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地球为什么只选择碳基生命,而不选择硅基生命?

日期:2018-10-25 09:30 来源:网络 错误指正:有问题联系小编阅读:

  我们知道,地球上的生命是以碳元素为基础形成发展的,那么问题来了:为什么地球生命非得是碳基生命,而不是非碳基生命呢?外星生命有可能是硅基生命吗?宇宙中到底有没有非碳基生命?今天我们来探讨一下这几个问题。大自然为什么让地球生命自然选择碳基生命?

  自从化学尤其是分子生物学快速发展以来,科学家们发现:地球上所有生命形态和物种,无外乎都是由25种化学元素构成的。一个典型的生物细胞比如人体细胞的总质量当中,有96%是由氧(65%)、碳(18%)、氢(10%)、氮(3%)这4种主要元素构成的,其余的则是由少量其他元素构成的,比如说钙、磷、钾、硫、钠、氯、镁、铁等等。

  有人马上会问,人体总质量不是氧元素占了大部分吗?高达65%!我们不是以氧为基础的生命形态吗?为什么我们不叫氧基生命,而叫碳基生命呢?是这样的,包括人类在内的所有地球生命,活体细胞中多数的氧元素,其实是以水的形式存在的,含在水分子H2O里的。

  然而,对细胞结构和功能起关键作用的,却是另外一种元素——这就是碳。所以,我们说地球生命都是以碳元素为基础的,于是就叫碳基生命 。

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  碳元素符号、原子序数、元素名、原子质量为啥生命选择了碳元素,而不是其他元素呢?要想回答这个问题,我们就得进入粒子尺度下,看看碳元素的特点。凡是学过点化学的都知道,分子中的原子,都是通过化学键相互连接在一起的。什么?你说忘了啥是化学键啦?化学键,就是一种粒子间的吸引力,让原子、分子透过这种吸引力,组成我们宏观尺度下看得见的物质。

  如果你是文科生,你不妨把化学键想象成每一种元素的手臂。有了这种手和胳膊——化学键,原子之间就可以手拉手,勾勾搭搭走天涯了。

  不同元素拥有手臂的数量是不同的。比如氢原子只有一只手臂,这就意味着一次只能跟另外的一个原子手拉手。氧原子就有两只手臂,意味着同时能跟两个原子勾勾搭搭。

  而碳原子竟有四只手臂,这就意味着:它最多可以同时跟4个原子勾勾搭搭。这就有意思了,想想看每个碳原子都有四只手,如果相互连接一起,上下左右前后,手拉手成三维结构,就会创造出千差万别的各种碳骨架——这就成了各种各样有机化合物的基础。

  碳C、氢H、氧O在水water、乙烯ethylene、乙炔acetylene之间的化学键关系

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  科学家把这种含碳元素的化合物(除碳的氧化物、碳酸、碳酸盐、氰、氰化物、氧氰、氰酸盐、硫氰、金属碳化有机分子物等以外)称为有机物。从最简单的有机分子(碳氢化合物甲烷),一直到复杂多样的高分子有机物(DNA分子),这为碳基生命的形成,提供了丰富的物质基础。

  就像搭建乐高积木一样,大自然通过神奇的碳元素,搭建出丰富多彩的碳基生命

  这一过程就是壮丽的地球生命演化史,也是大自然本身自然选择生命形态的唯一路径。也是迄今为止人类已知的唯一路径。

  有人可能会问:碳原子不过区区四只手,比碳原子手多的原子,不是更能演绎出千奇百怪的分子结构吗?千手观音,不是更精彩嘛?!

  问题是,粒子尺度下的三维世界,并非手臂越多就越好。越重的元素虽然手臂越多,复杂度是足够了,但稳定性却远远不行。化学世界,拼的不是量,而是巧。

  要知道,碳元素是所有元素中化合物种类最多的,目前已知的纯有机化合物就有近1000万种,这还只是理论上存在化合物世界的冰山一角而已。

  碳的同素异形体结构:钻石(a)、石墨(b)、蓝丝黛尔石、富勒烯(C60(d)、C540(e)、C70(f))无定形碳(g)、碳纳米管(h)再看看,碳元素的同素异形体,不论是极软的石墨还是极硬的钻石,都是碳元素的百变造型。再看看,碳元素的丰度(丰富程度),在地球地壳上排名第15位,在宇宙中排名更靠前,竟然排在第四。所以毫不夸张地说,碳是地球生命的基石,是碳基生命的化学根本。为啥硅元素不能成为生命的基础?

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  硅元素符号、原子序数、元素名、原子质量此处,一定有人会跳出来质疑:要是论元素丰度,硅元素可比碳元素丰富多了,在地球上,硅是碳的1000倍!硅基文明早晚会替代碳基文明,占领地球世界,甚至统治全宇宙的!对于这种深陷科幻思维,搞不清科幻世界与真实世界区别的人,我恰恰要反问:既然硅元素丰度如此高,像地球这种固态岩质行星在宇宙更是数不清,那为啥还没有演化出硅基生命呢?大自然为何不青睐硅元素——诞生硅基生命?

  艺术家笔下的外星生物——硅基生物

  假设我们充当一把大自然的角色,硬要扶持硅元素当家作主,成为硅基生命的主人,世界将会咋样?

  ①回到微观尺度下,先说说除了碳元素外,地球天然存在的92种元素王国里,只有硅元素跟碳元素一样,拥有四只手——能够同时形成4个化学键,但硅元素这四只手天生不给力,没有碳元素的四只手臂那样粗壮有力。以硅元素为基础的复杂分子很容易断裂,以至于脆弱到没法形成活体细胞结构的程度。虽说平时勾勾搭搭也有点感情,一旦有点风吹草动,就甩手散伙啦。

  ②硅元素另一个缺陷就是,通常只能伸出一只手臂,不能同时伸出双臂,给其他原子一个温暖的熊抱。这种形不成双键的化学关系,自然人缘不够好,能够参与的化学反应就很少,大多数趴体都不带它玩。

  结果可想而知,不仅找不到女票,就连男票也找不到,更别提什么繁衍下一代了。硅基生命还能延续?

  ③而人家碳元素就跟大白似的,不仅人缘好,而且百变真身。上天入地,去哪儿都行!气态变成二氧化碳,固态变成干冰。

  相反,再瞧瞧硅元素,港台地区叫矽,最常见的模样就是二氧化硅,纯度高点的叫石英、水晶,不纯的就是些呆头呆脑的石头。

  能从石头缝里蹦出来,创世以来,唯有孙悟空一个孤例。你还指望能有什么样的硅基生命?说了这么多硅元素的硬伤,恐怕有人要说我是个碳基沙文主义者。

  还可能有人搬出鼎鼎有名的科学家卡尔·萨根对此颇有微词的观点来:「碳基生命唯一论、中心论,很可能大大限制了人类对外星生命的探索和想象。」

  甚至,有人会搬出一门名叫「假定型生物化学Hypothetical types of biochemistry」的学科——瞧瞧,这可是正经八百的科学家正在严肃研究的课题呀!看你还敢无视——这门学科主要是指,替代现有碳基生命为中心的生物化学理论,提出若干种生物化学形式和生命形态,比如硅基生命、氨基生命、硼基生命等。

  根据假定型生物化学理论,艺术家绘制出的含有氨基生命的行星外表作为一种理论甚至称其为科学理论,我当然双手赞同,这是学术自由的基本准则嘛。只要有能力有条件搞就好了。说不准,要是搞成了呢!万一被那篇来自美国国家研究委员会NRC的报告不幸言中咋办?那份报告称:“没有什么会比这更悲催的了……在太空探索中人类遇到了外星生命,却认不出来它们!”

  我当然也不想看到这种结果。但我要强调的是,理论就是理论,凡是未被实证的理论都还只是理论,不能进入科学认知体系之内,更不能拿来当作科学四处说事。

  就算科学家以科研态度、科学思维建构出来的一套科学理论,也只能算作是理论——一种未经验证的假说而已,当然进不了科学殿堂。

  总之一句话,碳基生命是人类科学认知体系当中唯一的生命形态。

  而其他硅基生命、氨基生命等,目前只是一种假说。

  至于科幻、玄幻、宗教、迷信层面所说的那些生命形式,在各自地盘穿越、飞舞,对我来说都无所谓——只要别硬掺乎到科普里就行。

  地球在宇宙中形成以后,开始是没有生命的。经过了一段漫长的化学演化,大气中的有机元素氢、碳、氮、氧、硫、磷等在自然界各种能源(如闪电、紫外线、宇宙线、火山喷发等等)的作用下,合成有机分子。这些有机分子进一步合成,变成生物单体(如氨基酸、糖、腺甙和核甙酸等)。这些生物单体进一步聚合作用变成生物聚合物,如蛋白质、多糖、核酸等。

  蛋白质出现后,最简单的生命也随着诞生了。这是发生在距今大约36亿多年前的一件大事。从此,地球上就开始有生命了。

  生命与非生命物质的最基本区别是:它能从环境中吸收自己生活过程中所需要的物质,排放出自己生活过程中不需要的物质。这种过程叫做新陈代谢,这是第一个区别。第二个区别是能繁殖后代。任何有生命的个体,不管他们的繁殖形式有如何的不同,他们都具有繁殖新个体的本领。第三个区别是有遗传的能力。

  能把上一代生命个体的特性传递给下一代,使下一代的新个体能够与上一代个体具有相同或者大致相同的特性。上一代与下一代多少有一点不一样,这种特点叫变异。这种变异的特性如果能够适应环境而生存,它就会一代又一代地把这种变异的特性加强并成为新个体所固有的特征。生物体不断地变异,不断地遗传,年长月久,周而复始,具有新特征的新个体也就不断地出现,使生物体不断地由简单变复杂,构成了生物体的系统演化。

  地球上最早的生命形态很简单,一个细胞就是一个个体,它没有细胞核,是原核生物。原核生物经过15亿多年的演变,原来均匀分散在它的细胞里面的核物质相对地集中以后,外面包裹了一层膜,这层膜叫做核膜。细胞的核膜把膜内的核物质与膜外的细胞质分开。细胞里面的细胞核就是这样形成的。有细胞核的生物我们把它称为真核生物。

  细胞核的出现,是生物界演化过程中的重大事件。从此以后细胞在繁殖分裂时不再是简单的细胞质一分为二,而且里面的细胞核也要一分为二。真核生物(那时还没有动物,可以说实际上也只是真核植物)大约出现在20亿年前。性别的出现是在生物界演化过程中的又一个重大的事件,因为性别促进了生物的优生,加速生物向更复杂的方向发展。

  真核的单细胞植物出现以后没有几亿年就出现了真核多细胞植物。真核多细胞的植物出现没有多久就出现了植物体的分工,植物体中有一群细胞主要是起着固定植物体的功能,成了固着的器官,也就是现代藻类植物固着器的由来。从此以后开始出现器官分化,不同功能部分其内部细胞的形态也开始分化。由此可见,细胞核和性别出现以后,大大地加速了生物本身形态和功能的发展。‍‍

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