硅基生命的不稳定性

1.基本描述

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除硅基生命。

虽然从生物学的角度来看,找到硅基生命的可能性微乎其微。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·魏斯鲍姆的《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石头,这正是魏斯鲍姆对硅基生命面临的一个重大问题的回答。在这篇论文中观察到的一位科学家观察到:

“那些砖块和石头是它的废物...我们是碳做的,我们的废物是二氧化碳,这个东西是硅做的,它的废物是二氧化硅——二氧化硅。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

一个很大的缺点就是硅和氧的结合力很强。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。处理这样的固体物质会给硅基生命的呼吸过程带来很大的挑战。二氧化硅是一种原子化合物,难溶于水和其他液体。这是一个巨大的分子。

事实上,如果有硅基生命的星球上有氟化氢,它们完全可以吸入这种气体,与二氧化硅反应,呼出四氟化硅(气体)排出水,硅基植物通过“光合作用”吸入四氟化硅,水和光反应生成氟化氢,再排回大气,产生“硅淀粉”。但是硅基植物的“光合作用”就不详细讨论了。

二氧化硅到气态四氟化硅的反应方程式如下:

二氧化硅(硫)+ 4 HF(水)→ SiF4(克)+ 2H2O(升)

生成的SiF4可以继续与过量的HF反应生成氟硅酸;

SiF4(g)+2HF(aq)=H2[SiF6](aq),6HF+SiO2=H2SiF6+2H2O氟硅酸是一种二元强酸。氟硅酸的酸性比硫酸强,受热分解时会释放出有毒的氟化物气体。它有很强的腐蚀性。

有人认为二氧化硅不溶于水,这是错误的。粉末形式的二氧化硅可以与水反应生成原硅酸。二氧化硅在催化剂的作用下也能与水反应。H2O+二氧化硅=H2SiO3(硅酸)2H2O+二氧化硅=H4SiO4(当水过量时,生成原硅酸。)

氟化氢对硅基生物和硅基生命有毒,能破坏硅化物。氟化氢也叫氢氟酸。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),但对塑料、石蜡、铅、金、铂无腐蚀作用。氢氧化钠可以与二氧化硅反应生成硅酸钠。硅酸钠易溶于水。硅基生命可以将硅酸钠排除在身体之外。

氟化氢对硅基生命的皮肤有强烈的刺激性和腐蚀性。氢氟酸中的氢离子能使硅基活组织脱水腐蚀,氟是最活跃的非金属元素之一。皮肤与氢氟酸接触后,氟离子不断游离渗透到深层组织,溶解细胞膜,导致表皮、真皮、皮下组织甚至肌肉层液化坏死。氟离子还会干扰烯醇酶的活性,抑制皮肤细胞的摄氧能力。

硅基生命可能会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。地球上有一种生物就是硫细菌。这种生物能在稀硫酸中生存,最适生长pH范围为pH 2 ~ 3。大部分有机物容易被硫酸破坏,硫细菌可以产生一种催化剂,防止自身被硫酸破坏。硅基生物也能产生一种催化剂,防止自己被氟化氢破坏。

硅基生命可以呼吸二氧化碳和二氧化硫。化学方程式:(甲基硅烷与二氧化硫的反应)2 Si h3ch 3+7so 2 = 2 CO2+2 SiO 2+7s+H2O(四甲基硅烷与二氧化硫的反应)Si(CH4)+9SO2=4CO2+SiO2+9S+H2O。

因为硅-硅单键(Si-Si)不稳定,所以乙硅烷(SiH3-SiH3)不稳定。乙硅烷(SiH3-SiH3)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SiH4、SinHm和H2,光照下也会分解。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。有机硅高得分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。也被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。

有人认为硅不能像碳一样产生很多左旋和右旋的化合物,这是错误的。硅酮可以产生许多像碳一样的左旋和右旋化合物。硅酮是含有Si-C键的化合物,并且至少一个有机基团与硅原子直接相连。

或许在未来的某一天,硅基生命会取代碳基生命成为宇宙中新进化的生命形式。但它一定离我们很远。

3.硅基生命的解决方案和媒介

此外,水是蛋白质中所有生命的必要溶液和介质。有没有其他化合物可以代替水?是啊!那是氨。由于氨在冰点以下仍然是液态,一些科幻作家推测,在一些寒冷的巨型气态行星表面下可能存在由氨构成的海洋,海洋中充满了以氨为介质的生命形式。以上都只是个别的,零星的想法。真正对问题做出全面考察和系统分析的,是著名生物化学家阿西莫夫写的一篇文章《不是我们所知道的》。在这篇论文中,他提出了六种生命形式:一是以氟化硅酮为介质的氟化硅酮生物;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,在一些高温星球上可能存在生命形式。此外,那些曾经生活在地球硫矿中的厌氧古菌,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。

4.硅基生命和碳基生命以外的生命形式

(4.1)中子星

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。有作家设想,在一些极寒星球上,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,神经信号是通过无线电波传递的——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!

4.硅基生命和碳基生命以外的生命形式

(4.2)金属细胞和金属生命体

就在科幻作家构思“硅基生命”的时候,实验室里的“金属细胞”已经有了生命的迹象,并初步呈现出进化的趋势。与碳的价键有机物不同,这种“无机生命”是基于金属钨的杂多酸阴离子——第6族元素可以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合成巨大的结构,如下面的车轮形状{Mo176}。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。通过将一些氧化分子连接到光敏染料上,它们可以灌输细胞进行光合作用。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,以建立质子梯度。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。”