地球生命为啥只选择碳基生命，而不是硅基生命呢？

StEwai

上期我们说到寻找外星人，提到什么是「生命」时，留下了一个问题尾巴——

为什么地球生命非得是碳基生命，而不是非碳基生命呢？
外星人有可能是硅基生命吗？
宇宙中到底有没有非碳基生命？

本期我们就来啃啃这块硬骨头。先说说，大自然为什么让地球生命自然选择碳基生命？
大家知道，自从化学尤其是分子生物学快速发展以来，科学家们发现：地球上所有生命形态和物种，无外乎都是由25种化学元素构成的。


一个典型的生物细胞比如人体细胞的总质量当中，有96%是由氧（65%）、碳（18%）、氢（10%）、氮（3%）这4种主要元素构成的，其余的则是由少量其他元素构成的，比如说钙、磷、钾、硫、钠、氯、镁、铁等等。
有人马上会问，人体总质量不是氧元素占了大部分吗？高达65%！我们不是以氧为基础的生命形态吗？为什么我们不叫氧基生命，而叫碳基生命呢？
是这样的，包括人类在内的所有地球生命，活体细胞中多数的氧元素，其实是以水的形式存在的，含在水分子H2O里了。
然而，对细胞结构和功能起关键作用的，却是另外一种元素——这就是碳。所以呢，我们说地球生命都是以碳元素为基础的，于是就叫碳基生命 Carbon-Based Life。


最关键的问题来了，为啥生命选择的是碳元素，而不是其他元素呢？
要想回答这个问题，我们就得进入粒子尺度下，看看碳元素的特点。凡是学过点化学的都知道，分子中的原子，都是通过化学键相互连接在一起的。



什么？忘了啥是化学键啦？化学键，就是一种粒子间的吸引力，让原子、分子透过这种吸引力，组成——我们宏观尺度下看得见的物质。

文科生不妨把化学键想象成每一种元素的手臂。有了这种手和胳膊——化学键，原子之间就可以手拉手，勾勾搭搭混迹天涯了。


不同元素拥有手臂的数量也不同。像氢原子只有一只手，这就意味着一次只能跟另一个原子手拉手。像氧原子就有两只手，意味着同时能跟两个原子勾勾搭搭。
像碳原子竟有四只手，这就意味着：它最多可以同时跟4个原子勾勾搭搭。这就有意思了，想想看每个碳原子都有四只手，如果相互连接一起，上下左右前后，手拉手成三维结构，就会创造出千差万别的各种碳骨架——这就成了各种各样有机化合物的基础。
科学家把这种含碳的分子统称为有机分子，从最简单的有机分子（碳氢化合物甲烷），一直到复杂多样的高分子有机物（DNA分子），这就为碳基生命的形成，提供了丰富的物质基础。
就像搭建乐高积木一样，大自然通过神奇的碳元素，搭建出丰富多彩的碳基生命。


——这一过程就是壮丽的地球生命演化史，也是大自然本身自然选择生命形态的唯一路径。也是迄今为止人类已知的唯一路径。
有人可能会问：碳原子不过区区四只手，比碳原子手多的原子，不是更能演绎出千奇百怪的分子结构吗？千手观音，不是更精彩嘛？！


▲碳与各元素之间的键合关系
问题是，粒子尺度下的三维世界，并非手臂越多就越好。越重的元素虽然手臂越多，复杂度是足够了，但稳定性却远远不行。化学世界拼的不是量，而是巧。
要知道，碳元素是所有元素中化合物种类最多的，目前已知的纯有机化合物就有近1000万种，但这还只是理论上存在化合物世界的冰山一角而已。


▲碳的同素异形体结构：钻石（a）、石墨（b）、蓝丝黛尔石、富勒烯（C60（d）、C540（e）、C70（f））无定形碳（g）、碳纳米管（h）

再看看，碳元素的异形（学名叫同素异形体）：从极软的石墨，到极硬的钻石，都是碳元素的百变造型。
再看看，碳元素的丰度（丰富程度），在地球地壳上排名第15位，在宇宙中排名更靠前，竟然排在第四。所以毫不夸张地说，碳是地球生命的基石，是碳基生命的化学根本。


此处，一定有人会跳出来质疑：要是论元素丰度，硅元素可比碳元素丰富多了，在地球地壳上，硅是碳的1000倍！硅基文明早晚会替代碳基文明，占领地球世界，甚至统治全宇宙的！
对于这种深陷科幻思维，搞不清科幻世界与真实世界区别的人，我恰恰要反问：既然硅元素丰度如此高，像地球这种固态岩质行星在宇宙更是数不清，那为啥还没有演化出硅基生命呢？大自然为何不青睐硅元素——诞生硅基生命（Silicon-Based Life），而是自然选择碳元素——演化出碳基生命？
针对这种论智商的问题，我还是自问自答吧。


假设我们充当一把大自然的角色，硬要扶持硅元素当家作主，成为硅基生命的主人，世界将会咋样？
①回到微观尺度下，先说说除了碳元素外，地球天然存在的92种元素王国里，只有硅元素跟碳元素一样，拥有四只手——能够同时形成4个化学键，但硅元素这四只手天生不给力，明显没有碳元素四只手臂，粗壮有力。
所以呢，以硅元素为基础的复杂分子很容易断裂，以至于脆弱到——没法形成活体细胞结构的程度。虽说平时勾勾搭搭也有点感情，一旦有点风吹草动，甩手散伙，那是必然。
②硅元素另一个缺陷就是，通常只能伸出一只手臂，不能同时伸出双臂，给其他原子一个温暖的熊抱。硅元素这种形不成双键的化学关系，自然人缘不够好，能够参与的化学反应就很少，大多数趴体都不带它玩。
结果可想而知，不仅找不到女票，就连男票也找不到，更别提什么繁衍下一代了，硅基生命还能延续？

③人家碳元素就跟大白似的，不仅人缘好，而且百变真身。上天入地，去哪儿都行！气态变成二氧化碳，固态变成干冰。相反，再瞧瞧硅元素，最常见的模样就是二氧化硅，纯度高点的叫石英、水晶，不纯的都是些呆头呆脑的石头嘛。
能从石头缝里蹦出来，创世以来，唯有孙猴儿一个孤例。你还指望能有什么样的硅基生命？


▲艺术家笔下的外星生物——硅基生物。

说了这么多硅元素的硬伤，恐怕有人要说我是个碳基沙文主义者。
还可能有人搬出鼎鼎有名的科学家卡尔·萨根——对此颇有微词的观点来：「碳基生命唯一论、中心论，很可能大大限制了人类对外星人的探索和想象。」
甚至，有人会搬出一门名叫「假定型生物化学」Hypothetical types of biochemistry的学科，而且附上——瞧瞧，这可是正经八百的科学家正在严肃研究的课题呀！看你还敢无视！
这门学科主要是指，替代现有碳基生命为中心的生物化学理论，提出若干种生物化学形式和生命形态，比如硅基生命、氨基生命、硼基生命等。


▲根据假定型生物化学理论，艺术家绘制出的含有氨基生命的行星外表。
作为一种理论甚至称其为科学理论，我当然双手赞同，这是学术自由的基本准则嘛。只要有能力有条件搞就好了。说不准，万一搞成了呢！免得被那篇来自美国国家研究委员会NRC的报告——不幸言中咋办？那份报告称：「没有什么会比这更悲催的了……在宇宙探索中人类遇到了外星人，却认不出来它们！」

我当然也不想看到这种结果。但我要强调的是，理论就是理论，凡是未被实证的理论都还只是理论，不能进入科学认知体系之内，更不能拿来当作科学四处说事。
就算是科学家在以科研态度、科学思维建构出来的一套科学理论，也只能算作是理论——一种未经验证的假说而已，当然进不了科学殿堂。
总之一句话，碳基生命是人类科学认知体系当中唯一的生命形态。
而其他硅基生命、氨基生命等，目前只是一种假说。
至于科幻、玄幻、宗教、迷信层面所说的那些生命形式，在各自地盘穿越、飞舞，对我来说都无所谓——只要别硬掺乎到科普里就行。

作者：一点资讯