地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命



这是一张让万千初中生痛不欲生的表格,从153年前门捷列夫首次制作它至今,元素家族的成员数量已经翻了快两倍,目前是118个,而未来会增加多少,还不能确定 。

地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图


现在,我们目光所能触及的一切,都是由这张表上的元素构成的,甚至包括复杂的生命在内 。
【地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命】目前,一般认为地球生命必需的元素共有28种,但最基础、含量最多的主要是四种,分别是“氧、碳、氢、氮” 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图


而这其中又有一个元素以绝对的地位,主宰着整个地球生命,它就是碳 。
因此,地球上的生命又被称为“碳基生命” 。
可能有人会奇怪,明明大部分地球生命的体内,含量最高的元素是氧,而不是碳,比如人类体内氧元素的含量高达65%,而碳元素的含量仅为18% 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图


但为什么地球生命还叫“碳基生命”,而不叫“氧基生命”呢?
其实原因很简单,在大部分地球生物体内,氧元素并不是以单质形式存在的,而是和氢元素一起组合成了水 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图


对于体内的细胞来说,水虽然重要,但真正对细胞结构和功能起关键作用的,却是碳 。
那么地球生命为什么选择了碳元素,而不是其他元素呢?这还要从原子的结构开始说起 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图


我们都知道,原子之所以能够紧密地联系在一起形成分子,是因为化学键的作用,具体来说,就是最外层电子的数量不同 。
对于原子们而言,稳定的状态是它们毕生的追求,也就是要让最外层电子的数量变成2或者8 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图


比如氧原子家里有8个电子,最外层只有6个,为了达到稳定状态,它渴望再得到2个电子,让最外层电子变成8个 。
这时它的选择是,从隔壁两个氢原子邻居那里,各抢一个电子 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图


但两个被抢的氢原子邻居不乐意了,在保护自己电子的同时,邻居决定以其人之道还治其人之身,也开始动手抢夺氧原子的电子 。
它们离得越来越近,最终三个元素的家重合了,中间的墙合二为一,被抢夺的电子成了三者共用的电子 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图


对于氧元素来说,它多了两个电子,达到了稳定状态,而对于两个氢原子来说,它们也分别得到了一个电子,也达到了稳定状态 。
由于它们的手,都死死抓着对方的电子,它们再也不能分开了 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图


这样的结合方式在化学中有一个名称,叫做“共价键”,而它们牢牢抓在一起的手,就是“化学键” 。
对化学键有一定的了解之后,我们可以根据刚刚的例子,将化学键简单的想象成,每种元素长出的手臂,而不同元素根据最外层电子的数量不同,拥有的手臂数量也是不同的 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图


比如氢原子只有一只手,所以它每次只能和一个原子牵手,而氧原子长出了两只手,因此它最多可以同时和两个原子牵手 。


而碳元素就厉害了,它足足有四条手臂,这意味着它最多能够同时和四个原子手牵手 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图




想像一下,每个碳元素都有四只手,如果它们相互连接一起,手拉手形成三维结构,就会创造出千差万别的各种碳骨架——这就形成了各种各样有机化合物的基础 。


在科学界,科学家们将这种含有碳元素的分子称为“有机分子”,而专门研究有机物的化学也因此拥有了一个别称——“碳化学” 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图




从最简单的碳氢化合物甲烷,到复杂的高分子有机物DNA,以碳元素为基础的化合物,用极为庞大的构成形式,为碳基生命的形成,提供了丰富的物质基础 。


就像搭积木一样,大自然以神奇的碳元素为框架,搭建出了缤纷多彩的碳基生命,而这一过程就是壮丽的地球生命演化史,同时也是大自然选择生命形态的唯一方式 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图




这时可能有人要说了,碳元素不过是四只手,自然界中有很多元素都比它多,如果以这些元素为基础,不是能组合成更多样的分子结构吗?


没错,手臂越多的元素,组合成的分子结构数量也就越多 。但化学世界比的是巧,而不是量 。分子结构的复杂性是增加了,但它的稳定性就会不足 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图
正因为如此,碳元素凭借着一手复杂性和稳定性,并存的特性,成为了化合物种类最多的元素,目前已知的纯有机化合物就有1000多万种,而这仅仅是理论上,化合物世界中的冰山一角而已 。


除了复杂多样性,以碳元素为基础的化合物在常温下的反应速度,也是自然选择的重要依据 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图
生命的任何活动,像新陈代谢,繁殖和对环境刺激的种种反应,都需要依靠化学反应来完成 。


以环境刺激的反应为例,从猎豹的飞速追逐猎物,到变色龙瞬间改变体表颜色,从眼睛遇到强光时瞳孔的收缩,到植物的向光性,都是生物趋利避害的本能 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图




而这些反应实际上都是由生物体内的化学反应来支撑的 。这些化学反应的速度,很大程度上决定了生物反应的速度,而有机分子的活性,则保证了这些化学反应能够及时、快速地进行,以应对环境中可能出现的一些列复杂变化 。


如果刚刚对碳元素的描述,算是生命选择它的充分条件的话,那么它庞大的体量则是生命选择它的必要条件 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图




在地壳中,碳元素的含量排在第15位,而在整个宇宙中,排名则骤然上升到了第四位,仅次于氢、氦和氧之后 。


如此丰富的含量,让碳元素一开始就拥有了其他元素只能仰视的竞争力,所以我们可以说,碳是地球生命的基石,是碳基生命的化学根本 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图




地球上都是碳基生命,那在地球之外,会不会存在以其他元素为基础的生命形式呢?


1891年,波茨坦大学的天体物理学家儒略申纳(Julius Sheiner),首次提出了以硅为基础的硅基生命概念 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图
1893年,英国化学家詹姆斯·爱默生雷诺兹(James Emerson Reynolds)在一次会议中指出了硅基生命存在的可能性 。


比如“硅元素”和“碳元素”属于同族元素,它们拥有相似的基本化学性质,就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,以及两种元素都能组成长链,或聚合物等等 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图




所以硅元素,很可能成为,构成生命的有机化合物中,碳原子的可替代物 。


但这种观点,也并不是所有人都赞同的 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图




反对者指出,虽然硅元素跟碳元素一样,拥有四只手,也就是能够同时形成4个化学键,但硅元素四只手天生不给力,明显没有碳元素的四只手安全可靠 。


这主要是由于,硅原子比碳原子多了一个电子层,导致其对最外层4个电子的控制力,远小于碳原子,使得以它为基础骨架的化合物极不稳定,很容易断裂 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图
更何况,地球上硅元素的含量要比碳元素多了一千多倍,如果硅基生命真的能够在现实中存在的话,那现在统治地球的就不是碳基生命了 。


因此,大多数研究者认为,宇宙中存在硅基生命的可能性是非常低的,如果其他星球存在生命的话,那么它们大概率也是碳基生命 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图
不过,就像著名天文学家卡尔萨根说过的那样,碳基生命唯一论、中心论,很可能大大限制了人类对外星生命的探索和想象,这是一种彻头彻底的“碳沙文主义” 。


毕竟宇宙之大已经远远超出了我们的认知,或许在人类想象不到的地方,就安然生活着一群“不可能存在的”硅基生命 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图
而天体物理学家维克多·J·斯腾格(Victor John Stenger)的观点更是激进,他认为,生命由分子组成,这个观点其实也是一种“沙文主义”,在具有不同性质的宇宙中,原子核或其他结构,可能会以完全陌生的方式组装,从而出现我们认知以外的生命形式 。


如果按照卡尔萨根的观点,碳基生命并不一定是宇宙中唯一的生命形式的话,那么作为最有可能存在的硅基生命,它们和我们会有哪些不同之处呢?
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图
首先,我们能够确定的是,呼吸系统肯定会有极大的差异 。


在有氧环境下,当碳在碳基生物的呼吸过程中被氧化时,会形成二氧化碳气体,这很容易排出体外 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图
而硅在被氧化时,会形成二氧化硅,也就是玻璃或沙子,处理这样的固体物质,会给硅基生命的呼吸系统带来很大的挑战,或者说困难 。


除非某个星球上的温度高到,能够让固态的二氧化硅变成气态或液态,它们才有可能像地球生物一样呼吸 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图
其次,它们对环境温度的需求,相较地球上的碳基生命来说,要更“狂野”不少 。


比如一些硅基化合物具有非常高的热稳定性,像硅-氧键可以承受大约600K的温度,而硅-铝键能承受将近900K的温度 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图
对于这样的硅基生物来说,200度甚至到400度才能让它们感到舒适,而在我们觉得舒适的室温下,它们很可能会被冻死 。


最后,也是最明显的一点,硅基生命的外观,肯定和碳基生命有非常大的不同 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图




大部分研究者相信,硅基生命看起来更像是晶体,可以理解为拥有生命、会移动的水晶块 。
天文学家特伦斯·狄金森(Terence Dickinson)就曾在《外星人:地球人实地指南》《Extraterrestrials: A Field Guide for Earthlings》一书中,对硅基生命进行了简单的描绘 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图




他的这种描绘,基本满足了研究者,对自然硅基生命的初步想象 。
其实除了硅基生命之外,宇宙中还有很多,可能存在的生命形式 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图


比如著名科幻小说家阿西莫夫,曾在 《并非我们所知的:论生命的化学形式》这篇文章中,从生物化学的角度,描述过6种其他的生命形态,比如砷(shēn)基生命、硼基生命,甚至是硫基生命 。
看到这里,应该有人已经发现了,我们对于非碳生命化学形式的各种猜想,本质上,其实只是我们对于,碳基生命化学,基本原理认知的延伸 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图
这主要是由于,我们对其他任何一种生命形式的完全无知,在很大程度上限制了我们的眼界和想象力 。


与此同时,它也会导致一种悲催的情况出现——在太空探索中,人类遇到了外星生命,但是却认不出它们 。
地球为什么选择了碳基生命 为什么地球生命是碳基生命而不是硅基生命

文章插图
其实根据这种可能,我们可以结合费米悖论思考一下,人类找不到外星人,会不会是因为,不同环境中诞生的生命形式不同,而我们缺少辨别的方法,这才看到了一个“寂静”的宇宙呢?


反过来,是否有可能,宇宙主流的生命形式并不是碳基生命,而是某种人类完全未知的形式,我们才是别人无法发现和理解的“异类”呢?