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      地球為什么選擇了碳基生命,而不是硅基生命?硅基生命長什么樣?

      2022-06-16  魅力科學君   |  轉藏
         

      請問:地球上的碳元素多還是硅元素多呢?如果你的回答是硅元素更多,那就恭喜你答對了。實際上,地球上的硅元素可能比你想象中的還要多,根據科學家的估算,地球上碳元素的總質量大概只有硅元素的千分之一。

      那么問題就來了,既然如此,為什么地球選擇了碳基生命,而不是硅基生命呢?

      正如我們所知,化學反應是生命的基礎,因此要搞清楚這個問題,我們需要從元素的化學性質來講起。

      如上圖所示,在元素周期表中,排在最右邊那一列的所有元素的化學性質都非常穩定,在常溫常壓下,它們都是單原子氣體,極難發生化學反應,因此它們就被稱為惰性元素(或者惰性氣體)。

      從原子結構來看,這些元素除了4號元素氦(氦只有兩個電子)之外,其余的6種的最外層的電子數量都是8個,例如10號元素氖(Ne)是這樣的:

      18號元素氬(Ar)是這樣的:

      無論對于哪一種元素來講,它們都是“天生”就趨向于穩定,所以如果有機會的話,元素周期表中的那些非惰性元素就會趨向于讓自己也形成和惰性元素一樣的原子結構,假如一個原子最外層電子的數量較少,那么它就趨向于送走其最外層的電子,其失去電子的能力就比較強,比如說11號元素鈉(Na)的原子結構是這樣的:

      可以看到,鈉原子最外層只有一個電子,它只需要將這個電子送走,其第二層電子就可以變成最外層,而這一層的電子數量為8,它就達到了穩定。

      反過來講,如果一個原子最外層電子的數量較多,那么它就趨向于從外界得到一個電子,其得到電子的能力就比較強,比如說17號元素氯(Cl)的原子結構是這樣的:

      可以看到,氯原子最外層有7個電子,它只需要再獲得一個電子,就可以達到穩定。

      正因為如此,鈉元素和氯元素的化學性質都非常活潑,它們中的一個天天想送走一個電子,另一個則隨時都在琢磨在哪里去得到一個電子,當這倆遇到一起的時候,當然是一拍即合,一個愉快地送,一個開心地拿。

      在此之后,鈉原子因為失去一個電子就帶上了正電,而氯原子卻因為得到一個電子而帶上了負電,于是它們就緊緊地結合在了一起,形成了非常穩定的氯化鈉分子(NaCl,也就是食鹽的主要成分)。

      鈉和氯的這種結合方式被稱為“離子鍵”,除了這種“一個送、一個拿”的結合方式以外,原子之間其實還有另一種方式來達到穩定的效果,那就是與對方共享自己的電子。比如說8號元素氧(O)長這樣:

      可以看到,氧原子最外層有6個電子,它還需要再獲得兩個電子才可以達到穩定。

      為了方便描述,我們不妨用一下擬人的手法,即:對于一個氧原子來講,假如它的周圍還有一個氧原子的話,它就會與其商量:“你看,我差兩個電子,你也差兩個電子,不如我們各自拿出兩個電子來共享,這樣我們自己剩下的4個電子,再加上4個共享的電子,不就成為8個電子的穩定結構嗎?”另一個氧原子想了一下,覺得確實是這么回事,于是這兩個氧原子就通過共享的電子結合成了氧氣分子(O2)。

      這種結合方式被稱為“共價鍵”,其實前面提到的氯原子也可以通過這種方式與另一個氯原子一起結合成氯氣,值得注意的是,不同種類的元素也可以通過“共價鍵”來結合,比如說一個氧原子可以通過“共價鍵”分別與兩個氫原子共享電子,這樣氧原子最外層就有了8個電子,而兩個氫原子的原子結構也都變成了與氦元素一樣的兩個電子,這樣就形成了穩定的一氧化二氫(H2O),也就是水分子。

      有了以上的知識之后,我們再來看看碳元素(C)的原子結構:

      碳元素是6號元素,其最外層有4個電子,這就很有意思了,因為無論是得到4個電子,還是失去4個電子,碳原子都可以達到穩定狀態,其失去電子的能力和得到電子的能力都是一樣的,所以除了少數的情況之外,碳原子一般都是形成“共價鍵”。

      這無疑賦予了碳原子形成復雜化合物的能力,比如說氫原子需要共享一個電子,碳原子就給它一個,氧原子需要共享兩個電子,碳原子就給它兩個,而它剩下的電子還可以與其他的碳原子共享,其他碳原子又可以在與更多的原子結合的同時,再通過“共價鍵”連上另一個碳原子……

      為了方便理解,我們不妨將碳原子最外層的電子比喻成4只“手”,大量的碳原子手拉著手,就可以形成長鏈、環狀、網狀、層狀等等復雜的結構,而在這些結構中,幾乎每一個碳原子都有“空閑”的手來拉著其他的元素,這樣一來,就極大地提升了化合物的復雜性和多樣性。

      我們知道,有機化合物是構成地球上所有生命的物質基礎,實際上,這些有機化合物全部都是以“手拉著手”的碳原子為“骨架”的復雜化合物,正是因為如此,我們才將地球上所有的生命(包括我們人類自己)都稱為碳基生命,由此可見,所謂的碳基生命并不是指生命有機體的碳含量特別高。

      好的,現在我們再來看看硅元素(Si)的原子結構:

      硅元素是14號元素,在元素周期表中正好位于碳元素的下方,硅原子的最外層也有4個電子,而這也就意味著,硅原子也像碳原子一樣擁有4只“手”,應該也擁有形成復雜化合物的能力。

      正是因為如此,才有了硅基生命這種說法,簡單來講就是,如果構成某種生命的基礎物質全部都是以“手拉著手”的硅原子為“骨架”的復雜化合物,那么這種生命就是硅基生命。

      然而在地球上,硅根本就無法像碳那樣形成具有高度復雜性和多樣性的化合物,其根本原因就是硅原子比碳原子多了一個電子層,這就使得其對最外層的4個電子的控制力遠低于碳原子,也就是說,盡管硅原子也有4只“手”,但這些“手”的力量天生就比碳原子弱。

      這就導致了硅原子與絕大多數元素的結合都非常不穩定,比如說硅和氫的化合物甲硅烷(分子式為SiH4,由1個硅原子和4個氫原子組成) ,即便在常溫常壓下,也會在空氣中直接發生自燃。

      碳原子之所以能夠形成長鏈,有一個重要的原因就是碳原子可以形成雙鍵甚至是三鍵,我們可以簡單地理解為,碳原子可以同時伸出兩只手或者三只手去拉住對方。

      而在地球上的自然環境中,硅原子卻很難形成雙鍵,因此硅原子形成的長鏈結構就極容易斷裂,如此一來,也就無法形成以“手拉著手”的硅原子為“骨架”的復雜化合物了。

      除此之外,氧和硅的結合能力又相對很強,這就導致了硅的化學反應強烈傾向于生成二氧化硅和硅酸鹽,并在這些物質內部形成一種被稱為“硅氧四面體”的結構(如下圖所示)。

      在地球上的自然環境中,二氧化硅和硅酸鹽一旦生成就非常穩定,極難與其他物質發生化學反應,所以雖然地球上的硅比碳多得多,但是它們只是以無機物的形式大量存在,比如說地球上很多巖石(如花崗巖)的主要成分都是硅酸鹽,而我們常見的沙子的主要成分則是二氧化硅。

      正是因為上述原因,地球才選擇了碳基生命,而不是硅基生命。當然了,地球上沒有硅基生命并不能說明宇宙中就不可能存在硅基生命,從理論上來講,在特定的自然環境中,硅基生命是有可能存在的。如果真是這樣的話,那硅基生命長什么樣呢?我們接著看。

      在壓強足夠高的條件下,硅原子也是可以形成雙鍵的,而在低溫的環境中,硅與非氧元素形成的化合物可以保持穩定,除此之外,我們還要排除氧和硅的結合問題,因此在高壓、低溫并且缺氧的強還原性環境中,就可能形成以“手拉著手”的硅原子為“骨架”的復雜化合物,進而演化出生命。

      這樣的條件可以出現在那些低溫的星球上,在低溫的條件下,氫、氦、氮、甲烷等等物質都能夠以液態存在,而如果這些液體足夠多,就可以形成巨大的海洋,在這些海洋的底部,就形成了高壓、低溫并且缺氧的強還原性環境。

      不過由于低溫下的化學反應通常都不夠活潑,不足以支持高級生命體的活動,因此就算在這種條件下存在硅基生命,它們也應該只是一些簡單的硅基微生物。

      另一方面來講,由于氧和硅的結合能力很強,因此如果用氧原子來“搭橋”的話,就可以形成“Si-O-Si-O-Si……”這樣的長鏈結構,而足夠高的溫度則可以讓“硅氧鏈”避免出現上述的“硅氧四面體”結構,進而使得“硅氧鏈”出現這樣的情況:

      這就相當于硅原子就有了“空閑”的手來拉著其他的元素,在此基礎上,如果再加上高壓,就可能會形成復雜度和多樣性都足夠高的化合物,進而為演化出生命提供了物質基礎。

      在宇宙中,如果一顆擁有巖石表面的行星的質量足夠大、大氣層足夠厚、距離其主恒星足夠近,其星球表面就可以存在高溫高壓的環境,也就是說,在這樣的星球上就有可能存在復雜的硅基生命。

      實際上,早在19世紀末,就有科學家提出高溫環境中可能會存在硅基生命,在隨后的日子里,這種猜測得到了一定程度的認同,根據人們的設想,這樣的硅基生命看上去就像是某種晶體,擁有透明或半透明的外觀。

      (↑科幻作品中的硅基生命)

      當然了,以上所述的硅基生命都只是理論上的推測而已,實際上,除了地球上的碳基生命以外,我們從未在宇宙中發現過任何形式的生命,總而言之,宇宙中還有太多的奧秘等待著我們去探索。


      好了,今天我們就先講到這里,歡迎大家關注我們,我們下次再見。

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