從物質構成來看，地球上所有的生物都是由基本相似的物質構成的——基本由碳、氫、氧、氮、磷、硫、鈣等元素構成。這些元素相互結合形成小分子，如氨基酸、核苷酸和葡萄糖。這些小分子以特殊的方式相互結合，形成蛋白質、核酸、多糖和脂質等生物大分子。這些分子成為構建生命的基本“磚塊”。因為組成這些生命的重要生物大分子都是以碳骨架為基礎的，所以研究人員將這樣的生命稱為“碳基生命”。
矽基生命也可以這樣定義:主要由含矽和矽化合物的物質組成的生命。
基本介紹中文名:矽基生命mbth:矽基生命成分:主要含矽和矽化合物的材料人士:朱利葉斯·施瑙爾(德國科學家)？提交日期:1891年？演講地點:德國早期思維，質疑矽基生命，矽元素存在的問題，轉向其他元素，思維推斷，1。基本描述，2。矽基生命的化學反應，3。矽基生命的解決方案和介質，生命形式的早期總結，化學層面上非碳基生命研究中的問題，矽基生命的廣義解釋，矽基生命和碳基生命以外的生命形式。1.硼基生命，2。科幻作品，3。金屬細胞和金屬生命形式。末，早期認為矽基生命是碳基生命以外的生命形式，這個概念早在19世紀就出現了。1891年，波茨坦大學天體物理學家朱利葉斯·謝納(Julius Sheiner)在他的文章中討論了基於矽的生命的可能性。他可能是第壹個提到矽基生命的人。英國化學家詹姆斯·愛默生·雷諾茲接受了這個概念。1893年，他在英國科學促進會的壹次演講中指出，矽化合物的熱穩定性使得基於它的生命能夠在高溫下生存。30年後，英國遺傳學家約翰·布爾登·桑德森·霍爾丹提出，基於半熔融矽酸鹽的生命可能在壹顆行星的深處被發現，鐵的氧化為它們提供了能量。因為它在宇宙中分布很廣，而且在元素周期表中剛好在碳的下面，所以和碳的很多基本性質很相似。例如，正如碳可以與四個氫原子結合形成甲烷(CH 4)，矽也可以形成矽烷(SiH 4)，矽酸鹽是碳酸鹽的類似物，三氯矽烷(HSiCl 3)是氯仿(CHCl 3)的類似物，等等。此外，這兩種元素可以形成長鏈，或聚合物，其中它們可以與氧交替排列。最簡單的情況，碳氧鏈形成聚縮醛，常用於合成纖維，而矽氧形成的骨架產生聚矽氧烷。所以乍壹看，矽作為生命的碳替代品確實是壹種很有前途的元素，可能會出現壹些特殊的生命形式，可能是由類似於矽的物質組成。矽基動物很可能看起來像壹些活躍的晶體，就像迪金森和斯凱勒畫的壹幅想象的圖畫——壹只矽基動物在矽基植物中漫遊。這種生物的結構部分可能是由類似玻璃纖維的絲線串在壹起，中間連接著肌肉塊，形成壹種靈活、精致甚至薄而透明的結構。然而，矽真的能不負眾望，成為生命的核心元素嗎？質疑矽基生命矽(1)的問題和很多人想的不壹樣。矽的連接能力相當差:不像高原子序數的碳氫化合物，矽烷矽的數目只能達到8，而且不穩定。(2)矽烷及其衍生物熱穩定性差，易縮合。這無疑與矽基生命所要求的高溫環境相違背。(3)與碳氫鍵和碳碳鍵不同，矽氫鍵和矽矽鍵容易被各種質子溶劑完全破壞。這意味著普通溶劑如水、氨甚至氟化氫都不能作為矽基生命的載體。(4)在宇宙中，人們只發現了二氧化矽和矽酸鹽，從未發現矽烷和矽酮。當天文學家在宇宙中尋找生命的可能性時，他們在彗星和隕石上發現了碳的高級化合物，但沒有發現矽的高級化合物:甲烷在太陽系中無處不在，也可以在星際物質和星雲中找到。星際物質中也可以發現甲基乙炔、氰戊炔等復雜分子，甚至在隕石上也發現了氨基酸。退壹步說，即使在行星形成之後，也沒有矽烷形成的行星化學途徑。也就是說，星際物質中不僅沒有矽烷，甚至通過行星後續的化學過程也無法形成矽烷。(5)碳在地球生物呼吸過程中被氧化時，會形成二氧化碳氣體，二氧化碳氣體相對惰性，容易產生並從生物體內清除。然而，合格的無機氣態矽化合物並不存在。容易生成的二氧化矽是固體，因為剛形成的時候會形成晶格，使得每個矽原子被四個氧原子包圍，而不是像二氧化碳壹樣每個分子都是獨立自由的。這種固體物質的處置會給矽基生命的呼吸過程和植物的光合作用帶來巨大的挑戰。但也有人質疑，造物主在創造這種生物系統時，可以“創新”他們的能量收集方式:這種生物同時“吃掉”兩種(或更多)產生能量所需的物質，並分別儲存在體內。這兩種(或更多)物質可能根本不是氣體。含矽化合物的廢物產生後，還可以利用濃磷酸(或能與二氧化矽反應生成液體或氣體的物質)組成的“血液”和化學性質特別穩定的血管形成內循環系統，雖然這種循環系統不是矽基的。似乎沒有呼吸系統的生命也是可能的，對於碳基生命也是可行的，但顯然這種形式是低效的，因為地球上的碳基生命選擇了這種呼吸形式來適應地球的自然。(6)氧化問題的另壹面是如何利用能量。碳基生命用碳水化合物儲存能量，矽基生命也可以用類似的化合物儲存能量，但是如何利用這些能量比較困難。碳基生命利用左旋或右旋大分子——酶來控制碳水化合物，而矽很難形成這樣的大分子。有些人認為矽可能無法像碳壹樣產生許多左旋和右旋的化合物。只要是壹種生命形式，就必須從外界環境中收集、儲存和利用能量。在碳基生物中，儲存能量的最基本化合物是碳水化合物。在碳水化合物中，碳原子通過單鍵連接成鏈，由酶控制的碳水化合物的壹系列氧化步驟會釋放能量，廢物會產生水和二氧化碳。這些酶是大而復雜的分子，根據它們的形狀和左旋和右旋來催化特定的反應。在這裏，左旋和右旋分子是由分子中所含碳的手性引起的，碳基生物中的大多數物質都表現出這壹特征，這使得酶能夠識別和調節碳基生物中大量不同的代謝過程。然而，與碳不同，矽不能產生許多具有左右手特征的化合物(主要是由於復雜的矽烷衍生物穩定性低，導致矽難以形成碳氫衍生物的復制品)，從而難以成為生命所需的大量互聯鏈式反應的支持元素。即不能像碳基生命壹樣識別和調節碳基生物體內大量不同的代謝過程，釋放儲存的能量。(7)遺傳是另壹個難題。碳形成的基因鏈在水中非常穩定，使得碳基生物充滿其中。而矽形成的基因鏈在水中非常不穩定，這就決定了矽基生物無法用水來充實自己的身體，其他液體如鐵水、熔融玻璃等也很難維持其基因鏈的穩定。轉向其他元素的早期研究人員的高期望，更多的是由於當時人類對矽的性質認識的客觀局限性，但如果我們仍然認為像今天的古人壹樣存在矽基生命的可能性很大，那就太可笑了。相比矽，或許我們應該把更多的希望寄托在硼和磷上，但也不要太沮喪。矽有很多問題，不代表非碳基生命不可能，因為矽其實並不是碳以外的最優解:事實上硼和磷各自都有比矽更復雜的氫化物體系，它們的連接能力也比矽更強:硼烷的硼數和磷化氫的磷數最多已經超過20；硼烷膦衍生物也比矽烷衍生物更復雜和穩定；而且宇宙中已經發現了磷烷，硼烷可以通過行星化學過程生成。事實上，在今天的無機化學中，它們的地位確實比矽重要得多。他們無疑是非碳基生命更強有力的競爭者。思維推理1。基本描述雖然從化學角度來看，矽基生命誕生的希望非常渺茫。但是矽基生命在科幻小說中非常興盛，科幻作家的很多描述都會提出很多關於矽基生命的有益想法。在斯坦利·魏***奧姆的《火星漫遊記》中，生命體的年齡是1萬歲，每十分鐘就會沈積壹塊磚，這正是韋斯鮑姆對矽基生命面臨的壹個重大問題的回答。壹位觀察過它的科學家說:“那些磚塊是它的廢物...但矽石是固體，所以是磚石。這樣，它就覆蓋了自己，當它被覆蓋時，它就移動到壹個新的地方重新開始。”2.矽基生命的化學反應矽元素的壹大缺陷是與氧的結合力強。碳在地球生物呼吸過程中被氧化時，會形成二氧化碳氣體，這是壹種很容易從生物體內清除的廢物；但是矽的氧化會形成固體，因為二氧化矽剛形成的時候會形成晶格，使得每個矽原子都被四個氧原子包圍，而不是像二氧化碳壹樣每個分子都是獨立自由的。這種固體物質的處置會給矽基生命的呼吸過程帶來巨大的挑戰。二氧化矽是原子晶體，難溶於水和其他液體。這是壹個巨大的分子。有些人誤以為二氧化矽在壹定條件下能與水發生反應，所以很容易排出。盡管粉末形式的二氧化矽可以與水反應生成原矽酸；並且在催化劑的作用下，二氧化矽還能與水反應:H 2 O+SiO 2 → H 2 SiO 3(偏矽酸)H2O+SiO2 → H4 SiO4(水過量生成正矽酸)，但由於正矽酸和偏矽酸都是固體，所以不能解決問題。但也有人認為矽基生命可能會用氫氧化鈉處理二氧化矽:氫氧化鈉可以和二氧化矽壹樣。矽酸鈉易溶於水。矽基生命可以將矽酸鈉排除在身體之外。有人認為矽基生命也可以用氟化氫處理二氧化矽。氟化氫和二氧化矽反應後，矽基生命可以呼出四氟化矽(氣體)，排出水，矽基植物可以通過“光合作用”吸收四氟化矽、水和光，生成氟化氫，通過壹系列反應將其排回大氣，生成“矽澱粉”。但是矽基植物的“光合作用”卻沒有被詳細討論。二氧化矽生成氣態四氟化矽的反應方程式如下:SiF2 (s)+4 HF (AQ) → SiF 4 (g)+2H2O (L)可繼續與過量HF反應生成氟矽酸:SiF 4 (g)+2HF(aq) → H 2 [SiF 6 ](aq)總反應:氟矽酸的酸性比硫酸強，受熱分解時釋放出有毒的氟化物氣體。霍塔:《星際迷航》中的矽基生命:有人擔心氟化氫對矽基生命有毒，能破壞矽化物——無水氟化氫及其水溶液腐蝕性極強，能強烈腐蝕含矽物體。與矽和矽化合物反應生成氣態四氟化矽(能腐蝕玻璃)。基於此，他們推測氟化氫對矽基生命的皮膚會有強烈的腐蝕性和腐蝕性:氫氟酸中的氫離子會脫水腐蝕矽基生命組織，而矽是嗜氟的。推測矽基活體皮膚與氫氟酸接觸後，氟離子不斷解離，滲透到深層組織，溶解細胞膜，導致表皮、真皮、皮下組織甚至肌肉層液化壞死。然而，有人指出矽基生命可能使用壹種特殊的催化劑來消除氟化氫的毒性。這種催化劑只允許氟化氫與二氧化矽反應。其實地球上有壹種硫細菌，可以在稀硫酸中生存，最適生長pH範圍是pH 2 ~ 3。大多數有機物很容易被硫酸破壞，但硫細菌可以產生壹種催化劑，防止自身被硫酸破壞。他們推測矽基生物也可能產生壹種催化劑來防止自己被氟化氫破壞。有人認為矽基生命可以呼吸二氧化碳和二氧化硫。化學方程式:甲基矽氧烷與二氧化硫的反應:2 si h3ch 3+7so 2→2 CO2+2 SiO 2+7s+6h2o；四甲基矽烷與二氧化硫的反應:si(CH3)4+8so 2→4 CO2+SiO 2+8s+6h2o；因為矽和矽之間的單鍵(Si-Si)是不穩定的，所以矽就是矽。矽酮(SiH 3 -SiH 3)比烷烴更不穩定。低溫時緩慢分解為矽烷和氫氣，300 ~ 500℃時分解為SiH 4、Si n H m和H 2，光照下也分解。矽只能形成雜鏈高分子化合物。除了矽原子，矽基雜鏈聚合物的主鏈還含有其他元素，如碳、氧、氮、硫、鋁和硼。有機矽聚合物的主鏈(或骨架)是由矽和氧交替組成的聚合物。也稱為聚矽氧烷或聚矽氧烷。由於矽只能形成雜鏈高分子化合物，矽基生命產生的代謝物、廢物、氧化物非常復雜，這意味著矽基生命需要更多的酶作為催化劑。每種酶的長度約為50nm，細胞體積太小，容納不下足夠的酶。矽基生物的細胞比碳基生物的細胞大。如果細胞越大，它的相對表面積就越小。細胞的相對表面積越小，物質進入細胞膜的速度就越小。所以矽基生物的新陳代謝比碳基生物慢。3.矽基生命溶液和介質水是蛋白質中所有生命必需的溶液和介質。而矽-矽鍵和矽-氫鍵在質子溶劑中的不穩定性導致水不能作為矽基生命的介質。雖然這不會排除矽基生命的可能，但是壹個有大量液態水的星球肯定會排斥矽基生命。氨也是質子溶劑，不適合這項工作。所以矽基的生命不可能是氨基的。所以矽基生命只能在非質子溶劑中誕生。生命形式的早期總結用矽、硼或磷代替碳；用氨、氟化氫或硫化氫代替水；用砷酸代替磷酸；用硫代替氧只是個別的、零星的想法。真正對問題做出全面考察和系統分析的，是著名生物化學家、科幻小說家、科普作家阿西莫夫的壹篇文章《不是我們所知道的》。在這篇論文中，他提出了六種生命形式:
1.以氟化矽酮為介質的氟化矽酮有機物；
二是以硫為介質的硫氟生物；
3.以水為介質的核酸/蛋白質(氧基)生物；
4.由氨介導的核酸/蛋白質(氮基)生物；
5.以甲烷為介質的脂質生物學；
6.以氫氣為介質的脂質生物學。
第三個是我們熟悉的生活——也是我們唯壹知道的生活。至於第壹項和第二項，高溫星球上有壹些可能的生命形式，第壹項是他認為可能出現的矽基生命。另外，那些地球上出現過的生活在硫礦中的厭氧古菌，很可能是以硫為生命介質的；第四至第六項是壹些寒冷星球上可能存在的生物形態。化學層面的非碳基生命研究中存在的問題有人指出，化學層面的非碳基生命研究，包括矽基生命的研究，長期以來缺乏來自無機化學領域的聲音，但不繞開無機化學，是不可能在化學層面研究非碳基生命的。有機化學家和生物化學家缺乏無機化學知識，也導致他們對非碳基生命做出了錯誤的判斷——碳基下的矽基生命存在很多問題，所以生命壹定是碳基的。然而，由於其自身的缺點，矽具有有限的有機物拷貝。然而，其他壹些元素在無機化學中占據了比遠矽更重要的地位:被大多數科幻作家忽略的硼，確實存在綜合強度與碳相當的氫化物體系；雖然今天占據無機化學半壁江山的羰基金屬團簇所代表的金屬團簇的規模還比不上有機化學，但也具有遠超有機物的深刻性和可變性；甚至矽右邊磷的氫化物系統也比矽的復雜...這些結構和成鍵模式與有機物不同，甚至完全不同的分子可能更有可能在化學層面上形成非碳基生命。矽基生命的廣義解釋是可以預測的。人工智能通過自然進化在進化鏈中尋找矽基生命的可能性非常小。然而，20世紀發展起來的以矽為主要半導體元件的計算機技術，以及隨之而來的人工智能和來勢洶洶的網絡技術，使得這種“矽基生命”與計算機人工智能的結合有了突破性的進展。矽基生命和碳基生命以外的生命形式1。硼基生命在合成了壹系列矽烷之後，又成功合成了多種硼烷。於是，有人把目光投向了這種位於碳左側的元素:硼的原子半徑比矽小，連接能力比矽強得多——硼是唯壹壹種與碳壹樣具有無限延伸自身能力而氫化物系列穩定性不受原子數限制的元素；同時，硼也比碳具有更豐富的成鍵多樣性；硼烷的衍生物種類繁多，復雜的硼烷及其衍生物的穩定性也相當可觀。有人推測硼也可能被用作生命的骨架。(詳見詞條“硼基壽命”。)推測以氟化氫為溶劑，硫或多硫化物為氧化劑的海洋中可能誕生硼系生命。碳硼烷和基於二十面體結構的碳硼烷，類似於嘌呤和嘧啶，是遺傳信息載體的核心部分。氮配位的硼硼酸相當於氨基酸，其中氨基NH 2 C對應的RNH 2 B和羧基COOH對應的B(OH) 2可以脫水重新分布，產生類似蛋白質的聚合物，以類似肽鍵的B(-NHR-B)2-CO-NH-C為連接中心。2.科幻作品然而，科幻作家仍然不滿足於生活的多樣性。他們在各自的作品中充分發揮自己的想象力，為我們創造了壹些更加不可思議的生活世界，但細想之下似乎並不合理。壹些作家設想，在壹些極冷的星球上，可能存在以液氦為基礎，通過超導電流連接的生命形式；其他作家認為，即使在寒冷黑暗的太空深處，也可能存在壹些由星際氣體和塵埃組成的高級智慧生物，它們通過無線電波傳遞神經信號——霍爾的科幻小說就是這方面的代表作；壹些想象力更豐富的作家甚至認為，外星生命可能根本不需要化學基礎，它們可能只是純粹的能量生命形式，比如壹束電波。
最有趣的是著名科幻作家福沃德寫的龍蛋。這部構思巧妙的作品描述了中子星表面的生命。這顆中子星直徑只有20公裏，但其表面重力是地球的670億倍，磁場是地球的1萬億倍，表面溫度達到8000多攝氏度。什麽生物能在這樣的環境下生存？它是由退化的核物質組成的生物。所謂“簡並”是指原子外的電子被擠壓到原子核內，所以所有原子都可以非常緊密地在壹起，形成超致密物質。中子星上的生物高約半毫米，直徑半厘米，但重達70公斤。這是因為它們是由簡並物質組成的。再加上它們的新陳代謝是基於核反應而不是化學反應，所以所有變化(包括生老病死和思維)的速率都比人類快1萬倍！3.金屬細胞和金屬生命體當科幻作家構思“矽基生命”時，實驗室裏的“金屬細胞”已經有了生命跡象，並初步呈現出進化趨勢。與碳的價鍵有機物不同，這種“無機生命”是基於金屬鎢-第6族元素的雜多酸陰離子能與氧配位形成多面體(姑且理解為酸根)，然後利用氧原子脫水縮聚成巨大的結構，如車輪狀的na 15 Fe 3 co 16[mo 178]。這些巨大的陰離子可以繼續濃縮並包含其他含氧酸，然後在強酸溶液中自組織成氣泡狀結構，就像活細胞壹樣——這可能意味著我們的生物學只是生命科學的壹小部分。克羅寧和他的同事通過從大分子金屬氧化物中提取負離子來形成鹽溶液，從而結合了壹些較小的氫或鈉正離子。將這種鹽溶液註入另壹種含有負電荷較大的有機離子的溶液中，可以抑制負電荷較小的離子的活性。當這兩種鹽溶液混合時，壹些大分子金屬氧化物發生交換，從而不再形成較大的有機離子。這種新溶液不溶於水:沈澱的物質就像壹個殼，包裹著註射液。克羅寧將這些沈澱物質稱為泡沫無機化學細胞(iCHELLs)，並表示它們具有更多特性。通過改變金屬氧化物的骨架，iCHELLs具有了天然細胞膜的特性。例如，基於iCHELLs的孔狀結構氧化物可以用作多孔膜，根據大小尺度選擇性地讓化學物質進出細胞，其功能類似於生物細胞膜。這將使細胞膜能夠控制壹系列化學反應，這是I cells細胞的壹個關鍵特征。同時，研究團隊還在泡沫中制作泡沫，建立的隔膜模擬了生物細胞的內部結構。他們可以將壹些氧化分子註入iCHELLs細胞，通過連接光敏染料進行光合作用。克羅寧說，早期實驗結果形成的細胞膜可以將水分解成氫離子、氫電子和氧分子，這是光合作用的初始狀態。克羅寧說，我們可以在細胞膜上泵入質子，以設置質子梯度。這是從光獲取能量的關鍵壹步。生物如果能完成這些步驟，就會建立並形成與植物代謝功能相似的自供細胞。這個實驗還在早期，目前有壹些合成生物學家保留意見。西班牙巴倫西亞大學的曼紐爾·波爾卡(Manuel Polka)說:“目前，克羅寧開發的金屬細胞泡沫還不能說具有完整的生命特征，除非這些細胞能夠攜帶類似DNA的物質，能夠驅動自我繁殖和進化。”克羅寧回應說，理論上這是可能的。去年，他在實驗中表明，通過使用金屬氧酸鹽作為模板，可以實現自我復制。在7個月的實驗中，克羅寧可以大量生產這些金屬細胞泡沫，並將其註入裝有不同pH值的試管容器中。他希望這種混合的環境能檢驗他們的生存能力。pH值過低，部分細胞會溶解死亡。如果克羅寧的實驗是正確的，也許宇宙中生命的存在範圍會更廣。日本東京大學的Tadashi Sugawara說:“實驗結果表明，生命並不完全基於碳結構，水星的物質結構與地球有很大不同。或許有可能通過無機元素在水星上形成生命。克羅寧的研究開辟了壹個新領域。”也許在很遠很遠的將來的某壹天，矽基自我復制的人造機器“矽基生命”會取代我們的碳基生命成為壹種新的生命形式，就像《科幻世界》裏《沙漠蚯蚓》裏的壹篇文章說的那樣:矽基納米機器可以直接將光能轉化為電能來維持自己的生命活動。是否符合生命的定義值得懷疑。但它壹定離我們很遠。