碳可能不是生命的唯一基础


碳可能不是生命的唯一基础

在地球上,碳可以形成数百万种化合物,而硅在很大程度上被困在岩石中。但在其他地方,硅可能成为生命的基础。

硅生命

科幻小说的叙事通常假定宇宙中其他地方存在硅基生命形式,这当然是可能的。在地球上,碳占主导地位,因为它具有形成多种化合物的优越能力,而硅很容易被困在岩石中。在寻找宇宙生命的过程中,我们需要更加开放,少以地球为中心。

当我们在其他行星上寻找生命时,我们通常的意思是我们在寻找我们所知道的生命——基于碳的生命,碳需要液态水,并使用光或化学物质作为其能源。当在类似地球的火星上寻找生命时,这是有意义的。但这对其他行星体,特别是太阳系以外的行星体有意义吗?

科幻小说中一个常见的观点是,碳可以被硅取代,成为生命的主要组成部分。

为什么碳主宰地球生命

但在地球上,有机化学意味着碳化学。这是由于碳在形成复杂、稳定的分子方面具有难以置信的多功能性——不仅与自身,而且与其他元素,特别是氢、氧和氮。有数以百万计的碳化合物,其中许多是我们所知的生命所必需的——从蛋白质和DNA到气态甲烷和二氧化碳,它们对我们星球上许多生命形式的新陈代谢至关重要。

在地球上,用硅代替碳作为生命的成分是行不通的。我们星球上的生物化学现实不允许这样。当接触到大气中的氧气时,元素硅会迅速剧烈地氧化成硅酸盐(岩石)。同样的事情也会发生在接触液态水的单质硅上。在地球上,大多数岩石,如花岗岩和玄武岩,都是由硅酸盐矿物建造而成,这些矿物是基于硅和氧的骨架。任何游离硅都会结合在这个骨架中,在中等温度下都是惰性的,即不能与其他元素结合。硅只有在非常高的温度下才会开始与其他元素结合,比如说岩浆室。但即便如此,根据麻省理工学院Janusz Petkowski领导的一篇论文,强硅氧键几乎同时断裂,这将使它们不适合生物过程。

然而,这并不意味着地球生命不需要硅。常见的硅藻需要硅才能生长。如果没有硅,植物就无法保持直立和灵活。硅酸存在于头发、指甲和皮肤的结缔组织中。当骨头断裂时,在愈合过程中,骨折周围会发现高水平的二氧化硅。

硅的生活方式

碳可能不是生命的唯一基础

具有讽刺意味的是,地球是一个富含硅的星球。所以,如果地球上没有硅基生命的机会,这难道不会取消像我们这样的其他行星的资格吗?不一定。硅基生命的一个先决条件是,系外行星或系外卫星没有大量的游离氧或液态水。在这种情况下,可能存在有机硅化合物。在这种环境中,硅烷(SiH4)可以取代甲烷(CH4)。所谓的聚硅烷(具有多个SiH4基团的化合物)可能是另一种生物化学的开始。

这样的世界会是什么样子?我们太阳系中最接近的模拟物是土星的大卫星土卫六,它不仅不含氧气和液态水,而且非常寒冷,这将有利于基于硅烷的生命。然而,土卫六上的生命需要一种不同于水的溶剂。星球上的液态甲烷和乙烷湖可能会起作用。但土卫六含有大量的碳,这可能在与其他元素的结合方面超过硅。在一个温度略高于土卫六的世界上,甲醇可能是硅基生命的可能溶剂。

碳可能不是生命的唯一基础

佩特考斯基在论文中的一个令人惊讶的发现是,硫酸——我们通常认为是致命的——理论上可以支持丰富多样的有机硅化学。在我们的太阳系中有两个地方含有大量的硫酸:金星大气层的下部和木星卫星木卫一的近亚表层。把这些地方视为生命的庇护所可能有些牵强,但我们必须放弃以地球为中心的观点来考虑所有可能性。过去的生活常常让我们惊讶。如果我们在太阳系之外冒险,我们可能会发现许多超出我们想象的行星和卫星。

替代生物化学

到目前为止,我们只讨论了围绕恒星或行星运行的世界。那“无赖”行星呢?它们在宇宙中游荡,与任何恒星都没有联系?他们可能使用热能而不是恒星辐射作为主要能源。在地球上,阳光能维持生命,因为有很多阳光。但在中子星或磁星上,生命可能从恒星的磁场中获取能量。他们甚至提出,磁矩的不同排列可以作为一种机制,将信息从一代传递到下一代,就像地球上的DNA一样。

到目前为止,天文学家只能在外层空间探测到少量的有机硅化合物,而碳化合物似乎要丰富得多。碳很可能在外星生命中占主导地位。但仍有一些行星可能是硅基生命进化的基础。

当然,如果我们考虑未来的进化,即使是在我们自己的星球上,硅基生命的大门是敞开的。生命的一些定义包括(有一天)可以从原材料中组装自己的自我复制机器,然后将组装指令转移到新制造的机器上,这些机器可以重复制造过程。

有一天,这种形式的“生命”可能会主导目前地球上最原始的碳基生命形式:我们。

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