科幻小说中的硅基生命，就要实现了吗？
李研 | 撰文
陈晓雪｜编辑
“无论大脑是由碳还是硅构成，如果它的复杂性能够使其表现出有意识的迹象，那么同时也就赋予了它主观的内在生命。”
Whether a brain is made of carbon or silicon, the complexity that would enable it to give the outward signs of consciousness also endows it with a subjective inner life.
人类利用含硅材料的历史源远流长，古埃及人用石英砂制作晶莹剔透的玻璃，中国人以陶土烧制精美瓷器，先民留下的智慧结晶见证了人类与硅的不解之缘。然而，由于硅的提纯非常困难，硅元素的发现之路充满坎坷。直到1823年，瑞典化学家贝采利乌斯把氟硅酸钾与钾一同加热，并巧妙地用水去除杂质硅化钾，才首次获得较高纯度的硅，而此时，铱、铂、铑等稀贵金属元素都已经被人类发现了。
高纯度的硅带有银色的光泽，这让贝采利乌斯误以为硅是一种金属，于是他根据拉丁语的法则造出了silicium一词为硅命名，其中 -ium通常是金属元素才有的词根。后来，人们认识到硅的物理化学特性更接近于碳元素，并不属于金属，就去掉了-ium的字根，改用了英国矿物学家托马斯·汤姆森提出的silicon一词。
高纯度的硅材料（硅含量>99%）。2024年，包括诺奖得主、中美欧科学院院士和杰出青年学者等在内的全球50位材料领域领军科学家，受Matter期刊邀请投票选出了他们认为最重要的50种材料。值得注意的是，这些提名中，硅（Silicon）几乎无一例外地被列为重要材料。图源：http://www.sinosilica.com/c/c/29.html
纵观地球上的生命形态，从微小的细菌到庞大的蓝鲸，所有生命体中的关键分子——包括核酸、蛋白质和脂类——都是以碳原子为基本骨架构建而成。
硅与碳在元素周期表中同属第14族，应具有相似的物理化学性质。而且，硅元素在地壳中的丰度显著高于碳元素（后者仅占地壳质量的约0.04%）。这引发了一个自然而然的疑问：为什么地球生命没有选择硅元素？硅基生命有可能存在吗？
早在1891年，德国波茨坦大学的天体物理学家儒略·申纳尔（Julius Scheiner）在一篇论文中便首次提出硅基生命的概念。随后，英国化学家詹姆斯·艾默生·雷诺兹（James Emerson Reynolds）在1893年的科学演讲中进一步发展了这一理论。他特别指出，硅化合物优异的热稳定性可能使硅基生命能够在高温环境下生存。
这些假说激发了科幻作家的创作灵感，硅基生命随之成为科幻文学中的经典主题。
在众多作品中，1934年斯坦利·温博姆（Stanley G. Weinbaum）发表的《火星奥德赛》堪称里程碑之作。小说中描绘了一种名为Tweel的奇特火星生物，它们以硅为主要构成元素，拥有长达50万年的惊人寿命。特别是，作者为这种生物设计了一个极具想象力的新陈代谢模式：每隔十分钟，Tweel就会排泄出一个砖块。这个看似怪诞的设定蕴含基于元素化学知识的合理推想：既然碳基生命（如人类）的新陈代谢产物是气态的二氧化碳，那么以硅为基础的生命体，其代谢产物就很可能是固态的二氧化硅。
《火星奥德赛》（A Martian Odyssey） 封面 图源：https://csfaf.0gsf.com/wiki/doku.php/科幻话题：硅基生命
然而，随着现代化学研究的深入，科学家们逐渐意识到，早期关于硅基生命的设想可能过于理想化。硅元素在化学性质上的局限性，使其难以胜任生命基础元素的重要角色。
生命本质上是一个精妙的化学系统，需要在分子稳定性和反应活性之间保持微妙的平衡。虽然硅原子与碳原子一样拥有四个价电子，理论上都能形成四个共价键，但由于硅原子比碳原子多出一个电子层，导致其对最外层电子的控制力显著减弱。这种电子结构的差异使得Si-Si键的键能远低于C-C键，由硅原子形成的长链结构不稳定，特别是在水溶液中极易分解，而水正是地球孕育碳基生命的摇篮。不仅如此，硅原子也难以像碳原子那样形成稳定的双键和三键结构。这些都严重限制了硅化合物的多样性和复杂性。
长链硅烷与碳烃之间的键能对比。图源：参考文献9
另一方面，硅与氧的结合又走向了另一个极端：Si-O键异常牢固（键能高达452 kJ/mol），这使得二氧化硅成为一种高度稳定的固体物质，难以像气态的二氧化碳那样参与生物体的新陈代谢循环。因此，尽管科幻作品中描绘的"呼出砖块或沙子的生物"极具想象力，但从化学角度分析，这种生命形式在现实中存在的可能性微乎其微。
如果我们把目光投向地球之外，在星际空间中是否存在以硅为基础的生命形式？这个问题至今仍未有定论。然而，现有的天文观测数据似乎也不支持这一假说。迄今为止，除了普遍存在的二氧化硅和硅酸盐等简单化合物外，天文学家尚未在宇宙中发现任何复杂或高级的硅基分子结构。
相比之下，碳基有机分子在宇宙中的存在却得到了广泛证实。通过光谱分析和陨石研究，科学家们已经在星际介质和彗星上检测到多种含碳有机分子，其中甚至包括构成生命基础的氨基酸。这些发现进一步印证了碳元素在生命起源中的独特地位。
2019年AMD公司Ryzen5-3600处理器芯片（未封装状态）参考文献：11
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作者简介：
李研，化学博士，赛先生专栏作家。目前担任细胞出版社(Cell Press)旗下Cell Reports Physical Science 和 Matter期刊的科学编辑。
1.硅：Wikipedia
2.Jöns Jacob Berzelius: wikipedia
3.硅基文明终将统治地球，是一切宇宙文明的必由之路？https://www.sohu.com/a/744083500_121312637
4.硅基生物: wikipedia
5.《奇妙的材料》，【日】佐藤健太郎著，陈广琪译，北京时代华文书局
6.Julius Scheiner: Wikipedia
7.https://www.meisterdrucke.us/fine-art-prints/Unbekannt/1010336/James-Emerson-Reynolds.html
8.Can Two Elements Be Equally Reactive? https://pcbpedia.home.blog/2019/09/01/can-two-elements-be-equally-reactive/
9.Why is All Life Carbon Based, Not Silicon? Three Startling Reasons! https://www.youtube.com/watch?v=kAFC4RY1cKQ
10.晶体管：Wikipedia
11.集成电路：Wikipedia
12.Medium: The AI-Driven Universe a Blink of the Eye Away
