【元素家族】矽基生命

2021-01-19 古田化工



通過之前十幾篇的敘述,我們見識了矽元素的神奇,既能用來做太陽能電池板,也可以成為計算機心臟,在我們身邊更是扮演各種角色,從洗髮水到矽橡膠。那麼,我們可以開一下腦洞:有沒有一個世界,完全是由矽元素骨架搭建的呢?甚至包括那裡的生命。


【幻想中的矽基世界,其中有矽基生命。】


是啊,我們已經習慣了由碳骨架組成的各種生命:動物、植物、菌類,就連肉眼不可見的細菌和病毒也是由我們熟悉的幾種物質組成:胺基酸、糖類、脂肪、核酸,這些物質雖然看起來千差萬別,卻有一根共同骨架:碳鏈。因此我們熟悉的生命統稱為:碳基生命。


在元素周期表裡,碳和矽在同一個主族,這意味著它倆的性質有很多接近的地方。比如,碳可以和氫生成甲烷,矽也可以和氫生成矽烷;碳酸鹽和矽酸鹽很類似;碳元素自己就可以形成長碳鏈,而矽元素可以跟氧聯姻,形成更靈活更柔軟的矽氧鏈。那麼有沒有可能存在這樣的生物:用以矽氧鏈為骨架的化學物質組成了身體各成分,與碳基生物對應,這種幻想中的生物被稱為「矽基生命」。


【之前提過的硅藻算不算「矽基生物」?當然不算,二氧化矽只是硅藻的外殼,內部仍然由DNA和蛋白質組成。】


早在1891年,波茨坦大學的天體物理學家儒略*申納爾(Julius Sheiner)就探討過以矽為基礎的生命存在的可能性,他大概是提及矽基生命的第一個人。


這個概念被英國化學家詹姆士*雷諾茲(James Emerson Reynolds)所接受,1893年,他在英國科學促進協會的一次演講中指出,矽化合物的熱穩定性使以其為基礎的生命在高溫下可生存。


英國遺傳學家約翰·波頓·桑德森·霍爾丹(John Burdon Sanderson Haldane)提出在一個行星深處可能發現基於半融化狀態矽酸鹽的生命,而鐵元素的氧化作用則向它們提供能量。


【想像中的矽基生命正在覓食。】


科幻作家永遠是走在科學邊界的最前沿的,斯坦利·維斯鮑姆(Stanley Weisbaum)的《火星奧德賽》(A Martian Odyssey)描述了一種矽基生命:該生命體有一百萬歲,每十分鐘會沉澱下一塊磚石:二氧化矽。


你看多麼有趣,我們人吸收進氧氣,呼出二氧化碳,而矽基生命排出的竟然是二氧化矽。它們的壽命也比我們碳基生命要長得多,從另一面來說,它們的反應速度超級慢,一定慢過樹懶Flash。


【《火星奧德賽》的封面圖。】


科幻、科普泰鬥阿西莫夫先生在一篇文章《並非我們所認識的——論生命的化學性質》中指出宇宙中可能有的六種生物形態:

1、以氟化矽酮為介質的氟化矽酮生物;

2、以硫為介質的碳氟化合物生物;

3、以液態水為介質的核酸/蛋白質(以氧為基礎的)生物;

4、以液氨為介質的核酸/蛋白質(以氮為基礎的)生物;

5、以液態甲烷為介質的類脂化合物生物;

6、以液氫為介質的類脂化合物生物。


【談論科幻,怎麼能少了阿西莫夫?】


這其中,只有第三種是我們熟知的碳基生物。值得注意的是,阿西莫夫將矽基生物放在第一位,其原因有三:


1、矽元素在宇宙中相對豐富,尤其在類地行星上,矽元素和碳元素的質量比為925:1。碳元素都跟著甲烷散逸掉了,矽元素則會跟它的親密愛人:氧牢牢結合在一起。


2、矽元素可以通過矽氧鏈結合成多變的、穩定的、不活潑的有機矽,在浩瀚的宇宙中,可能性意味著必然性。


3、阿西莫夫還特地指出,矽基生物更可能與氟元素結合而獲得誕生生命的機會。因為含氟的矽化合物可以是液態的,這無疑比熔點高的二氧化矽、矽酸鹽要好得多。你可以將矽氧鏈比作碳鏈,而將氟類比碳基生命中的氧或者氫,這樣的生命形態真是難以想像。



【科幻界的泰鬥:阿西莫夫,他的多產讓我們腦洞大開。】


近年來的科幻大片《星際迷航》中也出現過矽基生命:Horta,每過5萬年,所有的Horta就都死去,只剩下一個個體活著照看將會孵化下一代的那些蛋。




【《星際迷航》中矽基生命的模樣。】


看完了老外作家的天馬行空,我們也來看看國內大牛:《三體》作者劉慈欣的想像力。


在作品《山》中,主角馮帆遇到的外星文明這樣自我介紹:「我們是機械生命,肌肉和骨骼由金屬構成,大腦是超高集成度的晶片,電流和磁場就是我們的血液.我們以地核中的放射性巖塊為食物,靠它提供的能量生存。沒有誰製造我們,這一切都是自然進化而來,由最簡單的單細胞機械,由放射性作用下的巖石上偶然形成的PN 結進化而來。我們的原始祖先首先發現和使用的是電磁能,至於你們意義上的火,從來就沒有發現過。」


看到沒?晶片:矽基大腦;巖塊:矽基食物。


【《山》中的矽基生命最早是在類地行星內部誕生的,我們地球內部有沒有矽基生命?】


而大劉另一篇更有名的《鄉村教師》中,則更是將思想發散到深遠的宇宙中,構造了一場碳基生命和矽基生命的宇宙大戰,在這場戰爭中,各種想像中的武器和作戰手段層出不窮: 「蛙跳」時空躍遷、雷射蒸發海洋、引爆超新星、反物質雲屏障、四維掃描、數據鏡像組合、奇點炸彈,令科幻迷們大呼過癮。如果這部小說中的場景能被拍成電影,震撼特效將不亞於《三體》。


由於小說中的宇宙大戰場景以碳基帝國的最高指揮官為主角,幾乎沒有對矽基帝國的直接描述,但從最高指揮官的自說自話中,我們可見一斑:


「戰後,銀河系中最迫切需要重建的是對生命的尊重。這種尊重不僅對碳基生命,也對矽基生命,正是基於這種尊重,碳基聯邦才沒有徹底消滅矽基文明。但矽基帝國並沒有這種對生命的感情,如果說碳矽戰爭之前,戰爭和徵服對於它們還僅僅是一種本能和樂趣的話,現在這種東西已根植於它們的每個基因和每行代碼之中,成為它們生存的終極目的。由於矽基生物對信息的存貯和處理能力大大高於我們,可以預測矽基帝國在第一旋臂頂端的恢復和發展將是神速的,所以我們必須在碳基聯邦和矽基帝國之間建成足夠寬的隔離帶。」




【期待《鄉村教師》拍成電影,絕對完爆好萊塢大片。】


相對而言,西方科幻裡的矽基生命更加實體化,而大劉則按照他的一貫風格,從側面寫意,給讀者無盡的想像空間。


當然這都是人們的幻想,很多科學工作者已經提出相反的意見,說明矽基生命不可能存在。比如:


二氧化矽作為排洩物熔點太高,要麼需要矽基生命在2000度以上高溫生存,要麼它將非常慢、非常遲鈍。


地殼裡的矽有28%,大大高於碳的0.03%,但是最後還是碳基生命誕生出來,沒有矽基生命的影子,憑什麼說宇宙其他地方會相反呢?


當然,人類有幻想的權利,只要符合目前的科學認識,不被科學發現證偽,一切的假設都可以提出來,這本身就是一種科學精神啊!



【變形金剛算是矽基生命嗎?】


回過頭來,細細評味劉慈欣這兩部小說中的矽基生命,它們都是以超高集成度的晶片為大腦,因此信息存貯和處理能力超強。這是不是可以給我們一些啟發,是不是有點似曾相識?


2016年3月發生了一件改變人類思想的事情,谷歌公司開發的一款圍棋人工智慧程序AlphaGO戰勝了人類圍棋頂級選手李世石,在圍棋人工智慧領域,實現了一次史無前例的突破。在這之前,大多數圍棋專業人士認為圍棋中有太多「虛」的成分,人類的感性認識更容易在這些領域取得優勢,AI不太可能攻克這座堡壘。


【賽後,李世石的無奈。】


這意味著什麼?AlphaGO只是一個程序,但卻表現出以矽為基材處理器的超級運算能力,一臺計算機可以安裝多個不同程序,以面對不同問題。儘管我們人類仍然拉出了情感的遮羞布,但在成敗面前都顯得蒼白無力。任何複雜問題都可以分解成若干子問題,在解決問題方面,什麼都比不過計算的準確性。


說不定以後計算機還可以自己編寫程序呢?這是不是意味著它們已經獲得了生命?也許到了那一天,我們發現,矽基生命原來就在我們身邊,而且是我們自己培養起來的。它們由冰冷的矽片變複雜,得到了人類點化,獲得了生命力,便分分鐘超過它們的上帝:人類。它們會不會取代我們成為世界主宰,並將我們打下地獄,永世不得超生?


我們只能希望阿西莫夫的機器人三定律是宇宙真理,其中第一定律:機器人不得傷害人類個體,或者目睹人類個體將遭受危險而袖手不管。


第二定律:機器人必須服從人給予它的命令,當該命令與第零定律或者第一定律衝突時例外。(後來補充的第零定律:機器人必須保護人類的整體利益不受傷害,其它三條定律都是在這一前提下才能成立。)



【矽基的人工智慧AI會是人類的朋友,還是人類的掘墓人?】


相關焦點

  • 碳基生命和矽基生命哪個強?科學家:1個可打10個!你猜誰打誰?
    文/行走天涯碳基生命和矽基生命哪個強?科學家:1個可打10個!你猜誰打誰?倘若問矽基生命和碳基生命哪個更強的話?那麼也許很多人都不了解矽基生命和碳基生命的區別在哪裡?實際上我們人類以及地球上的很多生物都被認為是碳基生命。這是因為地球上絕大多物質的組成部分都離不開碳元素。碳也被認為是地球上最穩定的一種元素,但凡和其他物質生成一種物質結構都是頗為穩定的。至於什麼是矽基生命呢?說明這種生命中最主要的元素組成肯定是矽。一直以來科學家都在宇宙中尋找類地行星,猜測這些星球上如果有生命被孕育出來的話,那麼有極大的可能性和人類非常相似。
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  • 為什麼地球上不存在矽基生命?
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  • 聊聊碳基生命和矽基生命
    而外層電子如果太多,比如氧原子,很有可能氧化性太強,或者惰性太強(如惰性元素);而外層電子太少,或者太活躍的話,比如金屬,又主要呈現還原性,也無法形成複雜的分子。但是另外一個有4個外層電子的非金屬元素,矽,能不能稱為生命的基石呢?繼續往下看。
  • 為什麼地球上不存在矽基生命?原因是什麼
    我們所在星球上的所有生命,都是由碳元素為核心組成的基本有機物,像蛋白質,糖類,脂肪等等。它們中含量最多的雖然是氧,但是碳卻是最重要的元素,沒有碳元素也就不會存在這些生命物質。那麼,這到底是為什麼呢?其實碳元素具有四對核外電子,它可以連結四個元素,就像我們小時候經常玩的積木一樣,可以不斷的累加,擺出各種各樣的形態。由此可以產生更多的物質,也正是由於這個原因,才產生了多種多樣的物種。如果你學過元素周期表,那麼就會知道,相同主族的元素,會很相似,那既然依靠碳元素可以產生相應的物質,在它下面的矽元素是不是也可以呢?
  • 宇宙中可能存在著一種矽基生命,它們的能力比人類強大得多!
    從理論上來講,矽基生命是可以在宇宙中存在的,但是由於矽這種元素的化學特性遠遠比不上我們熟知的碳元素,所以科學家推論矽基生命只能在非常特殊的環境下,以非常特殊的方式存在。有多特殊呢?根據相關理論的推測,如果真有矽基生命存在的話,它們應該生活在高溫的環境裡,它們的身體應該像是亮晶晶玻璃,由於矽的化學反應速度較慢,體現在矽基生命身上就是慢吞吞的動作。最離譜的是矽基生命的呼吸,很可能它們吸入了氧氣,但是呼出的卻是固體的粉末!這樣的生物會比碳基生命高級嗎?顯而易見的,除了能夠適應極端的環境以外,它們根本無法與碳基生命媲美。
  • 地球上全是碳基生命,宇宙中有可能存在矽基生命嗎?
    ,但是可能與我們熟知的生命形式不同,核心元素可能是以碳為主,介質以氨為主,是氨基生物。矽基生命有的科學家認為碳並不一定是生命出現的必要元素,也就是其它的元素同樣也可能為生命的出現提供了契機,比如以矽、硼或磷等,而這些生命被統稱為「非碳基生命」。
  • 地球生命以碳為基礎,為什麼宇宙中不會存在矽基生命?
    「矽基生命」的由來地球上所有生命體的每一個細胞中都離不開碳、氫和氧三種元素外星生物的想像圖1891年,基於矽和碳在化學上的相似性,德國天體物理學家朱利葉斯·席納(Julius Scheiner)率先提出矽在生命元素中替代碳的觀點
  • 矽基生命究竟會以怎樣的生命形態存在?
    在地殼的元素含量中除了氧元素約佔48.6%,矽元素在地殼元素含量也是排在第二位,這也意味著人們可以大量開發和使用矽元素。眾所周知,地球上的生命最重要的組成元素是碳,而碳與矽在元素周期表中同處第四主族,兩種元素之間存在著一些相似的地方。
  • 作為碳基生命的人類如此脆弱,那矽基生命才是超級文明的未來嗎?
    其實,碳基生命的機體中的碳元素含量並不是最高的。俄國化學家門捷列夫發明元素周期表之後,據此預見了一些新的元素,大大加快了人類尋找化學元素的腳步。目前人類已經發現了118種元素。根據元素周期律,元素周期表上相鄰的元素往往具有相似的性質。
  • 宇宙中不止一種生命形態,但存在碳基生命的可能性最高!
    有機物除了以碳為基本骨架以外,主要還包含氫、氧、氮、磷、硫等元素。雖然叫做碳基生物,但並不是碳元素含量最多。地球上的所有生命都是由有機分子構成的,它們都屬於碳基生物。比如脂肪、蛋白質、胺基酸、糖、血紅素、葉綠素、酶、葡萄糖等都屬於有機分子,地球上的生命就是由它們構成的,它們就相當於電子零器件。
  • 為什麼地球上都是碳基生命,科學家探索的矽基生命有沒有可能存在
    地球上生命的形式雖然多種多樣,物種龐雜繁複,但從本質上來說,所有的生命都源於一個共同的基礎,那就是碳元素,也就是說所有的生命都是碳基生命。人類如此,植物動物如此,就連微生物也是如此。為什麼地球上的生命都是炭基生命?
  • 為什麼說矽基生命比碳基生命高級?矽基生命真的存在嗎?
    地球上擁有許許多多的生命,無論是植物、動物還是微生物,它們都有一個共同的特徵——構成其生命的基礎是碳元素。所以,這些生命又被稱為碳基生命!根據元素周期表的排序來看,碳元素是唯二能夠形成四個化學鍵的元素,這就造成了碳元素形成的化合物具有其它元素所不能比擬的多樣性!而地球上的所有生命就是通過碳元素為根基,搭建出了一個個迥異的生命。
  • 地球是碳基生命的天堂,而宇宙更適合矽基生命,矽基生命什麼樣?
    地球上所有的生命形式都是碳基的,這是為什麼呢?因為構成生物的基礎是胺基酸,而胺基酸的形成需要氨基和羥基進行連接,而碳元素則在這個連接過程中起到了關鍵的作用。為什麼一定要是碳元素來進行連接呢? 因為胺基酸是一種高分子有機物,是非常複雜的,而複雜的分子形成需要構成原子具有高度的還原性和氧化性,兩者缺一不可。
  • 地球是碳基生命的天堂,而宇宙更適合矽基生命,矽基生命長什麼樣?
    生命是宇宙中最為神奇的事物,迄今為止,我們已知只有我們地球上有生命體,這裡是屬於碳基生命的世界,但是科學家們根據元素周期表上各種元素不同性質的表現認為,生命未必只會基於碳基存在,另外很可能還有硫基生命、氨基生命、硼基生命、矽基生命、砷基生命等,氨之外的這些元素的某些化學性質與碳元素相類,有可能與其他元素或化合物形成某種生命體。
  • 矽基生命是可能的嗎
    ----文/萬象NASA公布的砷生命消息,將生命的可能性又大大擴展了一步,這次科學現實走在了科幻的前面。實際上,砷生命仍然是碳基生命,它們只是用砷取代了磷,正所謂「甲之熊掌,乙之砒霜」。科幻中對非碳基生命的描寫有很多,絕大多數都集中在矽基生命,矽是上帝創造的第二種生命元素。
  • 矽是地殼中第二豐富的元素,為什麼地球上沒有矽基生命?
    碳基生命1.碳基水基生命,以碳為核心元素,水為介質的生命類型2.碳基氨基生命,以碳為核心元素,氨為介質的生命類型3.硼基硼基氟化氫基生命,以硼為核心元素,氟化氫為介質的生命類型矽基生命 以矽為核心元素,矽烷為介質的生命類型.....
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    碳元素是生命的基本元素,哈勃在太空發現C60+,或揭示生命起源。最新音訊,來自美宇航局的哈勃太空望遠鏡初次在太空發現C60+!在科學界掀起了一片「生命來源論」的浪潮!那麼C60+到底是什麼梗?為什麼它能惹起諸多科學家的留意並為之瘋狂?
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    地球動植物不含矽元素第一篇己作證明,下面這個矽基動物切開後發現為食物消化系統,由大到小。胃部(簡稱)食用金屬合物的鐵元素競高達28.79%。排洩物金屬化合物鐵元素含量為20.77%。