矽基生命

矽基生命是相對於碳基生命而言的。所謂碳基生命，根源於有機物的原始概念：只能由生物產生的物質（有機物現在指的是除了碳氧化物，碳硫化物，碳酸鹽，氰化物，碳化物，硫氰化物，氰酸鹽，碳硼烷，烷基金屬，羰基金屬，金屬有機配體配合物等在無機化學中研究的含碳物質之外的含有碳元素的化合物），而過去人類知道的這樣的物質都含碳元素；後來證明“有機物”可以通過化學方法合成。“有機物”雖然作為一個歷史概念沿用下來，人們卻不再將碳視作生命必然的核心元素。並由此提出了以矽、硼或磷而非碳為核心元素的“非碳基生命”。

從物質組成上看，地球上所有生物都具由基本相似的物質組成——基本上都由碳、氫、氧、氮、磷、硫、鈣等元素構成。這些元素相互結合，構成胺基酸、核苷酸、葡萄糖等生命小分子；這些小分子再通過特殊的方式相互結合，形成蛋白質、核酸、多聚糖和脂類等生物大分子。這些分子成為構建生命的基本的“磚塊”。由於構成這些生命的這些重要的生物大分子都以碳骨架為基礎，所以研究者稱這樣的生命為“碳基生命”。

矽基生命相對的也可以這樣定義:以含有矽以及矽的化合物為主的物質構成的生命。

基本介紹

• 中文名：矽基生命
• 外文名：silicon-based life
• 構成：含有矽以及矽的化合物為主的物質
• 人物：儒略申納（德國科學家） 
• 提出時間：1891年 
• 提出地點：德國

早期思考

矽基生命是碳基生命以外的生命形態，這個概念早在19世紀就出現了。1891年，波茨坦大學的天體物理學家儒略申納(Julius Sheiner)在他的一篇文章中就探討了以矽為基礎的生命存在的可能性，他大概是提及矽基生命的第一個人。這個概念被英國化學家詹姆斯·愛默生雷諾茲(James Emerson Reynolds)所接受，1893年，他在英國科學促進協會的一次演講中指出，矽化合物的熱穩定性使得以其為基礎的生命可以在高溫下生存。

三十年後，英國遺傳學家約翰·波頓·桑德森·霍爾丹(John Burdon Sanderson Haldane)提出在一個行星的深處可能發現基於半融化狀態矽酸鹽的生命，而鐵元素的氧化作用則向它們提供能量。

因為它在宇宙中分布廣泛，且在元素周期表中，它就在碳的下方，所以和碳元素的許多基本性質都相似。舉例而言，正如同碳能和四個氫原子化合形成甲烷(CH₄)，矽也能同樣地形成矽烷(SiH₄)，矽酸鹽是碳酸鹽的類似物，三氯矽烷(HSiCl₃)則是三氯甲烷(CHCl₃)的類似物，以此類推。而且，兩種元素都能組成長鏈，或聚合物，它們都能在其中與氧交替排列，最簡單的情形是，碳-氧鏈形成聚縮醛，它經常用於合成纖維，而用矽和氧搭成骨架則產生聚合矽酮。所以乍看起來矽的確是一種作為碳替代物構成生命體的很有前途的元素，且有可能出現一些特異的生命形態就有可能以類似矽酮的物質構成。矽基動物很可能看起來象是些會活動的晶體，就如同迪金森和斯凱勒爾(Dickinson and Schaller)所繪製的一張想像圖一樣——一隻徜徉在矽基植物叢中的矽基動物，這種生物體的結構件可能是被類似玻璃纖維的絲線串在一起，中間連線以張肌件以形成靈活、精巧甚至薄而且透明的結構。

然而，矽真的能不負眾望，成為生命的核心元素嗎？

對矽基生命的質疑

矽元素存在的問題

（1）與很多人想的不同，矽的連線能力相當糟糕：不同於原子數可以很高的烴類，矽烷矽數只能到8且不穩定。

（2）矽烷及其衍生物熱穩定性差且容易縮合。而這無疑與矽基生命需要的高溫環境是相悖的。

（3）與碳-氫、碳-碳鍵不同，矽-氫鍵和矽-矽鍵容易被各類質子溶劑完全破壞。這也就意味著常見的水，氨甚至氟化氫等溶劑都不能作為矽基生命的載體。

（4）在宇宙中，人們只發現了二氧化矽和矽酸鹽，卻從來沒有發現過矽烷和矽酮等物質。在天文學家向宇宙中搜尋生命存在的可能性時，他們在彗星、隕石上找到了碳的高級化合物，卻沒有找到矽的高級化合物：甲烷在太陽系中普遍存在，在星際物質和星雲中也可以發現。甲基乙炔和氰基癸五炔這樣的複雜分子也可以從星際物質中找到，甚至人們還在隕石上發現了胺基酸。

而退一步說，即使在行星形成之後，也沒有矽烷產生的行星化學途徑。也就是說，不僅星際物質中沒有矽烷，而且即使通過行星的後續化學過程也無法形成矽烷。

（5）當碳在地球生物的呼吸過程中被氧化時，會形成二氧化碳氣體，這種物質相對惰性易於產生且很容易從生物體中移除。但是，符合條件的無機氣態矽化合物卻不存在。而易於產生的二氧化矽則是固體，因為在二氧化矽剛形成的時候就會形成晶格，使得每個矽原子都被四個氧原子包圍，而不是象二氧化碳那樣每個分子都是單獨游離的，處置這樣的固體物質會給矽基生命的呼吸過程和植物光合作用帶來很大挑戰。

不過有人提出質疑，“造物主”可以在創造這種生物體系時對它們的能量收集方式進行“創新”：這種生物同時“吃”產生能量所需的兩種（也可以是多種）物質，分開存儲於體內，這兩種（或多種）物質完全可以不是氣體。產生成分為矽化合物的廢物後也可以用濃磷酸（或氟化氫等這些能與二氧化矽反應生成液體或氣體的物質）組成的“血液”和化學性質特別穩定的血管組成內循環系統，雖然這種循環系統並不是矽基的卻是可能的。這樣看來沒有呼吸系統的生命也是可能的，並且對於碳基生命也是可行的，但這種形式顯然是低效的，因為地球碳基生命為了適應地球表面的氣體結構，自然的選擇呼吸這種形式。

（6）氧化問題的另一面就是如何使用能量。碳基生命以碳水化合物儲存能量，矽基生命也可以用類似的化合物進行能量儲存，但如何使用這些能量則比較難辦。碳基生命用左旋或右旋的大分子———酶來控制碳水化合物，但矽則難以組成這樣的大分子。有人認為，矽可能不能像碳一樣產生眾多的具有左旋右旋特徵的化合物，只要是生命形態，就必須從外界環境中收集、儲存和利用能量。在碳基生物這裡，儲存能量的最基本的化合物是碳水化合物。在碳水化合物中，碳原子由單鍵連線成一條鏈，而利用酶控制的對碳水化合物的一系列氧化步驟會釋放能量，廢棄物產生水和二氧化碳。這些酶是些大而複雜的分子，它們依照分子的形狀和左旋右旋對特定的反應進行催化，這裡說的左旋右旋是因分子含有的碳的手性使得分子出現左旋或者右旋，而多數碳基生物體內的物質都顯示這個特徵，正是這個特點使得酶能夠識別和規範碳基生物體內的大量不同新陳代謝進程。然而，矽沒能像碳這樣產生眾多的具有左旋右旋特徵的化合物（主要由於複雜矽烷衍生物穩定性太低，導致矽難以形成烴衍生物的復刻品），這也讓它難以成為生命所需要大量相互聯繫的鏈式反應的支持元素。即它不能像類似碳基生命一樣識別和規範碳基生物體內的大量不同新陳代謝進程，把儲存的能量釋放出來。

（7）遺傳又是另一個難題。碳形成的基因鏈在水中很穩定，這使得碳基生物體內可以包含著大量的水。但是，矽形成的基因鏈在水中很不穩定，這決定了矽基生物無法以水充實身體，而其他的液體，如鐵水、熔化玻璃，也很難保持其基因鏈的穩定。

轉向其他元素

早期研究者對矽元素所擁有的高期望更多是由於當時人類對矽元素的性質了解不夠的知識客觀局限所帶來的，但今天的我們如果還像古人一樣認為矽基生命存在的可能性非常大，那無疑就是十分可笑的了。

相比矽，或許我們更應該寄希望於硼和磷

不過也不必太沮喪，矽元素存在諸多問題，並不代表非碳基生命是不可能的，因為矽實際上並非碳以外的最優解：實際上，硼和磷都各自擁有一個比矽更複雜的氫化物體系，它們的連線能力也都強於矽：硼烷硼數和磷烷磷數最大都已超過20；硼烷磷烷衍生物也都較矽烷衍生物更複雜、穩定；而且磷烷已在宇宙中發現，硼烷則可以依靠行星化學過程生成。而事實上它們也的確在當今無機化學中具有遠比矽更重要的地位。它們無疑才是非碳基生命的更有力競爭者。

思考推論

1.基本描述

儘管從化學角度看，矽基生命誕生的希望很渺茫。但矽基生命在科幻小說中則很興盛，而且科幻作家的許多描述會提出不少有關矽基生命的有益構想。

在斯坦利·維斯鮑姆(Stanley Weisbaum)的《火星奧德賽》(A Martian Odyssey)中，該生命體有1百萬歲，每十分鐘會沉澱下一塊磚石，而這正是維斯鮑姆對矽基生命所面臨的一個重大問題的回答，文中進行觀察的科學家中的一位觀察到：

“那些磚石是它的廢棄物……我們是碳組成，我們的廢棄物是二氧化碳，而這個東西是矽組成，它的廢棄物是二氧化矽——矽石。但矽石是固體，從而是磚石。這樣它就把自己覆蓋進去，當它被蓋住，就移動到一個新的地方重新開始。”

2.矽基生命的化學反應

矽元素一個很大的缺陷就是它同氧的結合力非常強。當碳在地球生物的呼吸過程中被氧化時，會形成二氧化碳氣體，這是種很容易從生物體中移除的廢棄物質；但是，矽的氧化會形成固體，因為在二氧化矽剛形成的時候就會形成晶格，使得每個矽原子都被四個氧原子包圍，而不是像二氧化碳那樣每個分子都是單獨游離的，處置這樣的固體物質會給矽基生命的呼吸過程帶來很大挑戰。二氧化矽是原子晶體，很難溶解在水和其他液體之中，它是巨大的分子。

（有人誤以為因為某些條件下二氧化矽可以與水反應，所以可以方便排出。雖然以粉末形式存在的二氧化矽可以和水反應生成原矽酸；且二氧化矽在催化劑的作用下，也可以和水反應：

H₂O + SiO₂ → H₂SiO₃（偏矽酸）

2H₂O + SiO₂ → H₄SiO₄（水過量時，生成原矽酸）

但由於原矽酸和偏矽酸同樣都是固體，實際上並不能解決問題）

但有人認為，矽基生命可能利用氫氧化鈉處理二氧化矽：氫氧化鈉可以和二氧化矽反應，生成矽酸鈉。矽酸鈉易溶於水。矽基生命可以將矽酸鈉排除體內。

也有人認為，矽基生命也可以用氟化氫處理二氧化矽，氟化氫二氧化矽反應後，矽基生命可以呼出四氟化矽（氣體）並排出水，並且矽基植物通過“光合作用”吸入四氟化矽、水和光經過一系列反應生成氟化氫排回大氣中並生成“矽澱粉”。但矽基植物的“光合作用”沒有詳細的可行性論述。

二氧化矽生成氣態的四氟化矽反應方程式如下：

SiO₂(s) + 4 HF(aq) → SiF₄(g) + 2H₂O(l)

生成的SiF₄可以繼續和過量的HF作用，生成氟矽酸：

SiF₄(g) + 2HF(aq) → H₂[SiF₆](aq)

總反應：

6HF + SiO₂→ H₂SiF₆+ 2H₂O

(氟矽酸是一種二元強酸。氟矽酸的酸性比硫酸還強，受熱分解放出有毒的氟化物氣體。具有較強的腐蝕性)

Horta：《星際迷航》中的矽基生命:

有的人則擔心氟化氫對矽基生命是有毒的，可以破壞矽化物——無水氟化氫及其水溶液為氫氟酸都具有極強的腐蝕性，能強烈地腐蝕含矽的物體。與矽和矽化合物反應生成氣態的四氟化矽（能腐蝕玻璃）。

他們據此猜測，氟化氫會對矽基生命的皮膚有強烈刺激性和腐蝕性：氫氟酸中的氫離子對矽基生命組織有脫水和腐蝕作用，而矽則親氟。有人猜測，矽基生命皮膚與氫氟酸接觸後，氟離子不斷解離而滲透到深層組織，溶解細胞膜，造成表皮、真皮、皮下組織乃至肌層液化壞死。

但有人指出，矽基生命可能用一種特殊的催化劑消除氟化氫的毒性。這種催化劑可以讓氟化氫只和二氧化矽反應。事實上，地球上有一種硫細菌，這種生物能在稀硫酸中生活，最適生長pH值範圍為pH2～3。絕大多數有機物都容易被硫酸破壞，硫細菌卻能產生一種催化劑防止它自己被硫酸破壞。他們據此猜測：矽基生物同樣也可能產生一種催化劑，防止它自己被氟化氫破壞。

有人認為，矽基生命可以呼吸二氧化碳和二氧化硫。化學方程式：

甲基甲矽烷和二氧化硫反應：

2SiH₃CH₃+ 7SO₂→ 2CO₂+ 2SiO₂+ 7S + 6H₂O

四甲基甲矽烷和二氧化硫反應：

Si(CH₃)₄+ 8SO₂→ 4CO₂+ SiO₂+ 8S + 6H₂O

因為矽矽單鍵(Si-Si)不穩定，所以乙矽烷（ SiH₃-SiH₃）不穩定。乙矽烷（ SiH₃-SiH₃）比碳烷烴更不穩定，在低溫之下緩慢分解成甲矽烷和氫，在300～500℃分解成為SiH₄、Si_nH_m、H₂，在光照下也分解。矽只能形成雜鏈高分子化合物。矽基雜鏈高分子的主鏈除矽原子外，還含有碳、氧、氮、硫、鋁、硼等其他元素。有機矽高分organosilion- polymers主鏈（或骨架）是由矽、氧交替組成的高分子。又稱聚矽氧烷或聚矽醇。因為矽只能形成雜鏈高分子化合物，所以矽基生命產生的代謝產物、廢物、氧化物是非常複雜的，這意味著矽基生命需要更多的酶作為催化劑。每個酶的長度大約為50nm，細胞體積太小就裝不下足夠的酶。矽基生物的細胞比碳基生物的細胞更大。如果一個細胞體積越大，那么它的相對表面積就越小。如果一個細胞相對表面積越小，那么物質進入細胞膜的速度就越小。所以矽基生物的新陳代謝比碳基生物更慢。

3.矽基生命的溶液和介質

水是一切蛋白質生命所必需的溶液和介質。然而矽-矽鍵和矽-氫鍵在質子溶劑中的不穩定卻導致了水無法作為矽基生命的介質。雖然這點不會因此排除矽基生命存在的可能，但存在大量液態水的星球肯定是排斥矽基生命的。而同為質子溶劑的氨也無法勝任這項工作。因此矽基生命也不能是氨基生物。

因此，矽基生命只能在非質子溶劑中誕生。

對生命形式的早期總結

用矽、硼或磷代替碳；用氨、氟化氫或硫化氫等代替水；用砷酸代替磷酸；用硫代替氧等都只是個別的、零星的構想，真正對問題作出全面性的考察和系統性的分析的，是著名生化學家，科幻、科普作家阿西莫夫所寫的一篇文章《並非我們所認識的》。他在文中提出了六種生命形態：
一、以氟化矽酮為介質的氟化矽酮生物；
二、以硫為介質的氟化硫生物；
三、以水為介質的核酸/蛋白質(以氧為基礎的)生物；
四、以氨為介質的核酸/蛋白質(以氮為基礎的)生物；
五、以甲烷為介質的類脂化合物生物；
六、以氫為介質的類脂化合物生物。
其中第三項便是我們所熟悉的———亦是我們惟一所認識的———生命。至於第一、第二項，是一些高溫星球上可能存在的生命形式，其中第一項便是他認為可能出現的矽基生命。另外，地球上曾經出現過的那些生活在硫礦里的厭氧古細菌就很有可能是以硫作為自己生命的介質；而第四項至第六項，則是一些寒冷星球上可能存在的生物形態。

化學層面的非碳基生命研究中的問題

有人指出，對包括矽基生命在內的化學層面的非碳基生命的研究長期缺少來自無機化學領域的聲音，但研究化學層面的非碳基生命卻不可能繞過無機化學。而有機化學家和生物化學家對無機化學知識的缺乏也導致他們對非碳基生命作出了錯誤的判斷——碳下方的矽基生命已存在許多問題，因此生命必然是碳基的。

然而，矽由於自身的不足，其對有機物的復刻品十分有限。而一些其他元素在無機化學中則占據比遠矽更重要的地位：被多數科幻作家忽視的硼真正擁有一個綜合實力與碳相當的氫化物體系；雄據當今無機化學半壁江山的以羰基金屬原子簇為代表的的金屬原子簇雖然規模仍然不能與有機化學相比，但也擁有遠超有機物的深刻性和多變性；甚至就連矽右邊的磷，其氫化物體系也比矽更複雜……

而這些結構，成鍵方式都與有機物有所不同，甚至大相逕庭的分子，或許才更有形成化學層面的非碳基生命的潛力。

矽基生命的廣義解釋

可以展望的矽基生命——人工智慧（廣義）

靠自然進化在進化鏈上尋找矽基生命的可能性微乎其微，但是20世紀發展起來的以矽為主要半導體元件的計算機技術以及其後的人工智慧學、來勢洶洶的網路技術都使這種“矽基生命”的發展在和計算機人工智慧結合的層面有了突破的可能。

除矽基生命和碳基生命以外的生命形式

1.硼基生命

在一系列矽烷被合成後，人們又成功合成了種類眾多的硼烷。於是，有人將目光投向了這種位於碳左邊的元素：硼擁有比矽更小的原子半徑和遠比矽強的連線能力——硼是唯一和碳一樣具有無限延伸自身的能力的同時氫化物系列穩定性不受原子數目制約的元素；同時硼還具有比碳更豐富的成鍵多樣性；硼烷擁有種類眾多的衍生物，且複雜硼烷及其衍生物穩定性也十分可觀。有人據此猜測，硼也可能作為生命骨架。（詳見詞條“硼基生命”）

有人猜測，硼基生命可能誕生在以氟化氫為溶劑的海洋中，以硫或多硫化物作為氧化劑。以類似嘌呤和嘧啶的基於二十面體結構的碳硼烷和碳氮硼烷作為遺傳信息的載體的核心部分。而氮配合的硼烷基硼酸則相當於胺基酸，其中，對應氨基NH₂C的RNH₂B和對應羧基COOH的B(OH)₂通過脫水和重分配可產生類似於蛋白質，以類似肽鍵-CO-NH-C的B(-NHR-B)₂為連線中心的多聚物。

2.科幻作品

然而，科幻作家仍不滿足於生命的這些多樣性，他們在各自的作品中充分發揮了想像力，為我們創造出一些更不可思議、但細想之下又似乎不無道理的生命世界。一些作家構想，在某些極寒冷的星球之上，可能存在著以液體氦為基礎，並以超導電流作聯繫的生命形式；另一些作家則認為，即使在寒冷而黑暗的太空深處，亦可能有一些由星際氣體和塵埃組成，並由無線電波傳遞神經訊號的高等智慧型生物——霍耳的科幻小說正是這方面的代表作；還有一些想像力更豐富的作家甚至認為外星生命也許根本不需要化學物質基礎，他們可能只是一些純能量的生命形式，比如一束電波。
最為有趣的是著名科幻作家福沃德所寫的《龍蛋》，這部構思出色的作品描述了一顆中子星表面的生物。這顆中子星直徑僅20公里，但表面的引力卻等於地球上的670億倍，磁場是地球的1萬億倍，表面溫度達到8000多攝氏度。什麼生物可以在這樣的環境下生存呢？是由“簡併核物質”組成的生物。所謂“簡併”，就是指原子外部的電子都被擠壓到原子核里去，因此所有原子都可以十分緊密地靠在一起，形成超密物質。中子星上的生物身高約半毫米，直徑約半厘米，體重卻有70公斤，這是因為他們由簡併物質所組成。此外，他們的新陳代謝是基於核反應而非化學反應，因此一切變化(包括生老病死和思維)的速率都比人類快100萬倍！

3.金屬細胞和金屬生命體

就在科幻作家構思“矽基生命”的時候，實驗室里的“金屬細胞”已經有了生命徵象，並且初步顯露出進化的趨勢。 不同於碳元素的共價鍵有機物，這種“無機生命”的基礎是金屬鎢的雜多酸陰離子——6族元素能與氧配位成多面體（姑且理解成酸根），然後脫水縮聚成共用氧原子的巨大結構，比如車輪形Na₁₅Fe₃Co₁₆[Mo₁₇₆O₅₂₈H₃(H₂O)₈₀]Cl₂₇·450H₂O。

這些龐大的陰離子可以繼續縮聚並容納其它含氧酸，進而在強酸溶液里自組織成泡狀結構，如同活細胞——這或許意味著，我們的生物學只是生命科學裡的一小部分。

克羅寧和同事通過從大分子金屬氧化物中提取負電荷離子形成鹽溶液，來束縛氫或者鈉一些較小的正電荷離子；這種鹽溶液注入另一種含有較大負電荷有機離子的溶液中，可以束縛較小負電荷離子的活動性。

當這兩種鹽溶液混合，交換其中部分大分子金屬氧化物，使其不再形成較大的有機離子。這種新溶液在水中無法溶解：沉澱物質像包裹注射溶液的殼狀物。克羅寧稱這種沉澱物質為泡沫無機化學細胞(iCHELLs)，並表示它們還具有更多的特性。通過修改它們的金屬氧化物主幹部分使iCHELLs具備自然細胞膜的屬性，例如：以iCHELLs為基礎的洞狀結構氧化物可作為多孔膜，依據大小尺度，有選擇性地讓化學物質進出細胞，其作用就像生物細胞膜。這將使細胞膜可以控制發生一系列化學反應，這是iCHELLs細胞關鍵性的特徵。

同時，研究小組還在泡沫中製造泡沫，建立的隔膜模擬生物細胞的內部結構。他們通過連線一些氧化分子至光敏染料，可灌輸iCHELLs細胞進行光合作用。克羅寧稱，早期實驗結果形成的細胞膜可將水分解為氫離子、氫電子和氧分子，這是光合作用的初始狀態。

克羅寧稱，我們可以抽吸質子分布在細胞膜上，來設定形成一個質子坡度。這是從光線中獲得能量的關鍵一步，如果生命體能夠完成這些步驟，將建立形成具有類似植物新陳代謝功能的自供給細胞。

這項實驗仍處於早期階段，一些合成生物學家目前保留髮言意見。西班牙瓦倫西亞大學的曼紐爾-波爾卡說：“克羅寧研製的金屬細胞泡沫目前還不能說完全具備生命特徵，除非這些細胞可以攜帶類似DNA的物質，可驅動自我繁殖和進化。”克羅寧回應稱，在理論上這是可能實現的，去年他在實驗中顯示利用金屬氧酸鹽彼此作為模板可實現自複製功能。

在為期7個月的實驗中，目前克羅寧可以大批量生產這些金屬細胞泡沫，並將它們注入充滿不同pH值的試管容器中，他希望這種混合環境將測試它們的生存性。如果pH值過低，一些細胞將溶解死亡。

如果克羅寧的實驗是正確的，或許宇宙生命的存在性將更加廣闊。日本東京大學的Tadashi Sugawara說：“這項實驗結果說明生命體並不全是基於碳結構，水星的物質結構與地球相差很大，或許在水星上也有可能通過無機元素形成生命體。克羅寧的這項研究開闢了一個新的領域。”

尾聲

也許在未來很遠很遠的某一天，以矽為基礎的可自我複製的人造機器“矽基生命”會作為一種新的生命形態而替代我們碳基生命，就像《科幻世界》中一篇《沙漠蚯蚓》中說的：矽基納米機器可以直接把光能轉化為電能，以維持其生命活動。是否符合生命定義存疑。不過那一定離我們很遠很遠。