地球生命以碳为基础，为什么宇宙中不会存在硅基生命？
2023-05-15 06:37:56 宇宙探索
“硅基生命”的由来
地球上所有生命体的每一个细胞中都离不开碳、氢和氧三种元素，其中碳是有机分子的骨架，因此我们把地球上的生物称为碳基生命。生物和化学家们普遍认为，如果地球之外的某一个地方存在生命体，它一定也与我们一样，是碳基的。
(资料图片仅供参考)
外星生物的想象图
1891年，基于硅和碳在化学上的相似性，德国天体物理学家朱利叶斯·席纳（Julius Scheiner）率先提出硅在生命元素中替代碳的观点。一些科幻作者和科幻迷们也觉得茫茫宇宙，浩瀚无垠，外星球的自然条件有别于地球，它孕育的生命体有可能不是以碳为骨架，而有可能是硅。这种生物被称为“硅基生命”。
外星硅人
为什么是硅而非其它元素？
如果你还记得元素周期表，一定不难背出前边二十几个元素：氢氦锂铍硼碳氮氧氟氖钠镁铝硅磷硫氯氩钾钙......这其中碳（C）排在第6位，硅（Si）位列第14。
硅是地壳中含量第2高的元素，按质量算它占了地壳总质量的27.2%；同时地壳中90%以上都是硅酸盐矿物，占绝对统治地位；而在宇宙中，以质量计算，硅的含量排名第8，也是相当可观。
硅与碳紧挨着
硅不仅蕴含丰富，它在化学性质上与碳也有相似之处。在元素周期表的 第IV主族中，硅于碳的下方，它们最外层都有4个价电子；可以与氢结合形成有机烷；纯硅与钻石一样都是金刚石立方的晶体结构，它们很坚硬并且有很高的熔点。于是有些人很自然地认为，既然这两种元素如此相像，地球上有丰富的碳基生命，也理应存在硅基生命。
科幻电影里的硅基人
碳基的优势
尽管在地球表面碳的含量仅为硅的1/920，但碳在银河系中的丰度却是硅的7倍。碳在恒星内部形成，通过“三重α过程”和“CNO聚变循环”，较轻的元素可以很容易被压成更重的碳。相比之下，硅的产生需要经历巨型恒星坍缩，也就是在超新星爆炸的过程中才有机会产生出来，因此硅在宇宙中的含量比碳少得多。
纯碳可以以石墨或钻石的形式存在于地球上，它有很好的稳定性，不会轻易与氧气发生化学反应，碳或碳化合物只有在氧气中燃烧时才会形成气态氧化物——二氧化碳。
钻石可以在氧气中燃烧
前节提到，碳的最外围有4个价电子，它们分别位于2s和2p轨道，这意味着它能与其它原子组成4个共价键，共价半径为77pm。由于共价半径短，碳共价键能高，键合稳定。
任何生命的化学基础都必须 满足三个基本要求：足够的化学多样性；稳定性和反应性；溶剂的存在。
在我们的地球上，生命体需要多种具有不同功能的化学物质参与。包括用于制造蛋白质的氨基酸，用于制造核酸的糖和含氮碱基，作为核心代谢中间体的酮酸和羟基，以及用于制造细胞膜的脂质等等。为了组合出这些化学物质以提供生物学功能，生命体需要一套元素来构建各种分子，同时这些分子中应该事先建立起一个“脚手架”。
碳因其独特的化学性质成为这个生命支架的不二之选 。
碳是生命的骨架
碳原子可以通过两个电子与相邻的碳组成长链，同时通过另两个电子与其它杂原子组合形成一个大分子。在这个大分子中，碳是支架，而杂原子提供了丰富的化学活性。碳支架提供了制造大分子的能力，因此可以制造大量不同功能的分子。碳支架相对稳定，同时与碳结合的杂原子为每个分子提供化学功能和独特性。
硅为什么不能？
在太阳系形成的过程中，硅在地球表面的含量远超过碳，它的原子结构与碳相近，为什么地球上没有出现哪怕一种以硅为基础的生命形态，甚至我们连一块纯硅都找不到呢？
这还需要从硅原子本身开始说起。
硅的原子半径比碳大，它的共价半径也达到117pm。硅的四个外围电子两个位于3s轨道，两个在3p轨道，更长的键长和不同的键角导致硅比碳更活泼，它的共价键也更不稳定。
水晶是固体的二氧化硅
硅很容易被氧化形成固态的二氧化硅，它是砂子的主要成分。所以我们在地球上找不到纯净的硅，只能找到二氧化硅和硅酸盐矿物。
与碳、氮、氧和氢相比，硅有更强的正电性，这会在硅原子中形成一个电子“洼地”，导致它与其它非金属组成的键有更强的极化，进而造成以硅为核心的分子更容易受到亲电和亲核攻击。与碳相比，硅化合物更容易水解，它因此也更不稳定。 在有水的环境里，硅不能作为大分子的骨架，而只会作为碳分子链条中杂原子存在 。
氢和氧是宇宙中最丰富的两种元素，并且天文学家已经证实水分子在宇宙中也广泛存在。在这样的环境里，硅要么被氧化变成固体，要么它的分子链被水分子破碎，化学多样性无从谈起，也没有机会发展成为生命的基础性物质。
科幻电影中可怕的外星生命
综合与结论
许多人觉得硅与碳很相似，通过对其元素性质的分析，我们知道它们是一对“假双胞胎”，其相似之处是肤浅的，它的的差异是明显的。碳与硅在化学稳定性的外部条件上几乎截然相反，而硅能稳定形成复杂有机大分子的自然条件在宇宙中并不存在。
宇宙中不具备硅生命形成的条件
在宇宙中，碳比硅要丰富得多。氢、氧和水也广泛存在，科学家至今没有在宇宙的光谱中接收到支持硅基生命存在的化学信息。与之相对应地，大量证据表明高分子碳基化学物质在宇宙中的分布非常广泛。
想象中的外星人，他们应该也是碳基的
即便是地外星球存在生命繁衍的条件，它首先也应该是碳基的，硅要么被氧化成石头埋在了地底，要么被水解，要么活在科幻小说家的文字里。
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