硅基生命详细数据收集
从物质构成来看，地球上所有的生物都是由基本相似的物质构成的——基本由碳、氢、氧、氮、磷、硫、钙等元素构成。这些元素相互结合形成小分子，如氨基酸、核苷酸和葡萄糖。这些小分子以特殊的方式相互结合，形成蛋白质、核酸、多糖和脂质等生物大分子。这些分子成为构建生命的基本“砖块”。因为组成这些生命的重要生物大分子都是以碳骨架为基础的，所以研究人员将这样的生命称为“碳基生命”。
硅基生命也可以这样定义:主要由含硅和硅化合物的物质组成的生命。
基本介绍中文名:硅基生命mbth:硅基生命成分:主要含硅和硅化合物的材料人士:朱利叶斯·施瑙尔(德国科学家)？提交日期:1891年？演讲地点:德国早期思维，质疑硅基生命，硅元素存在的问题，转向其他元素，思维推断，1。基本描述，2。硅基生命的化学反应，3。硅基生命的解决方案和介质，生命形式的早期总结，化学层面上非碳基生命研究中的问题，硅基生命的广义解释，硅基生命和碳基生命以外的生命形式。1.硼基生命，2。科幻作品，3。金属细胞和金属生命形式。末，早期认为硅基生命是碳基生命以外的生命形式，这个概念早在19世纪就出现了。1891年，波茨坦大学天体物理学家朱利叶斯·谢纳(Julius Sheiner)在他的文章中讨论了基于硅的生命的可能性。他可能是第一个提到硅基生命的人。英国化学家詹姆斯·爱默生·雷诺兹接受了这个概念。1893年，他在英国科学促进会的一次演讲中指出，硅化合物的热稳定性使得基于它的生命能够在高温下生存。30年后，英国遗传学家约翰·布尔登·桑德森·霍尔丹提出，基于半熔融硅酸盐的生命可能在一颗行星的深处被发现，铁的氧化为它们提供了能量。因为它在宇宙中分布很广，而且在元素周期表中刚好在碳的下面，所以和碳的很多基本性质很相似。例如，正如碳可以与四个氢原子结合形成甲烷(CH 4)，硅也可以形成硅烷(SiH 4)，硅酸盐是碳酸盐的类似物，三氯硅烷(HSiCl 3)是氯仿(CHCl 3)的类似物，等等。此外，这两种元素可以形成长链，或聚合物，其中它们可以与氧交替排列。最简单的情况，碳氧链形成聚缩醛，常用于合成纤维，而硅氧形成的骨架产生聚硅氧烷。所以乍一看，硅作为生命的碳替代品确实是一种很有前途的元素，可能会出现一些特殊的生命形式，可能是由类似于硅的物质组成。硅基动物很可能看起来像一些活跃的晶体，就像迪金森和斯凯勒画的一幅想象的图画——一只硅基动物在硅基植物中漫游。这种生物的结构部分可能是由类似玻璃纤维的丝线串在一起，中间连接着肌肉块，形成一种灵活、精致甚至薄而透明的结构。然而，硅真的能不负众望，成为生命的核心元素吗？质疑硅基生命硅(1)的问题和很多人想的不一样。硅的连接能力相当差:不像高原子序数的碳氢化合物，硅烷硅的数目只能达到8，而且不稳定。(2)硅烷及其衍生物热稳定性差，易缩合。这无疑与硅基生命所要求的高温环境相违背。(3)与碳氢键和碳碳键不同，硅氢键和硅硅键容易被各种质子溶剂完全破坏。这意味着普通溶剂如水、氨甚至氟化氢都不能作为硅基生命的载体。(4)在宇宙中，人们只发现了二氧化硅和硅酸盐，从未发现硅烷和硅酮。当天文学家在宇宙中寻找生命的可能性时，他们在彗星和陨石上发现了碳的高级化合物，但没有发现硅的高级化合物:甲烷在太阳系中无处不在，也可以在星际物质和星云中找到。星际物质中也可以发现甲基乙炔、氰戊炔等复杂分子，甚至在陨石上也发现了氨基酸。退一步说，即使在行星形成之后，也没有硅烷形成的行星化学途径。也就是说，星际物质中不仅没有硅烷，甚至通过行星后续的化学过程也无法形成硅烷。(5)碳在地球生物呼吸过程中被氧化时，会形成二氧化碳气体，二氧化碳气体相对惰性，容易产生并从生物体内清除。然而，合格的无机气态硅化合物并不存在。容易生成的二氧化硅是固体，因为刚形成的时候会形成晶格，使得每个硅原子被四个氧原子包围，而不是像二氧化碳一样每个分子都是独立自由的。这种固体物质的处置会给硅基生命的呼吸过程和植物的光合作用带来巨大的挑战。但也有人质疑，造物主在创造这种生物系统时，可以“创新”他们的能量收集方式:这种生物同时“吃掉”两种(或更多)产生能量所需的物质，并分别储存在体内。这两种(或更多)物质可能根本不是气体。含硅化合物的废物产生后，还可以利用浓磷酸(或能与二氧化硅反应生成液体或气体的物质)组成的“血液”和化学性质特别稳定的血管形成内循环系统，虽然这种循环系统不是硅基的。似乎没有呼吸系统的生命也是可能的，对于碳基生命也是可行的，但显然这种形式是低效的，因为地球上的碳基生命选择了这种呼吸形式来适应地球的自然。(6)氧化问题的另一面是如何利用能量。碳基生命用碳水化合物储存能量，硅基生命也可以用类似的化合物储存能量，但是如何利用这些能量比较困难。碳基生命利用左旋或右旋大分子——酶来控制碳水化合物，而硅很难形成这样的大分子。有些人认为硅可能无法像碳一样产生许多左旋和右旋的化合物。只要是一种生命形式，就必须从外界环境中收集、储存和利用能量。在碳基生物中，储存能量的最基本化合物是碳水化合物。在碳水化合物中，碳原子通过单键连接成链，由酶控制的碳水化合物的一系列氧化步骤会释放能量，废物会产生水和二氧化碳。这些酶是大而复杂的分子，根据它们的形状和左旋和右旋来催化特定的反应。在这里，左旋和右旋分子是由分子中所含碳的手性引起的，碳基生物中的大多数物质都表现出这一特征，这使得酶能够识别和调节碳基生物中大量不同的代谢过程。然而，与碳不同，硅不能产生许多具有左右手特征的化合物(主要是由于复杂的硅烷衍生物稳定性低，导致硅难以形成碳氢衍生物的复制品)，从而难以成为生命所需的大量互联链式反应的支持元素。即不能像碳基生命一样识别和调节碳基生物体内大量不同的代谢过程，释放储存的能量。(7)遗传是另一个难题。碳形成的基因链在水中非常稳定，使得碳基生物充满其中。而硅形成的基因链在水中非常不稳定，这就决定了硅基生物无法用水来充实自己的身体，其他液体如铁水、熔融玻璃等也很难维持其基因链的稳定。转向其他元素的早期研究人员的高期望，更多的是由于当时人类对硅的性质认识的客观局限性，但如果我们仍然认为像今天的古人一样存在硅基生命的可能性很大，那就太可笑了。相比硅，或许我们应该把更多的希望寄托在硼和磷上，但也不要太沮丧。硅有很多问题，不代表非碳基生命不可能，因为硅其实并不是碳以外的最优解:事实上硼和磷各自都有比硅更复杂的氢化物体系，它们的连接能力也比硅更强:硼烷的硼数和磷化氢的磷数最多已经超过20；硼烷膦衍生物也比硅烷衍生物更复杂和稳定；而且宇宙中已经发现了磷烷，硼烷可以通过行星化学过程生成。事实上，在今天的无机化学中，它们的地位确实比硅重要得多。他们无疑是非碳基生命更强有力的竞争者。思维推理1。基本描述虽然从化学角度来看，硅基生命诞生的希望非常渺茫。但是硅基生命在科幻小说中非常兴盛，科幻作家的很多描述都会提出很多关于硅基生命的有益想法。在斯坦利·魏***奥姆的《火星漫游记》中，生命体的年龄是1万岁，每十分钟就会沉积一块砖，这正是韦斯鲍姆对硅基生命面临的一个重大问题的回答。一位观察过它的科学家说:“那些砖块是它的废物...但硅石是固体，所以是砖石。这样，它就覆盖了自己，当它被覆盖时，它就移动到一个新的地方重新开始。”2.硅基生命的化学反应硅元素的一大缺陷是与氧的结合力强。碳在地球生物呼吸过程中被氧化时，会形成二氧化碳气体，这是一种很容易从生物体内清除的废物；但是硅的氧化会形成固体，因为二氧化硅刚形成的时候会形成晶格，使得每个硅原子都被四个氧原子包围，而不是像二氧化碳一样每个分子都是独立自由的。这种固体物质的处置会给硅基生命的呼吸过程带来巨大的挑战。二氧化硅是原子晶体，难溶于水和其他液体。这是一个巨大的分子。有些人误以为二氧化硅在一定条件下能与水发生反应，所以很容易排出。尽管粉末形式的二氧化硅可以与水反应生成原硅酸；并且在催化剂的作用下，二氧化硅还能与水反应:H 2 O+SiO 2 → H 2 SiO 3(偏硅酸)H2O+SiO2 → H4 SiO4(水过量生成正硅酸)，但由于正硅酸和偏硅酸都是固体，所以不能解决问题。但也有人认为硅基生命可能会用氢氧化钠处理二氧化硅:氢氧化钠可以和二氧化硅一样。硅酸钠易溶于水。硅基生命可以将硅酸钠排除在身体之外。有人认为硅基生命也可以用氟化氢处理二氧化硅。氟化氢和二氧化硅反应后，硅基生命可以呼出四氟化硅(气体)，排出水，硅基植物可以通过“光合作用”吸收四氟化硅、水和光，生成氟化氢，通过一系列反应将其排回大气，生成“硅淀粉”。但是硅基植物的“光合作用”却没有被详细讨论。二氧化硅生成气态四氟化硅的反应方程式如下:SiF2 (s)+4 HF (AQ) → SiF 4 (g)+2H2O (L)可继续与过量HF反应生成氟硅酸:SiF 4 (g)+2HF(aq) → H 2 [SiF 6 ](aq)总反应:氟硅酸的酸性比硫酸强，受热分解时释放出有毒的氟化物气体。霍塔:《星际迷航》中的硅基生命:有人担心氟化氢对硅基生命有毒，能破坏硅化物——无水氟化氢及其水溶液腐蚀性极强，能强烈腐蚀含硅物体。与硅和硅化合物反应生成气态四氟化硅(能腐蚀玻璃)。基于此，他们推测氟化氢对硅基生命的皮肤会有强烈的腐蚀性和腐蚀性:氢氟酸中的氢离子会脱水腐蚀硅基生命组织，而硅是嗜氟的。推测硅基活体皮肤与氢氟酸接触后，氟离子不断解离，渗透到深层组织，溶解细胞膜，导致表皮、真皮、皮下组织甚至肌肉层液化坏死。然而，有人指出硅基生命可能使用一种特殊的催化剂来消除氟化氢的毒性。这种催化剂只允许氟化氢与二氧化硅反应。其实地球上有一种硫细菌，可以在稀硫酸中生存，最适生长pH范围是pH 2 ~ 3。大多数有机物很容易被硫酸破坏，但硫细菌可以产生一种催化剂，防止自身被硫酸破坏。他们推测硅基生物也可能产生一种催化剂来防止自己被氟化氢破坏。有人认为硅基生命可以呼吸二氧化碳和二氧化硫。化学方程式:甲基硅氧烷与二氧化硫的反应:2 si h3ch 3+7so 2→2 CO2+2 SiO 2+7s+6h2o；四甲基硅烷与二氧化硫的反应:si(CH3)4+8so 2→4 CO2+SiO 2+8s+6h2o；因为硅和硅之间的单键(Si-Si)是不稳定的，所以硅就是硅。硅酮(SiH 3 -SiH 3)比烷烃更不稳定。低温时缓慢分解为硅烷和氢气，300 ~ 500℃时分解为SiH 4、Si n H m和H 2，光照下也分解。硅只能形成杂链高分子化合物。除了硅原子，硅基杂链聚合物的主链还含有其他元素，如碳、氧、氮、硫、铝和硼。有机硅聚合物的主链(或骨架)是由硅和氧交替组成的聚合物。也称为聚硅氧烷或聚硅氧烷。由于硅只能形成杂链高分子化合物，硅基生命产生的代谢物、废物、氧化物非常复杂，这意味着硅基生命需要更多的酶作为催化剂。每种酶的长度约为50nm，细胞体积太小，容纳不下足够的酶。硅基生物的细胞比碳基生物的细胞大。如果细胞越大，它的相对表面积就越小。细胞的相对表面积越小，物质进入细胞膜的速度就越小。所以硅基生物的新陈代谢比碳基生物慢。3.硅基生命溶液和介质水是蛋白质中所有生命必需的溶液和介质。而硅-硅键和硅-氢键在质子溶剂中的不稳定性导致水不能作为硅基生命的介质。虽然这不会排除硅基生命的可能，但是一个有大量液态水的星球肯定会排斥硅基生命。氨也是质子溶剂，不适合这项工作。所以硅基的生命不可能是氨基的。所以硅基生命只能在非质子溶剂中诞生。生命形式的早期总结用硅、硼或磷代替碳；用氨、氟化氢或硫化氢代替水；用砷酸代替磷酸；用硫代替氧只是个别的、零星的想法。真正对问题做出全面考察和系统分析的，是著名生物化学家、科幻小说家、科普作家阿西莫夫的一篇文章《不是我们所知道的》。在这篇论文中，他提出了六种生命形式:
1.以氟化硅酮为介质的氟化硅酮有机物；
二是以硫为介质的硫氟生物；
3.以水为介质的核酸/蛋白质(氧基)生物；
4.由氨介导的核酸/蛋白质(氮基)生物；
5.以甲烷为介质的脂质生物学；
6.以氢气为介质的脂质生物学。
第三个是我们熟悉的生活——也是我们唯一知道的生活。至于第一项和第二项，高温星球上有一些可能的生命形式，第一项是他认为可能出现的硅基生命。另外，那些地球上出现过的生活在硫矿中的厌氧古菌，很可能是以硫为生命介质的；第四至第六项是一些寒冷星球上可能存在的生物形态。化学层面的非碳基生命研究中存在的问题有人指出，化学层面的非碳基生命研究，包括硅基生命的研究，长期以来缺乏来自无机化学领域的声音，但不绕开无机化学，是不可能在化学层面研究非碳基生命的。有机化学家和生物化学家缺乏无机化学知识，也导致他们对非碳基生命做出了错误的判断——碳基下的硅基生命存在很多问题，所以生命一定是碳基的。然而，由于其自身的缺点，硅具有有限的有机物拷贝。然而，其他一些元素在无机化学中占据了比远硅更重要的地位:被大多数科幻作家忽略的硼，确实存在综合强度与碳相当的氢化物体系；虽然今天占据无机化学半壁江山的羰基金属团簇所代表的金属团簇的规模还比不上有机化学，但也具有远超有机物的深刻性和可变性；甚至硅右边磷的氢化物系统也比硅的复杂...这些结构和成键模式与有机物不同，甚至完全不同的分子可能更有可能在化学层面上形成非碳基生命。硅基生命的广义解释是可以预测的。人工智能通过自然进化在进化链中寻找硅基生命的可能性非常小。然而，20世纪发展起来的以硅为主要半导体元件的计算机技术，以及随之而来的人工智能和来势汹汹的网络技术，使得这种“硅基生命”与计算机人工智能的结合有了突破性的进展。硅基生命和碳基生命以外的生命形式1。硼基生命在合成了一系列硅烷之后，又成功合成了多种硼烷。于是，有人把目光投向了这种位于碳左侧的元素:硼的原子半径比硅小，连接能力比硅强得多——硼是唯一一种与碳一样具有无限延伸自身能力而氢化物系列稳定性不受原子数限制的元素；同时，硼也比碳具有更丰富的成键多样性；硼烷的衍生物种类繁多，复杂的硼烷及其衍生物的稳定性也相当可观。有人推测硼也可能被用作生命的骨架。(详见词条“硼基寿命”。)推测以氟化氢为溶剂，硫或多硫化物为氧化剂的海洋中可能诞生硼系生命。碳硼烷和基于二十面体结构的碳硼烷，类似于嘌呤和嘧啶，是遗传信息载体的核心部分。氮配位的硼硼酸相当于氨基酸，其中氨基NH 2 C对应的RNH 2 B和羧基COOH对应的B(OH) 2可以脱水重新分布，产生类似蛋白质的聚合物，以类似肽键的B(-NHR-B)2-CO-NH-C为连接中心。2.科幻作品然而，科幻作家仍然不满足于生活的多样性。他们在各自的作品中充分发挥自己的想象力，为我们创造了一些更加不可思议的生活世界，但细想之下似乎并不合理。一些作家设想，在一些极冷的星球上，可能存在以液氦为基础，通过超导电流连接的生命形式；其他作家认为，即使在寒冷黑暗的太空深处，也可能存在一些由星际气体和尘埃组成的高级智慧生物，它们通过无线电波传递神经信号——霍尔的科幻小说就是这方面的代表作；一些想象力更丰富的作家甚至认为，外星生命可能根本不需要化学基础，它们可能只是纯粹的能量生命形式，比如一束电波。
最有趣的是著名科幻作家福沃德写的龙蛋。这部构思巧妙的作品描述了中子星表面的生命。这颗中子星直径只有20公里，但其表面重力是地球的670亿倍，磁场是地球的1万亿倍，表面温度达到8000多摄氏度。什么生物能在这样的环境下生存？它是由退化的核物质组成的生物。所谓“简并”是指原子外的电子被挤压到原子核内，所以所有原子都可以非常紧密地在一起，形成超致密物质。中子星上的生物高约半毫米，直径半厘米，但重达70公斤。这是因为它们是由简并物质组成的。再加上它们的新陈代谢是基于核反应而不是化学反应，所以所有变化(包括生老病死和思维)的速率都比人类快1万倍！3.金属细胞和金属生命体当科幻作家构思“硅基生命”时，实验室里的“金属细胞”已经有了生命迹象，并初步呈现出进化趋势。与碳的价键有机物不同，这种“无机生命”是基于金属钨-第6族元素的杂多酸阴离子能与氧配位形成多面体(姑且理解为酸根)，然后利用氧原子脱水缩聚成巨大的结构，如车轮状的na 15 Fe 3 co 16[mo 178]。这些巨大的阴离子可以继续浓缩并包含其他含氧酸，然后在强酸溶液中自组织成气泡状结构，就像活细胞一样——这可能意味着我们的生物学只是生命科学的一小部分。克罗宁和他的同事通过从大分子金属氧化物中提取负离子来形成盐溶液，从而结合了一些较小的氢或钠正离子。将这种盐溶液注入另一种含有负电荷较大的有机离子的溶液中，可以抑制负电荷较小的离子的活性。当这两种盐溶液混合时，一些大分子金属氧化物发生交换，从而不再形成较大的有机离子。这种新溶液不溶于水:沉淀的物质就像一个壳，包裹着注射液。克罗宁将这些沉淀物质称为泡沫无机化学细胞(iCHELLs)，并表示它们具有更多特性。通过改变金属氧化物的骨架，iCHELLs具有了天然细胞膜的特性。例如，基于iCHELLs的孔状结构氧化物可以用作多孔膜，根据大小尺度选择性地让化学物质进出细胞，其功能类似于生物细胞膜。这将使细胞膜能够控制一系列化学反应，这是I cells细胞的一个关键特征。同时，研究团队还在泡沫中制作泡沫，建立的隔膜模拟了生物细胞的内部结构。他们可以将一些氧化分子注入iCHELLs细胞，通过连接光敏染料进行光合作用。克罗宁说，早期实验结果形成的细胞膜可以将水分解成氢离子、氢电子和氧分子，这是光合作用的初始状态。克罗宁说，我们可以在细胞膜上泵入质子，以设置质子梯度。这是从光获取能量的关键一步。生物如果能完成这些步骤，就会建立并形成与植物代谢功能相似的自供细胞。这个实验还在早期，目前有一些合成生物学家保留意见。西班牙巴伦西亚大学的曼纽尔·波尔卡(Manuel Polka)说:“目前，克罗宁开发的金属细胞泡沫还不能说具有完整的生命特征，除非这些细胞能够携带类似DNA的物质，能够驱动自我繁殖和进化。”克罗宁回应说，理论上这是可能的。去年，他在实验中表明，通过使用金属氧酸盐作为模板，可以实现自我复制。在7个月的实验中，克罗宁可以大量生产这些金属细胞泡沫，并将其注入装有不同pH值的试管容器中。他希望这种混合的环境能检验他们的生存能力。pH值过低，部分细胞会溶解死亡。如果克罗宁的实验是正确的，也许宇宙中生命的存在范围会更广。日本东京大学的Tadashi Sugawara说:“实验结果表明，生命并不完全基于碳结构，水星的物质结构与地球有很大不同。或许有可能通过无机元素在水星上形成生命。克罗宁的研究开辟了一个新领域。”也许在很远很远的将来的某一天，硅基自我复制的人造机器“硅基生命”会取代我们的碳基生命成为一种新的生命形式，就像《科幻世界》里《沙漠蚯蚓》里的一篇文章说的那样:硅基纳米机器可以直接将光能转化为电能来维持自己的生命活动。是否符合生命的定义值得怀疑。但它一定离我们很远。