同時地殼中90%以上都是硅酸鹽礦物,占絕對統治地位;而在宇宙中,以質量計算,硅的含量排名第8,也是相當可觀。

硅與碳緊挨著

硅不僅蘊含豐富,它在化學性質上與碳也有相似之處。在元素周期表的第IV主族中,硅于碳的下方,它們最外層都有4個價電子;可以與氫結合形成有機烷;純硅與鉆石一樣都是金剛石立方的晶體結構,它們很堅硬并且有很高的熔點。于是有些人很自然地認為,既然這兩種元素如此相像,地球上有豐富的碳基生命,也理應存在硅基生命。

科幻電影里的硅基人

碳基的優勢

盡管在地球表面碳的含量僅為硅的1/920,但碳在銀河系中的豐度卻是硅的7倍。碳在恒星內部形成,通過「三重α過程」和「CNO聚變循環」,較輕的元素可以很容易被壓成更重的碳。相比之下,硅的產生需要經歷巨型恒星坍縮,也就是在超新星爆炸的過程中才有機會產生出來,因此硅在宇宙中的含量比碳少得多。

純碳可以以石墨或鉆石的形式存在于地球上,它有很好的穩定性,不會輕易與氧氣發生化學反應,碳或碳化合物只有在氧氣中燃燒時才會形成氣態氧化物——二氧化碳。

鉆石可以在氧氣中燃燒

前節提到,碳的最外圍有4個價電子,它們分別位于2s和2p軌道,這意味著它能與其它原子組成4個共價鍵,共價半徑為77pm。由于共價半徑短,碳共價鍵能高,鍵合穩定。

任何生命的化學基礎都必須 滿足三個基本要求:足夠的化學多樣性;穩定性和反應性;溶劑的存在。

在我們的地球上,生命體需要多種具有不同功能的化學物質參與。包括用于制造蛋白質的氨基酸,用于制造核酸的糖和含氮堿基,作為核心代謝中間體的酮酸和羥基,以及用于制造細胞膜的脂質等等。為了組合出這些化學物質以提供生物學功能,生命體需要一套元素來構建各種分子,同時這些分子中應該事先建立起一個「腳手架」。

碳因其獨特的化學性質成為這個生命支架的不二之選

碳是生命的骨架

碳原子可以通過兩個電子與相鄰的碳組成長鏈,同時通過另兩個電子與其它雜原子組合形成一個大分子。在這個大分子中,碳是支架,而雜原子提供了豐富的化學活性。碳支架提供了制造大分子的能力,因此可以制造大量不同功能的分子。碳支架相對穩定,同時與碳結合的雜原子為每個分子提供化學功能和獨特性。

硅為什麼不能?

在太陽系形成的過程中,硅在地球表面的含量遠超過碳,它的原子結構與碳相近,為什麼地球上沒有出現哪怕一種以硅為基礎的生命形態,甚至我們連一塊純硅都找不到呢?

這還需要從硅原子本身開始說起。

硅的原子半徑比碳大,它的共價半徑也達到117pm。硅的四個外圍電子兩個位于3s軌道,兩個在3p軌道,更長的鍵長和不同的鍵角導致硅比碳更活潑,它的共價鍵也更不穩定。

水晶是固體的二氧化硅

硅很容易被氧化形成固態的二氧化硅,它是砂子的主要成分。所以我們在地球上找不到純凈的硅,只能找到二氧化硅和硅酸鹽礦物。

與碳、氮、氧和氫相比,硅有更強的正電性,這會在硅原子中形成一個電子「洼地」,導致它與其它非金屬組成的鍵有更強的極化,進而造成以硅為核心的分子更容易受到親電和親核攻擊。與碳相比,硅化合物更容易水解,它因此也更不穩定。 在有水的環境里,硅不能作為大分子的骨架,而只會作為碳分子鏈條中雜原子存在

氫和氧是宇宙中最豐富的兩種元素,并且天文學家已經證實水分子在宇宙中也廣泛存在。在這樣的環境里,硅要麼被氧化變成固體,要麼它的分子鏈被水分子破碎,化學多樣性無從談起,也沒有機會發展成為生命的基礎性物質。

科幻電影中可怕的外星生命

綜合與結論

許多人覺得硅與碳很相似,通過對其元素性質的分析,我們知道它們是一對「假雙胞胎」,其相似之處是膚淺的,它的的差異是明顯的。碳與硅在化學穩定性的外部條件上幾乎截然相反,而硅能穩定形成復雜有機大分子的自然條件在宇宙中并不存在。

宇宙中不具備硅生命形成的條件

在宇宙中,碳比硅要豐富得多。氫、氧和水也廣泛存在,科學家至今沒有在宇宙的光譜中接收到支持硅基生命存在的化學信息。與之相對應地,大量證據表明高分子碳基化學物質在宇宙中的分布非常廣泛。

想象中的外星人,他們應該也是碳基的

即便是地外星球存在生命繁衍的條件,它首先也應該是碳基的,硅要麼被氧化成石頭埋在了地底,要麼被水解,要麼活在科幻小說家的文字里。


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