硅基生命體稱霸宇宙 外星人形態之謎

　　――這是很多以機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最常用的橋段。而在危險四伏的宇宙中，在到處泛著金屬光澤的機甲時代，硅基生命的出現頻率遠比碳基生命要高得多，這是為什麼呢？ 　　碳元素的化學特性 　　想要回答這個問題，我們先要對碳基和硅基的生命體有個基本的了解。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物質基礎的生物，因為在構成生物的氨基酸中，碳元素起到了連接氨基與羧基的關鍵作用。地球上的生物幹什麼偏偏要選擇碳基的形式存在呢？或者說，為什麼是碳元素，而不是其他什麼元素來充當地球生物的有機物質基礎呢？

　　簡單來說，這是由於碳具有相當特殊而優越的化學特性。我們都知道，碳原子外有四個自由電子，因此其失電子能力（還原性）和得電子能力（氧化性）都很強，這就可以形成複雜多樣的高分子有機物，比如DNA分子，為生命提供物質基礎。若外層電子太多，則會主要呈氧化性，反之則會主要呈還原性，二者均無法形成複雜的分子。 　　另外，兩個碳原子在一起，會形成碳碳雙鍵，即每個鍵由兩個（每個原子出一個）重疊軌道的電子組成，由於這個軌道重疊，兩個電子可以運動的空間就翻倍了，而由碳構成的碳基分子的活性也就增加了。這種活性有什麼用呢？要知道，地球生物的所有生命特徵，比如新陳代謝、繁衍後代、刺激反應等等都是要依靠生物體內的化學反應來實現的。比如光照強烈時，貓咪的瞳孔會立刻收縮成一條線，從而起到保護眼睛不受強光刺激的作用。如果化學反應慢了，光照進眼睛過了五分鐘，瞳孔才開始收縮，貓咪敏感的眼睛肯定已經受到了嚴重的傷害。而碳基分子的高活性就保證了生物的化學反應能夠及時進行。 　　除此之外，碳還具有一個獨特的優勢，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的關鍵物質。如果它們變成了固體，生命或許就要遇到大麻煩了，這也是為什麼地球上還未發現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，硅剛好位於碳元素的正下方，因此它的很多化學性質都和碳基本相似。比如碳和四個氫原子化合後會形成甲烷（CH4），而硅和四個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，碳和硅都能組成長鏈或聚合物，比如它們以最簡單的形式與氧交替排列，前者會由碳-氧鏈形成聚縮醛，而後者則由硅和氧搭成骨架產生出聚合硅酮。

　　正是由於二者化學性質的相似，因此科學家才會猜想，宇宙中應該會有硅基生命存在，但是為什麼硅基生命卻不存在於地球之上呢？一部科幻小說里寫道：「一隻徜徉在硅基植物叢中的硅基動物，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，由靈活精巧、薄而透明的結構連接起來。看上去這些結晶體似的生物非常漂亮，如果它們可以在常溫下生存的話，大概許多地球人都願意在家裡養幾隻作為裝飾，養這種寵物的一個明顯好處是不會傳播細菌和寄生蟲，因為作為碳基生命的細菌和寄生蟲對這種完全不同的生命是無能為力的。」　　這段話中透露了兩個信息：硅基生物看起來像是一個結晶體；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。因為硅和碳一樣，與氧結合的能力都很強，但與碳不同的是，它與氧結合後會形成固體，如二氧化硅這樣的晶體，因此會給硅基生命的呼吸過程帶來很大的困難。與此同時，由於大多數硅基化合物比起碳基化合物要更加穩定，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境中生存。 　　除此之外，還有很重要的一點，那就是硅鏈在水中無法保持穩定，很容易就會斷裂，不像碳鏈一樣無論在乾濕的環境下都可以保持穩定。所以對於那些存在大量液態水的星球，比如地球，雖然不能完全否認硅基生命存在的可能，但它們能在此生息繁衍的機率也小得可憐。 　　說來說去，似乎碳基生命全是優點而硅基生命則全是缺點，二者完全是雲泥之別。但是別忘了，上面的對比全是建立在「地球」的背景之上的，如果將比較換在環境惡劣的宇宙當中，結果可就會截然不同了。　　硅基生命喜歡極端環境 　　我們在學習地理知識時，老師總愛將地球比作「上帝創造的奇蹟」，它離太陽不遠不近的位置造就了這個適應碳基生命生長的星球。但是，想要在無邊無際的太空中再找到一個像地球這樣的奇蹟，其難度不言而喻。 　　宇宙中更多的，是那些對人類而言充滿了危險的惡劣環境：強烈的宇宙射線、稀缺的氧氣、極致的高溫、火山爆發生成的有毒氣體……這一切的一切，對於沒有了地球庇護的人類來講，簡直就是一個噩夢。因為無論上述哪一樣，都可以輕易地置人於死地。而在這樣的條件下，我們突然發現，硅基生命或許能夠活得相當滋潤。 　　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，但是對硅基生物來說，高溫就像是冬天裡的一把火，夏天裡的一塊冰，只會讓它們感到無比舒坦。而缺氧也沒關係，無論是什麼樣的星球，總是不缺火山的，火山一爆發，會生成大量的硫，而硫和氧氣的化學性質同樣極為相似，完全有可能成為氧的替代物。有人說了，硫不是一種固體嗎？怎麼能替代氧氣呢？別忘了，我們所說的星球可不是地球，而是表面溫度高達四五百攝氏度的行星，在這個溫度下，硫已經無法保持固態而氣化了，或許硅基生物真能靠它進行呼吸呢！再說說沒有水，這對硅基生物而言，可實在是件天大的好事，或許沒有水碳基生物會很快死去，但沒有水硅基生物只能活得更長久。因為液體水對於硅基化合物而言，就算說是化屍水也不為過。而宇宙射線呢？問出這個問題可是有點可笑了，你聽說過害怕射線的玻璃嗎？ 　　這樣想來，那些艱苦的條件簡直就是為硅基生物量身定做的，如果比拼在宇宙的艱苦環境中的生存能力，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化呢？ 　　給我來個硅基腦 　　說到硅基人，大多數人都沒有什麼概念，不過如果說起變形金剛，你一定就不會感到陌生了。按照作家的設定，變形金剛和人類一樣，都是由簡單生命進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器人混為一談，前者可以說是一種具有硅基智能的生命，而後者只是人類製造出來的一種機械。 　　可以看出，其實硅基人與碳基人並沒有什麼明顯的不同，都同樣具有情感，同樣懂得思考，同樣具有智慧，只不過構成二者身體的「材料」不同，硅基人的身體更加適應惡劣的宇宙環境罷了。 　　在科幻小說當中，隨便打一針神奇的藥劑、被蟲子咬中或是沉睡千萬年經過一次又一次的「脫殼」，人類就能自然而然地由碳基向硅基轉變了。但是在科學家看來，這些方法已經脫離了「科幻」的範疇，而向著「玄幻」的方向發展了。其實想要將碳基人變成硅基人，最簡單也最直接的方法莫過於直接換零件了。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軍團，那麼大腦就是運籌帷幄的司令，我們身體的所有活動都依靠於大腦的指揮。這個指揮官的能力強不強，很大程度上決定了整個人的實力。幸運的是，經過多年努力，科學家已經製造出了與人腦類似的硅腦。研究人員首先在計算機上編製了一種能夠多次複製的人工神經網路程序，最初時，能夠運行的虛擬迴路連小鼠皮層神經數的40%都達不到，嚴重限制了人工神經網路學習、記憶和創造性思維的能力。後來研究者發現，人的大腦中並非所有神經元都在不停地運轉，只有那些被激活的神經元才會開始運轉，其他閑置的神經元僅會耗費很少的能量。以此為鑒，他們對人工神經網路進行了改造，最終將系統擴充到了5300億個神經元和100萬億個突觸，這和人腦的神經網路已經基本一致了。 　　接下來，把計算機里模擬的神經網路用硅製造出來，一個「硅腦」誕生了，雖然新生的硅腦還未真正能與人腦媲美，只能進行比較簡單的「思考」，但是相信隨著時間的推移和技術的成熟，與人腦功能越來越相似的硅腦也終將被製造出來。 　　未來，當地球面臨毀滅或不再宜居時，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展了一步，這次科學現實走在了科幻的前面。實際上，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」。科幻中對非碳基生命的描寫有很多，絕大多數都集中在硅基生命，硅是上帝創造的第二種生命元素。以下是關於硅基生命的一些資料。　　有沒有硅基生命？不知道這是個科學問題還是科幻問題。科幻作品裡的硅基生命隨處可見，最著名的恐怕就是變形金剛了（變形金剛不是機器人，而是一種具有智能的外星生命體。同樣是由簡單生命進化的。說其為硅基生命其實也不算十分準確。 準確來說只是具有硅基智能的，機械生命體。），然而卻很值得思考，我們認識對生物的認識是不是完全正確。　　地球上的已知生命都是以碳和水為基礎，而且以我們現在的認識水平很可能會認為宇宙中大部分的生命形態也都是以碳和水為基礎。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也可以為生命提供基礎，早在1885年，愛爾蘭出生的天文學家兼數學家羅伯特 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會去近距離觀察一些天體，我們可能會發現它們也充滿了生命，但卻是特化適應於環境的生命。以奇特而怪異的形態出現的生命……」　　說到碳基生命以外的生命形態，對這方面稍有點了解的人首先想到的就是硅基生命。不過硅基生命這個概念到底什麼時候有的，大概沒幾個人了解，說出來可以讓人吃一驚，原來這個概念早在19世紀就出現了。1891年，波茨坦大學的天體物理學家儒略 申納爾(Julius Sheiner)在他的一篇文章中就探討了以硅為基礎的生命存在的可能性，他大概是提及硅基生命的第一個人。這個概念被英國化學家詹姆士 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，硅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。　　著名英國科幻作家赫伯特 喬治 韋爾斯(Herbert George Wells)吸收了雷諾茲和鮑爾的觀念，他寫道：　　「人們會為這種設想所帶來的奇異想像所震驚：既然有硅—鋁生命體，為什麼不會立刻想到硅—鋁的人？讓我們說，他們在硫磺氣組成的大氣中漫步，徜徉在溫度比熔爐更高的，數千度的融化的鋼鐵海洋旁。」　　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)，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鏈，或聚合物，它們並在其中同氧交替排列，最簡單的情形是，碳—氧鏈形成聚縮醛，它經常用於合成纖維，而用硅和氧搭成骨架則產生聚合硅酮。　　基於上述情況，一些特異的生命形態就有可能以類似硅酮的物質構成。硅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)所繪製的想像圖一樣--一隻徜徉在硅基植物叢中的硅基動物，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，中間連接以張肌件以形成靈活、精巧甚至薄而且透明的結構。看上去這些結晶體似的生物非常漂亮，如果它們可以在常溫下生存的話，大概許多地球人都願意在家裡養幾隻作為裝飾，養這種寵物的一個明顯好處是不會傳播細菌和寄生蟲，因為作為碳基生命的細菌和寄生蟲對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物　　一個很大的缺陷就是硅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，硅的氧化會形成固體，因為在二氧化硅剛形成的時候就會形成晶格，使得每個硅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遊離的，處置這樣的固體物質會給硅基生命的呼吸過程帶來很大挑戰。　　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，碳原子由單鍵連接成一條鏈，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不對稱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，硅沒能象碳這樣產生眾多的具有左旋右旋特徵的化合物，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。　　此外，硅鏈在水中不穩定，容易斷掉，不象碳鏈這樣在乾濕環境下都保持穩定。雖然這點不會因此排除硅基生命存在的可能，但存在大量液態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前的早期生命化學演化的低可能性也被天文觀測所驗證。不管天文學家向哪裡搜尋——隕星、彗星、巨行星的大氣、星際物質、冷卻恆星的外層——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存在預兆的物質。相反，當我們尋找碳基生命的跡象時會發現，在隕星中不難找到氨基酸這樣的碳基有機分子，至於甲烷，不僅在太陽系的眾多行星和衛星中很容易找到，而且在星際物質和星雲中也能找到，甚至連甲基乙炔和氰基癸五炔這樣的複雜分子都能從星際物質中找到。　　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。有一個奇怪的現象是，地球生命特別喜歡利用右旋的糖和左旋的氨基酸。對此的一個理論解釋是，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」內形成，而這種硅化合物的旋性決定了我們現在從地球生命體內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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