地球为什么选择了碳基生命，而不是硅基生命？硅基生命长什么样？

地球为什么选择了碳基生命，而不是硅基生命？硅基生命长什么样？

2022 01/13 13:07 怪奇菌 企鹅号

这是一张让万千初中生痛不欲生的表格，从153年前门捷列夫首次制作它至今，元素家族的成员数量已经翻了快两倍，目前是118个，而未来会增加多少，还不能确定。

现在，我们目光所能触及的一切，都是由这张表上的元素构成的，甚至包括复杂的生命在内。

目前，一般认为地球生命必需的元素共有28种，但最基础、含量最多的主要是四种，分别是“氧、碳、氢、氮”。

而这其中又有一个元素以绝对的地位，主宰着整个地球生命，它就是碳。

因此，地球上的生命又被称为“碳基生命”。

可能有人会奇怪，明明大部分地球生命的体内，含量最高的元素是氧，而不是碳，比如人类体内氧元素的含量高达65%，而碳元素的含量仅为18%。

但为什么地球生命还叫“碳基生命”，而不叫“氧基生命”呢？

其实原因很简单，在大部分地球生物体内，氧元素并不是以单质形式存在的，而是和氢元素一起组合成了水。

对于体内的细胞来说，水虽然重要，但真正对细胞结构和功能起关键作用的，却是碳。

那么地球生命为什么选择了碳元素，而不是其他元素呢？这还要从原子的结构开始说起。

我们都知道，原子之所以能够紧密的联系在一起形成分子，是因为化学键的作用，具体来说，就是最外层电子的数量不同。

对于原子们而言，稳定的状态是它们毕生的追求，也就是要让最外层电子的数量变成2或者8。

比如氧原子家里有8个电子，最外层只有6个，为了达到稳定状态，它渴望再得到2个电子，让最外层电子变成8个。

这时它的选择是，从隔壁两个氢原子邻居那里，各抢一个电子。

但两个被抢的氢原子邻居不乐意了，在保护自己电子的同时，邻居决定以其人之道还治其人之身，也开始动手抢夺氧原子的电子。

它们离得越来越近，最终三个元素的家重合了，中间的墙合二为一，被抢夺的电子成了三者共用的电子。

对于氧元素来说，它多了两个电子，达到了稳定状态，而对于两个氢原子来说，它们也分别得到了一个电子，也达到了稳定状态。

由于它们的手，都死死抓着对方的电子，它们再也不能分开了。

这样的结合方式在化学中有一个名称，叫做“共价键”，而它们牢牢抓在一起的手，就是“化学键”。

对化学键有一定的了解之后，我们可以根据刚刚的例子，将化学键简单的想象成，每种元素长出的手臂，而不同元素根据最外层电子的数量不同，拥有的手臂数量也是不同的。

比如氢原子只有一只手，所以它每次只能和一个原子牵手，而氧原子长出了两只手，因此它最多可以同时和两个原子牵手。

而碳元素就厉害了，它足足有四条手臂，这意味着它最多能够同时和四个原子手牵手。

想像一下，每个碳元素都有四只手，如果它们相互连接一起，手拉手形成三维结构，就会创造出千差万别的各种碳骨架——这就形成了各种各样有机化合物的基础。

在科学界，科学家们将这种含有碳元素的分子称为“有机分子”，而专门研究有机物的化学也因此拥有了一个别称——“碳化学”。

从最简单的碳氢化合物甲烷，到复杂的高分子有机物DNA，以碳元素为基础的化合物，用极为庞大的构成形式，为碳基生命的形成，提供了丰富的物质基础。

就像搭积木一样，大自然以神奇的碳元素为框架，搭建出了缤纷多彩的碳基生命，而这一过程就是壮丽的地球生命演化史，同时也是大自然选择生命形态的唯一方式。

这时可能有人要说了，碳元素不过是四只手，自然界中有很多元素都比它多，如果以这些元素为基础，不是能组合成更多样的分子结构吗？

没错，手臂越多的元素，组合成的分子结构数量也就越多。但化学世界比的是巧，而不是量。分子结构的复杂性是增加了，但它的稳定性就会不足。

正因为如此，碳元素凭借着一手复杂性和稳定性，并存的特性，成为了化合物种类最多的元素，目前已知的纯有机化合物就有1000多万种，而这仅仅是理论上，化合物世界中的冰山一角而已。

除了复杂多样性，以碳元素为基础的化合物在常温下的反应速度，也是自然选择的重要依据。

生命的任何活动，像新陈代谢，繁殖和对环境刺激的种种反应，都需要依靠化学反应来完成。

以环境刺激的反应为例，从猎豹的飞速追逐猎物，到变色龙瞬间改变体表颜色，从眼睛遇到强光时瞳孔的收缩，到植物的向光性，都是生物趋利避害的本能。

而这些反应实际上都是由生物体内的化学反应来支撑的。这些化学反应的速度，很大程度上决定了生物反应的速度，而有机分子的活性，则保证了这些化学反应能够及时、快速地进行，以应对环境中可能出现的一些列复杂变化。

如果刚刚对碳元素的描述，算是生命选择它的充分条件的话，那么它庞大的体量则是生命选择它的必要条件。

在地壳中，碳元素的含量排在第15位，而在整个宇宙中，排名则骤然上升到了第四位，仅次于氢、氦和氧之后。

如此丰富的含量，让碳元素一开始就拥有了其他元素只能仰视的竞争力，所以我们可以说，碳是地球生命的基石，是碳基生命的化学根本。

地球上都是碳基生命，那在地球之外，会不会存在以其他元素为基础的生命形式呢？

1891年，波茨坦大学的天体物理学家儒略申纳(Julius Sheiner)，首次提出了以硅为基础的硅基生命概念。

1893年，英国化学家詹姆斯·爱默生雷诺兹(James Emerson Reynolds)在一次会议中指出了硅基生命存在的可能性。

比如“硅元素”和“碳元素”属于同族元素，它们拥有相似的基本化学性质，就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，以及两种元素都能组成长链，或聚合物等等。

所以硅元素，很可能成为，构成生命的有机化合物中，碳原子的可替代物。

但这种观点，也并不是所有人都赞同的。

反对者指出，虽然硅元素跟碳元素一样，拥有四只手，也就是能够同时形成4个化学键，但硅元素四只手天生不给力，明显没有碳元素的四只手安全可靠。

这主要是由于，硅原子比碳原子多了一个电子层，导致其对最外层4个电子的控制力，远小于碳原子，使得以它为基础骨架的化合物极不稳定，很容易断裂。

更何况，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够在现实中存在的话，那现在统治地球的就不是碳基生命了。

因此，大多数研究者认为，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话，那么它们大概率也是碳基生命。

不过，就像著名天文学家卡尔萨根说过的那样，碳基生命唯一论、中心论，很可能大大限制了人类对外星生命的探索和想象，这是一种彻头彻底的“碳沙文主义”。

毕竟宇宙之大已经远远超出了我们的认知，或许在人类想象不到的地方，就安然生活着一群“不可能存在的”硅基生命。

而天体物理学家维克多·J·斯腾格（Victor John Stenger）的观点更是激进，他认为，生命由分子组成，这个观点其实也是一种“沙文主义”，在具有不同性质的宇宙中，原子核或其他结构，可能会以完全陌生的方式组装，从而出现我们认知以外的生命形式。

如果按照卡尔萨根的观点，碳基生命并不一定是宇宙中唯一的生命形式的话，那么作为最有可能存在的硅基生命，它们和我们会有哪些不同之处呢？

首先，我们能够确定的是，呼吸系统肯定会有极大的差异。

在有氧环境下，当碳在碳基生物的呼吸过程中被氧化时，会形成二氧化碳气体，这很容易排出体外。

而硅在被氧化时，会形成二氧化硅，也就是玻璃或沙子，处理这样的固体物质，会给硅基生命的呼吸系统带来很大的挑战，或者说困难。

除非某个星球上的温度高到，能够让固态的二氧化硅变成气态或液态，它们才有可能像地球生物一样呼吸。

其次，它们对环境温度的需求，相较地球上的碳基生命来说，要更“狂野”不少。

比如一些硅基化合物具有非常高的热稳定性，像硅-氧键可以承受大约600K的温度，而硅-铝键能承受将近900K的温度。

对于这样的硅基生物来说，200度甚至到400度才能让它们感到舒适，而在我们觉得舒适的室温下，它们很可能会被冻死。

最后，也是最明显的一点，硅基生命的外观，肯定和碳基生命有非常大的不同。

大部分研究者相信，硅基生命看起来更像是晶体，可以理解为拥有生命、会移动的水晶块。

天文学家特伦斯·狄金森（Terence Dickinson）就曾在《外星人：地球人实地指南》《Extraterrestrials: A Field Guide for Earthlings》一书中，对硅基生命进行了简单的描绘。

他的这种描绘，基本满足了研究者，对自然硅基生命的初步想象。

其实除了硅基生命之外，宇宙中还有很多，可能存在的生命形式。

比如著名科幻小说家阿西莫夫，曾在 《并非我们所知的：论生命的化学形式》这篇文章中，从生物化学的角度，描述过6种其他的生命形态，比如砷（shēn）基生命、硼基生命，甚至是硫基生命。

看到这里，应该有人已经发现了，我们对于非碳生命化学形式的各种猜想，本质上，其实只是我们对于，碳基生命化学，基本原理认知的延伸。

这主要是由于，我们对其他任何一种生命形式的完全无知，在很大程度上限制了我们的眼界和想象力。

与此同时，它也会导致一种悲催的情况出现——在太空探索中，人类遇到了外星生命，但是却认不出它们。

其实根据这种可能，我们可以结合费米悖论思考一下，人类找不到外星人，会不会是因为，不同环境中诞生的生命形式不同，而我们缺少辨别的方法，这才看到了一个“寂静”的宇宙呢？

反过来，是否有可能，宇宙主流的生命形式并不是碳基生命，而是某种人类完全未知的形式，我们才是别人无法发现和理解的“异类”呢？

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