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矽基生物的構成

基於上述情況,壹些特異的生命形態就有可能以類似矽酮的物質構成。矽基動物很可能看起來象是些會活動的晶體,就如同迪金森和斯凱勒爾(Dickinson and Schaller)所繪制的如下想象圖壹樣。

這是壹只徜徉在矽基植物叢中的矽基動物,這種生物體的結構件可能是被類似玻璃纖維的絲線串在壹起,中間連接以張肌件以形成靈活、精巧甚至薄而且透明的結構。

看上去這些結晶體似的生物非常漂亮,如果它們可以在常溫下生存的話,大概許多地球人都願意在家裏養幾只作為裝飾,養這種寵物的壹個明顯好處是不會傳播細菌和寄生蟲,因為作為碳基生命的細菌和寄生蟲對這種完全不同的生命是無能為力的。但是,但矽基生命的存在的可能性卻受到許多缺陷的威脅。 (2.1)矽基生物和氧

壹個很大的缺陷就是矽同氧的結合力非常強。當碳在地球生物的呼吸過程中被氧化時,會形成二氧化碳氣體,這是種很容易從生物體中移除的廢棄物質;但是,矽的氧化會形成固體,因為在二氧化矽剛形成的時候就會形成晶格,使得每個矽原子都被四個氧原子包圍,而不是象二氧化碳那樣每個分子都是單獨遊離的,處置這樣的固體物質會給矽基生命的呼吸過程帶來很大挑戰。二氧化矽是原子化合物,很難溶解在水和其他液體之中,它是巨大的分子。

此外,矽鏈和矽氧鍵在水中不穩定,容易斷掉,不象碳鏈這樣在幹濕環境下都保持穩定。雖然這點不會因此排除矽基生命存在的可能,但存在大量液態水的星球肯定是排斥矽基生命的。

2.矽基生物的化學反應(2.1-2.6)

(2.2)矽基生物和氟化氫

其實如果存在矽基生命的星球存在氟化氫(氫氟酸),它們完全可以吸入這種氣體,與二氧化矽反應生後呼出四氟化矽(氣體)排出水,並且矽基植物通過“光合作用”吸入四氟化矽、水和光經過壹系列反應生成氟化氫排回大氣中並生成“矽澱粉”。但矽基植物的“光合作用”沒有詳細的可行性論述。

二氧化矽生成氣態的四氟化矽反應方程式如下:

SiO2(s) + 4 HF(aq) → SiF4(g) + 2H2O(l)

生成的SiF4可以繼續和過量的HF作用,生成氟矽酸:

SiF4(g)+2HF(aq)=H2[SiF6](aq),6HF+SiO2=H2SiF6+2H2O氟矽酸是壹種二元強酸。氟矽酸的酸性比硫酸還強,受熱分解放出有毒的氟化物氣體。具有較強的腐蝕性。

2.矽基生物的化學反應(2.1-2.6)

(2.3)矽基生物和原矽酸

有壹些人認為二氧化矽不溶於水,這種觀點是錯誤的。以粉末形式存在的二氧化矽可以與水反應生成原矽酸。二氧化矽在催化劑的作用下,也可以和水反應。H2O + SiO2=H2SiO3(矽酸) 2H2O + SiO2=H4SiO4(水過量時,生成原矽酸。)

2.矽基生物的化學反應(2.1-2.6)

(2.4)氟化氫對矽基生物造成的破壞。矽基生物對氟化氫的防禦。

有壹些人認為矽基生命可以呼吸氟化氫,這種觀點是錯誤的。

氟化氫對矽基生物和矽基生命是有毒的,可以破壞矽和矽化物。氟化氫又叫做氫氟酸。它具有極強的腐蝕性,能強烈地腐蝕和破壞含矽的物體。它與矽和矽化合物反應生成氣態的四氟化矽(能腐蝕玻璃),但對碳化合物、塑料、石蠟、鉛、金、鉑不起腐蝕作用。氫氧化鈉可以和二氧化矽反應,生成矽酸鈉。矽酸鈉易溶於水。矽基生命可以將矽酸鈉排除體內。

氟化氫對矽基生命的皮膚有強烈刺激性和腐蝕性。氫氟酸中的氫離子對矽基生命組織有脫水和腐蝕作用,而氟是最活潑的非金屬元素之壹。皮膚與氫氟酸接觸後,氟離子不斷解離而滲透到深層組織,溶解矽基生物的細胞膜,造成表皮、真皮、皮下組織乃至肌層液化壞死。氟離子還可幹擾烯醇化酶的活性使矽基生物的皮膚細胞攝氧能力受到抑制。

矽基生命可以呼吸二氧化碳和二氧化硫。化學方程式:(甲基甲矽烷和二氧化硫反應)2SIH3CH3+7SO2=2CO2+2SIO2+7S+H2O (四甲基甲矽烷和二氧化硫反應)SI(CH4)+9SO2=4CO2+SIO2+9S+H2O

矽基生命可能用壹種特殊的催化劑消除氟化氫的毒性。這種催化劑可以讓氟化氫只和二氧化矽反應。地球上有壹種生物是硫細菌,這種生物能在稀硫酸中生活,最適生長pH值範圍為pH2~3。絕大多數有機物都容易被硫酸破壞,硫細菌能產生壹種催化劑防止它自己被硫酸破壞。矽基生物同樣也能產生壹種催化劑,防止它自己被氟化氫破壞。

2.矽基生物的化學反應(2.1-2.6)

(2.5)矽基生物和高分子矽化物

因為矽矽單鍵(Si-Si)不穩定,所以乙矽烷( SiH3-SiH3)不穩定。乙矽烷( SiH3-SiH3)比碳烷烴更不穩定,在低溫之下緩慢分解成甲矽烷和氫,在300~500℃分解成為SiH4、SinHm、H2,在光照下也分解。矽只能形成雜鏈高分子化合物。矽基雜鏈高分子的主鏈除矽原子外,還含有碳、氧、氮、硫、鋁、硼等其他元素。有機矽高分organosilion- polymers主鏈(或骨架)是由矽、氧交替組成的高分子。又稱聚矽氧烷或聚矽醇。因為矽只能形成雜鏈高分子化合物,所以矽基生命產生的代謝產物、廢物、氧化物是非常復雜的,這意味著矽基生命需要更多的酶作為催化劑。每個酶的長度大約為50nm,細胞體積太小就裝不下足夠的酶。矽基生物的細胞比碳基生物的細胞更大。如果壹個細胞體積越大,那麽它的相對表面積就越小。如果壹個細胞相對表面積越小,那麽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更慢。矽基生物可以用伸縮泡提高物質進入細胞膜的速度。伸縮泡,是單細胞矽基生物體內的水分調節細胞器,是壹種能做節奏性伸縮的液泡,兼有排泄功能。

2.矽基生物的化學反應(2.1-2.6)

(2.6)矽基生物和矽化物的旋光性

只要是生命形態,就必須從外界環境中收集、儲存和利用能量。在碳基生物這裏,儲存能量的最基本的化合物是碳水化合物。在碳水化合物中,碳原子由單鍵連接成壹條鏈,而利用酶控制的對碳水化合物的壹系列氧化步驟會釋放能量,廢棄物產生水和二氧化碳。這些酶是些大而復雜的分子,它們依照分子的形狀和左旋右旋對特定的反應進行催化,這裏說的左旋右旋是因分子含有的碳的不對稱使得分子出現左旋或者右旋,而多數碳基生物體內的物質都顯示這個特征,正是這個特點使得酶能夠識別和規範碳基生物體內的大量不同新陳代謝進程。

然而,矽和矽氧烷和矽氮烷沒能像碳這樣產生眾多的具有左旋右旋特征的化合物,這也讓它難以成為生命所需要大量相互聯系的鏈式反應的支持元素。

有壹些人認為矽不能像碳這樣產生眾多的具有左旋右旋特征的化合物,這種觀點是錯誤的。有機矽料能像碳這樣產生眾多的具有左旋右旋特征的化合物。有機矽料是指含有Si-C鍵、且至少有壹個有機基是直接與矽原子相連的化合物。含有矽氧鍵也能產生眾多的具有左旋右旋特征的化合物,矽氧鏈具有獨特的固有構象柔順性

也許在未來很遠很遠的某壹天,矽基生命會作為壹種宇宙新進化的生命形態而替代碳基生命。不過那壹定離我們很遠很遠。 我們目前使用的電腦,就是用矽作為芯片的,如果這個電腦再高級壹些,發展成為智能電腦,那就是矽基生命了。而網絡世界,或許將是矽基世界了。不過生命並非是以智能與否來定義的,因為病毒沒有智力,只是單純的趨利避害,現有的計算機的“智力”完全可以超越這種生命,但病毒是生命無疑計算機卻不是。這種論調是基於對生命錯誤的定義。

還有壹種猜想就是:矽基生物可以直接把光能轉化為電能,以維持其生命活動。是否符合生命定義存疑。 (5.1-5.3)

(5.1)金屬細胞和金屬生命體

就在科幻作家構思“矽基生命”的時候,實驗室裏的“金屬細胞”已經有了生命征象,並且初步顯露出進化的趨勢。 不同於碳元素的***價鍵有機物,這種“無機生命”的基礎是金屬鎢的雜多酸陰離子——6族元素能與氧配位成多面體(姑且理解成酸根),然後脫水縮聚成***用氧原子的巨大結構,比如下面的車輪形{Mo176}。這些龐大的陰離子可以繼續縮聚並容納其它含氧酸,進而在強酸溶液裏自組織成泡狀結構,如同活細胞——這或許意味著,我們的生物學只是生命科學裏的壹小部分。

克羅寧和同事通過從大分子金屬氧化物中提取負電荷離子形成鹽溶液,來束縛氫或者鈉壹些較小的正電荷離子;這種鹽溶液註入另壹種含有較大負電荷有機離子的溶液中,可以束縛較小負電荷離子的活動性。

當這兩種鹽溶液混合,交換其中部分大分子金屬氧化物,使其不再形成較大的有機離子。這種新溶液在水中無法溶解:沈澱物質像包裹註射溶液的殼狀物。克羅寧稱這種沈澱物質為泡沫無機化學細胞(iCHELLs),並表示它們還具有更多的特性。通過修改它們的金屬氧化物主幹部分使iCHELLs具備自然細胞膜的屬性,例如:以iCHELLs為基礎的洞狀結構氧化物可作為多孔膜,依據大小尺度,有選擇性地讓化學物質進出細胞,其作用就像生物細胞膜。這將使細胞膜可以控制發生壹系列化學反應,這是iCHELLs細胞關鍵性的特征。

同時,研究小組還在泡沫中制造泡沫,建立的隔膜模擬生物細胞的內部結構。他們通過連接壹些氧化分子至光敏染料,可灌輸iCHELLs細胞進行光合作用。克羅寧稱,早期實驗結果形成的細胞膜可將水分解為氫離子、氫電子和氧分子,這是光合作用的初始狀態。

克羅寧稱,我們可以抽吸質子分布在細胞膜上,來設置形成壹個質子坡度。這是從光線中獲得能量的關鍵壹步,如果生命體能夠完成這些步驟,將建立形成具有類似植物新陳代謝功能的自供給細胞。

這項實驗仍處於早期階段,壹些合成生物學家目前保留發言意見。西班牙巴倫西亞大學的曼紐爾-波爾卡說:“克羅寧研制的金屬細胞泡沫目前還不能說完全具備生命特征,除非這些細胞可以攜帶類似DNA的物質,可驅動自我繁殖和進化。”克羅寧回應稱,在理論上這是可能實現的,去年他在實驗中顯示利用金屬氧酸鹽彼此作為模板可實現自復制功能。

在為期7個月的實驗中,目前克羅寧可以大批量生產這些金屬細胞泡沫,並將它們註入充滿不同pH值的試管容器中,他希望這種混合環境將測試它們的生存性。如果pH值過低,壹些細胞將溶解死亡。

如果克羅寧的實驗是正確的,或許宇宙生命的存在性將更加廣闊。日本東京大學的Tadashi Sugawara說:“這項實驗結果說明生命體並不全是基於碳結構,水星的物質結構與地球相差很大,或許在水星上也有可能通過無機元素形成生命體。克羅寧的這項研究開辟了壹個新的領域。”

5.除矽基生命和碳基生命以外的生命形式(5.1-5.3)

(5.2)氦生物、氣體生物、電波能量生物

然而,科幻作家仍不滿足於生命的這些多樣性,他們在各自的作品中充分發揮了想像力,為我們創造出壹些更不可思議、但細想之下又似乎不無道理的生命世界。壹些作家設想,在某些極寒冷的星球之上,可能存在著以液體氦為基礎,並以超導電流作聯系的生命形式;另壹些作家則認為,即使在寒冷而黑暗的太空深處,亦可能有壹些由星際氣體和塵埃組成,並由無線電波傳遞神經訊號的高等智能生物——霍耳的科幻小說正是這方面的代表作;還有壹些想像力更豐富的作家甚至認為外星生命也許根本不需要化學物質基礎,他們可能只是壹些純能量的生命形式,比如壹束電波。

5.除矽基生命和碳基生命以外的生命形式(5.1-5.3)

(5.3)中子星生物

最為有趣的是著名科幻作家福沃德所寫的《龍蛋》,這部構思出色的作品描述了壹顆中子星表面的生物。這顆中子星直徑僅20公裏,但表面的引力卻等於地球上的670億倍,磁場是地球的1萬億倍,表面溫度達到8000多攝氏度。什麽生物可以在這樣的環境下生存呢?是由“簡並核物質”組成的生物。所謂“簡並”,就是指原子外部的電子都被擠壓到原子核裏去,因此所有原子都可以十分緊密地靠在壹起,形成超密物質。中子星上的生物身高約半毫米,直徑約半厘米,體重卻有70公斤,這是因為他們由簡並物質所組成。此外,他們的新陳代謝是基於核反應而非化學反應,因此壹切變化(包括生老病死和思維)的速率都比人類快100萬倍!