王學軍

（1.含氟功能膜材料國家重點實驗室，山東 桓臺 256401；2.山東東岳高分子材料有限公司，山東 淄博 256401）

0 前言

在地殼的元素含量中，除了氧元素約占48.6%，硅元素是地殼元素含量第二高的元素，這也意味著人們可以大量開發(fā)和使用硅元素。眾所周知，地球上的生命最重要的組成元素是碳，而碳與硅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。硅與碳的相似讓不少科學家相信，硅元素或許有成為構(gòu)成生命體的可能，因為硅元素可以形成生命基礎所需的長鏈分子，比如DNA 和蛋白質(zhì)。

圖1 地球生命的DNA 結(jié)構(gòu)Fig.1 DNA structure of life on earth

有一個數(shù)字特別能說明碳和硅的不同：地殼里含有的碳原子總量還不到硅原子的1%，但地球生命還是選擇了碳作為基礎，由此可見碳原子遠比硅原子更加適合形成生命。碳基生物是以碳元素為有機物質(zhì)基礎的生物。地球上已知的所有生物都是碳基生物，包括人類在內(nèi)都是以碳和水為基礎。由于碳原子有四個自由電子，其失去電子的能力（還原性）和得到電子的能力（氧化性）相當，所以能夠形成復雜多樣的高分子有機物（比如DNA 分子），為生命的形成提供物質(zhì)基礎，并為自然選擇提供可能。而且地球生命的氨基酸大多數(shù)都是左旋氨基酸，因此學界有人認為這是支持地球生命來自同一個祖先的證據(jù)。

1 碳基生命的誕生有多難

世間的一切事物都可以用簡單或復雜來進行描述。那么世界上最復雜的東西是什么呢？不是令人頭痛的方程式，也不是融合了最先進科學技術所制造的航天飛行器，而是生命。生命是這個世界上最為復雜的東西。即使是在生命形式中構(gòu)成最為簡單的單細胞生命，其復雜程度也是超乎想象的。生命從一開始的形成就充滿了奇跡與不可思議，很難想象一個基本元素通過如此復雜和極其漫長的過程最終形成人類這樣復雜的生命體。

設想一下，太陽和地球及太陽系的結(jié)構(gòu)是不是獨一無二的？從銀河系來看，太陽只是2000 億顆恒星中毫不起眼的一顆。地球之所以有生命，其中最大的原因是地球恰好處于距離太陽1.5億km 的方位上，在這個距離使得地球的溫度既不太高也不太低。且有一個巨大的氣態(tài)恒星為其充當保護傘，在這兩個先決條件下，地球誕生了生命而且最終發(fā)展成為智慧生命，宇宙中是不是只有地球與它的母恒星有這么恰好的距離，并且有一個木星般巨大的保護傘，我們不得而知。同樣不能否定一個存在其他條件的行星無法誕生生命甚至是智慧生命。生命出現(xiàn)的條件其實是很苛刻的，苛刻到人難以想象的程度。

地球上的生命不是一蹴而就的，更不是突然就存在的，而是經(jīng)過漫長的演化才形成今天這樣多姿多彩的生物世界。生命形成的條件極其苛刻，即使所有物質(zhì)和能量都完備，還需要外力、時間和穩(wěn)定的環(huán)境，每一個演化都需要漫長的時間積淀。恒星至少能在約50 億年時間內(nèi)穩(wěn)定地發(fā)出光和熱，行星到母恒星的距離必須恰到好處。

第一步是從無機物到有機小分子，第二步是從有機小分子到有機大分子，第三步是從有機大分子到有機生命，是最關鍵的一步，這是造成生命形成概率極低的重要原因。實際上，就目前的科學研究水平而言，從有機大分子到有機生命，就像一條不可跨越的鴻溝。

生命區(qū)別于非生命有兩項最基本的特征，即新陳代謝和繁衍遺傳。新陳代謝是能量和物質(zhì)在細胞內(nèi)的交換，這看似簡單，其實無比復雜。以細胞膜為例，它既要保護細胞，又要留出空隙，如此精密的結(jié)構(gòu)在自然條件下怎么形成，人類根本無法理解。其次是遺傳，即建立生物分子自我復制系統(tǒng)，這同樣困擾人類。要知道，組成生命的有機分子可以在原始地球上形成，但有機分子不是生命，只有蛋白質(zhì)與核酸形成明確密碼關系時，才可能產(chǎn)生生命。然而，這密碼關系又是如何建立的呢？

智慧生命是非常缺少的，有的人得出10-215次方這樣的概率，時鐘觀念形象地比喻生命起源：如果用1 天24 小時來比喻自地球起源直至今日的進程，那么地球形成是在零點（45 億～48 億年前），最古老的原核生物出現(xiàn)在凌晨4 點（約38億年前），中間有一段很長的時間，地球上一直十分平靜，直至寒武紀生命大爆發(fā)，是在晚上9 點15 分（5.4 億年前），出現(xiàn)了大量動物門及亞門生物，各種各樣高級動物造型及骨骼和器官開始出現(xiàn)。哺乳動物出現(xiàn)在晚上23 點40 分，而人類登場是在最后的1 分多鐘。

2 硅基生物要面對的問題

2.1 硅氧化合物的穩(wěn)定性

硅氧化合物，特別是一些含硅氧的長鏈化合物，本身并不穩(wěn)定，硅烷及其衍生物熱穩(wěn)定性差且在高溫下容易縮合，簡單的理解就是它們生成需要高溫卻在高溫下穩(wěn)定性很差。

常見的水以及氨基溶液都會破壞其結(jié)構(gòu)而無法成為生命的載體。比如硅基生命的遺傳物質(zhì)，在水環(huán)境中可能根本就無法穩(wěn)定存在。所以，硅基生命是抗拒水分的，而沒有水分的生命，很難相信如何進行化學反應、能量交換、神經(jīng)信號的傳導。水對于生命的重要性幾乎和碳一樣重要，因為水有個很重要的特質(zhì)，即它維持液態(tài)所需的溫度范圍非常大。大部分液態(tài)物質(zhì)的溫度窗口都很窄，溫度稍微高一點就氣化，溫度稍微低一點就變成固體，都不適合作為生命的溶劑。地球上多虧有大量水分子，使得地球歷史上絕大部分時間里都有一個巨大的海洋，生命就孕育在海洋里。

2.2 硅基生命如何呼吸

硅基生命的提出，就是模仿碳基生命，將硅取代碳而提出的。碳基生命吸入氧氣，呼出二氧化碳。類似地，硅基生命雖然可以吸入氧氣，但是卻呼不出二氧化硅，因為二氧化硅就是固體結(jié)晶。所以，如果硅基生命存在，肯定不是靠氧氣呼吸，于是有人假設，硅基生命可以吸入氟化氫，呼出四氟化硅這種氣體硅化合物。但是，氟化氫與硅氧化合物很容易化學反應，而其它的氣體更難以起到硅基生命呼吸的作用。所以，硅基生命的存在，呼吸是個不能解決的矛盾，除非硅基生命不通過呼吸的方式解決新陳代謝。

2.3 硅基生命的環(huán)境需求

根據(jù)生命起源學說，認為生命來自于自然界偶然產(chǎn)生的有機化合物，在特殊的情況下各種排列組合，慢慢一步一步演化成了生命。如果生命都是宇宙自然演化而來，那么硅基生命也應該遵循類似規(guī)則。但是，在外太空的星球上，至今人類甚至已發(fā)現(xiàn)了少量的碳基有機物，但是卻未發(fā)現(xiàn)硅基有機物，似乎暗示硅基生命很難自然產(chǎn)生。而事實的觀測結(jié)果也證明了這一點，如果硅基生命可以存在，那它們需要的環(huán)境很簡單，不需要呼吸不需要水，還耐極端高低溫環(huán)境。也就是說只要是有大量硅元素的星球，基本都符合硅基生命誕生的條件。而其它巖石星球，也有大概率誕生硅基生命?？墒?，根據(jù)目前可觀測的結(jié)果，不論是地球，還是人類目前已經(jīng)觀測的千千萬萬巖石星球，沒有硅基生命的痕跡。

2.4 硅基生命的化學基礎

在物質(zhì)層面上，碳之所以是地球生命的基礎，根本原因是碳原子可以形成4 個化學鍵，因此可以和4 個不同的原子相結(jié)合，形成復雜的大分子。硅在元素周期表中位于碳的正下方，它也可以形成4 個化學鍵，理論上也可以和4 個不同的原子相結(jié)合，但硅和碳有一個本質(zhì)的區(qū)別，那就是硅原子不能形成二價鍵和三價鍵，這就大大減少了大分子的種類，不像碳原子那樣可以形成長鏈，甚至環(huán)形的大分子。這兩種大分子才是有機分子最神奇的地方，淀粉、蛋白質(zhì)和核酸等等重要的大分子都是由碳原子首尾相連形成的碳骨架支撐起來的，硅不可能形成這樣的大分子，因此也就很難形成生命。

2.5 硅基生命的可能性

盡管有這么多難以逾越的困難，但依然不能否定硅基生命存在的可能性。因為即便概率為0的事情，只要時間足夠長，也依然會發(fā)生。

3 硅基化合物合成與材料方面的突破

3.1 碳-硅（C-Si）鍵的生物合成

雖然化學家之前已經(jīng)實現(xiàn)了合成含碳-硅鍵的化合物[1-5]，它們存在于從油漆和半導體到計算機和電視屏幕的各種物品中。然而，迄今為止，它們從未在自然界中被發(fā)現(xiàn)，這些新的細胞可以有助于更好地了解在宇宙其他地方存在硅基生命的可能性。來自加州理工學院、該研究參與者之一Jennifer Kan 博士表示，地球上沒有已知的生命會將硅-碳鍵結(jié)合在一起，即使硅是如此的豐富，遍布于我們周圍，比如巖石和海灘上等。

圖2 血紅素蛋白質(zhì)產(chǎn)生低濃度有機硅化合物[2]Fig.2 Low concentration of organosilicon compounds produced by heme protein[2]

2016 年，《科學》（Science）雜志上的一篇文章，顛覆了人們長久以來的認識。根據(jù)這項研究[2]，研究人員首先分離出海洋紅嗜熱鹽菌中天然存在的蛋白質(zhì)——細胞色素C 酶，實驗表明它可以促進把硅連接到碳上的化學鍵的形成。在分離出該蛋白質(zhì)后，科學家將該基因?qū)氲酱竽c桿菌中，然后再進行一定的突變，科學家發(fā)現(xiàn)它能促進活細胞內(nèi)產(chǎn)生碳-硅鍵，這是史無前例的，見圖2。這不是細胞本身可以輕易做到的事情。但該實驗能證明，只要有適當?shù)臈l件，大自然可以將地球上最豐富的元素之一——硅融入到生命的基石中。

通過這項突破性的研究，科學家現(xiàn)在知道硅基生命是有可能存在的，至少是部分基于硅的生命。這些硅基生命也許就繁榮于宇宙的其他行星上，等待著人們?nèi)ニ褜?。因此，似乎沒有理由認為生命形式只有一種可能。以目前來看，唯一能夠確定的是，人類對宇宙的了解實在是太少了。

3.2 硅基神經(jīng)突觸器件

近日，浙江大學硅材料國家重點實驗室的楊德仁院士和皮孝東教授等[6]利用硅納米晶體的突出光電性能，制備出了能耗可以低至皮焦耳（pJ）光遺傳學啟發(fā)的神經(jīng)突觸器件。這些器件首次實現(xiàn)了神經(jīng)突觸器件的電刺激（光輸出）。半個多世紀以來，集成電路的發(fā)展一直遵循摩爾定律。然而，時至今日，摩爾定律的失效已經(jīng)近在咫尺，即集成電路的集成度已經(jīng)逼近極限。集成電路目前最迫切需要解決的問題是高度集成所導致的高能耗，很多人感受過的電腦發(fā)燙就是因為集成電路的能耗大。眾所周知，人腦具有高智能和低能耗的特點，所以發(fā)展模擬人腦的神經(jīng)擬態(tài)計算成為了一種非常誘人的選擇。作為一種重要的硅材料形態(tài)，硅納米晶體憑借其突出的光電性能已經(jīng)在面向神經(jīng)擬態(tài)計算的器件應用中展現(xiàn)出了發(fā)展?jié)摿?。這將鼓勵人們針對硅基神經(jīng)擬態(tài)計算中的核心器件如神經(jīng)突觸器件及其集成神經(jīng)網(wǎng)絡進行更加深入的研究。

4 人類的渺小

4.1 全球人類體積

據(jù)YouTube 視頻博主邁克爾·史蒂文斯（Michael Stevens）發(fā)布的模擬圖顯示，全球人口堆集起來只有788 m 高，僅能占據(jù)科羅拉多大峽谷的一小部分。顯然，即使將人類歷史所有1060 億人口堆集在一起，也將只有15 堆，尚不足以覆蓋整個大峽谷。根據(jù)官方數(shù)據(jù)，科羅拉多大峽谷長277 英里（446 km），深1 英里（1.6 km）。

4.2 全球人類質(zhì)量

一直以來，人們?nèi)狈Σ煌锶旱纳锪窟M行全球定量記錄。近來，魏茨曼科學研究學院和加州理工學院的研究人員就做了這樣一項有意思的調(diào)查，他們對地球上的所有生物進行了生物量普查，呈現(xiàn)了一副生物圈構(gòu)成的全貌。調(diào)查的結(jié)果被刊登于近期的 《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。根據(jù)計算，他們發(fā)現(xiàn)地球上所有生物共含有約5500 億t 的碳。這是一個非常龐大的數(shù)字。占據(jù)這一總量榜首的是重4500 億t 碳的植物，它們占所有生物的82%。排第二的是細菌，它們的總重約為700 億t 碳，是所有生物量的13%。也就是說，剩下的所有其他生物——從原生生物到古生菌、從真菌到動物，僅占世界生物量的5%。人類的總生物量僅占地球上生命的0.01%[7]。

4.3 地球人類歷史

人類的歷史，相對于宇宙的尺度，不過彈指一揮間。眾所周知，宇宙137 億年，地球有46 億年，那人類呢？從古猿人開始至今只有300～500萬年，現(xiàn)代人始于10 萬年前，而人類文明史，不過1 萬年。有文字的歷史，不過六千年，人類的科技史，不過300 年，也許，人類的旅程，才剛剛開始……

5 硅基生命的設想

碳基生命是以化學能驅(qū)動的復雜生物體，很多時候，人們往往被自己的思維給禁錮住了，或把硅基生命的存在規(guī)則復制到碳基生命，或人們的生活環(huán)境硅基生命是否能夠適應，可人們越是把硅基生命具象化，越是覺得硅基生命不可能存在，不斷地在提出理論和現(xiàn)實否定中自相矛盾。但是，地球只是廣闊的銀河系中一粒小小的塵埃，而銀河系也不過是茫茫宇宙中的滄海一粟，人類的渺小已經(jīng)微不足道，宇宙的奧妙也不是目前人類能全面認識的。

現(xiàn)階段的人工智能或機器人可以說是某種“硅基生命”的初級形態(tài)，從某種意義上講還算不上“生命”，但是它確實已經(jīng)被人類創(chuàng)造且存在于我們這個社會，而且已經(jīng)對人類產(chǎn)生了影響。隨著人工智能技術的不斷發(fā)展，它們都要基于硅基的芯片而存在，經(jīng)歷幾百年，幾千年的發(fā)展，本文提到的“硅基生命”也許就是這些基于硅基的高科技“機器人”。也許將來，它們的智慧到達一定程度，慢慢與人類同化，甚至參與到地球上“優(yōu)勝劣汰”的自然法則，如果有一天人類真的被這些以電能所驅(qū)動的鋼鐵之軀的“硅基生命”所取代，不是因為人類太過弱小，而是“硅基生命”太過強大。