地球为何只选择碳基生命,而不是硅基生命?

原标题:地球为何只选择碳基生命,而不是硅基生命?

在地球上,硅远比碳普遍得多,存在于沙子和岩石中。在地壳中,硅的含量占28%,大约是碳的135倍。然而,地球上的所有生命,主要由与氢、氧、氮以及其他一些元素相连的碳原子组成。没有碳,就没有DNA、蛋白质、脂肪或脂质、糖甚至肌肉组织。没有碳,生命就不会存在,或者更准确地说,我们所知道的生命就不会存在

而硅与碳属于同一族,位于碳的下方,这导致科幻小说提出了“硅基生命”的可能性。如果硅是生命基础一个竞争者,那么它如此普遍的事实将给它带来巨大的优势。但为什么地球选择“碳”作为生命的基石,而不是“硅”呢?“硅”输在哪里了?

其实这个问题不仅是科幻爱好者的讨论话题,还涉及生命起源的讨论和寻找外星生命的问题。

生命的需求——元素周期表!

正如我们所知,人体的 97% 由六种元素组成,缩写为 CHNOPS——碳、氢、氮、氧、磷、硫,以及少量其他元素,如钙(在我们的牙齿和骨骼中)、钾、铁、钠等等。事实上,按重量计算的话,氧是人体最常见的元素,约占三分之二,因为血液中含有大量的水,而氧气是水的重要组成部分。

而碳是第二常见的,主导生命化学的框架。为了理解它是如何工作的,以及为什么硅被认为是碳的替代品作为生命的核心元素,我们需要转向我们的元素周期表。

元素周期表的组织方式如下:同一列中的所有元素以相似的方式反应,当你从上到下时,元素从轻到重。

最右边的一列包含所谓的惰性气体:氦气、氖气、氩气、氪气、氙气等。它们的定义特征是它们不与其他元素相互作用。在最左边,我们发现了所谓的碱金属:氢、锂、钠、钾等,它们非常活泼。

每列具有不同反应性的原因与它们周围的电子配置有关,原子周围的电子处于一系列所谓的轨道中。打个比方,轨道像个杯子,而电子像弹珠。你可以将弹珠放入杯子中,直到杯子装满,此时杯子不再需要弹珠。

按照这个类比,满杯对应惰性气体。这些原子拥有它们想要的所有电子,因此它们不会与其他原子相互作用。不过现在化学键只是原子共享电子,所以如果一个原子的电子不够,它可以接受来自其他原子的电子。

然后我们看惰性气体旁边的原子列(包含氟、氯、溴、碘等),此列中的元素还不够满杯,所以它们可以接受电子。在化学方面,该列中的元素可以与其他元素形成一种键。

而氢是最简单的元素,只有一个电子可以备用,所以我们可以用它来说明元素连接的方式。比如氟与氢相互作用时,就会得到氟化氢,用符号 HF 表示,它是一个氢原子和一个氟原子。如果元素缺少两个电子,那它就可以形成两个原子键。比如氢与氧连接时,我们看到氧可以连接到两个氢原子以生成 H2O 。

所以当用碳去连接时,你就会发现为什么生命是以碳为基础了。

“碳”的厉害之处在哪?

科学研究指出,任何维持生命的化学元素都必须表现出足够的化学多样性。这种化学多样性是产生和维持生命系统所需的分子结构和化学操作的多样化集合所必需的化学复杂性所必需的。这种多样性有两个方面:一个原子产生具有各种形状的分子的能力,以及原子形成具有一系列功能多样性的化合物的能力。

1.碳原子形成四个共价键。这种键合能力可以表示为四个单键,一个双键和两个单键,或一个三键和一个单键。这些粘合配置中的每一种都产生不同的几何形状:分别为四面体、三角平面和线性。在特定条件下,碳原子还可以形成一种特殊的键合排列,称为芳香键。

2.碳原子和碳氢原子之间的键是高度稳定的。因此,碳可以形成具有长碳-碳链的化合物。这些链可以是直链或支链。碳还可以形成具有形成环的碳-碳键的化合物。这些化合物可以由单环和稠环组成。

总的来说,这些特性使碳(和氢)成为理想的原子,可以作为分子支架,从而产生各种分子形状和大小。

3.碳还可以与氧、氮、硫和磷等原子形成稳定的键。这些所谓的杂原子可以以多种方式与碳原子结合,产生范围广泛的基团,这些基团赋予含碳化合物多种功能。

4.碳形成可溶于水和不溶于水的化合物。这两种溶解度曲线是维持生命系统所必需的。水溶性化合物溶于水,很容易参与维持生命系统所需的化学反应。不溶于水的化合物可以在水性环境中聚集,形成构成细胞结构基础的分子复合物。

“硅”输在了哪里?

从元素周期表的位置来看,硅确实比任何其他元素与碳竞争的生命维持系统。它们的化学性质相似,硅也形成四个键,也与氧等原子形成键等等。但我们不要被表象迷惑,它们之间的相似地方不足以减轻它们的关键差异。

a.硅的原子半径比碳大得多。当硅形成共价化合物时,这种差异会影响键角、键长和键强度。

b.和碳相比,硅通常不会形成双键和三键,这限制了它的化学多样性。

c.和碳相比,硅原子的电子配置产生低能量、未填充的 3d 轨道。这些未填充的轨道允许硅的化合价超过四个,从而导致硅形成五个或六个键的化合物。

d.热力学性质方面,硅基化合物的生成热比有机化合物高得多。这种特性使得硅基化合物比碳基化合物更难形成。它还使硅基化合物的稳定性降低,化学反应性更强。

e.硅比碳更具有正电性,这种性质会影响硅与杂原子形成的化学键的稳定性。

f.硅会与氧气发生剧烈反应。事实上,硅的自然倾向是在存在氧或含氧化合物的情况下形成 Si-O 键。相反,碳的倾向是形成CC键。这种差异意味着在氧气存在的情况下,硅基化合物将倾向于与氧气反应,形成二氧化硅。

最重要一点是,到目前为止,没有证明任何其他溶剂都可以代替水发挥生命基质的重要作用。而硅遇到氧气或水,只会变成一块石头。假设地球上存在硅基生命,那么它每次呼吸呼出的都是沙子。

然而,硅基生命能否在其他地方蓬勃发展?

硅基生命可能吗?

就生命化学框架来看,在某些条件下,硅基化学更适合出现在不与生命相关联的冷元素海洋中,比如土卫六“泰坦”的液态乙烷湖和甲烷湖。在其表面低至-200℃的温度下,可能构建外星细胞的硅基化合物(称为硅烷或硅烃)在这些条件下应该是高度稳定的。

另外科学家还推测了由岩石硅酸盐构成的生命,这些生命可能居住在岩浆房的极热环境中,不过这样的生命形态更偏向晶体,而且晶体结构不太适合构建复杂的生物分子。而在地球上可以满足这条件的只有地心,温度高达6000℃——小说中虚构的“硅基人”就住在地心。

还有就是依赖硅的外星人,它们不会简单地用硅代替碳,而是改为使用结合两者的分子。目前科学家已经在太空中发现了具有碳-硅键的材料,但有没有可能因此进化成生命就不得而知了。

结语:

就我们所知,生命不可能是基于硅的。它必须围绕碳建造,并且必须位于水性环境中。但我们也只有一个样本可供研究——我们的地球。至于在地球之外,生命化学可以是基于硅的还是完全基于其他的东西,我们可能永远不会知道。返回搜狐,查看更多

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