硅基生物設(shè)想

王學(xué)軍

（1.含氟功能膜材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 桓臺(tái) 256401；2.山東東岳高分子材料有限公司，山東 淄博 256401）

0 前言

在地殼的元素含量中，除了氧元素約占48.6%，硅元素是地殼元素含量第二高的元素，這也意味著人們可以大量開(kāi)發(fā)和使用硅元素。眾所周知，地球上的生命最重要的組成元素是碳，而碳與硅在元素周期表中同處第四主族，兩種元素之間存在著一些相似的地方。硅與碳的相似讓不少科學(xué)家相信，硅元素或許有成為構(gòu)成生命體的可能，因?yàn)楣柙乜梢孕纬缮A(chǔ)所需的長(zhǎng)鏈分子，比如DNA 和蛋白質(zhì)。

圖1 地球生命的DNA 結(jié)構(gòu)Fig.1 DNA structure of life on earth

有一個(gè)數(shù)字特別能說(shuō)明碳和硅的不同：地殼里含有的碳原子總量還不到硅原子的1%，但地球生命還是選擇了碳作為基礎(chǔ)，由此可見(jiàn)碳原子遠(yuǎn)比硅原子更加適合形成生命。碳基生物是以碳元素為有機(jī)物質(zhì)基礎(chǔ)的生物。地球上已知的所有生物都是碳基生物，包括人類(lèi)在內(nèi)都是以碳和水為基礎(chǔ)。由于碳原子有四個(gè)自由電子，其失去電子的能力（還原性）和得到電子的能力（氧化性）相當(dāng)，所以能夠形成復(fù)雜多樣的高分子有機(jī)物（比如DNA 分子），為生命的形成提供物質(zhì)基礎(chǔ)，并為自然選擇提供可能。而且地球生命的氨基酸大多數(shù)都是左旋氨基酸，因此學(xué)界有人認(rèn)為這是支持地球生命來(lái)自同一個(gè)祖先的證據(jù)。

1 碳基生命的誕生有多難

世間的一切事物都可以用簡(jiǎn)單或復(fù)雜來(lái)進(jìn)行描述。那么世界上最復(fù)雜的東西是什么呢？不是令人頭痛的方程式，也不是融合了最先進(jìn)科學(xué)技術(shù)所制造的航天飛行器，而是生命。生命是這個(gè)世界上最為復(fù)雜的東西。即使是在生命形式中構(gòu)成最為簡(jiǎn)單的單細(xì)胞生命，其復(fù)雜程度也是超乎想象的。生命從一開(kāi)始的形成就充滿(mǎn)了奇跡與不可思議，很難想象一個(gè)基本元素通過(guò)如此復(fù)雜和極其漫長(zhǎng)的過(guò)程最終形成人類(lèi)這樣復(fù)雜的生命體。

設(shè)想一下，太陽(yáng)和地球及太陽(yáng)系的結(jié)構(gòu)是不是獨(dú)一無(wú)二的？從銀河系來(lái)看，太陽(yáng)只是2000 億顆恒星中毫不起眼的一顆。地球之所以有生命，其中最大的原因是地球恰好處于距離太陽(yáng)1.5億km 的方位上，在這個(gè)距離使得地球的溫度既不太高也不太低。且有一個(gè)巨大的氣態(tài)恒星為其充當(dāng)保護(hù)傘，在這兩個(gè)先決條件下，地球誕生了生命而且最終發(fā)展成為智慧生命，宇宙中是不是只有地球與它的母恒星有這么恰好的距離，并且有一個(gè)木星般巨大的保護(hù)傘，我們不得而知。同樣不能否定一個(gè)存在其他條件的行星無(wú)法誕生生命甚至是智慧生命。生命出現(xiàn)的條件其實(shí)是很苛刻的，苛刻到人難以想象的程度。

地球上的生命不是一蹴而就的，更不是突然就存在的，而是經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的演化才形成今天這樣多姿多彩的生物世界。生命形成的條件極其苛刻，即使所有物質(zhì)和能量都完備，還需要外力、時(shí)間和穩(wěn)定的環(huán)境，每一個(gè)演化都需要漫長(zhǎng)的時(shí)間積淀。恒星至少能在約50 億年時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定地發(fā)出光和熱，行星到母恒星的距離必須恰到好處。

第一步是從無(wú)機(jī)物到有機(jī)小分子，第二步是從有機(jī)小分子到有機(jī)大分子，第三步是從有機(jī)大分子到有機(jī)生命，是最關(guān)鍵的一步，這是造成生命形成概率極低的重要原因。實(shí)際上，就目前的科學(xué)研究水平而言，從有機(jī)大分子到有機(jī)生命，就像一條不可跨越的鴻溝。

生命區(qū)別于非生命有兩項(xiàng)最基本的特征，即新陳代謝和繁衍遺傳。新陳代謝是能量和物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的交換，這看似簡(jiǎn)單，其實(shí)無(wú)比復(fù)雜。以細(xì)胞膜為例，它既要保護(hù)細(xì)胞，又要留出空隙，如此精密的結(jié)構(gòu)在自然條件下怎么形成，人類(lèi)根本無(wú)法理解。其次是遺傳，即建立生物分子自我復(fù)制系統(tǒng)，這同樣困擾人類(lèi)。要知道，組成生命的有機(jī)分子可以在原始地球上形成，但有機(jī)分子不是生命，只有蛋白質(zhì)與核酸形成明確密碼關(guān)系時(shí)，才可能產(chǎn)生生命。然而，這密碼關(guān)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次方這樣的概率，時(shí)鐘觀念形象地比喻生命起源：如果用1 天24 小時(shí)來(lái)比喻自地球起源直至今日的進(jìn)程，那么地球形成是在零點(diǎn)（45 億～48 億年前），最古老的原核生物出現(xiàn)在凌晨4 點(diǎn)（約38億年前），中間有一段很長(zhǎng)的時(shí)間，地球上一直十分平靜，直至寒武紀(jì)生命大爆發(fā)，是在晚上9 點(diǎn)15 分（5.4 億年前），出現(xiàn)了大量動(dòng)物門(mén)及亞門(mén)生物，各種各樣高級(jí)動(dòng)物造型及骨骼和器官開(kāi)始出現(xiàn)。哺乳動(dòng)物出現(xiàn)在晚上23 點(diǎn)40 分，而人類(lèi)登場(chǎng)是在最后的1 分多鐘。

2 硅基生物要面對(duì)的問(wèn)題

2.1 硅氧化合物的穩(wěn)定性

硅氧化合物，特別是一些含硅氧的長(zhǎng)鏈化合物，本身并不穩(wěn)定，硅烷及其衍生物熱穩(wěn)定性差且在高溫下容易縮合，簡(jiǎn)單的理解就是它們生成需要高溫卻在高溫下穩(wěn)定性很差。

常見(jiàn)的水以及氨基溶液都會(huì)破壞其結(jié)構(gòu)而無(wú)法成為生命的載體。比如硅基生命的遺傳物質(zhì)，在水環(huán)境中可能根本就無(wú)法穩(wěn)定存在。所以，硅基生命是抗拒水分的，而沒(méi)有水分的生命，很難相信如何進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)、能量交換、神經(jīng)信號(hào)的傳導(dǎo)。水對(duì)于生命的重要性幾乎和碳一樣重要，因?yàn)樗袀€(gè)很重要的特質(zhì)，即它維持液態(tài)所需的溫度范圍非常大。大部分液態(tài)物質(zhì)的溫度窗口都很窄，溫度稍微高一點(diǎn)就氣化，溫度稍微低一點(diǎn)就變成固體，都不適合作為生命的溶劑。地球上多虧有大量水分子，使得地球歷史上絕大部分時(shí)間里都有一個(gè)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，將硅取代碳而提出的。碳基生命吸入氧氣，呼出二氧化碳。類(lèi)似地，硅基生命雖然可以吸入氧氣，但是卻呼不出二氧化硅，因?yàn)槎趸杈褪枪腆w結(jié)晶。所以，如果硅基生命存在，肯定不是靠氧氣呼吸，于是有人假設(shè)，硅基生命可以吸入氟化氫，呼出四氟化硅這種氣體硅化合物。但是，氟化氫與硅氧化合物很容易化學(xué)反應(yīng)，而其它的氣體更難以起到硅基生命呼吸的作用。所以，硅基生命的存在，呼吸是個(gè)不能解決的矛盾，除非硅基生命不通過(guò)呼吸的方式解決新陳代謝。

2.3 硅基生命的環(huán)境需求

根據(jù)生命起源學(xué)說(shuō)，認(rèn)為生命來(lái)自于自然界偶然產(chǎn)生的有機(jī)化合物，在特殊的情況下各種排列組合，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來(lái)，那么硅基生命也應(yīng)該遵循類(lèi)似規(guī)則。但是，在外太空的星球上，至今人類(lèi)甚至已發(fā)現(xiàn)了少量的碳基有機(jī)物，但是卻未發(fā)現(xiàn)硅基有機(jī)物，似乎暗示硅基生命很難自然產(chǎn)生。而事實(shí)的觀測(cè)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)，如果硅基生命可以存在，那它們需要的環(huán)境很簡(jiǎn)單，不需要呼吸不需要水，還耐極端高低溫環(huán)境。也就是說(shuō)只要是有大量硅元素的星球，基本都符合硅基生命誕生的條件。而其它巖石星球，也有大概率誕生硅基生命?？墒?，根據(jù)目前可觀測(cè)的結(jié)果，不論是地球，還是人類(lèi)目前已經(jīng)觀測(cè)的千千萬(wàn)萬(wàn)巖石星球，沒(méi)有硅基生命的痕跡。

2.4 硅基生命的化學(xué)基礎(chǔ)

在物質(zhì)層面上，碳之所以是地球生命的基礎(chǔ)，根本原因是碳原子可以形成4 個(gè)化學(xué)鍵，因此可以和4 個(gè)不同的原子相結(jié)合，形成復(fù)雜的大分子。硅在元素周期表中位于碳的正下方，它也可以形成4 個(gè)化學(xué)鍵，理論上也可以和4 個(gè)不同的原子相結(jié)合，但硅和碳有一個(gè)本質(zhì)的區(qū)別，那就是硅原子不能形成二價(jià)鍵和三價(jià)鍵，這就大大減少了大分子的種類(lèi)，不像碳原子那樣可以形成長(zhǎng)鏈，甚至環(huán)形的大分子。這兩種大分子才是有機(jī)分子最神奇的地方，淀粉、蛋白質(zhì)和核酸等等重要的大分子都是由碳原子首尾相連形成的碳骨架支撐起來(lái)的，硅不可能形成這樣的大分子，因此也就很難形成生命。

2.5 硅基生命的可能性

盡管有這么多難以逾越的困難，但依然不能否定硅基生命存在的可能性。因?yàn)榧幢愀怕蕿?的事情，只要時(shí)間足夠長(zhǎng)，也依然會(huì)發(fā)生。

3 硅基化合物合成與材料方面的突破

3.1 碳-硅（C-Si）鍵的生物合成

雖然化學(xué)家之前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了合成含碳-硅鍵的化合物[1-5]，它們存在于從油漆和半導(dǎo)體到計(jì)算機(jī)和電視屏幕的各種物品中。然而，迄今為止，它們從未在自然界中被發(fā)現(xiàn)，這些新的細(xì)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。來(lái)自加州理工學(xué)院、該研究參與者之一Jennifer Kan 博士表示，地球上沒(méi)有已知的生命會(huì)將硅-碳鍵結(jié)合在一起，即使硅是如此的豐富，遍布于我們周?chē)?，比如巖石和海灘上等。

圖2 血紅素蛋白質(zhì)產(chǎn)生低濃度有機(jī)硅化合物[2]Fig.2 Low concentration of organosilicon compounds produced by heme protein[2]

2016 年，《科學(xué)》（Science）雜志上的一篇文章，顛覆了人們長(zhǎng)久以來(lái)的認(rèn)識(shí)。根據(jù)這項(xiàng)研究[2]，研究人員首先分離出海洋紅嗜熱鹽菌中天然存在的蛋白質(zhì)——細(xì)胞色素C 酶，實(shí)驗(yàn)表明它可以促進(jìn)把硅連接到碳上的化學(xué)鍵的形成。在分離出該蛋白質(zhì)后，科學(xué)家將該基因?qū)氲酱竽c桿菌中，然后再進(jìn)行一定的突變，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)它能促進(jìn)活細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生碳-硅鍵，這是史無(wú)前例的，見(jiàn)圖2。這不是細(xì)胞本身可以輕易做到的事情。但該實(shí)驗(yàn)?zāi)茏C明，只要有適當(dāng)?shù)臈l件，大自然可以將地球上最豐富的元素之一——硅融入到生命的基石中。

通過(guò)這項(xiàng)突破性的研究，科學(xué)家現(xiàn)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。這些硅基生命也許就繁榮于宇宙的其他行星上，等待著人們?nèi)ニ褜ぁＲ虼?，似乎沒(méi)有理由認(rèn)為生命形式只有一種可能。以目前來(lái)看，唯一能夠確定的是，人類(lèi)對(duì)宇宙的了解實(shí)在是太少了。

3.2 硅基神經(jīng)突觸器件

近日，浙江大學(xué)硅材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的楊德仁院士和皮孝東教授等[6]利用硅納米晶體的突出光電性能，制備出了能耗可以低至皮焦耳（pJ）光遺傳學(xué)啟發(fā)的神經(jīng)突觸器件。這些器件首次實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)突觸器件的電刺激（光輸出）。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，集成電路的發(fā)展一直遵循摩爾定律。然而，時(shí)至今日，摩爾定律的失效已經(jīng)近在咫尺，即集成電路的集成度已經(jīng)逼近極限。集成電路目前最迫切需要解決的問(wèn)題是高度集成所導(dǎo)致的高能耗，很多人感受過(guò)的電腦發(fā)燙就是因?yàn)榧呻娐返哪芎拇?。眾所周知，人腦具有高智能和低能耗的特點(diǎn)，所以發(fā)展模擬人腦的神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算成為了一種非常誘人的選擇。作為一種重要的硅材料形態(tài)，硅納米晶體憑借其突出的光電性能已經(jīng)在面向神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算的器件應(yīng)用中展現(xiàn)出了發(fā)展?jié)摿?。這將鼓勵(lì)人們針對(duì)硅基神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算中的核心器件如神經(jīng)突觸器件及其集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更加深入的研究。

4 人類(lèi)的渺小

4.1 全球人類(lèi)體積

據(jù)YouTube 視頻博主邁克爾·史蒂文斯（Michael Stevens）發(fā)布的模擬圖顯示，全球人口堆集起來(lái)只有788 m 高，僅能占據(jù)科羅拉多大峽谷的一小部分。顯然，即使將人類(lèi)歷史所有1060 億人口堆集在一起，也將只有15 堆，尚不足以覆蓋整個(gè)大峽谷。根據(jù)官方數(shù)據(jù)，科羅拉多大峽谷長(zhǎng)277 英里（446 km），深1 英里（1.6 km）。

4.2 全球人類(lèi)質(zhì)量

一直以來(lái)，人們?nèi)狈?duì)不同生物群的生物量進(jìn)行全球定量記錄。近來(lái)，魏茨曼科學(xué)研究學(xué)院和加州理工學(xué)院的研究人員就做了這樣一項(xiàng)有意思的調(diào)查，他們對(duì)地球上的所有生物進(jìn)行了生物量普查，呈現(xiàn)了一副生物圈構(gòu)成的全貌。調(diào)查的結(jié)果被刊登于近期的 《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。根據(jù)計(jì)算，他們發(fā)現(xiàn)地球上所有生物共含有約5500 億t 的碳。這是一個(gè)非常龐大的數(shù)字。占據(jù)這一總量榜首的是重4500 億t 碳的植物，它們占所有生物的82%。排第二的是細(xì)菌，它們的總重約為700 億t 碳，是所有生物量的13%。也就是說(shuō)，剩下的所有其他生物——從原生生物到古生菌、從真菌到動(dòng)物，僅占世界生物量的5%。人類(lèi)的總生物量?jī)H占地球上生命的0.01%[7]。

4.3 地球人類(lèi)歷史

人類(lèi)的歷史，相對(duì)于宇宙的尺度，不過(guò)彈指一揮間。眾所周知，宇宙137 億年，地球有46 億年，那人類(lèi)呢？從古猿人開(kāi)始至今只有300～500萬(wàn)年，現(xiàn)代人始于10 萬(wàn)年前，而人類(lèi)文明史，不過(guò)1 萬(wàn)年。有文字的歷史，不過(guò)六千年，人類(lèi)的科技史，不過(guò)300 年，也許，人類(lèi)的旅程，才剛剛開(kāi)始……

5 硅基生命的設(shè)想

碳基生命是以化學(xué)能驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜生物體，很多時(shí)候，人們往往被自己的思維給禁錮住了，或把硅基生命的存在規(guī)則復(fù)制到碳基生命，或人們的生活環(huán)境硅基生命是否能夠適應(yīng)，可人們?cè)绞前压杌呦蠡?，越是覺(jué)得硅基生命不可能存在，不斷地在提出理論和現(xiàn)實(shí)否定中自相矛盾。但是，地球只是廣闊的銀河系中一粒小小的塵埃，而銀河系也不過(guò)是茫茫宇宙中的滄海一粟，人類(lèi)的渺小已經(jīng)微不足道，宇宙的奧妙也不是目前人類(lèi)能全面認(rèn)識(shí)的。

現(xiàn)階段的人工智能或機(jī)器人可以說(shuō)是某種“硅基生命”的初級(jí)形態(tài)，從某種意義上講還算不上“生命”，但是它確實(shí)已經(jīng)被人類(lèi)創(chuàng)造且存在于我們這個(gè)社會(huì)，而且已經(jīng)對(duì)人類(lèi)產(chǎn)生了影響。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，它們都要基于硅基的芯片而存在，經(jīng)歷幾百年，幾千年的發(fā)展，本文提到的“硅基生命”也許就是這些基于硅基的高科技“機(jī)器人”。也許將來(lái)，它們的智慧到達(dá)一定程度，慢慢與人類(lèi)同化，甚至參與到地球上“優(yōu)勝劣汰”的自然法則，如果有一天人類(lèi)真的被這些以電能所驅(qū)動(dòng)的鋼鐵之軀的“硅基生命”所取代，不是因?yàn)槿祟?lèi)太過(guò)弱小，而是“硅基生命”太過(guò)強(qiáng)大。