硅基生物设想

王学军

（1.含氟功能膜材料国家重点实验室，山东 桓台 256401；2.山东东岳高分子材料有限公司，山东 淄博 256401）

0 前言

在地壳的元素含量中，除了氧元素约占48.6%，硅元素是地壳元素含量第二高的元素，这也意味着人们可以大量开发和使用硅元素。众所周知，地球上的生命最重要的组成元素是碳，而碳与硅在元素周期表中同处第四主族，两种元素之间存在着一些相似的地方。硅与碳的相似让不少科学家相信，硅元素或许有成为构成生命体的可能，因为硅元素可以形成生命基础所需的长链分子，比如DNA 和蛋白质。

图1 地球生命的DNA 结构Fig.1 DNA structure of life on earth

有一个数字特别能说明碳和硅的不同：地壳里含有的碳原子总量还不到硅原子的1%，但地球生命还是选择了碳作为基础，由此可见碳原子远比硅原子更加适合形成生命。碳基生物是以碳元素为有机物质基础的生物。地球上已知的所有生物都是碳基生物，包括人类在内都是以碳和水为基础。由于碳原子有四个自由电子，其失去电子的能力（还原性）和得到电子的能力（氧化性）相当，所以能够形成复杂多样的高分子有机物（比如DNA 分子），为生命的形成提供物质基础，并为自然选择提供可能。而且地球生命的氨基酸大多数都是左旋氨基酸，因此学界有人认为这是支持地球生命来自同一个祖先的证据。

1 碳基生命的诞生有多难

世间的一切事物都可以用简单或复杂来进行描述。那么世界上最复杂的东西是什么呢？不是令人头痛的方程式，也不是融合了最先进科学技术所制造的航天飞行器，而是生命。生命是这个世界上最为复杂的东西。即使是在生命形式中构成最为简单的单细胞生命，其复杂程度也是超乎想象的。生命从一开始的形成就充满了奇迹与不可思议，很难想象一个基本元素通过如此复杂和极其漫长的过程最终形成人类这样复杂的生命体。

设想一下，太阳和地球及太阳系的结构是不是独一无二的？从银河系来看，太阳只是2000 亿颗恒星中毫不起眼的一颗。地球之所以有生命，其中最大的原因是地球恰好处于距离太阳1.5亿km 的方位上，在这个距离使得地球的温度既不太高也不太低。且有一个巨大的气态恒星为其充当保护伞，在这两个先决条件下，地球诞生了生命而且最终发展成为智慧生命，宇宙中是不是只有地球与它的母恒星有这么恰好的距离，并且有一个木星般巨大的保护伞，我们不得而知。同样不能否定一个存在其他条件的行星无法诞生生命甚至是智慧生命。生命出现的条件其实是很苛刻的，苛刻到人难以想象的程度。

地球上的生命不是一蹴而就的，更不是突然就存在的，而是经过漫长的演化才形成今天这样多姿多彩的生物世界。生命形成的条件极其苛刻，即使所有物质和能量都完备，还需要外力、时间和稳定的环境，每一个演化都需要漫长的时间积淀。恒星至少能在约50 亿年时间内稳定地发出光和热，行星到母恒星的距离必须恰到好处。

第一步是从无机物到有机小分子，第二步是从有机小分子到有机大分子，第三步是从有机大分子到有机生命，是最关键的一步，这是造成生命形成概率极低的重要原因。实际上，就目前的科学研究水平而言，从有机大分子到有机生命，就像一条不可跨越的鸿沟。

生命区别于非生命有两项最基本的特征，即新陈代谢和繁衍遗传。新陈代谢是能量和物质在细胞内的交换，这看似简单，其实无比复杂。以细胞膜为例，它既要保护细胞，又要留出空隙，如此精密的结构在自然条件下怎么形成，人类根本无法理解。其次是遗传，即建立生物分子自我复制系统，这同样困扰人类。要知道，组成生命的有机分子可以在原始地球上形成，但有机分子不是生命，只有蛋白质与核酸形成明确密码关系时，才可能产生生命。然而，这密码关系又是如何建立的呢？

智慧生命是非常缺少的，有的人得出10-215次方这样的概率，时钟观念形象地比喻生命起源：如果用1 天24 小时来比喻自地球起源直至今日的进程，那么地球形成是在零点（45 亿～48 亿年前），最古老的原核生物出现在凌晨4 点（约38亿年前），中间有一段很长的时间，地球上一直十分平静，直至寒武纪生命大爆发，是在晚上9 点15 分（5.4 亿年前），出现了大量动物门及亚门生物，各种各样高级动物造型及骨骼和器官开始出现。哺乳动物出现在晚上23 点40 分，而人类登场是在最后的1 分多钟。

2 硅基生物要面对的问题

2.1 硅氧化合物的稳定性

硅氧化合物，特别是一些含硅氧的长链化合物，本身并不稳定，硅烷及其衍生物热稳定性差且在高温下容易缩合，简单的理解就是它们生成需要高温却在高温下稳定性很差。

常见的水以及氨基溶液都会破坏其结构而无法成为生命的载体。比如硅基生命的遗传物质，在水环境中可能根本就无法稳定存在。所以，硅基生命是抗拒水分的，而没有水分的生命，很难相信如何进行化学反应、能量交换、神经信号的传导。水对于生命的重要性几乎和碳一样重要，因为水有个很重要的特质，即它维持液态所需的温度范围非常大。大部分液态物质的温度窗口都很窄，温度稍微高一点就气化，温度稍微低一点就变成固体，都不适合作为生命的溶剂。地球上多亏有大量水分子，使得地球历史上绝大部分时间里都有一个巨大的海洋，生命就孕育在海洋里。

2.2 硅基生命如何呼吸

硅基生命的提出，就是模仿碳基生命，将硅取代碳而提出的。碳基生命吸入氧气，呼出二氧化碳。类似地，硅基生命虽然可以吸入氧气，但是却呼不出二氧化硅，因为二氧化硅就是固体结晶。所以，如果硅基生命存在，肯定不是靠氧气呼吸，于是有人假设，硅基生命可以吸入氟化氢，呼出四氟化硅这种气体硅化合物。但是，氟化氢与硅氧化合物很容易化学反应，而其它的气体更难以起到硅基生命呼吸的作用。所以，硅基生命的存在，呼吸是个不能解决的矛盾，除非硅基生命不通过呼吸的方式解决新陈代谢。

2.3 硅基生命的环境需求

根据生命起源学说，认为生命来自于自然界偶然产生的有机化合物，在特殊的情况下各种排列组合，慢慢一步一步演化成了生命。如果生命都是宇宙自然演化而来，那么硅基生命也应该遵循类似规则。但是，在外太空的星球上，至今人类甚至已发现了少量的碳基有机物，但是却未发现硅基有机物，似乎暗示硅基生命很难自然产生。而事实的观测结果也证明了这一点，如果硅基生命可以存在，那它们需要的环境很简单，不需要呼吸不需要水，还耐极端高低温环境。也就是说只要是有大量硅元素的星球，基本都符合硅基生命诞生的条件。而其它岩石星球，也有大概率诞生硅基生命。可是，根据目前可观测的结果，不论是地球，还是人类目前已经观测的千千万万岩石星球，没有硅基生命的痕迹。

2.4 硅基生命的化学基础

在物质层面上，碳之所以是地球生命的基础，根本原因是碳原子可以形成4 个化学键，因此可以和4 个不同的原子相结合，形成复杂的大分子。硅在元素周期表中位于碳的正下方，它也可以形成4 个化学键，理论上也可以和4 个不同的原子相结合，但硅和碳有一个本质的区别，那就是硅原子不能形成二价键和三价键，这就大大减少了大分子的种类，不像碳原子那样可以形成长链，甚至环形的大分子。这两种大分子才是有机分子最神奇的地方，淀粉、蛋白质和核酸等等重要的大分子都是由碳原子首尾相连形成的碳骨架支撑起来的，硅不可能形成这样的大分子，因此也就很难形成生命。

2.5 硅基生命的可能性

尽管有这么多难以逾越的困难，但依然不能否定硅基生命存在的可能性。因为即便概率为0的事情，只要时间足够长，也依然会发生。

3 硅基化合物合成与材料方面的突破

3.1 碳-硅（C-Si）键的生物合成

虽然化学家之前已经实现了合成含碳-硅键的化合物[1-5]，它们存在于从油漆和半导体到计算机和电视屏幕的各种物品中。然而，迄今为止，它们从未在自然界中被发现，这些新的细胞可以有助于更好地了解在宇宙其他地方存在硅基生命的可能性。来自加州理工学院、该研究参与者之一Jennifer Kan 博士表示，地球上没有已知的生命会将硅-碳键结合在一起，即使硅是如此的丰富，遍布于我们周围，比如岩石和海滩上等。

图2 血红素蛋白质产生低浓度有机硅化合物[2]Fig.2 Low concentration of organosilicon compounds produced by heme protein[2]

2016 年，《科学》（Science）杂志上的一篇文章，颠覆了人们长久以来的认识。根据这项研究[2]，研究人员首先分离出海洋红嗜热盐菌中天然存在的蛋白质——细胞色素C 酶，实验表明它可以促进把硅连接到碳上的化学键的形成。在分离出该蛋白质后，科学家将该基因导入到大肠杆菌中，然后再进行一定的突变，科学家发现它能促进活细胞内产生碳-硅键，这是史无前例的，见图2。这不是细胞本身可以轻易做到的事情。但该实验能证明，只要有适当的条件，大自然可以将地球上最丰富的元素之一——硅融入到生命的基石中。

通过这项突破性的研究，科学家现在知道硅基生命是有可能存在的，至少是部分基于硅的生命。这些硅基生命也许就繁荣于宇宙的其他行星上，等待着人们去搜寻。因此，似乎没有理由认为生命形式只有一种可能。以目前来看，唯一能够确定的是，人类对宇宙的了解实在是太少了。

3.2 硅基神经突触器件

近日，浙江大学硅材料国家重点实验室的杨德仁院士和皮孝东教授等[6]利用硅纳米晶体的突出光电性能，制备出了能耗可以低至皮焦耳（pJ）光遗传学启发的神经突触器件。这些器件首次实现了神经突触器件的电刺激（光输出）。半个多世纪以来，集成电路的发展一直遵循摩尔定律。然而，时至今日，摩尔定律的失效已经近在咫尺，即集成电路的集成度已经逼近极限。集成电路目前最迫切需要解决的问题是高度集成所导致的高能耗，很多人感受过的电脑发烫就是因为集成电路的能耗大。众所周知，人脑具有高智能和低能耗的特点，所以发展模拟人脑的神经拟态计算成为了一种非常诱人的选择。作为一种重要的硅材料形态，硅纳米晶体凭借其突出的光电性能已经在面向神经拟态计算的器件应用中展现出了发展潜力。这将鼓励人们针对硅基神经拟态计算中的核心器件如神经突触器件及其集成神经网络进行更加深入的研究。

4 人类的渺小

4.1 全球人类体积

据YouTube 视频博主迈克尔·史蒂文斯（Michael Stevens）发布的模拟图显示，全球人口堆集起来只有788 m 高，仅能占据科罗拉多大峡谷的一小部分。显然，即使将人类历史所有1060 亿人口堆集在一起，也将只有15 堆，尚不足以覆盖整个大峡谷。根据官方数据，科罗拉多大峡谷长277 英里（446 km），深1 英里（1.6 km）。

4.2 全球人类质量

一直以来，人们缺乏对不同生物群的生物量进行全球定量记录。近来，魏茨曼科学研究学院和加州理工学院的研究人员就做了这样一项有意思的调查，他们对地球上的所有生物进行了生物量普查，呈现了一副生物圈构成的全貌。调查的结果被刊登于近期的 《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。根据计算，他们发现地球上所有生物共含有约5500 亿t 的碳。这是一个非常庞大的数字。占据这一总量榜首的是重4500 亿t 碳的植物，它们占所有生物的82%。排第二的是细菌，它们的总重约为700 亿t 碳，是所有生物量的13%。也就是说，剩下的所有其他生物——从原生生物到古生菌、从真菌到动物，仅占世界生物量的5%。人类的总生物量仅占地球上生命的0.01%[7]。

4.3 地球人类历史

人类的历史，相对于宇宙的尺度，不过弹指一挥间。众所周知，宇宙137 亿年，地球有46 亿年，那人类呢？从古猿人开始至今只有300～500万年，现代人始于10 万年前，而人类文明史，不过1 万年。有文字的历史，不过六千年，人类的科技史，不过300 年，也许，人类的旅程，才刚刚开始……

5 硅基生命的设想

碳基生命是以化学能驱动的复杂生物体，很多时候，人们往往被自己的思维给禁锢住了，或把硅基生命的存在规则复制到碳基生命，或人们的生活环境硅基生命是否能够适应，可人们越是把硅基生命具象化，越是觉得硅基生命不可能存在，不断地在提出理论和现实否定中自相矛盾。但是，地球只是广阔的银河系中一粒小小的尘埃，而银河系也不过是茫茫宇宙中的沧海一粟，人类的渺小已经微不足道，宇宙的奥妙也不是目前人类能全面认识的。

现阶段的人工智能或机器人可以说是某种“硅基生命”的初级形态，从某种意义上讲还算不上“生命”，但是它确实已经被人类创造且存在于我们这个社会，而且已经对人类产生了影响。随着人工智能技术的不断发展，它们都要基于硅基的芯片而存在，经历几百年，几千年的发展，本文提到的“硅基生命”也许就是这些基于硅基的高科技“机器人”。也许将来，它们的智慧到达一定程度，慢慢与人类同化，甚至参与到地球上“优胜劣汰”的自然法则，如果有一天人类真的被这些以电能所驱动的钢铁之躯的“硅基生命”所取代，不是因为人类太过弱小，而是“硅基生命”太过强大。