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硅基生命體 由于人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的破壞，從飛鳥到走獸再到游魚，一個(gè)又一個(gè)的物種接連滅絕，終于，到了2050年，地球上的人口已經(jīng)銳減到了1000萬左右，地球成為了名副其實(shí)的死星，再也不適合生物的生存了。幸而科學(xué)家們經(jīng)過不懈地努力，發(fā)明出了能夠在宇宙中長(zhǎng)距離航行的星際飛船，最后的人類乘坐飛船，希望能夠在茫茫宇宙中找到一個(gè)新的家園。 然而，在廣袤無垠的太空之中，想找到一個(gè)像地球這般適宜人類生存的星球?qū)嵲谑翘y了，最終，由于燃料耗盡，人類不得不迫降在一個(gè)類似火星的星球上。這個(gè)星球上不存在液態(tài)水，也沒有大氣層，白天的溫度高達(dá)200℃，傍晚的溫度又會(huì)驟然降到零下80℃，而且也沒有空氣存在，人類只能依靠科技的力量，人工制造出氧氣、水分和適宜的溫度來維持自己的生存。 然而，人類的生命還是太過于脆弱，隨著時(shí)間的推移，地球移民們因?yàn)闊o法適應(yīng)如此惡劣的環(huán)境，開始成批死亡。最后，經(jīng)過地球聯(lián)合議會(huì)以及最高生命科學(xué)院投票，通過了一個(gè)看似瘋狂的決議――將人類由脆弱的碳基生命，改造成更能適應(yīng)惡劣宇宙環(huán)境的硅基生命，并建立與之相匹配的跨時(shí)代的機(jī)甲文明。 
――這是很多以機(jī)甲文明為背景的科幻小說，在闡述人類從地球遷移到宇宙之時(shí)最常用的橋段。而在危險(xiǎn)四伏的宇宙中，在到處泛著金屬光澤的機(jī)甲時(shí)代，硅基生命的出現(xiàn)頻率遠(yuǎn)比碳基生命要高得多，這是為什么呢？ 碳元素的化學(xué)特性 想要回答這個(gè)問題，我們先要對(duì)碳基和硅基的生命體有個(gè)基本的了解。在地球上，我們已知的所有生物都是碳基生物，也就是說，地球上所有生物都是以碳元素為有機(jī)物質(zhì)基礎(chǔ)的生物，因?yàn)樵跇?gòu)成生物的氨基酸中，碳元素起到了連接氨基與羧基的關(guān)鍵作用。地球上的生物干什么偏偏要選擇碳基的形式存在呢？或者說，為什么是碳元素，而不是其他什么元素來充當(dāng)?shù)厍蛏锏挠袡C(jī)物質(zhì)基礎(chǔ)呢？ 
簡(jiǎn)單來說，這是由于碳具有相當(dāng)特殊而優(yōu)越的化學(xué)特性。我們都知道，碳原子外有四個(gè)自由電子，因此其失電子能力（還原性）和得電子能力（氧化性）都很強(qiáng)，這就可以形成復(fù)雜多樣的高分子有機(jī)物，比如DNA分子，為生命提供物質(zhì)基礎(chǔ)。若外層電子太多，則會(huì)主要呈氧化性，反之則會(huì)主要呈還原性，二者均無法形成復(fù)雜的分子。 另外，兩個(gè)碳原子在一起，會(huì)形成碳碳雙鍵，即每個(gè)鍵由兩個(gè)（每個(gè)原子出一個(gè)）重疊軌道的電子組成，由于這個(gè)軌道重疊，兩個(gè)電子可以運(yùn)動(dòng)的空間就翻倍了，而由碳構(gòu)成的碳基分子的活性也就增加了。這種活性有什么用呢？要知道，地球生物的所有生命特征，比如新陳代謝、繁衍后代、刺激反應(yīng)等等都是要依靠生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。比如光照強(qiáng)烈時(shí)，貓咪的瞳孔會(huì)立刻收縮成一條線，從而起到保護(hù)眼睛不受強(qiáng)光刺激的作用。如果化學(xué)反應(yīng)慢了，光照進(jìn)眼睛過了五分鐘，瞳孔才開始收縮，貓咪敏感的眼睛肯定已經(jīng)受到了嚴(yán)重的傷害。而碳基分子的高活性就保證了生物的化學(xué)反應(yīng)能夠及時(shí)進(jìn)行。 除此之外，碳還具有一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，那就是它的兩種氧化物在常溫下都是氣體：一氧化碳是火的主要能量來源，而二氧化碳則是參與生命循環(huán)的關(guān)鍵物質(zhì)。如果它們變成了固體，生命或許就要遇到大麻煩了，這也是為什么地球上還未發(fā)現(xiàn)我們所謂的硅基生命。 硅元素的利與弊 我們知道，在元素周期表中，硅剛好位于碳元素的正下方，因此它的很多化學(xué)性質(zhì)都和碳基本相似。比如碳和四個(gè)氫原子化合后會(huì)形成甲烷（CH4），而硅和四個(gè)氫原子化合也能形成硅烷（SiH4）；再比如硅酸鹽和碳酸鹽也有著很多的相似之處。同時(shí)，碳和硅都能組成長(zhǎng)鏈或聚合物，比如它們以最簡(jiǎn)單的形式與氧交替排列，前者會(huì)由碳-氧鏈形成聚縮醛，而后者則由硅和氧搭成骨架產(chǎn)生出聚合硅酮。 
正是由于二者化學(xué)性質(zhì)的相似，因此科學(xué)家才會(huì)猜想，宇宙中應(yīng)該會(huì)有硅基生命存在，但是為什么硅基生命卻不存在于地球之上呢？一部科幻小說里寫道：“一只徜徉在硅基植物叢中的硅基動(dòng)物，這種生物體的結(jié)構(gòu)件可能是被類似玻璃纖維的絲線串在一起，由靈活精巧、薄而透明的結(jié)構(gòu)連接起來?？瓷先ミ@些結(jié)晶體似的生物非常漂亮，如果它們可以在常溫下生存的話，大概許多地球人都愿意在家里養(yǎng)幾只作為裝飾，養(yǎng)這種寵物的一個(gè)明顯好處是不會(huì)傳播細(xì)菌和寄生蟲，因?yàn)樽鳛樘蓟募?xì)菌和寄生蟲對(duì)這種完全不同的生命是無能為力的。” 這段話中透露了兩個(gè)信息：硅基生物看起來像是一個(gè)結(jié)晶體；硅基生物不能在常溫下生存。而這也正是地球上沒有硅基生物的原因。因?yàn)楣韬吞家粯?，與氧結(jié)合的能力都很強(qiáng)，但與碳不同的是，它與氧結(jié)合后會(huì)形成固體，如二氧化硅這樣的晶體，因此會(huì)給硅基生命的呼吸過程帶來很大的困難。與此同時(shí)，由于大多數(shù)硅基化合物比起碳基化合物要更加穩(wěn)定，比如硅-氧鍵可以承受大約326℃的溫度，而硅-鋁鍵更是能承受約626℃的高溫，因此硅基化合物在高溫下活性才更好，對(duì)硅基生物來說，或許200～400℃的高溫才能讓它們感到舒適自在。因此它們更適合在高溫的環(huán)境中生存。 除此之外，還有很重要的一點(diǎn)，那就是硅鏈在水中無法保持穩(wěn)定，很容易就會(huì)斷裂，不像碳鏈一樣無論在干濕的環(huán)境下都可以保持穩(wěn)定。所以對(duì)于那些存在大量液態(tài)水的星球，比如地球，雖然不能完全否認(rèn)硅基生命存在的可能，但它們能在此生息繁衍的機(jī)率也小得可憐。 說來說去，似乎碳基生命全是優(yōu)點(diǎn)而硅基生命則全是缺點(diǎn)，二者完全是云泥之別。但是別忘了，上面的對(duì)比全是建立在“地球”的背景之上的，如果將比較換在環(huán)境惡劣的宇宙當(dāng)中，結(jié)果可就會(huì)截然不同了。 硅基生命喜歡極端環(huán)境 我們?cè)趯W(xué)習(xí)地理知識(shí)時(shí)，老師總愛將地球比作“上帝創(chuàng)造的奇跡”，它離太陽不遠(yuǎn)不近的位置造就了這個(gè)適應(yīng)碳基生命生長(zhǎng)的星球。但是，想要在無邊無際的太空中再找到一個(gè)像地球這樣的奇跡，其難度不言而喻。 宇宙中更多的，是那些對(duì)人類而言充滿了危險(xiǎn)的惡劣環(huán)境：強(qiáng)烈的宇宙射線、稀缺的氧氣、極致的高溫、火山爆發(fā)生成的有毒氣體……這一切的一切，對(duì)于沒有了地球庇護(hù)的人類來講，簡(jiǎn)直就是一個(gè)噩夢(mèng)。因?yàn)闊o論上述哪一樣，都可以輕易地置人于死地。而在這樣的條件下，我們突然發(fā)現(xiàn)，硅基生命或許能夠活得相當(dāng)滋潤(rùn)。 高溫就不提了，幾百攝氏度的高溫或許能將碳基生物燒成灰，但是對(duì)硅基生物來說，高溫就像是冬天里的一把火，夏天里的一塊冰，只會(huì)讓它們感到無比舒坦。而缺氧也沒關(guān)系，無論是什么樣的星球，總是不缺火山的，火山一爆發(fā)，會(huì)生成大量的硫，而硫和氧氣的化學(xué)性質(zhì)同樣極為相似，完全有可能成為氧的替代物。有人說了，硫不是一種固體嗎？怎么能替代氧氣呢？別忘了，我們所說的星球可不是地球，而是表面溫度高達(dá)四五百攝氏度的行星，在這個(gè)溫度下，硫已經(jīng)無法保持固態(tài)而氣化了，或許硅基生物真能靠它進(jìn)行呼吸呢！再說說沒有水，這對(duì)硅基生物而言，可實(shí)在是件天大的好事，或許沒有水碳基生物會(huì)很快死去，但沒有水硅基生物只能活得更長(zhǎng)久。因?yàn)橐后w水對(duì)于硅基化合物而言，就算說是化尸水也不為過。而宇宙射線呢？問出這個(gè)問題可是有點(diǎn)可笑了，你聽說過害怕射線的玻璃嗎？ 這樣想來，那些艱苦的條件簡(jiǎn)直就是為硅基生物量身定做的，如果比拼在宇宙的艱苦環(huán)境中的生存能力，硅基生命必然大獲全勝。如果真的是這樣，人類是否有能力讓自己由碳基向硅基轉(zhuǎn)化呢？ 給我來個(gè)硅基腦 說到硅基人，大多數(shù)人都沒有什么概念，不過如果說起變形金剛，你一定就不會(huì)感到陌生了。按照作家的設(shè)定，變形金剛和人類一樣，都是由簡(jiǎn)單生命進(jìn)化而成的高等生命體，只不過變形金剛是硅基生命，而人類則是碳基生命。所以千萬不要將變形金剛與機(jī)器人混為一談，前者可以說是一種具有硅基智能的生命，而后者只是人類制造出來的一種機(jī)械。 可以看出，其實(shí)硅基人與碳基人并沒有什么明顯的不同，都同樣具有情感，同樣懂得思考，同樣具有智慧，只不過構(gòu)成二者身體的“材料”不同，硅基人的身體更加適應(yīng)惡劣的宇宙環(huán)境罷了。 在科幻小說當(dāng)中，隨便打一針神奇的藥劑、被蟲子咬中或是沉睡千萬年經(jīng)過一次又一次的“脫殼”，人類就能自然而然地由碳基向硅基轉(zhuǎn)變了。但是在科學(xué)家看來，這些方法已經(jīng)脫離了“科幻”的范疇，而向著“玄幻”的方向發(fā)展了。其實(shí)想要將碳基人變成硅基人，最簡(jiǎn)單也最直接的方法莫過于直接換零件了。如果我們能全身上下都換成硅基材料，自然也就能成為所謂的硅基人了。 而想要更換人身上的零件，最困難的似乎就是大腦了。如果說人的身體是一個(gè)軍團(tuán)，那么大腦就是運(yùn)籌帷幄的司令，我們身體的所有活動(dòng)都依靠于大腦的指揮。這個(gè)指揮官的能力強(qiáng)不強(qiáng)，很大程度上決定了整個(gè)人的實(shí)力。幸運(yùn)的是，經(jīng)過多年努力，科學(xué)家已經(jīng)制造出了與人腦類似的硅腦。研究人員首先在計(jì)算機(jī)上編制了一種能夠多次復(fù)制的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序，最初時(shí)，能夠運(yùn)行的虛擬回路連小鼠皮層神經(jīng)數(shù)的40%都達(dá)不到，嚴(yán)重限制了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、記憶和創(chuàng)造性思維的能力。后來研究者發(fā)現(xiàn)，人的大腦中并非所有神經(jīng)元都在不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，只有那些被激活的神經(jīng)元才會(huì)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，其他閑置的神經(jīng)元僅會(huì)耗費(fèi)很少的能量。以此為鑒，他們對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了改造，最終將系統(tǒng)擴(kuò)充到了5300億個(gè)神經(jīng)元和100萬億個(gè)突觸，這和人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本一致了。 接下來，把計(jì)算機(jī)里模擬的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用硅制造出來，一個(gè)“硅腦”誕生了，雖然新生的硅腦還未真正能與人腦媲美，只能進(jìn)行比較簡(jiǎn)單的“思考”，但是相信隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的成熟，與人腦功能越來越相似的硅腦也終將被制造出來。 未來，當(dāng)?shù)厍蛎媾R毀滅或不再宜居時(shí)，人類必將要向太空遷徙。只要我們能夠把自己變成硅基生命，就再也不用害怕太空中的各種極端環(huán)境了。 硅基生命體 NASA公布的砷生命消息，將生命的可能性又大大擴(kuò)展了一步，這次科學(xué)現(xiàn)實(shí)走在了科幻的前面。實(shí)際上，砷生命仍然是碳基生命，它們只是用砷取代了磷，正所謂“甲之熊掌，乙之砒霜”?？苹弥袑?duì)非碳基生命的描寫有很多，絕大多數(shù)都集中在硅基生命，硅是上帝創(chuàng)造的第二種生命元素。以下是關(guān)于硅基生命的一些資料。 有沒有硅基生命？不知道這是個(gè)科學(xué)問題還是科幻問題?？苹米髌防锏墓杌S處可見，最著名的恐怕就是變形金剛了（變形金剛不是機(jī)器人，而是一種具有智能的外星生命體。同樣是由簡(jiǎn)單生命進(jìn)化的。說其為硅基生命其實(shí)也不算十分準(zhǔn)確。 準(zhǔn)確來說只是具有硅基智能的，機(jī)械生命體。），然而卻很值得思考，我們認(rèn)識(shí)對(duì)生物的認(rèn)識(shí)是不是完全正確。 地球上的已知生命都是以碳和水為基礎(chǔ)，而且以我們現(xiàn)在的認(rèn)識(shí)水平很可能會(huì)認(rèn)為宇宙中大部分的生命形態(tài)也都是以碳和水為基礎(chǔ)。但是也有很多人相信碳以外的其他元素以及水以外的其他介質(zhì)也可以為生命提供基礎(chǔ)，早在1885年，愛爾蘭出生的天文學(xué)家兼數(shù)學(xué)家羅伯特 斯德威爾 鮑爾(Robert Stawell Ball)就曾在他的《天堂的故事》(Story of the Heavens)中提到地外生命可能和地球上的完全不同，他寫道：“倘若我們能夠得到機(jī)會(huì)去近距離觀察一些天體，我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)它們也充滿了生命，但卻是特化適應(yīng)于環(huán)境的生命。以奇特而怪異的形態(tài)出現(xiàn)的生命……” 說到碳基生命以外的生命形態(tài)，對(duì)這方面稍有點(diǎn)了解的人首先想到的就是硅基生命。不過硅基生命這個(gè)概念到底什么時(shí)候有的，大概沒幾個(gè)人了解，說出來可以讓人吃一驚，原來這個(gè)概念早在19世紀(jì)就出現(xiàn)了。1891年，波茨坦大學(xué)的天體物理學(xué)家儒略 申納爾(Julius Sheiner)在他的一篇文章中就探討了以硅為基礎(chǔ)的生命存在的可能性，他大概是提及硅基生命的第一個(gè)人。這個(gè)概念被英國(guó)化學(xué)家詹姆士 愛默生 雷諾茲(James Emerson Reynolds)所接受，1893年，他在英國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)的一次演講中指出，硅化合物的熱穩(wěn)定性使得以其為基礎(chǔ)的生命可以在高溫下生存。 著名英國(guó)科幻作家赫伯特 喬治 韋爾斯(Herbert George Wells)吸收了雷諾茲和鮑爾的觀念，他寫道： “人們會(huì)為這種設(shè)想所帶來的奇異想象所震驚：既然有硅—鋁生命體，為什么不會(huì)立刻想到硅—鋁的人？讓我們說，他們?cè)诹蚧菤饨M成的大氣中漫步，徜徉在溫度比熔爐更高的，數(shù)千度的融化的鋼鐵海洋旁?！?br> 三十年后，英國(guó)遺傳學(xué)家約翰 波頓 桑德森 霍爾丹(John Burdon Sanderson Haldane)提出在一個(gè)行星的深處可能發(fā)現(xiàn)基于半融化狀態(tài)硅酸鹽的生命，而鐵元素的氧化作用則向它們提供能量。 粗看起來，硅的確是一種作為碳替代物構(gòu)成生命體的很有前途的元素。它在宇宙中分布廣泛，而在元素周期表中，它就在碳的下方，所以和碳元素的許多基本性質(zhì)都相似。舉例而言，正如同碳能和四個(gè)氫原子化合形成甲烷(CH4)，硅也能同樣地形成硅烷(SiH4)，硅酸鹽是碳酸鹽的類似物，三氯硅烷(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(zhǎng)鏈，或聚合物，它們并在其中同氧交替排列，最簡(jiǎn)單的情形是，碳—氧鏈形成聚縮醛，它經(jīng)常用于合成纖維，而用硅和氧搭成骨架則產(chǎn)生聚合硅酮。 基于上述情況，一些特異的生命形態(tài)就有可能以類似硅酮的物質(zhì)構(gòu)成。硅基動(dòng)物很可能看起來象是些會(huì)活動(dòng)的晶體，就如同迪金森和斯凱勒爾(Dickinson and Schaller)所繪制的想象圖一樣--一只徜徉在硅基植物叢中的硅基動(dòng)物，這種生物體的結(jié)構(gòu)件可能是被類似玻璃纖維的絲線串在一起，中間連接以張肌件以形成靈活、精巧甚至薄而且透明的結(jié)構(gòu)?？瓷先ミ@些結(jié)晶體似的生物非常漂亮，如果它們可以在常溫下生存的話，大概許多地球人都愿意在家里養(yǎng)幾只作為裝飾，養(yǎng)這種寵物的一個(gè)明顯好處是不會(huì)傳播細(xì)菌和寄生蟲，因?yàn)樽鳛樘蓟募?xì)菌和寄生蟲對(duì)這種完全不同的生命是無能為力的。但是，但硅基生命的存在的可能性卻受到許多缺陷的威脅。 
圖片：行走在硅基植物叢中的硅基動(dòng)物 一個(gè)很大的缺陷就是硅同氧的結(jié)合力非常強(qiáng)。當(dāng)碳在地球生物的呼吸過程中被氧化時(shí)，會(huì)形成二氧化碳?xì)怏w，這是種很容易從生物體中移除的廢棄物質(zhì)；但是，硅的氧化會(huì)形成固體，因?yàn)樵诙趸鑴傂纬傻臅r(shí)候就會(huì)形成晶格，使得每個(gè)硅原子都被四個(gè)氧原子包圍，而不是象二氧化碳那樣每個(gè)分子都是單獨(dú)游離的，處置這樣的固體物質(zhì)會(huì)給硅基生命的呼吸過程帶來很大挑戰(zhàn)。 只要是生命形態(tài)，就必須從外界環(huán)境中收集、儲(chǔ)存和利用能量。在碳基生物這里，儲(chǔ)存能量的最基本的化合物是碳水化合物。在碳水化合物中，碳原子由單鍵連接成一條鏈，而利用酶控制的對(duì)碳水化合物的一系列氧化步驟會(huì)釋放能量，廢棄物產(chǎn)生水和二氧化碳。這些酶是些大而復(fù)雜的分子，它們依照分子的形狀和左旋右旋對(duì)特定的反應(yīng)進(jìn)行催化，這里說的左旋右旋是因分子含有的碳的不對(duì)稱使得分子出現(xiàn)左旋或者右旋，而多數(shù)碳基生物體內(nèi)的物質(zhì)都顯示這個(gè)特征，正是這個(gè)特點(diǎn)使得酶能夠識(shí)別和規(guī)范碳基生物體內(nèi)的大量不同新陳代謝進(jìn)程。然而，硅沒能象碳這樣產(chǎn)生眾多的具有左旋右旋特征的化合物，這也讓它難以成為生命所需要大量相互聯(lián)系的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的支持元素。 此外，硅鏈在水中不穩(wěn)定，容易斷掉，不象碳鏈這樣在干濕環(huán)境下都保持穩(wěn)定。雖然這點(diǎn)不會(huì)因此排除硅基生命存在的可能，但存在大量液態(tài)水的星球肯定是排斥硅基生命的。 存在硅基生命，甚至存在硅基生命出現(xiàn)前的早期生命化學(xué)演化的低可能性也被天文觀測(cè)所驗(yàn)證。不管天文學(xué)家向哪里搜尋——隕星、彗星、巨行星的大氣、星際物質(zhì)、冷卻恒星的外層——他們都只能找到氧化的硅(二氧化硅和硅酸鹽)，而找不到類似硅烷和硅酮這樣的作為硅生物化學(xué)存在預(yù)兆的物質(zhì)。相反，當(dāng)我們尋找碳基生命的跡象時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，在隕星中不難找到氨基酸這樣的碳基有機(jī)分子，至于甲烷，不僅在太陽系的眾多行星和衛(wèi)星中很容易找到，而且在星際物質(zhì)和星云中也能找到，甚至連甲基乙炔和氰基癸五炔這樣的復(fù)雜分子都能從星際物質(zhì)中找到。 即使如此，也有必要指出，硅可能曾在地球生命的起源過程中扮演過一定的角色。有一個(gè)奇怪的現(xiàn)象是，地球生命特別喜歡利用右旋的糖和左旋的氨基酸。對(duì)此的一個(gè)理論解釋是，生命演化初期的第一批碳化合物在一片有著特定旋性(旋光性)硅石表面上的“原始湯”內(nèi)形成，而這種硅化合物的旋性決定了我們現(xiàn)在從地球生命體內(nèi)找到的碳化合物的旋性。 
圖片：Horta星際旅行系列片中的硅基生命 |
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