硅基生命

“硅基生命”這一概念首次於19世紀被提出。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，硅化合物的熱穩定性使得以其為基礎的生命可以在高温下生存。

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硅酸鹽的生命，而鐵元素的氧化作用則向它們提供能量。

硅由於在宇宙中分佈廣泛，且在元素週期表中位於碳的下方，與其同主族，所以和碳元素的許多基本性質相似。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，它們都能在其中與氧交替排列，最簡單的情形是，碳-氧鍊形成聚縮醛，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（即硅氧烷）。所以乍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，且有可能出現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像是些會活動的晶體，就如同迪金森和斯凱勒爾(Dickinson and Schaller)所繪製的一張想象圖一樣——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。

然而，硅真的能不負眾望，成為生命的核心元素嗎？ ^[1] 

然而，隨着無機化學的發展，人們卻發現，硅的表現並不能合乎人們的期望。以有機化學為參考，依靠合成硅烷、硅氧烷等物質的衍生物對有機物的復刻，建立一個能望有機化學項背的硅氫化學體系的嘗試以失敗告終： ^[4] 

硅烷及其衍生物熱穩定性和化學穩定性不足；而硅氧烷雖然十分穩定，其複雜性和多變性卻要依賴複雜的有機基團。因此，它們都難以形成生命。 ^[5] 

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

不過也不必太沮喪，硅元素存在諸多問題，並不代表非碳基生命是不可能的，因為基於硅烷的氫化物體系實際上並非碳以外的最優解：實際上，硼和磷都具有超過硅的連接能力和成鍵多樣性；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硅烷衍生物更復雜、多變；而且磷烷已在宇宙中發現，硼烷則可能依靠行星化學過程生成。而事實上，就氫化物體系的綜合實力而言，它們也的確遠勝於硅。它們無疑才是非碳基生命的更有力競爭者。 ^[4] 

有人指出，對包括硅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，例如過分高估硅的能力和低估其它元素的潛力。 ^[4] 

早期化學家都認為，“無機化學不過是礦物的化學，即使有複雜分子，也不過是硅烷這樣的碳烴復刻品”；而“硅基生命”也是在這樣的背景下所提出的。 ^[4] 

但事實的發展卻出乎所有人意料——最終發展出一個綜合實力與碳相當的氫化物體系的反而是至今仍被多數科幻作家忽視的硼；以雄據當今無機化學半壁江山的羰基金屬原子簇為代表的的金屬原子簇則擁有遠超有機物的深刻性和多變性（儘管規模暫不能與有機物相比）；而硅元素的由於自身的不足，其對應有機物的復刻品十分有限，氫化物體系的綜合實力實際還不如磷。 ^[4] 

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

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

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硅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，而這個東西是硅組成，它的廢棄物是二氧化硅——硅石。但硅石是固體，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。”

有人認為，硅基生命可以呼吸二氧化碳或二氧化硫： ^[6] 

用二氧化硫作為氧化劑：

儲能物質 —SO₂，酶→ SiO₂+ S

硅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，由於硅氧雙鍵不穩定，硅的氧化會形成只含單鍵的龐大的原子晶體——二氧化硅，處置這樣的難熔且難溶的固體物質會給硅基生命的呼吸過程帶來很大挑戰。 ^[4] 

但有人認為，硅基生命可能利用氫氧化鈉或濃磷酸處理二氧化硅：它們分別可以生成硅酸鈉和雜多酸。硅酸鈉易溶於水。但如果體外環境與血液相差較大，則排出體外後仍然會形成二氧化硅，無法進行光合作用。 ^[4] 

有人誤以為因為某些條件下二氧化硅可以與水反應，所以可以方便排出。雖然以粉末形式存在的二氧化硅可以和水反應生成原硅酸，但由於原硅酸和偏硅酸同樣都是難熔且難溶的固體，實際上並不能解決問題。 ^[4] 

也有人誤認為，硅基生命也可以用氟化氫處理二氧化硅——他們根據硫細菌能合成一種物質使自身不被硫酸破壞而提出，硅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。但是，硫酸並不破壞一切碳鏈，而任何硅氧鏈和硅鏈都會被氟化氫完全破壞，硅基生命無法合成符合條件的物質。而且，預計產物四氟化硅和六氟合硅酸都較易水解，氟化氫量不足難以生成。 ^[4] 

由於只有基於硅氧烷的硅基生命相對比較有可能存在，而硅氧烷的支鏈又通常是有機基團，所以硅基生命產生的代謝產物、廢物、氧化物可能是非常複雜的，這意味着硅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。硅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，那麼它的相對錶面積就越小。如果一個細胞相對錶面積越小，那麼物質進入細胞膜的速度就越小。所以硅基生物的新陳代謝比碳基生物更慢。 ^[4] 

前文已經提到，基於硅氧烷的硅基生命可以在水，氨甚至硫酸等溶劑中生存，而考慮到需要處理二氧化硅，濃磷酸或許是個不錯的選擇；而基於硅烷的硅基生命則對質子溶劑不穩定，只可能在非質子溶劑中誕生。 ^[3-4] 

儘管化學家並不會將人工智能視為硅基生命，但“硅基生命”可以指代人工智能這一謬誤已經被外行人廣泛接受。因此人工智能也被大眾視為廣義的“硅基生命”。 ^{[2]  [4]} 

靠大自然的化學過程形成真正的硅基生命的可能性微乎其微，但是20世紀發展起來的以硅為主要半導體元件的計算機技術以及其後的人工智能學、來勢洶洶的網絡技術都使這種“硅基生命”的發展在和計算機人工智能結合的層面有了突破的可能。 ^{[2]  [4]} 

用硅、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。首次進行了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 ^[7]  ：

其中第一項便是他認為可能出現的硅基生命，而第三項則是我們所熟悉的———亦是我們惟一所認識的生命——地球碳基生命。至於第一、第二項，是一些高温星球上可能存在的生命形式。另外，地球上曾經出現過的那些生活在硫礦裏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。 ^[7] 

儘管受硼的元素丰度影響，阿西莫夫並不認為硼基生命可能出現。但僅從化學角度看，硼具有很多優點：硼擁有比硅更小的原子半徑和遠比硅強的連接能力——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”） ^[7] 

同時，也有人指出，如果某片星際塵埃通過機緣巧合受到了大量宇宙射線的照射，硼元素的富集也是可以實現的（宇宙中硼元素主要是由宇宙射線與碳、氧作用發生散裂反應得到）。 ^[7] 

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氨基酸，其中，對應氨基NH₂C的RNH₂B和對應羧基COOH的B(OH)₂通過脱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為連接中心的多聚物。

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。一些作家設想，在某些極寒冷的星球之上，可能存在着以液體氦為基礎，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能生物——霍耳的科幻小説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，表面温度達到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裏去，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，直徑約半釐米，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！

就在科幻作家構思“硅基生命”的時候，實驗室裏的“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（即第VIB族）元素能與氧配位成多面體（姑且理解成酸根），然後脱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，進而在強酸溶液裏自組織成泡狀結構，如同活細胞——這或許意味着，我們的生物學只是生命科學裏的一小部分。

研究該項目的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，來束縛氫或者鈉等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。他們通過連接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佈在細胞膜上，來設置形成一個質子坡度。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。西班牙巴倫西亞大學的曼紐爾-波爾卡説：“克羅寧研製的金屬細胞泡沫目前還不能説完全具備生命特徵，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。”克羅寧迴應稱，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説：“這項實驗結果説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。”

也許在未來很遠很遠的某一天，以硅為基礎的可自我複製的人造機器“硅基生命”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》中説的：硅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（儘管這類機器並非化學家所説的生命）。不過即使真的實現，也一定離我們很遠很遠。