科幻小說中的硅基生命，就要實(shí)現(xiàn)了嗎？
李研 | 撰文
陳曉雪｜編輯
“無論大腦是由碳還是硅構(gòu)成，如果它的復(fù)雜性能夠使其表現(xiàn)出有意識(shí)的跡象，那么同時(shí)也就賦予了它主觀的內(nèi)在生命?！?/span>
Whether a brain is made of carbon or silicon, the complexity that would enable it to give the outward signs of consciousness also endows it with a subjective inner life.
人類利用含硅材料的歷史源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，古埃及人用石英砂制作晶瑩剔透的玻璃，中國(guó)人以陶土燒制精美瓷器，先民留下的智慧結(jié)晶見證了人類與硅的不解之緣。然而，由于硅的提純非常困難，硅元素的發(fā)現(xiàn)之路充滿坎坷。直到1823年，瑞典化學(xué)家貝采利烏斯把氟硅酸鉀與鉀一同加熱，并巧妙地用水去除雜質(zhì)硅化鉀，才首次獲得較高純度的硅，而此時(shí)，銥、鉑、銠等稀貴金屬元素都已經(jīng)被人類發(fā)現(xiàn)了。
高純度的硅帶有銀色的光澤，這讓貝采利烏斯誤以為硅是一種金屬，于是他根據(jù)拉丁語(yǔ)的法則造出了silicium一詞為硅命名，其中 -ium通常是金屬元素才有的詞根。后來，人們認(rèn)識(shí)到硅的物理化學(xué)特性更接近于碳元素，并不屬于金屬，就去掉了-ium的字根，改用了英國(guó)礦物學(xué)家托馬斯·湯姆森提出的silicon一詞。
高純度的硅材料（硅含量>99%）。2024年，包括諾獎(jiǎng)得主、中美歐科學(xué)院院士和杰出青年學(xué)者等在內(nèi)的全球50位材料領(lǐng)域領(lǐng)軍科學(xué)家，受Matter期刊邀請(qǐng)投票選出了他們認(rèn)為最重要的50種材料。值得注意的是，這些提名中，硅（Silicon）幾乎無一例外地被列為重要材料。圖源：http://www.sinosilica.com/c/c/29.html
縱觀地球上的生命形態(tài)，從微小的細(xì)菌到龐大的藍(lán)鯨，所有生命體中的關(guān)鍵分子——包括核酸、蛋白質(zhì)和脂類——都是以碳原子為基本骨架構(gòu)建而成。
硅與碳在元素周期表中同屬第14族，應(yīng)具有相似的物理化學(xué)性質(zhì)。而且，硅元素在地殼中的豐度顯著高于碳元素（后者僅占地殼質(zhì)量的約0.04%）。這引發(fā)了一個(gè)自然而然的疑問：為什么地球生命沒有選擇硅元素？硅基生命有可能存在嗎？
早在1891年，德國(guó)波茨坦大學(xué)的天體物理學(xué)家儒略·申納爾（Julius Scheiner）在一篇論文中便首次提出硅基生命的概念。隨后，英國(guó)化學(xué)家詹姆斯·艾默生·雷諾茲（James Emerson Reynolds）在1893年的科學(xué)演講中進(jìn)一步發(fā)展了這一理論。他特別指出，硅化合物優(yōu)異的熱穩(wěn)定性可能使硅基生命能夠在高溫環(huán)境下生存。
這些假說激發(fā)了科幻作家的創(chuàng)作靈感，硅基生命隨之成為科幻文學(xué)中的經(jīng)典主題。
在眾多作品中，1934年斯坦利·溫博姆（Stanley G. Weinbaum）發(fā)表的《火星奧德賽》堪稱里程碑之作。小說中描繪了一種名為Tweel的奇特火星生物，它們以硅為主要構(gòu)成元素，擁有長(zhǎng)達(dá)50萬(wàn)年的驚人壽命。特別是，作者為這種生物設(shè)計(jì)了一個(gè)極具想象力的新陳代謝模式：每隔十分鐘，Tweel就會(huì)排泄出一個(gè)磚塊。這個(gè)看似怪誕的設(shè)定蘊(yùn)含基于元素化學(xué)知識(shí)的合理推想：既然碳基生命（如人類）的新陳代謝產(chǎn)物是氣態(tài)的二氧化碳，那么以硅為基礎(chǔ)的生命體，其代謝產(chǎn)物就很可能是固態(tài)的二氧化硅。
《火星奧德賽》（A Martian Odyssey） 封面 圖源：https://csfaf.0gsf.com/wiki/doku.php/科幻話題：硅基生命
然而，隨著現(xiàn)代化學(xué)研究的深入，科學(xué)家們逐漸意識(shí)到，早期關(guān)于硅基生命的設(shè)想可能過于理想化。硅元素在化學(xué)性質(zhì)上的局限性，使其難以勝任生命基礎(chǔ)元素的重要角色。
生命本質(zhì)上是一個(gè)精妙的化學(xué)系統(tǒng)，需要在分子穩(wěn)定性和反應(yīng)活性之間保持微妙的平衡。雖然硅原子與碳原子一樣擁有四個(gè)價(jià)電子，理論上都能形成四個(gè)共價(jià)鍵，但由于硅原子比碳原子多出一個(gè)電子層，導(dǎo)致其對(duì)最外層電子的控制力顯著減弱。這種電子結(jié)構(gòu)的差異使得Si-Si鍵的鍵能遠(yuǎn)低于C-C鍵，由硅原子形成的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，特別是在水溶液中極易分解，而水正是地球孕育碳基生命的搖籃。不僅如此，硅原子也難以像碳原子那樣形成穩(wěn)定的雙鍵和三鍵結(jié)構(gòu)。這些都嚴(yán)重限制了硅化合物的多樣性和復(fù)雜性。
長(zhǎng)鏈硅烷與碳烴之間的鍵能對(duì)比。圖源：參考文獻(xiàn)9
另一方面，硅與氧的結(jié)合又走向了另一個(gè)極端：Si-O鍵異常牢固（鍵能高達(dá)452 kJ/mol），這使得二氧化硅成為一種高度穩(wěn)定的固體物質(zhì)，難以像氣態(tài)的二氧化碳那樣參與生物體的新陳代謝循環(huán)。因此，盡管科幻作品中描繪的"呼出磚塊或沙子的生物"極具想象力，但從化學(xué)角度分析，這種生命形式在現(xiàn)實(shí)中存在的可能性微乎其微。
如果我們把目光投向地球之外，在星際空間中是否存在以硅為基礎(chǔ)的生命形式？這個(gè)問題至今仍未有定論。然而，現(xiàn)有的天文觀測(cè)數(shù)據(jù)似乎也不支持這一假說。迄今為止，除了普遍存在的二氧化硅和硅酸鹽等簡(jiǎn)單化合物外，天文學(xué)家尚未在宇宙中發(fā)現(xiàn)任何復(fù)雜或高級(jí)的硅基分子結(jié)構(gòu)。
相比之下，碳基有機(jī)分子在宇宙中的存在卻得到了廣泛證實(shí)。通過光譜分析和隕石研究，科學(xué)家們已經(jīng)在星際介質(zhì)和彗星上檢測(cè)到多種含碳有機(jī)分子，其中甚至包括構(gòu)成生命基礎(chǔ)的氨基酸。這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步印證了碳元素在生命起源中的獨(dú)特地位。
2019年AMD公司Ryzen5-3600處理器芯片（未封裝狀態(tài)）參考文獻(xiàn)：11
2025年春節(jié)晚會(huì)，機(jī)器人表演扭秧歌
作者簡(jiǎn)介：
李研，化學(xué)博士，賽先生專欄作家。目前擔(dān)任細(xì)胞出版社(Cell Press)旗下Cell Reports Physical Science 和 Matter期刊的科學(xué)編輯。
1.硅：Wikipedia
2.J?ns Jacob Berzelius: wikipedia
3.硅基文明終將統(tǒng)治地球，是一切宇宙文明的必由之路？https://www.sohu.com/a/744083500_121312637
4.硅基生物: wikipedia
5.《奇妙的材料》，【日】佐藤健太郎著，陳廣琪譯，北京時(shí)代華文書局
6.Julius Scheiner: Wikipedia
7.https://www.meisterdrucke.us/fine-art-prints/Unbekannt/1010336/James-Emerson-Reynolds.html
8.Can Two Elements Be Equally Reactive? https://pcbpedia.home.blog/2019/09/01/can-two-elements-be-equally-reactive/
9.Why is All Life Carbon Based, Not Silicon? Three Startling Reasons! https://www.youtube.com/watch?v=kAFC4RY1cKQ
10.晶體管：Wikipedia
11.集成電路：Wikipedia
12.Medium: The AI-Driven Universe a Blink of the Eye Away
