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2023-01-30
地球為什么只選擇碳基生命，而不選擇硅基生命？
更新時間：2022-09-07 11:26:26作者：未知
我們知道，地球上的生命是以碳元素為基礎(chǔ)形成發(fā)展的，那么問題來了：為什么地球生命非得是碳基生命，而不是非碳基生命呢？外星生命有可能是硅基生命嗎？宇宙中到底有沒有非碳基生命？今天我們來探討一下這幾個問題。大自然為什么讓地球生命自然選擇碳基生命？
自從化學尤其是分子生物學快速發(fā)展以來，科學家們發(fā)現(xiàn)：地球上所有生命形態(tài)和物種，無外乎都是由25種化學元素構(gòu)成的。一個典型的生物細胞比如人體細胞的總質(zhì)量當中，有96%是由氧（65%）、碳（18%）、氫（10%）、氮（3%）這4種主要元素構(gòu)成的，其余的則是由少量其他元素構(gòu)成的，比如說鈣、磷、鉀、硫、鈉、氯、鎂、鐵等等。
有人馬上會問，人體總質(zhì)量不是氧元素占了大部分嗎？高達65%！我們不是以氧為基礎(chǔ)的生命形態(tài)嗎？為什么我們不叫氧基生命，而叫碳基生命呢？是這樣的，包括人類在內(nèi)的所有地球生命，活體細胞中多數(shù)的氧元素，其實是以水的形式存在的，含在水分子H2O里的。
然而，對細胞結(jié)構(gòu)和功能起關(guān)鍵作用的，卻是另外一種元素——這就是碳。所以，我們說地球生命都是以碳元素為基礎(chǔ)的，于是就叫碳基生命 。
碳元素符號、原子序數(shù)、元素名、原子質(zhì)量為啥生命選擇了碳元素，而不是其他元素呢？要想回答這個問題，我們就得進入粒子尺度下，看看碳元素的特點。凡是學過點化學的都知道，分子中的原子，都是通過化學鍵相互連接在一起的。什么？你說忘了啥是化學鍵啦？化學鍵，就是一種粒子間的吸引力，讓原子、分子透過這種吸引力，組成我們宏觀尺度下看得見的物質(zhì)。
如果你是文科生，你不妨把化學鍵想象成每一種元素的手臂。有了這種手和胳膊——化學鍵，原子之間就可以手拉手，勾勾搭搭走天涯了。
不同元素擁有手臂的數(shù)量是不同的。比如氫原子只有一只手臂，這就意味著一次只能跟另外的一個原子手拉手。氧原子就有兩只手臂，意味著同時能跟兩個原子勾勾搭搭。
而碳原子竟有四只手臂，這就意味著：它最多可以同時跟4個原子勾勾搭搭。這就有意思了，想想看每個碳原子都有四只手，如果相互連接一起，上下左右前后，手拉手成三維結(jié)構(gòu)，就會創(chuàng)造出千差萬別的各種碳骨架——這就成了各種各樣有機化合物的基礎(chǔ)。
碳Ｃ、氫Ｈ、氧O在水water、乙烯ethylene、乙炔acetylene之間的化學鍵關(guān)系
科學家把這種含碳元素的化合物（除碳的氧化物、碳酸、碳酸鹽、氰、氰化物、氧氰、氰酸鹽、硫氰、金屬碳化有機分子物等以外）稱為有機物。從最簡單的有機分子（碳氫化合物甲烷），一直到復雜多樣的高分子有機物（DNA分子），這為碳基生命的形成，提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。
就像搭建樂高積木一樣，大自然通過神奇的碳元素，搭建出豐富多彩的碳基生命
這一過程就是壯麗的地球生命演化史，也是大自然本身自然選擇生命形態(tài)的唯一路徑。也是迄今為止人類已知的唯一路徑。
有人可能會問：碳原子不過區(qū)區(qū)四只手，比碳原子手多的原子，不是更能演繹出千奇百怪的分子結(jié)構(gòu)嗎？千手觀音，不是更精彩嘛？！
問題是，粒子尺度下的三維世界，并非手臂越多就越好。越重的元素雖然手臂越多，復雜度是足夠了，但穩(wěn)定性卻遠遠不行?；瘜W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種類最多的，目前已知的純有機化合物就有近1000萬種，這還只是理論上存在化合物世界的冰山一角而已。
碳的同素異形體結(jié)構(gòu)：鉆石（a）、石墨（b）、藍絲黛爾石、富勒烯（C60（d）、C540（e）、C70（f））無定形碳（g）、碳納米管（h）再看看，碳元素的同素異形體，不論是極軟的石墨還是極硬的鉆石，都是碳元素的百變造型。再看看，碳元素的豐度（豐富程度），在地球地殼上排名第15位，在宇宙中排名更靠前，竟然排在第四。所以毫不夸張地說，碳是地球生命的基石，是碳基生命的化學根本。為啥硅元素不能成為生命的基礎(chǔ)？
硅元素符號、原子序數(shù)、元素名、原子質(zhì)量此處，一定有人會跳出來質(zhì)疑：要是論元素豐度，硅元素可比碳元素豐富多了，在地球上，硅是碳的1000倍！硅基文明早晚會替代碳基文明，占領(lǐng)地球世界，甚至統(tǒng)治全宇宙的！對于這種深陷科幻思維，搞不清科幻世界與真實世界區(qū)別的人，我恰恰要反問：既然硅元素豐度如此高，像地球這種固態(tài)巖質(zhì)行星在宇宙更是數(shù)不清，那為啥還沒有演化出硅基生命呢？大自然為何不青睞硅元素——誕生硅基生命？
藝術(shù)家筆下的外星生物——硅基生物
假設(shè)我們充當一把大自然的角色，硬要扶持硅元素當家作主，成為硅基生命的主人，世界將會咋樣？
①回到微觀尺度下，先說說除了碳元素外，地球天然存在的92種元素王國里，只有硅元素跟碳元素一樣，擁有四只手——能夠同時形成4個化學鍵，但硅元素這四只手天生不給力，沒有碳元素的四只手臂那樣粗壯有力。以硅元素為基礎(chǔ)的復雜分子很容易斷裂，以至于脆弱到?jīng)]法形成活體細胞結(jié)構(gòu)的程度。雖說平時勾勾搭搭也有點感情，一旦有點風吹草動，就甩手散伙啦。
②硅元素另一個缺陷就是，通常只能伸出一只手臂，不能同時伸出雙臂，給其他原子一個溫暖的熊抱。這種形不成雙鍵的化學關(guān)系，自然人緣不夠好，能夠參與的化學反應就很少，大多數(shù)趴體都不帶它玩。
結(jié)果可想而知，不僅找不到女票，就連男票也找不到，更別提什么繁衍下一代了。硅基生命還能延續(xù)？
③而人家碳元素就跟大白似的，不僅人緣好，而且百變真身。上天入地，去哪兒都行！氣態(tài)變成二氧化碳，固態(tài)變成干冰。
相反，再瞧瞧硅元素，港臺地區(qū)叫矽，最常見的模樣就是二氧化硅，純度高點的叫石英、水晶，不純的就是些呆頭呆腦的石頭。
能從石頭縫里蹦出來，創(chuàng)世以來，唯有孫悟空一個孤例。你還指望能有什么樣的硅基生命？說了這么多硅元素的硬傷，恐怕有人要說我是個碳基沙文主義者。
還可能有人搬出鼎鼎有名的科學家卡爾·薩根對此頗有微詞的觀點來：「碳基生命唯一論、中心論，很可能大大限制了人類對外星生命的探索和想象。」
甚至，有人會搬出一門名叫「假定型生物化學Hypothetical types of biochemistry」的學科——瞧瞧，這可是正經(jīng)八百的科學家正在嚴肅研究的課題呀！看你還敢無視——這門學科主要是指，替代現(xiàn)有碳基生命為中心的生物化學理論，提出若干種生物化學形式和生命形態(tài)，比如硅基生命、氨基生命、硼基生命等。
根據(jù)假定型生物化學理論，藝術(shù)家繪制出的含有氨基生命的行星外表作為一種理論甚至稱其為科學理論，我當然雙手贊同，這是學術(shù)自由的基本準則嘛。只要有能力有條件搞就好了。說不準，要是搞成了呢！萬一被那篇來自美國國家研究委員會NRC的報告不幸言中咋辦？那份報告稱：“沒有什么會比這更悲催的了……在太空探索中人類遇到了外星生命，卻認不出來它們！”
我當然也不想看到這種結(jié)果。但我要強調(diào)的是，理論就是理論，凡是未被實證的理論都還只是理論，不能進入科學認知體系之內(nèi)，更不能拿來當作科學四處說事。
就算科學家以科研態(tài)度、科學思維建構(gòu)出來的一套科學理論，也只能算作是理論——一種未經(jīng)驗證的假說而已，當然進不了科學殿堂。
總之一句話，碳基生命是人類科學認知體系當中唯一的生命形態(tài)。
而其他硅基生命、氨基生命等，目前只是一種假說。
至于科幻、玄幻、宗教、迷信層面所說的那些生命形式，在各自地盤穿越、飛舞，對我來說都無所謂——只要別硬摻乎到科普里就行。
地球在宇宙中形成以后，開始是沒有生命的。經(jīng)過了一段漫長的化學演化，大氣中的有機元素氫、碳、氮、氧、硫、磷等在自然界各種能源（如閃電、紫外線、宇宙線、火山噴發(fā)等等）的作用下，合成有機分子。這些有機分子進一步合成，變成生物單體（如氨基酸、糖、腺甙和核甙酸等）。這些生物單體進一步聚合作用變成生物聚合物，如蛋白質(zhì)、多糖、核酸等。
蛋白質(zhì)出現(xiàn)后，最簡單的生命也隨著誕生了。這是發(fā)生在距今大約36億多年前的一件大事。從此，地球上就開始有生命了。
生命與非生命物質(zhì)的最基本區(qū)別是：它能從環(huán)境中吸收自己生活過程中所需要的物質(zhì)，排放出自己生活過程中不需要的物質(zhì)。這種過程叫做新陳代謝，這是第一個區(qū)別。第二個區(qū)別是能繁殖后代。任何有生命的個體，不管他們的繁殖形式有如何的不同，他們都具有繁殖新個體的本領(lǐng)。第三個區(qū)別是有遺傳的能力。
能把上一代生命個體的特性傳遞給下一代，使下一代的新個體能夠與上一代個體具有相同或者大致相同的特性。上一代與下一代多少有一點不一樣，這種特點叫變異。這種變異的特性如果能夠適應環(huán)境而生存，它就會一代又一代地把這種變異的特性加強并成為新個體所固有的特征。生物體不斷地變異，不斷地遺傳，年長月久，周而復始，具有新特征的新個體也就不斷地出現(xiàn)，使生物體不斷地由簡單變復雜，構(gòu)成了生物體的系統(tǒng)演化。
地球上最早的生命形態(tài)很簡單，一個細胞就是一個個體，它沒有細胞核，是原核生物。原核生物經(jīng)過15億多年的演變，原來均勻分散在它的細胞里面的核物質(zhì)相對地集中以后，外面包裹了一層膜，這層膜叫做核膜。細胞的核膜把膜內(nèi)的核物質(zhì)與膜外的細胞質(zhì)分開。細胞里面的細胞核就是這樣形成的。有細胞核的生物我們把它稱為真核生物。
細胞核的出現(xiàn)，是生物界演化過程中的重大事件。從此以后細胞在繁殖分裂時不再是簡單的細胞質(zhì)一分為二，而且里面的細胞核也要一分為二。真核生物（那時還沒有動物，可以說實際上也只是真核植物）大約出現(xiàn)在20億年前。性別的出現(xiàn)是在生物界演化過程中的又一個重大的事件，因為性別促進了生物的優(yōu)生，加速生物向更復雜的方向發(fā)展。
真核的單細胞植物出現(xiàn)以后沒有幾億年就出現(xiàn)了真核多細胞植物。真核多細胞的植物出現(xiàn)沒有多久就出現(xiàn)了植物體的分工，植物體中有一群細胞主要是起著固定植物體的功能，成了固著的器官，也就是現(xiàn)代藻類植物固著器的由來。從此以后開始出現(xiàn)器官分化，不同功能部分其內(nèi)部細胞的形態(tài)也開始分化。由此可見，細胞核和性別出現(xiàn)以后，大大地加速了生物本身形態(tài)和功能的發(fā)展。??