地球為甚麼選擇了碳基生命，而不是硅基生命？硅基生命究竟長什麼樣？

你是否想過 地球生物為什麼會是碳基生命 而除了碳基生命以外 宇宙中可能還會存在哪些生命形式 大家好 我是快奇 今天我們聊生命形式 這是一張讓萬千初中生痛不欲生的表格 從153年前門吉列夫首次製作它至今 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 甚至包括複雜的生命在內 目前 一般認為地球生命必須的元素 共有28種 但最基礎 含量最多的主要是4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 明明大部分地球生物的體內 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 氧元素並不是以單質形式存在的 而是和氫元素一起組成了水 對於體內的細胞來說 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 那地球生命為什麼選擇了碳元素 而不是其他元素呢 這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繫在一起 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 對於原子們而言 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 比如氧原子家裡有8個電子 最外層只有6個 為了達到穩定狀態 他渴望再得到兩個電子 讓最外層電子變成8個 這時他的選擇是 從隔壁兩個氫原子鄰居那裡 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 他們離得越來越近 最終三個元素的家重合了 中間的牆合二為一 被搶奪的電子成了三者共用的電子 對於氧元素來說 它多了兩個電子 達到了穩定狀態 而對於兩個氫原子來說 它們也分別得到了一個電子 達到了穩定狀態 由於它們的手 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 叫做共架鍵 而它們牢牢抓在一起的手 就是化學鍵 對於化學鍵有一定的瞭解之後 我們可以根據剛剛的例子 將化學鍵簡單的想像成 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 比如氫原子只有一隻手 所以它每次只能和一個原子牽手 而氧原子長出了兩隻手 因此它最多可以同時和兩個原子牽手 而碳元素就厲害了 它足足有四隻手臂 這意味著 它最多能夠同時和四個原子牽手 想像一下 每個碳元素都有四隻手 如果它們相互連接在一起 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 科學家們將這種還有碳元素的分子 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 從最簡單的碳基化合物甲烷 到複雜的高分子有機物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 地球生命演化石 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 碳元素不過是四隻手 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 而不是亮 分子結構的複雜性是增加了 但它的穩定性就會不足 正因為如此 碳元素憑藉著一種複雜性和穩定性 並存的特性 成為了化合物種類最多的元素 目前已知的純有機化合物 就一千多萬種 而這僅僅是理論上 化合世界中的冰山一角而已 除了複雜多樣性 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 可能出現的一系列複雜變化 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 在地窖中 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4位 僅次於氫、氦和氧之後 如此豐富的含量 讓碳元素一開始 就擁有了其他元素 只能氧式的競爭力 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 波斯坦大學的天體物理學家 儒略.申納 首次提出了 以硅為基礎的硅基生命概念 1893年 英國化學家艾莫生.雷諾茲 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 屬於同族元素 它們擁有相似的化學性質 就如同碳能和四個氫原子 化合形成甲烷 硅也能同樣的形成硅烷 硅酸鹽是碳酸鹽的類似物 以及兩種元素 都能組合成長鏈或聚合物等等 所以硅元素 很有可能成為 構成生命的有機化合物中 碳原子的可替代物 但這種觀點 也並不是所有人都贊同 反對者指出 雖然硅元素跟碳元素一樣 擁有四隻手 但硅元素的四隻手 天生不給力 明顯沒有碳元素的手安全可靠 這主要是由於 硅元子比碳元子多了一個電子層 導致其對最外層四個電子的控制力 遠小於碳元子 使得以它為基礎框架的化合物 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 大概率也是碳基生命 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 很有可能大大限制了 人類對外星生命的探索和想像 這是一種徹頭徹尾的碳沙文主義 畢竟宇宙之大 已經遠遠超出了我們的認知 或許在人類想像不到的地方 就黯然生活著一群 不可能存在的硅基生命 而天體物理學家斯滕格的觀點 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 並不一定是宇宙中唯一的生命形式的話 那麼作為自由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 它們纔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 像硅氧件可以承受大約600K的溫度 而硅鋁件能夠承受將近900K的溫度 對於這樣的硅基生物來說 200到400攝氏度 才能讓它們感到舒適 而在我們覺得舒適的室溫下 它們很有可能會被凍死 最後 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 天文學家狄金森 就曾在《萬星人》 《地球人實地指南》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 對硅基生命的初步想像 其實除了硅基生命以外 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希莫夫 曾在並非我們所知的 《論生命的化學形式》這篇文章中 從生物化學的角度 描述過六種其他的生命形態 比如深基生命 蓬基生命 甚至是硫基生命 看到這裡 應該有人已經發現了 我們對於 非碳生命化學形式的各種猜想 本質上 其實只是我們對於 碳基生命化學 基本原理認知的延伸 這主要是由於 我們對於其他任何一種 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像力 與此同時 它也會導致一種悲催的情況出現 在太空探索中 人類遇到了萬星生命 但是卻認不出它們 其實根據這種可能 我們可以結合費米貝論思考一下 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 這纔看到了一個寂靜的宇宙呢 反過來 有沒有可能 宇宙主流的生命形式 並不是碳基生命 而是某種人類完全無知的形式 我們纔是別人 無法發現和理解的異類呢