硅基生命

地球上所有已知的生命都基于碳和碳基化合物。然而，人们已经讨论了其他地方的生命可能具有不同的化学基础的可能性——一种基于元素硅的化学基础。

1891年，德国天体物理学家儒略·申纳尔（Julius Scheiner）也许是第一个推测硅是否适合作为生命基础的人。英国化学家詹姆斯·爱默生·雷诺兹（James Emerson Reynolds，1844-1920年）提出了这个想法，他在1893年致英国科学促进协会的开幕词中指出，硅化合物的热稳定性可能使生命得以延续，存在于很高的温度下。在1894年的一篇文章中，在借鉴了雷诺兹以及罗伯·鲍尔的想法后，H.G.威尔斯写道：

这是一个令人震惊且极具想象力的猜想：硅铝生物——为什么不认为它们是硅铝人呢？——在气态硫构成的大气中漫游，或者让我们的思维再发散一下，在比高炉还炽热几千度的液态铁之海的海岸边游荡.
One is startled towards fantastic imaginings by such a suggestion: visions of silicon-aluminium organisms – why not silicon-aluminium men at once? – wandering through an atmosphere of gaseous sulphur, let us say, by the shores of a sea of liquid iron some thousand degrees or so above the temperature of a blast furnace.

30年后，JBS霍尔丹（JBS Haldane）建议，可以在部分熔融的硅酸盐基础上的行星深处发现生命，铁的氧化也许为它提供了能量。¹⁾

硅由于在宇宙中分布广泛，且在元素周期表中位于碳的下方，与其同主族，所以和碳元素的许多基本性质相似。举例而言，正如同碳能和四个氢原子化合形成甲烷(CH4)，硅也能同样地形成硅烷(SiH4)，硅酸盐是碳酸盐的类似物，三氯硅烷(HSiCl3)则是三氯甲烷(CHCl3)的类似物，以此类推。而且，两种元素都能组成长链，或聚合物，它们都能在其中与氧交替排列，最简单的情形是，碳-氧链形成聚缩醛，它经常用于合成纤维，而用硅和氧搭成骨架则产生聚合硅酮（即硅氧烷）。所以乍看起来硅的确是一种作为碳替代物构成生命体的很有前途的元素，且有可能出现一些特异的生命形态就有可能以类似硅酮的物质构成。硅基动物很可能看起来象是些会活动的晶体，就如同迪金森和斯凯勒尔(Dickinson and Schaller)所绘制的一张想象图一样——一只徜徉在硅基植物丛中的硅基动物，这种生物体的结构件可能是被类似玻璃纤维的丝线串在一起，中间连接以张肌件以形成灵活、精巧甚至薄而且透明的结构。²⁾

silicon-based life

然而，随着无机化学的发展，人们却发现，硅的表现并不能合乎人们的期望。以有机化学为参考，依靠合成硅烷、硅氧烷等物质的衍生物对有机物的复刻，建立一个能望有机化学项背的硅氢化学体系的尝试以失败告终：

以硅烷及其衍生物作为分子骨架存在的问题

1、与很多人想的不同，硅的连接能力相当糟糕：不同于原子数可以很高的烃类，硅烷硅数只能到8且不稳定。³⁾

2、硅烷及其衍生物热稳定性差。⁴⁾

3、与碳-氢、碳-碳键不同，硅-氢键和硅-硅键容易被各类质子溶剂完全破坏。这也就意味着常见的水，氨等溶剂都不能作为基于硅烷的硅基生命的载体。⁵⁾

以硅氧烷及其衍生物作为分子骨架存在的问题

1、硅氧烷及其衍生物容易缩合。这也就意味着硅氧烷难以形成类似于核苷酸，氨基酸那样的单体。而是会形成难以进一步聚合的小型环状分子或只具有简单重复结构的庞大链状分子。⁶⁾

2、硅氧烷衍生物没有合适的取代基——如果以硅氧链本身作为取代基，会形成庞大的难溶且难熔的网状固态分子；而如果像人类通常使用的链状硅氧烷那样，用有机基团作为高温下的取代基，则复杂的取代基本身是不稳定的，只能形成十分简单的取代基；有机基团作为低温下的取代基，则具有复杂有机取代基的分子在自然环境下会形成碳骨架分子，而不是硅骨架分子。⁷⁾

3、硅氧烷衍生物难以被氧化，因此难以形成储能物质.⁸⁾

硅氧烷和硅烷的通病

1、在宇宙中，人们只发现了二氧化硅和硅酸盐：人类已经在彗星、陨石上找到了碳的高级化合物，却没有找到硅的高级化合物：甲烷在太阳系中普遍存在，在星际物质和星云中也可以发现。甲基乙炔和氰基癸五炔这样的复杂分子也可以从星际物质中找到，甚至人们还在陨石上发现了氨基酸，却从来没有发现过硅烷或硅氧烷等物质。⁹⁾

2、而退一步说，即使在行星形成之后，也没有硅烷或硅氧烷产生的行星化学途径。也就是说，不仅星际物质中没有硅烷，而且即使通过行星的后续化学过程也无法形成硅烷或硅氧烷。¹⁰⁾

3、当碳在地球生物的呼吸过程中被氧化时，会形成二氧化碳气体，这种物质相对惰性易于产生且很容易从生物体中移除。但是，同时符合这三项条件的无机硅化合物却不存在。例如，易于产生且相对惰性的二氧化硅是难熔且难溶的固体，因为在二氧化硅刚形成的时候就会形成晶格，使得每个硅原子都被四个氧原子包围，而不是象二氧化碳那样每个分子都是单独游离的，这样的固体物质难以处理。而能溶解二氧化硅的氟化氢同时也会将硅氧链或硅链完全破坏，因此硅基生命不可能通过氟化氢来处理二氧化硅。¹¹⁾（不过也有人指出，硅基生命可以用浓磷酸组成的“血液”来溶解氧化过程产生的二氧化硅，并由化学性质特别稳定的血管组成内循环系统来将产物运出机体，但光合作用的问题仍然未解决）

总结

硅烷及其衍生物热稳定性和化学稳定性不足；而硅氧烷虽然十分稳定，其复杂性和多变性却要依赖复杂的有机基团。因此，它们都难以形成生命。¹²⁾

呼吸作用

有人认为，硅基生命可以呼吸二氧化碳或二氧化硫：¹³⁾

用二氧化硫作为氧化剂：储能物质—SO2，酶→ SiO2+ S

二氧化硅的处理

硅元素一个很大的缺陷就是它同氧的结合力非常强。当碳在地球生物的呼吸过程中被氧化时，会形成二氧化碳气体，这是种很容易从生物体中移除的废弃物质；但是，由于硅氧双键不稳定，硅的氧化会形成只含单键的庞大的原子晶体——二氧化硅，处置这样的难熔且难溶的固体物质会给硅基生命的呼吸过程带来很大挑战。

但有人认为，硅基生命可能利用氢氧化钠或浓磷酸处理二氧化硅：它们分别可以生成硅酸钠和杂多酸。硅酸钠易溶于水。但如果体外环境与血液相差较大，则排出体外后仍然会形成二氧化硅，无法进行光合作用。

有人误以为因为某些条件下二氧化硅可以与水反应，所以可以方便排出。虽然以粉末形式存在的二氧化硅可以和水反应生成原硅酸，但由于原硅酸和偏硅酸同样都是难熔且难溶的固体，实际上并不能解决问题。

也有人误认为，硅基生命也可以用氟化氢处理二氧化硅——他们根据硫细菌能合成一种物质使自身不被硫酸破坏而提出，硅基生物同样也可能产生一种催化剂，防止它自己被氟化氢破坏。但是，硫酸并不破坏一切碳链，而任何硅氧链和硅链都会被氟化氢完全破坏，硅基生命无法合成符合条件的物质。而且，预计产物四氟化硅和六氟合硅酸都较易水解，氟化氢量不足难以生成。

关于代谢的猜测

由于只有基于硅氧烷的硅基生命相对比较有可能存在，而硅氧烷的支链又通常是有机基团，所以硅基生命产生的代谢产物、废物、氧化物可能是非常复杂的，这意味着硅基生命需要更多的酶作为催化剂。每个酶的长度大约为50nm，细胞体积太小就装不下足够的酶。硅基生物的细胞比碳基生物的细胞更大。如果一个细胞体积越大，那么它的相对表面积就越小。如果一个细胞相对表面积越小，那么物质进入细胞膜的速度就越小。所以硅基生物的新陈代谢比碳基生物更慢。

硅基生命的溶液和介质

前文已经提到，基于硅氧烷的硅基生命可以在水，氨甚至硫酸等溶剂中生存，而考虑到需要处理二氧化硅，浓磷酸或许是个不错的选择；而基于硅烷的硅基生命则对质子溶剂不稳定，只可能在非质子溶剂中诞生。

A Martian Odyssey by Stanley G. Weinbaum

尽管化学家的预测结果令人沮丧，但在科幻小说的想象世界里，硅基生命却依旧蓬勃发展。在最早的一批有关硅基生命的小说之一，于1934年刊登于《神奇故事》上的科幻小说《火星奥德赛》中，斯坦利·温博姆（Stanley Weisbaum）描述了这样一种生物：它们叫做Tweel，居住在火星上，寿命为50万年，每十分钟移动一次并排泄一个砖块——这是温博姆对硅基生命的新陈代谢模式一种很好的解释。¹⁴⁾

那些砖块是它的排泄物……我们是碳基生命，我们的排泄物是二氧化碳，这东西是硅基生命，它的排泄物是二氧化硅。但是二氧化硅是固体，因此它的排泄物是砖块。这样它就把自己覆盖进去，当它被盖住，就移动到一个新的地方重新开始。
Those bricks were its waste matter... We're carbon, and our waste is carbon dioxide, and this thing is silicon, and its waste is silicon dioxide-silica. But silica is a solid, hence the bricks. And when it is covered, it moves over to a fresh place to start over.

¹⁵⁾