我们在很多科幻、动画电影中，看到过硅基生命、硫基生物、氨基生物、甲烷生物、氢基生物等，它们都是生命的一种形态，也是著名科幻作家阿西莫夫在 1962 年写的《并非我们所知的：论生命的化学形式》这本书里提到的生命形态。有没有发现，刚才列举的时候没有把碳基生命列举上，碳基是那么的亲切，包括我们人类在内，‌地球上的所有生物都是碳基生物。‌

碳基生命就是以碳元素为有机物基础的一种生物，在构成碳基生物的氨基酸中，连接氨基与羧基的是碳元素，因此被称为碳基生物。地球上已知的所有生物都属于碳基生物，它们主要由碳、氢、氧、氮、硫、磷等元素组成，生命活动也主要围绕这几种元素展开。无论是植物、动物还是真菌，都是由不同类型、不同功能的细胞组成的，而这些细胞构成了不同功能作用的组织，从而呈现出各种生理现象。

为什么地球要选择碳基生命呢？科学家通过研究发现，碳元素的原子序号是六，这明它是宇宙中第六个诞生的元素，整个元素周期以最轻的氢原子开头，越往后元素形成的反应条件越苛刻，碳元素靠前，所以它形成的条件相对简单，在宇宙中的含量也是很多的，碳原子是最稳定的元素，在化学中，能够组成分子的结构就是原子，而原子之间要相互影响需要一种的化学键，这种化学键就是钩子，在一般情况下，拥有钩子最多的原子，它的稳定就越强大，因为它能够钩住其它的原子，比如说氢原子只有一个钩子，而碳原子有四个钩子，它能够形成差异巨大且具有众多官能团的分子。

1. 概述

目前，已得到大部分科学家公认，150到 200亿年前，随着一次热的、富含能量的亚原子粒子的大爆炸，宇宙产生了。生命的起源和演化是和宇宙的起源和演化密切关联的，生命的构成元素如碳、氢、氧、氮、硫和磷等都是“大爆炸”的产物。而生命是怎样起源的?这是千万年来中外科学家、哲学家不断思索和探讨的奥妙。历史上出现过的各种有关地球上生命起源的看法。主要有自然发生说，有生源论，生命永恒论，宇宙胚种论，化学进化论等。随着科学技术的不断发展，支持化学进化论的实验证据越来越多，现已为绝大多数科学家所接受。

化学进化论： 这一假说认为，地球上的生命是在地球温度逐步下降以后，在极其漫长的时间内，由非生命物质经过极其复杂的化学过程，一步一步地演变而成的。该学说将生命的起源分为三个阶段。

（1） 第一阶段，即生命起源的化学进化过程是在原始的地球条条件下进行的。原始大气主要是由甲烷、氨、氢、二氧化碳、一氧化碳、水等组成的还原性大气，这种大气生成了甲醛与氰化氢等醛、醇、酸等有机小分子。随着地球的冷却，水蒸汽凝结，大量雨降，形成原始海洋，大气中各种不同有机物被雨水冲刷下来，落进原始海洋中。

（2）第二阶段 。这一过程是在原始海洋中发生的，即氨基酸、核苷酸等有机小分子物质，经过长期积累，相互作用，在适当条件下（如黏土的吸附作用），通过缩合作用或聚合作用形成了原始的蛋白质分子和核酸分子。

（3）第三阶段 。即具有新陈代谢、能够自我复制的原始生命体，最终产生细胞。

2**. 为什么选择碳，从碳的本质说起**

大多数科学家认为，地球生命是以碳化学为基础的。因此，把地球生命定义为“碳原子物质”。并认为构成宇宙的时空和物质也同样是构成地球的时空和物质。那么，生命为什么选择了碳作为其结构基础呢？让我们从以下几个方面探讨。

（1） 作为构成生物高分子结构元素的必需条件

存在于环境中：生物是在地球上产生的，并同环境一起，沿着生态系的稳定性，有选择地取舍环境中的物质而进化发展，所以构成生物的元素须在环境中存在，且丰度较高。

本身是轻元素：构成生物高分子的元素应在元素周期表的前 20位元素中，这样才能使其构成的生物体有较轻的重量。

能形成一定程度的共价键：这样才能使生物分子在长期进化过程中能保持相对稳定。具有结合其他原子的能力：可把不同种类的功能基引入有机物分子结构中来。从而满足生物的多样性，同时形成的生物分子具有一定的流动性。

（2） 碳的优越性质

碳元素广泛存在于环境中：虽然原始地球大气层中甲烷的含量非常少（因为在地球形成的前几个时期里这种气体大部分已飞散开），而碳以石墨及金属碳化物的形式保存在地球上。但当岩石圈形成时，金属碳化物与地球内部的结构水相互作用，二次生成甲烷和其他烃类化合物，它们从岩石圈析出，集储在原始大气中（因为此时的地球引力已能把它们吸住），所以可以说碳元素在环境中存在，且丰度较高。其余前面已有叙述，这里不再重复。

稳定的共价键：因为共价结合的强度与所结合原子的原子半径成反比，所以碳能形成很强的共价键。

①• C—C单键：对形成生物最有意义是，碳原子能以共用电子对的形式形成非常稳定的碳碳单键。碳的价层电子结构为 2s2 2p 2 ，它的最高共价数显然是 4。在化合物中它以sp 3 杂化轨道互相结合或与其他原子结合。（此外，碳原子的成键轨道还可以是 sp 2或 sp杂化轨道。）

②• 键长： 碳原子共价半径是 77pm，C-C键长 154pm， C-O键长 116.2pm

③• 键能： 由于碳原子共价半径较小，C-C键（344kJ/mol），C-H 键(415kJ/mol)，C-O键 (343kJ/mol) 的键能都很高，键很稳定。

④• 碳链：在生命体的起源和进化过程中，碳原子成键的多样性是选择碳化合物作为细胞分子构建的主要因素。其他任何一种化学元素都不可能形成大小和形状具有如此巨大差异及具有如此众多官能团的分子。

⑤• 官能团 决定化学性质：

大部分生物分子可以被看成碳氢化合物的衍生物，该类化合物具有共价连接的碳骨架并且只与氢原子成键。碳氢化合物的骨架是非常稳定的，其中氢原子可以被不同的官能团替换而产生不同类型的有机化合物。这些化合物中比较典型的有，带有羟基的醇，带有氨基的胺，带有羰基的酮，带有羧基的羧酸以及醚基、酯基、醛基等。每个官能团都有自己的化学性质和特定的反应。化合物的化学“个性”正是有所含官能团的化学性质及其三维空间的位置所决定的。

⑥• 三维结构：构型和构象

在有机分子中，由于围绕每个单键结合的碳原子的电子对具有四面体构型，所以碳碳键可形成许多不同的三维空间结构，如线性、分支状或环状骨架。由于有无自由旋转角度的双键或取代基的特定顺序排列成手性中心，而出现了构型。特别是手性碳分子——不具有对称面和对称中心的分子，有一个重要特点，就是实体和镜像不能重叠，其关系正和左右手关系类似，因此现在普遍称这类分子为手性分子或不对称分子。例如，葡萄糖的变旋现象，由于葡萄糖分子中的醛基和羟基可以反应形成环状半缩醛结构，这时原醛基的碳成为手性碳分子，这个手性碳分子上的半缩醛羟基可以有两种空间取向，因此有两个异构体，称为α－异构体与β－异构体。

当多个手性碳原子存在时，就会形成 2 n 种异构体。例如酶，依照分子的形状和左旋右旋对特定的反应进行催化，多数碳基生物体内的物质都显示旋光性征，正是这个特点使得酶能够识别和规范碳基生物体内的大量不同新陈代谢进程。

⑦• 碳原子大小：碳原子核不大，且属于轻元素，其形成的许多有机分子在生理温度下具有流动性，流动性比较合适生命需要。

综上，在地球上形成生命，C 是最适合的，生命选择碳是明智的。

3. 宇宙间可能存在的其他生命类型

另一些科学家则认为，以碳元素为基础的蛋白质生命，在地球上存在纯属偶然，外星上很可能出现以硅元素为基础的“硅原子物质”的生命。并认为碳基生命、硅基生命都是化学生命，在中子星上还可能出现非化学生命——核生命。以下主要讨论硅基生命的可能性。“硅化合物的热稳定性使得以其为基础的生命可以在高温下生存。” （英国化学家詹姆士・爱默生・雷诺兹(James Emerson Reynolds)，1893，英国科学促进协会演讲）所以硅基生命很可能出现于温度比较高的星球上，比如说一个到处都是火山的星球上，因为许多硅基化合物比碳基更稳定，且硅-氧键可以承受大约 600K 的温度，而硅-铝键能承受将近 900K 的温度，

所以耐高温的性能要好，而且同样是由于相对稳定，在高温下活性更好。

粗看起来，硅的确是一种作为碳替代物构成生命体的很有前途的元素。它在 宇宙中分布广泛 ，而在元素周期表中，它就在碳的下方，所以 和碳元素的许多基本性质都相似 。举例而言，正如碳能和四个氢原子化合形成甲烷(CH4)，硅也能同样地形成硅烷(SiH4)，硅酸盐是碳酸盐的类似物，三氯硅烷(HSiCl 3 )则是三氯甲烷(CHCl 3 )的类似物，以此类推，两种元素都能组成长链，或聚合物，而 C和 Si 并在长链或聚合物中与氧交替排列，最简单的情形是，碳—氧链可形成聚缩醛（经常用于合成纤维），而硅和氧搭成骨架可产生聚合硅酮。基于上述情况，一些特异的生命形态就有可能以类似硅酮的物质构成。硅基动物很可能看起来像一些会活动的晶体，这种生物体的结构可能是被类似玻璃纤维的丝线串在一起，以形成灵活、精巧，薄而透明的结构。

但 Si 的一个很大的 缺陷就是它与氧的结合力过于强 。C 在地球生物的呼吸作用中的代谢终产物主要为二氧化碳气体，是种很容易从生物体中移除的废弃物质；但是，硅的氧化则会形成固体，因为在二氧化硅刚形成的时候就会形成晶格，使得每个硅原子都被四个氧原子包围，而不是像二氧化碳那样每个分子都是单独游离的，而是非常稳定的固体，处置这样的固体物质会给硅基生命的呼吸过程带来很大挑战。如果以现在的人体结构考虑，当生命在进行一系列纷繁复杂的生命活动以后，我们需要经常用氟化氢清理呼吸道……

只要是生命形态，就必须 从外界环境中收集、储存和利用能量 。碳基生物储存能量的最基本的化合物是碳水化合物。在碳水化合物中，碳原子由单键连接成一条链，而利用酶控制的对碳水化合物的一系列氧化步骤会释放能量，废弃物产生水和二氧化碳。这些酶是些大而复杂的分子，它们依照分子的形状和左旋右旋对特定的反应进行催化，而多数碳基生物体内的物质都显示这个特征，正是这个特点使得酶能够识别和规范碳基生物体内的大量不同新陈代谢进程。然而，硅没能像碳那样产生众多的具有左旋右旋特征的化合物，这使它难以成为生命所需要大量相互联系的链式反应的支持元素。

此外，硅链在水中不稳定，容易断掉，不像碳链那样在干湿环境下都保持稳定。虽然这点不会因此排除硅基生命存在的可能，但存在大量液态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现前的早期生命化学演化的低可能性也被天文观测所验证。

不管天文学家向哪里搜寻——陨星、彗星、巨行星的大气、星际物质、冷却恒星的外层——他们都只能找到氧化的硅(二氧化硅和硅酸盐)，而找不到类似硅烷和硅酮这样的作为硅生物化学存在预兆的物质。相反，当我们寻找碳基生命的迹象时会发现，在陨星中不难找到氨基酸这样的碳基有机分子，至于甲烷，不仅在太阳系的众多行星和卫星中很容易找到，而且在星际物质和星云中也能找到，甚至连甲基乙炔和氰基癸五炔这样的复杂分子都能从星际物质中找到。

即使如此，也有必要指出，硅可能曾在地球生命的起源过程中扮演过一定的角色。因为有一个奇怪的现象是，地球生命特别喜欢利用右旋的糖和左旋的氨基酸。对此的一个理论解，生命演化初期的第一批碳化合物在一片有着旋光性的硅石表面上的“原始汤”内形成，而这种硅化合物的旋光性决定了我们现在从地球生命体内找到的碳化合物的旋光性。

若提出另一种可能的硅基生命：硅—氟体系生命。其以硅为骨架，四氟化硅作为代谢产生的气体，氟化氢取代水，氟气替换氧气。为了保证让氟气和四氟化硅在那时的大气环境下是气体， （假定一个大气压下）在此种情况下，大气温度应该是-19.51~-33.55之间。

但硅参加的反应大多数是高温反应，所以，那时的人类必须要有一套强大的体温调控系统。尽管设想十分美好，但在地球环境下依旧存在着诸多硅基生命无法解决的问题（不排除地外也存在非碳基生命的可能性）。因此，我们不得不承认，碳是地球上无可争议的最理想的生命元素。

**作者：任声权，安徽科普作家协会秘书、肥东科协党支部组织和宣传委员、**国家健康管理师

**审核专家：**杨多文 安徽科普作家协会秘书长，编审

来源: 安徽省科技创新服务中心

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