我們在很多科幻、動畫電影中，看到過硅基生命、硫基生物、氨基生物、甲烷生物、氫基生物等，它們都是生命的一種形態，也是著名科幻作家阿西莫夫在 1962 年寫的《并非我們所知的：論生命的化學形式》這本書里提到的生命形態。有沒有發現，剛才列舉的時候沒有把碳基生命列舉上，碳基是那么的親切，包括我們人類在內，?地球上的所有生物都是碳基生物。?

碳基生命就是以碳元素為有機物基礎的一種生物，在構成碳基生物的氨基酸中，連接氨基與羧基的是碳元素，因此被稱為碳基生物。地球上已知的所有生物都屬于碳基生物，它們主要由碳、氫、氧、氮、硫、磷等元素組成，生命活動也主要圍繞這幾種元素展開。無論是植物、動物還是真菌，都是由不同類型、不同功能的細胞組成的，而這些細胞構成了不同功能作用的組織，從而呈現出各種生理現象。

為什么地球要選擇碳基生命呢？科學家通過研究發現，碳元素的原子序號是六，這明它是宇宙中第六個誕生的元素，整個元素周期以最輕的氫原子開頭，越往后元素形成的反應條件越苛刻，碳元素靠前，所以它形成的條件相對簡單，在宇宙中的含量也是很多的，碳原子是最穩定的元素，在化學中，能夠組成分子的結構就是原子，而原子之間要相互影響需要一種的化學鍵，這種化學鍵就是鉤子，在一般情況下，擁有鉤子最多的原子，它的穩定就越強大，因為它能夠鉤住其它的原子，比如說氫原子只有一個鉤子，而碳原子有四個鉤子，它能夠形成差異巨大且具有眾多官能團的分子。

1. 概述

目前，已得到大部分科學家公認，150到 200億年前，隨著一次熱的、富含能量的亞原子粒子的大爆炸，宇宙產生了。生命的起源和演化是和宇宙的起源和演化密切關聯的，生命的構成元素如碳、氫、氧、氮、硫和磷等都是“大爆炸”的產物。而生命是怎樣起源的?這是千萬年來中外科學家、哲學家不斷思索和探討的奧妙。歷史上出現過的各種有關地球上生命起源的看法。主要有自然發生說，有生源論，生命永恒論，宇宙胚種論，化學進化論等。隨著科學技術的不斷發展，支持化學進化論的實驗證據越來越多，現已為絕大多數科學家所接受。

化學進化論： 這一假說認為，地球上的生命是在地球溫度逐步下降以后，在極其漫長的時間內，由非生命物質經過極其復雜的化學過程，一步一步地演變而成的。該學說將生命的起源分為三個階段。

（1） 第一階段，即生命起源的化學進化過程是在原始的地球條條件下進行的。原始大氣主要是由甲烷、氨、氫、二氧化碳、一氧化碳、水等組成的還原性大氣，這種大氣生成了甲醛與氰化氫等醛、醇、酸等有機小分子。隨著地球的冷卻，水蒸汽凝結，大量雨降，形成原始海洋，大氣中各種不同有機物被雨水沖刷下來，落進原始海洋中。

（2）第二階段 。這一過程是在原始海洋中發生的，即氨基酸、核苷酸等有機小分子物質，經過長期積累，相互作用，在適當條件下（如黏土的吸附作用），通過縮合作用或聚合作用形成了原始的蛋白質分子和核酸分子。

（3）第三階段 。即具有新陳代謝、能夠自我復制的原始生命體，最終產生細胞。

2**. 為什么選擇碳，從碳的本質說起**

大多數科學家認為，地球生命是以碳化學為基礎的。因此，把地球生命定義為“碳原子物質”。并認為構成宇宙的時空和物質也同樣是構成地球的時空和物質。那么，生命為什么選擇了碳作為其結構基礎呢？讓我們從以下幾個方面探討。

（1） 作為構成生物高分子結構元素的必需條件

存在于環境中：生物是在地球上產生的，并同環境一起，沿著生態系的穩定性，有選擇地取舍環境中的物質而進化發展，所以構成生物的元素須在環境中存在，且豐度較高。

本身是輕元素：構成生物高分子的元素應在元素周期表的前 20位元素中，這樣才能使其構成的生物體有較輕的重量。

能形成一定程度的共價鍵：這樣才能使生物分子在長期進化過程中能保持相對穩定。具有結合其他原子的能力：可把不同種類的功能基引入有機物分子結構中來。從而滿足生物的多樣性，同時形成的生物分子具有一定的流動性。

（2） 碳的優越性質

碳元素廣泛存在于環境中：雖然原始地球大氣層中甲烷的含量非常少（因為在地球形成的前幾個時期里這種氣體大部分已飛散開），而碳以石墨及金屬碳化物的形式保存在地球上。但當巖石圈形成時，金屬碳化物與地球內部的結構水相互作用，二次生成甲烷和其他烴類化合物，它們從巖石圈析出，集儲在原始大氣中（因為此時的地球引力已能把它們吸住），所以可以說碳元素在環境中存在，且豐度較高。其余前面已有敘述，這里不再重復。

穩定的共價鍵：因為共價結合的強度與所結合原子的原子半徑成反比，所以碳能形成很強的共價鍵。

①? C—C單鍵：對形成生物最有意義是，碳原子能以共用電子對的形式形成非常穩定的碳碳單鍵。碳的價層電子結構為 2s2 2p 2 ，它的最高共價數顯然是 4。在化合物中它以sp 3 雜化軌道互相結合或與其他原子結合。（此外，碳原子的成鍵軌道還可以是 sp 2或 sp雜化軌道。）

②? 鍵長： 碳原子共價半徑是 77pm，C-C鍵長 154pm， C-O鍵長 116.2pm

③? 鍵能： 由于碳原子共價半徑較小，C-C鍵（344kJ/mol），C-H 鍵(415kJ/mol)，C-O鍵 (343kJ/mol) 的鍵能都很高，鍵很穩定。

④? 碳鏈：在生命體的起源和進化過程中，碳原子成鍵的多樣性是選擇碳化合物作為細胞分子構建的主要因素。其他任何一種化學元素都不可能形成大小和形狀具有如此巨大差異及具有如此眾多官能團的分子。

⑤? 官能團 決定化學性質：

大部分生物分子可以被看成碳氫化合物的衍生物，該類化合物具有共價連接的碳骨架并且只與氫原子成鍵。碳氫化合物的骨架是非常穩定的，其中氫原子可以被不同的官能團替換而產生不同類型的有機化合物。這些化合物中比較典型的有，帶有羥基的醇，帶有氨基的胺，帶有羰基的酮，帶有羧基的羧酸以及醚基、酯基、醛基等。每個官能團都有自己的化學性質和特定的反應。化合物的化學“個性”正是有所含官能團的化學性質及其三維空間的位置所決定的。

⑥? 三維結構：構型和構象

在有機分子中，由于圍繞每個單鍵結合的碳原子的電子對具有四面體構型，所以碳碳鍵可形成許多不同的三維空間結構，如線性、分支狀或環狀骨架。由于有無自由旋轉角度的雙鍵或取代基的特定順序排列成手性中心，而出現了構型。特別是手性碳分子——不具有對稱面和對稱中心的分子，有一個重要特點，就是實體和鏡像不能重疊，其關系正和左右手關系類似，因此現在普遍稱這類分子為手性分子或不對稱分子。例如，葡萄糖的變旋現象，由于葡萄糖分子中的醛基和羥基可以反應形成環狀半縮醛結構，這時原醛基的碳成為手性碳分子，這個手性碳分子上的半縮醛羥基可以有兩種空間取向，因此有兩個異構體，稱為α－異構體與β－異構體。

當多個手性碳原子存在時，就會形成 2 n 種異構體。例如酶，依照分子的形狀和左旋右旋對特定的反應進行催化，多數碳基生物體內的物質都顯示旋光性征，正是這個特點使得酶能夠識別和規范碳基生物體內的大量不同新陳代謝進程。

⑦? 碳原子大小：碳原子核不大，且屬于輕元素，其形成的許多有機分子在生理溫度下具有流動性，流動性比較合適生命需要。

綜上，在地球上形成生命，C 是最適合的，生命選擇碳是明智的。

3. 宇宙間可能存在的其他生命類型

另一些科學家則認為，以碳元素為基礎的蛋白質生命，在地球上存在純屬偶然，外星上很可能出現以硅元素為基礎的“硅原子物質”的生命。并認為碳基生命、硅基生命都是化學生命，在中子星上還可能出現非化學生命——核生命。以下主要討論硅基生命的可能性。“硅化合物的熱穩定性使得以其為基礎的生命可以在高溫下生存。” （英國化學家詹姆士?愛默生?雷諾茲(James Emerson Reynolds)，1893，英國科學促進協會演講）所以硅基生命很可能出現于溫度比較高的星球上，比如說一個到處都是火山的星球上，因為許多硅基化合物比碳基更穩定，且硅-氧鍵可以承受大約 600K 的溫度，而硅-鋁鍵能承受將近 900K 的溫度，

所以耐高溫的性能要好，而且同樣是由于相對穩定，在高溫下活性更好。

粗看起來，硅的確是一種作為碳替代物構成生命體的很有前途的元素。它在 宇宙中分布廣泛 ，而在元素周期表中，它就在碳的下方，所以 和碳元素的許多基本性質都相似 。舉例而言，正如碳能和四個氫原子化合形成甲烷(CH4)，硅也能同樣地形成硅烷(SiH4)，硅酸鹽是碳酸鹽的類似物，三氯硅烷(HSiCl 3 )則是三氯甲烷(CHCl 3 )的類似物，以此類推，兩種元素都能組成長鏈，或聚合物，而 C和 Si 并在長鏈或聚合物中與氧交替排列，最簡單的情形是，碳—氧鏈可形成聚縮醛（經常用于合成纖維），而硅和氧搭成骨架可產生聚合硅酮。基于上述情況，一些特異的生命形態就有可能以類似硅酮的物質構成。硅基動物很可能看起來像一些會活動的晶體，這種生物體的結構可能是被類似玻璃纖維的絲線串在一起，以形成靈活、精巧，薄而透明的結構。

但 Si 的一個很大的 缺陷就是它與氧的結合力過于強 。C 在地球生物的呼吸作用中的代謝終產物主要為二氧化碳氣體，是種很容易從生物體中移除的廢棄物質；但是，硅的氧化則會形成固體，因為在二氧化硅剛形成的時候就會形成晶格，使得每個硅原子都被四個氧原子包圍，而不是像二氧化碳那樣每個分子都是單獨游離的，而是非常穩定的固體，處置這樣的固體物質會給硅基生命的呼吸過程帶來很大挑戰。如果以現在的人體結構考慮，當生命在進行一系列紛繁復雜的生命活動以后，我們需要經常用氟化氫清理呼吸道……

只要是生命形態，就必須 從外界環境中收集、儲存和利用能量 。碳基生物儲存能量的最基本的化合物是碳水化合物。在碳水化合物中，碳原子由單鍵連接成一條鏈，而利用酶控制的對碳水化合物的一系列氧化步驟會釋放能量，廢棄物產生水和二氧化碳。這些酶是些大而復雜的分子，它們依照分子的形狀和左旋右旋對特定的反應進行催化，而多數碳基生物體內的物質都顯示這個特征，正是這個特點使得酶能夠識別和規范碳基生物體內的大量不同新陳代謝進程。然而，硅沒能像碳那樣產生眾多的具有左旋右旋特征的化合物，這使它難以成為生命所需要大量相互聯系的鏈式反應的支持元素。

此外，硅鏈在水中不穩定，容易斷掉，不像碳鏈那樣在干濕環境下都保持穩定。雖然這點不會因此排除硅基生命存在的可能，但存在大量液態水的星球肯定是排斥硅基生命的。存在硅基生命，甚至存在硅基生命出現前的早期生命化學演化的低可能性也被天文觀測所驗證。

不管天文學家向哪里搜尋——隕星、彗星、巨行星的大氣、星際物質、冷卻恒星的外層——他們都只能找到氧化的硅(二氧化硅和硅酸鹽)，而找不到類似硅烷和硅酮這樣的作為硅生物化學存在預兆的物質。相反，當我們尋找碳基生命的跡象時會發現，在隕星中不難找到氨基酸這樣的碳基有機分子，至于甲烷，不僅在太陽系的眾多行星和衛星中很容易找到，而且在星際物質和星云中也能找到，甚至連甲基乙炔和氰基癸五炔這樣的復雜分子都能從星際物質中找到。

即使如此，也有必要指出，硅可能曾在地球生命的起源過程中扮演過一定的角色。因為有一個奇怪的現象是，地球生命特別喜歡利用右旋的糖和左旋的氨基酸。對此的一個理論解，生命演化初期的第一批碳化合物在一片有著旋光性的硅石表面上的“原始湯”內形成，而這種硅化合物的旋光性決定了我們現在從地球生命體內找到的碳化合物的旋光性。

若提出另一種可能的硅基生命：硅—氟體系生命。其以硅為骨架，四氟化硅作為代謝產生的氣體，氟化氫取代水，氟氣替換氧氣。為了保證讓氟氣和四氟化硅在那時的大氣環境下是氣體， （假定一個大氣壓下）在此種情況下，大氣溫度應該是-19.51~-33.55之間。

但硅參加的反應大多數是高溫反應，所以，那時的人類必須要有一套強大的體溫調控系統。盡管設想十分美好，但在地球環境下依舊存在著諸多硅基生命無法解決的問題（不排除地外也存在非碳基生命的可能性）。因此，我們不得不承認，碳是地球上無可爭議的最理想的生命元素。

**作者：任聲權，安徽科普作家協會秘書、肥東科協黨支部組織和宣傳委員、**國家健康管理師

**審核專家：**楊多文 安徽科普作家協會秘書長，編審

來源: 安徽省科技創新服務中心

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