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1、硅基生命本词条由“科普中国”科学百科词条编写与应用工作项目 审核 。硅基生命是相对于碳基生命而言的。所谓碳基生命，根源于有机物的原始概念：只能由生物产生的物质（有机物现在指的是除了碳氧化物，碳硫化物，碳酸盐，氰化物，碳化物，硫氰化物，氰酸盐，碳硼烷，烷基金属，羰基金属，金属有机配体配合物等在无机化学中研究的含碳物质之外的含有碳元素的化合物），而过去人类知道的这样的物质都含碳元素；后来证明“有机物”可以通过化学方法合成。“有机物”虽然作为一个历史概念沿用下来，人们却不再将碳视作生命必然的核心元素。并由此提出了以硅、硼或磷而非碳为核心元素的“非碳基生命”。从物质组成上看，地球上所有生物都具由基本相
2、似的物质组成基本上都由碳、氢、氧、氮、磷、硫、钙等元素构成。这些元素相互结合，构成氨基酸、核苷酸、葡萄糖等生命小分子；这些小分子再通过特殊的方式相互结合，形成蛋白质、核酸、多聚糖和脂类等生物大分子。这些分子成为构建生命的基本的“砖块”。由于构成这些生命的这些重要的生物大分子都以碳骨架为基础，所以研究者称这样的生命为“碳基生命”。硅基生命相对的也可以这样定义:以含有硅以及硅的化合物为主的物质构成的生命。 1 中文名硅基生命 外文名silicon-based life 构成含有硅以及硅的化合物为主的物质 人物儒略申纳（德国科学家） 2 提出时间1891年 2 提出地点德国 目录1. 1 早期思考
3、2. 2 对硅基生命的质疑 3. 硅元素存在的问题 4. 转向其他元素 5. 3 思考推论 6. 1.基本描述 1. 2.硅基生命的化学反应 2. 3.硅基生命的溶液和介质 3. 4 对生命形式的早期总结 4. 5 化学层面的非碳基生命研究中的问题 1. 6 硅基生命的广义解释 2. 7 除硅基生命和碳基生命以外的生命形式 3. 1.硼基生命 1. 2.科幻作品 2. 3.金属细胞和金属生命体 3. 8 尾声 早期思考硅基生命是碳基生命以外的生命形态，这个概念早在19世纪就出现了。1891年，波茨坦大学的天体物理学家儒略申纳(Julius Sheiner)在他的一篇文章中就探讨了以硅为基础的生
4、命存在的可能性，他大概是提及硅基生命的第一个人。这个概念被英国化学家詹姆斯爱默生雷诺兹(James Emerson Reynolds)所接受，1893年，他在英国科学促进协会的一次演讲中指出，硅化合物的热稳定性使得以其为基础的生命可以在高温下生存。三十年后，英国遗传学家约翰波顿桑德森霍尔丹(John Burdon Sanderson Haldane)提出在一个行星的深处可能发现基于半融化状态硅酸盐的生命，而铁元素的氧化作用则向它们提供能量。因为它在宇宙中分布广泛，且在元素周期表中，它就在碳的下方，所以和碳元素的许多基本性质都相似。举例而言，正如同碳能和四个氢原子化合形成甲烷(CH4)，硅也能同
5、样地形成硅烷(SiH4)，硅酸盐是碳酸盐的类似物，三氯硅烷(HSiCl3)则是三氯甲烷(CHCl3)的类似物，以此类推。而且，两种元素都能组成长链，或聚合物，它们都能在其中与氧交替排列，最简单的情形是，碳-氧链形成聚缩醛，它经常用于合成纤维，而用硅和氧搭成骨架则产生聚合硅酮。所以乍看起来硅的确是一种作为碳替代物构成生命体的很有前途的元素，且有可能出现一些特异的生命形态就有可能以类似硅酮的物质构成。硅基动物很可能看起来象是些会活动的晶体，就如同迪金森和斯凯勒尔(Dickinson and Schaller)所绘制的一张想象图一样一只徜徉在硅基植物丛中的硅基动物，这种生物体的结构件可能是被类似玻璃
6、纤维的丝线串在一起，中间连接以张肌件以形成灵活、精巧甚至薄而且透明的结构。然而，硅真的能不负众望，成为生命的核心元素吗？ 3 对硅基生命的质疑硅元素存在的问题（1）与很多人想的不同，硅的连接能力相当糟糕：不同于原子数可以很高的烃类，硅烷硅数只能到8且不稳定。（2）硅烷及其衍生物热稳定性差且容易缩合。而这无疑与硅基生命需要的高温环境是相悖的。（3）与碳-氢、碳-碳键不同，硅-氢键和硅-硅键容易被各类质子溶剂完全破坏。这也就意味着常见的水，氨甚至氟化氢等溶剂都不能作为硅基生命的载体。（4）在宇宙中，人们只发现了二氧化硅和硅酸盐，却从来没有发现过硅烷和硅酮等物质。在天文学家向宇宙中搜寻生命存在的可能
7、性时，他们在彗星、陨石上找到了碳的高级化合物，却没有找到硅的高级化合物：甲烷在太阳系中普遍存在，在星际物质和星云中也可以发现。甲基乙炔和氰基癸五炔这样的复杂分子也可以从星际物质中找到，甚至人们还在陨石上发现了氨基酸。而退一步说，即使在行星形成之后，也没有硅烷产生的行星化学途径。也就是说，不仅星际物质中没有硅烷，而且即使通过行星的后续化学过程也无法形成硅烷。（5）当碳在地球生物的呼吸过程中被氧化时，会形成二氧化碳气体，这种物质相对惰性易于产生且很容易从生物体中移除。但是，符合条件的无机气态硅化合物却不存在。而易于产生的二氧化硅则是固体，因为在二氧化硅刚形成的时候就会形成晶格，使得每个硅原子都被四
8、个氧原子包围，而不是象二氧化碳那样每个分子都是单独游离的，处置这样的固体物质会给硅基生命的呼吸过程和植物光合作用带来很大挑战。不过有人提出质疑，“造物主”可以在创造这种生物体系时对它们的能量收集方式进行“创新”：这种生物同时“吃”产生能量所需的两种（也可以是多种）物质，分开存储于体内，这两种（或多种）物质完全可以不是气体。产生成分为硅化合物的废物后也可以用浓磷酸（或氟化氢等这些能与二氧化硅反应生成液体或气体的物质）组成的“血液”和化学性质特别稳定的血管组成内循环系统，虽然这种循环系统并不是硅基的却是可能的。这样看来没有呼吸系统的生命也是可能的，并且对于碳基生命也是可行的，但显然这种形式显然是低
9、效的，因为地球碳基生命为了适应地球大自然而选定了呼吸这种形式。（6）氧化问题的另一面就是如何使用能量。碳基生命以碳水化合物储存能量，硅基生命也可以用类似的化合物进行能量储存，但如何使用这些能量则比较难办。碳基生命用左旋或右旋的大分子酶来控制碳水化合物，但硅则难以组成这样的大分子。有人认为，硅可能不能像碳一样产生众多的具有左旋右旋特征的化合物，只要是生命形态，就必须从外界环境中收集、储存和利用能量。在碳基生物这里，储存能量的最基本的化合物是碳水化合物。在碳水化合物中，碳原子由单键连接成一条链，而利用酶控制的对碳水化合物的一系列氧化步骤会释放能量，废弃物产生水和二氧化碳。这些酶是些大而复杂的分子，
10、它们依照分子的形状和左旋右旋对特定的反应进行催化，这里说的左旋右旋是因分子含有的碳的手性使得分子出现左旋或者右旋，而多数碳基生物体内的物质都显示这个特征，正是这个特点使得酶能够识别和规范碳基生物体内的大量不同新陈代谢进程。然而，硅没能像碳这样产生众多的具有左旋右旋特征的化合物（主要由于复杂硅烷衍生物稳定性太低，导致硅难以形成烃衍生物的复刻品），这也让它难以成为生命所需要大量相互联系的链式反应的支持元素。即它不能像类似碳基生命一样识别和规范碳基生物体内的大量不同新陈代谢进程，把储存的能量释放出来。（7）遗传又是另一个难题。碳形成的基因链在水中很稳定，这使得碳基生物体内可以充满着。但是，硅形成的基
11、因链在水中很不稳定，这决定了硅基生物无法以水充实身体，而其他的液体，如铁水、熔化玻璃，也很难保持其基因链的稳定。 2 4 转向其他元素相比硅，或许我们更应该寄希望于硼和磷 早期研究者对硅元素所拥有的高期望更多是由于当时人类对硅元素的性质了解不够的知识客观局限所带来的，但今天的我们如果还像古人一样认为硅基生命存在的可能性非常大，那无疑就是十分可笑的了。不过也不必太沮丧，硅元素存在诸多问题，并不代表非碳基生命是不可能的，因为硅实际上并非碳以外的最优解：实际上，硼和磷都各自拥有一个比硅更复杂的氢化物体系，它们的连接能力也都强于硅：硼烷硼数和磷烷磷数最大都已超过20；硼烷磷烷衍生物也都较硅烷衍生物更复
12、杂、稳定；而且磷烷已在宇宙中发现，硼烷则可以依靠行星化学过程生成。而事实上它们也的确在当今无机化学中具有远比硅更重要的地位。它们无疑才是非碳基生命的更有力竞争者。 2 思考推论1.基本描述尽管从化学角度看，硅基生命诞生的希望很渺茫。但硅基生命在科幻小说中则很兴盛，而且科幻作家的许多描述会提出不少有关硅基生命的有益构想。在斯坦利维斯鲍姆(Stanley Weisbaum)的火星奥德赛(A Martian Odyssey)中，该生命体有1百万岁，每十分钟会沉淀下一块砖石，而这正是维斯鲍姆对硅基生命所面临的一个重大问题的回答，文中进行观察的科学家中的一位观察到：“那些砖石是它的废弃物我们是碳组成，我
13、们的废弃物是二氧化碳，而这个东西是硅组成，它的废弃物是二氧化硅硅石。但硅石是固体，从而是砖石。这样它就把自己覆盖进去，当它被盖住，就移动到一个新的地方重新开始。”2.硅基生命的化学反应硅元素一个很大的缺陷就是它同氧的结合力非常强。当碳在地球生物的呼吸过程中被氧化时，会形成二氧化碳气体，这是种很容易从生物体中移除的废弃物质；但是，硅的氧化会形成固体，因为在二氧化硅刚形成的时候就会形成晶格，使得每个硅原子都被四个氧原子包围，而不是像二氧化碳那样每个分子都是单独游离的，处置这样的固体物质会给硅基生命的呼吸过程带来很大挑战。二氧化硅是原子晶体，很难溶解在水和其他液体之中，它是巨大的分子。（有人误以为因
14、为某些条件下二氧化硅可以与水反应，所以可以方便排出。虽然以粉末形式存在的二氧化硅可以与水反应生成原硅酸；且二氧化硅在催化剂的作用下，也可以和水反应：H2O + SiO2 H2SiO3（偏硅酸）2H2O + SiO2 H4SiO4（水过量时，生成原硅酸） 2 但由于原硅酸和偏硅酸同样都是固体，实际上并不能解决问题）但有人认为，硅基生命可能利用氢氧化钠处理二氧化硅：氢氧化钠可以和二氧化硅反应，生成硅酸钠。硅酸钠易溶于水。硅基生命可以将硅酸钠排除体内。也有人认为，硅基生命也可以用氟化氢处理二氧化硅，氟化氢二氧化硅反应后，硅基生命可以呼出四氟化硅（气体）并排出水，并且硅基植物通过“光合作用”吸入四氟化
15、硅、水和光经过一系列反应生成氟化氢排回大气中并生成“硅淀粉”。但硅基植物的“光合作用”没有详细的可行性论述。二氧化硅生成气态的四氟化硅反应方程式如下：SiO2(s) + 4 HF(aq) SiF4(g) + 2H2O(l)生成的SiF4可以继续和过量的HF作用，生成氟硅酸：SiF4(g) + 2HF(aq) H2SiF6(aq)总反应：6HF + SiO2 H2SiF6+ 2H2O(氟硅酸是一种二元强酸。氟硅酸的酸性比硫酸还强，受热分解放出有毒的氟化物气体。具有较强的腐蚀性)Horta：星际迷航中的硅基生命: 有的人则担心氟化氢对硅基生命是有毒的，可以破坏硅化物无水氟化氢及其水溶液为氢氟酸都具有极强的腐蚀性，能强烈地腐蚀含硅的物体。与硅和硅化合物反应生成气态的四氟化硅（能腐蚀玻璃）。他们据此猜测，氟化氢会对硅基生命的皮肤有强烈刺激性和腐蚀性：氢氟酸中的氢离子对硅基生命组织有脱水和腐蚀作用，而硅则亲氟。有人猜测，硅基生命皮肤与氢氟酸接触后，氟离子不断解离而渗透到深层组织，溶解细胞膜，造成表皮、真皮、皮下组织乃至肌层液化坏死。但有人指出，硅基生命可能用一种特殊的催化剂消除氟化氢的毒性。这种催化剂可以让氟化氢只和二氧化硅反应。事实上，地球上有一种硫细菌，这种生物能在稀硫酸中生活，最适生长pH值范围为pH23。绝大多数
