我們在很多科幻、動畫電影中，看到過硅基生命、硫基生物、氨基生物、甲烷生物、氫基生物等，它們都是生命的一種形態(tài)，也是著名科幻作家阿西莫夫在 1962 年寫的《并非我們所知的：論生命的化學(xué)形式》這本書里提到的生命形態(tài)。有沒有發(fā)現(xiàn)，剛才列舉的時(shí)候沒有把碳基生命列舉上，碳基是那么的親切，包括我們?nèi)祟愒趦?nèi)，?地球上的所有生物都是碳基生物。?

碳基生命就是以碳元素為有機(jī)物基礎(chǔ)的一種生物，在構(gòu)成碳基生物的氨基酸中，連接氨基與羧基的是碳元素，因此被稱為碳基生物。地球上已知的所有生物都屬于碳基生物，它們主要由碳、氫、氧、氮、硫、磷等元素組成，生命活動也主要圍繞這幾種元素展開。無論是植物、動物還是真菌，都是由不同類型、不同功能的細(xì)胞組成的，而這些細(xì)胞構(gòu)成了不同功能作用的組織，從而呈現(xiàn)出各種生理現(xiàn)象。

為什么地球要選擇碳基生命呢？科學(xué)家通過研究發(fā)現(xiàn)，碳元素的原子序號是六，這明它是宇宙中第六個(gè)誕生的元素，整個(gè)元素周期以最輕的氫原子開頭，越往后元素形成的反應(yīng)條件越苛刻，碳元素靠前，所以它形成的條件相對簡單，在宇宙中的含量也是很多的，碳原子是最穩(wěn)定的元素，在化學(xué)中，能夠組成分子的結(jié)構(gòu)就是原子，而原子之間要相互影響需要一種的化學(xué)鍵，這種化學(xué)鍵就是鉤子，在一般情況下，擁有鉤子最多的原子，它的穩(wěn)定就越強(qiáng)大，因?yàn)樗軌蜚^住其它的原子，比如說氫原子只有一個(gè)鉤子，而碳原子有四個(gè)鉤子，它能夠形成差異巨大且具有眾多官能團(tuán)的分子。

1. 概述

目前，已得到大部分科學(xué)家公認(rèn)，150到 200億年前，隨著一次熱的、富含能量的亞原子粒子的大爆炸，宇宙產(chǎn)生了。生命的起源和演化是和宇宙的起源和演化密切關(guān)聯(lián)的，生命的構(gòu)成元素如碳、氫、氧、氮、硫和磷等都是“大爆炸”的產(chǎn)物。而生命是怎樣起源的?這是千萬年來中外科學(xué)家、哲學(xué)家不斷思索和探討的奧妙。歷史上出現(xiàn)過的各種有關(guān)地球上生命起源的看法。主要有自然發(fā)生說，有生源論，生命永恒論，宇宙胚種論，化學(xué)進(jìn)化論等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，支持化學(xué)進(jìn)化論的實(shí)驗(yàn)證據(jù)越來越多，現(xiàn)已為絕大多數(shù)科學(xué)家所接受。

化學(xué)進(jìn)化論： 這一假說認(rèn)為，地球上的生命是在地球溫度逐步下降以后，在極其漫長的時(shí)間內(nèi)，由非生命物質(zhì)經(jīng)過極其復(fù)雜的化學(xué)過程，一步一步地演變而成的。該學(xué)說將生命的起源分為三個(gè)階段。

（1） 第一階段，即生命起源的化學(xué)進(jìn)化過程是在原始的地球條條件下進(jìn)行的。原始大氣主要是由甲烷、氨、氫、二氧化碳、一氧化碳、水等組成的還原性大氣，這種大氣生成了甲醛與氰化氫等醛、醇、酸等有機(jī)小分子。隨著地球的冷卻，水蒸汽凝結(jié)，大量雨降，形成原始海洋，大氣中各種不同有機(jī)物被雨水沖刷下來，落進(jìn)原始海洋中。

（2）第二階段 。這一過程是在原始海洋中發(fā)生的，即氨基酸、核苷酸等有機(jī)小分子物質(zhì)，經(jīng)過長期積累，相互作用，在適當(dāng)條件下（如黏土的吸附作用），通過縮合作用或聚合作用形成了原始的蛋白質(zhì)分子和核酸分子。

（3）第三階段 。即具有新陳代謝、能夠自我復(fù)制的原始生命體，最終產(chǎn)生細(xì)胞。

2**. 為什么選擇碳，從碳的本質(zhì)說起**

大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，地球生命是以碳化學(xué)為基礎(chǔ)的。因此，把地球生命定義為“碳原子物質(zhì)”。并認(rèn)為構(gòu)成宇宙的時(shí)空和物質(zhì)也同樣是構(gòu)成地球的時(shí)空和物質(zhì)。那么，生命為什么選擇了碳作為其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)呢？讓我們從以下幾個(gè)方面探討。

（1） 作為構(gòu)成生物高分子結(jié)構(gòu)元素的必需條件

存在于環(huán)境中：生物是在地球上產(chǎn)生的，并同環(huán)境一起，沿著生態(tài)系的穩(wěn)定性，有選擇地取舍環(huán)境中的物質(zhì)而進(jìn)化發(fā)展，所以構(gòu)成生物的元素須在環(huán)境中存在，且豐度較高。

本身是輕元素：構(gòu)成生物高分子的元素應(yīng)在元素周期表的前 20位元素中，這樣才能使其構(gòu)成的生物體有較輕的重量。

能形成一定程度的共價(jià)鍵：這樣才能使生物分子在長期進(jìn)化過程中能保持相對穩(wěn)定。具有結(jié)合其他原子的能力：可把不同種類的功能基引入有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)中來。從而滿足生物的多樣性，同時(shí)形成的生物分子具有一定的流動性。

（2） 碳的優(yōu)越性質(zhì)

碳元素廣泛存在于環(huán)境中：雖然原始地球大氣層中甲烷的含量非常少（因?yàn)樵诘厍蛐纬傻那皫讉€(gè)時(shí)期里這種氣體大部分已飛散開），而碳以石墨及金屬碳化物的形式保存在地球上。但當(dāng)巖石圈形成時(shí)，金屬碳化物與地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)水相互作用，二次生成甲烷和其他烴類化合物，它們從巖石圈析出，集儲在原始大氣中（因?yàn)榇藭r(shí)的地球引力已能把它們吸?。?，所以可以說碳元素在環(huán)境中存在，且豐度較高。其余前面已有敘述，這里不再重復(fù)。

穩(wěn)定的共價(jià)鍵：因?yàn)楣矁r(jià)結(jié)合的強(qiáng)度與所結(jié)合原子的原子半徑成反比，所以碳能形成很強(qiáng)的共價(jià)鍵。

①? C—C單鍵：對形成生物最有意義是，碳原子能以共用電子對的形式形成非常穩(wěn)定的碳碳單鍵。碳的價(jià)層電子結(jié)構(gòu)為 2s2 2p 2 ，它的最高共價(jià)數(shù)顯然是 4。在化合物中它以sp 3 雜化軌道互相結(jié)合或與其他原子結(jié)合。（此外，碳原子的成鍵軌道還可以是 sp 2或 sp雜化軌道。）

②? 鍵長： 碳原子共價(jià)半徑是 77pm，C-C鍵長 154pm， C-O鍵長 116.2pm

③? 鍵能： 由于碳原子共價(jià)半徑較小，C-C鍵（344kJ/mol），C-H 鍵(415kJ/mol)，C-O鍵 (343kJ/mol) 的鍵能都很高，鍵很穩(wěn)定。

④? 碳鏈：在生命體的起源和進(jìn)化過程中，碳原子成鍵的多樣性是選擇碳化合物作為細(xì)胞分子構(gòu)建的主要因素。其他任何一種化學(xué)元素都不可能形成大小和形狀具有如此巨大差異及具有如此眾多官能團(tuán)的分子。

⑤? 官能團(tuán) 決定化學(xué)性質(zhì)：

大部分生物分子可以被看成碳?xì)浠衔锏难苌铮擃惢衔锞哂泄矁r(jià)連接的碳骨架并且只與氫原子成鍵。碳?xì)浠衔锏墓羌苁欠浅７€(wěn)定的，其中氫原子可以被不同的官能團(tuán)替換而產(chǎn)生不同類型的有機(jī)化合物。這些化合物中比較典型的有，帶有羥基的醇，帶有氨基的胺，帶有羰基的酮，帶有羧基的羧酸以及醚基、酯基、醛基等。每個(gè)官能團(tuán)都有自己的化學(xué)性質(zhì)和特定的反應(yīng)。化合物的化學(xué)“個(gè)性”正是有所含官能團(tuán)的化學(xué)性質(zhì)及其三維空間的位置所決定的。

⑥? 三維結(jié)構(gòu)：構(gòu)型和構(gòu)象

在有機(jī)分子中，由于圍繞每個(gè)單鍵結(jié)合的碳原子的電子對具有四面體構(gòu)型，所以碳碳鍵可形成許多不同的三維空間結(jié)構(gòu)，如線性、分支狀或環(huán)狀骨架。由于有無自由旋轉(zhuǎn)角度的雙鍵或取代基的特定順序排列成手性中心，而出現(xiàn)了構(gòu)型。特別是手性碳分子——不具有對稱面和對稱中心的分子，有一個(gè)重要特點(diǎn)，就是實(shí)體和鏡像不能重疊，其關(guān)系正和左右手關(guān)系類似，因此現(xiàn)在普遍稱這類分子為手性分子或不對稱分子。例如，葡萄糖的變旋現(xiàn)象，由于葡萄糖分子中的醛基和羥基可以反應(yīng)形成環(huán)狀半縮醛結(jié)構(gòu)，這時(shí)原醛基的碳成為手性碳分子，這個(gè)手性碳分子上的半縮醛羥基可以有兩種空間取向，因此有兩個(gè)異構(gòu)體，稱為α－異構(gòu)體與β－異構(gòu)體。

當(dāng)多個(gè)手性碳原子存在時(shí)，就會形成 2 n 種異構(gòu)體。例如酶，依照分子的形狀和左旋右旋對特定的反應(yīng)進(jìn)行催化，多數(shù)碳基生物體內(nèi)的物質(zhì)都顯示旋光性征，正是這個(gè)特點(diǎn)使得酶能夠識別和規(guī)范碳基生物體內(nèi)的大量不同新陳代謝進(jìn)程。

⑦? 碳原子大小：碳原子核不大，且屬于輕元素，其形成的許多有機(jī)分子在生理溫度下具有流動性，流動性比較合適生命需要。

綜上，在地球上形成生命，C 是最適合的，生命選擇碳是明智的。

3. 宇宙間可能存在的其他生命類型

另一些科學(xué)家則認(rèn)為，以碳元素為基礎(chǔ)的蛋白質(zhì)生命，在地球上存在純屬偶然，外星上很可能出現(xiàn)以硅元素為基礎(chǔ)的“硅原子物質(zhì)”的生命。并認(rèn)為碳基生命、硅基生命都是化學(xué)生命，在中子星上還可能出現(xiàn)非化學(xué)生命——核生命。以下主要討論硅基生命的可能性?！肮杌衔锏臒岱€(wěn)定性使得以其為基礎(chǔ)的生命可以在高溫下生存?！?（英國化學(xué)家詹姆士?愛默生?雷諾茲(James Emerson Reynolds)，1893，英國科學(xué)促進(jìn)協(xié)會演講）所以硅基生命很可能出現(xiàn)于溫度比較高的星球上，比如說一個(gè)到處都是火山的星球上，因?yàn)樵S多硅基化合物比碳基更穩(wěn)定，且硅-氧鍵可以承受大約 600K 的溫度，而硅-鋁鍵能承受將近 900K 的溫度，

所以耐高溫的性能要好，而且同樣是由于相對穩(wěn)定，在高溫下活性更好。

粗看起來，硅的確是一種作為碳替代物構(gòu)成生命體的很有前途的元素。它在 宇宙中分布廣泛 ，而在元素周期表中，它就在碳的下方，所以 和碳元素的許多基本性質(zhì)都相似 。舉例而言，正如碳能和四個(gè)氫原子化合形成甲烷(CH4)，硅也能同樣地形成硅烷(SiH4)，硅酸鹽是碳酸鹽的類似物，三氯硅烷(HSiCl 3 )則是三氯甲烷(CHCl 3 )的類似物，以此類推，兩種元素都能組成長鏈，或聚合物，而 C和 Si 并在長鏈或聚合物中與氧交替排列，最簡單的情形是，碳—氧鏈可形成聚縮醛（經(jīng)常用于合成纖維），而硅和氧搭成骨架可產(chǎn)生聚合硅酮?；谏鲜銮闆r，一些特異的生命形態(tài)就有可能以類似硅酮的物質(zhì)構(gòu)成。硅基動物很可能看起來像一些會活動的晶體，這種生物體的結(jié)構(gòu)可能是被類似玻璃纖維的絲線串在一起，以形成靈活、精巧，薄而透明的結(jié)構(gòu)。

但 Si 的一個(gè)很大的 缺陷就是它與氧的結(jié)合力過于強(qiáng) 。C 在地球生物的呼吸作用中的代謝終產(chǎn)物主要為二氧化碳?xì)怏w，是種很容易從生物體中移除的廢棄物質(zhì)；但是，硅的氧化則會形成固體，因?yàn)樵诙趸鑴傂纬傻臅r(shí)候就會形成晶格，使得每個(gè)硅原子都被四個(gè)氧原子包圍，而不是像二氧化碳那樣每個(gè)分子都是單獨(dú)游離的，而是非常穩(wěn)定的固體，處置這樣的固體物質(zhì)會給硅基生命的呼吸過程帶來很大挑戰(zhàn)。如果以現(xiàn)在的人體結(jié)構(gòu)考慮，當(dāng)生命在進(jìn)行一系列紛繁復(fù)雜的生命活動以后，我們需要經(jīng)常用氟化氫清理呼吸道……

只要是生命形態(tài)，就必須 從外界環(huán)境中收集、儲存和利用能量 。碳基生物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一條鏈，而利用酶控制的對碳水化合物的一系列氧化步驟會釋放能量，廢棄物產(chǎn)生水和二氧化碳。這些酶是些大而復(fù)雜的分子，它們依照分子的形狀和左旋右旋對特定的反應(yīng)進(jìn)行催化，而多數(shù)碳基生物體內(nèi)的物質(zhì)都顯示這個(gè)特征，正是這個(gè)特點(diǎn)使得酶能夠識別和規(guī)范碳基生物體內(nèi)的大量不同新陳代謝進(jìn)程。然而，硅沒能像碳那樣產(chǎn)生眾多的具有左旋右旋特征的化合物，這使它難以成為生命所需要大量相互聯(lián)系的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的支持元素。

此外，硅鏈在水中不穩(wěn)定，容易斷掉，不像碳鏈那樣在干濕環(huán)境下都保持穩(wěn)定。雖然這點(diǎn)不會因此排除硅基生命存在的可能，但存在大量液態(tài)水的星球肯定是排斥硅基生命的。存在硅基生命，甚至存在硅基生命出現(xiàn)前的早期生命化學(xué)演化的低可能性也被天文觀測所驗(yàn)證。

不管天文學(xué)家向哪里搜尋——隕星、彗星、巨行星的大氣、星際物質(zhì)、冷卻恒星的外層——他們都只能找到氧化的硅(二氧化硅和硅酸鹽)，而找不到類似硅烷和硅酮這樣的作為硅生物化學(xué)存在預(yù)兆的物質(zhì)。相反，當(dāng)我們尋找碳基生命的跡象時(shí)會發(fā)現(xiàn)，在隕星中不難找到氨基酸這樣的碳基有機(jī)分子，至于甲烷，不僅在太陽系的眾多行星和衛(wèi)星中很容易找到，而且在星際物質(zhì)和星云中也能找到，甚至連甲基乙炔和氰基癸五炔這樣的復(fù)雜分子都能從星際物質(zhì)中找到。

即使如此，也有必要指出，硅可能曾在地球生命的起源過程中扮演過一定的角色。因?yàn)橛幸粋€(gè)奇怪的現(xiàn)象是，地球生命特別喜歡利用右旋的糖和左旋的氨基酸。對此的一個(gè)理論解，生命演化初期的第一批碳化合物在一片有著旋光性的硅石表面上的“原始湯”內(nèi)形成，而這種硅化合物的旋光性決定了我們現(xiàn)在從地球生命體內(nèi)找到的碳化合物的旋光性。

若提出另一種可能的硅基生命：硅—氟體系生命。其以硅為骨架，四氟化硅作為代謝產(chǎn)生的氣體，氟化氫取代水，氟氣替換氧氣。為了保證讓氟氣和四氟化硅在那時(shí)的大氣環(huán)境下是氣體， （假定一個(gè)大氣壓下）在此種情況下，大氣溫度應(yīng)該是-19.51~-33.55之間。

但硅參加的反應(yīng)大多數(shù)是高溫反應(yīng)，所以，那時(shí)的人類必須要有一套強(qiáng)大的體溫調(diào)控系統(tǒng)。盡管設(shè)想十分美好，但在地球環(huán)境下依舊存在著諸多硅基生命無法解決的問題（不排除地外也存在非碳基生命的可能性）。因此，我們不得不承認(rèn)，碳是地球上無可爭議的最理想的生命元素。

**作者：任聲權(quán)，安徽科普作家協(xié)會秘書、肥東科協(xié)黨支部組織和宣傳委員、**國家健康管理師

**審核專家：**楊多文 安徽科普作家協(xié)會秘書長，編審