寻找以硅为基础的外星生命？别太担心。

在地球上，硅是岩石、玻璃和计算机芯片的原料。它也存在于生命中——在植物和硅藻的外壳中，以及我们体内的痕量元素中。但我们所知的生命并没有充分利用这种元素。

地球上生命的关键成分是碳。我们的细胞是由令人眼花缭乱的分子组成的，这些分子由碳骨架和一些其他元素组成。

但硅似乎也是一个很好的候选者。“如果你是一种生命形式，并且想要在某个地方生存，你会想要选择那些常见且容易获取的构建块。当然，碳是最佳选择，从某种程度上来说，硅也是最佳选择，”柏林工业大学天体生物学家 Dirk Schulze-Makuch 说道。

科幻小说喜欢推测外星人会使用硅而不是无聊的碳。现在，科学家们首次成功诱导活细胞将这两种元素结合在一起。研究人员在 11 月 25 日的《科学》杂志上报道，当提供硅基化合物时，一种通常在冰岛温泉细菌中发现的蛋白质可以在活细胞中形成具有碳硅键的分子。

“自然界中已经存在的某种物质已经准备好进行这种全新的化学反应，而且做得相对较好，”论文合著者、帕萨迪纳加州理工学院的化学工程师 Frances Arnold 说。“它开辟了一条制造自然界从未制造过的化合物的途径。然后你就可以探索它们为生命系统带来的成本和收益。”

硅基生命无法在我们的星球上生存。但科学家可以想象宇宙中可能更适合硅基生命生存的地方，并探索当我们开始将硅基生命引入地球生物化学时会发生什么。

碳规则

碳和硅具有一些化学相似性。“它在元素周期表中仅次于碳，因此具有与碳相同的一些特性，”舒尔茨-马库赫说。与碳一样，硅可以同时与四个原子结合，这让它看起来像是 DNA 和蛋白质等大型复杂分子的有吸引力的构建块。

地球上的硅含量非常丰富；它占地壳的近 30%，是仅次于氧的第二大丰富元素。

那么为什么地球上不存在硅基生命呢？

基本上，地球拥有适合以碳为主的生命繁衍生息的条件，而以硅为主的生命则很难立足。

纯碳可以以石墨或钻石的形式存在于地球上。“它很稳定，不会立即与氧气发生反应，”舒尔茨-马库赫说。含碳化合物燃烧后与氧气发生反应，形成二氧化碳，可供生命利用。

另一方面，硅并不是单独存在的。当硅遇到氧气时——无论是漂浮在空气中还是在水中——它都会吸收氧气并形成硅酸盐。这些化合物含有硅和氧，形成了地球上的大多数岩石和矿物。“只要有氧气或水……就会有岩石，什么也不会发生，”舒尔茨-马库赫说。

而且，虽然水对地球上的生命至关重要，但硅基生命却无法以同样的方式利用水。硅基生命的许多生物化学功能必须依赖另一种分子（可能是甲烷）。

“硅无处不在，但它被束缚在岩石中……硅氧键非常牢固，生物系统必须打破这些键才能利用硅，”阿诺德说。“而且，一旦它们开始使用硅，这些化合物在地球条件下可能都不稳定。”

因此，尽管硅和碳有相似之处，但它们的行为却不同。“无论如何，它们都不是完全相同的替代品，”阿诺德说。“在这个星球上，正常条件下的生命可能不适合硅。”

但是硅基生命可以在其他地方繁荣发展吗？

硅的领域

土星最大的卫星泰坦的表面温度为零下 290 华氏度。这颗卫星氧气含量极低，任何水都会结冰，但液态甲烷在奇怪的河流和湖泊中流动。硅基化合物（称为硅烷）可用于构建外星细胞，在这种条件下应该可以保持稳定。

因此乍一看，土卫六似乎是硅基外星人的理想居住地。“但土卫六的问题在于碳含量太高，甚至比地球上的碳含量还多，”舒尔茨-马库赫说。“我们的模型显示，到目前为止，土卫六上的硅含量并不多。”

土卫六上确实存在的硅埋藏在靠近卫星核心的深处。“为了拥有更多的硅基生命，你必须在地表上找到硅，”舒尔茨-马库赫说。“但你可以想象某些行星或卫星或场景可能会出现这种情况。”

他说，科学家们还推测，由岩石硅酸盐构成的生命可能栖息在岩浆房的极热环境中。

另一种可能性是，依赖硅的外星人不会简单地用硅取代碳。这些外星人会使用将碳和硅结合在一起的分子。太空中已经发现了具有碳-硅键的材料，“但它们非常稀有，因为碳化合物要多得多，”舒尔茨-马库赫说。“生命可能仍会面临艰难的处境。”

依赖硅的生命（比地球人依赖的更多）可能存在，但不太可能成为普遍现象。“我认为这种情况非常罕见，但我可以想象它会存在于某个地方，”舒尔茨-马库赫说。

尘世前景

阿诺德和她的同事的新研究或许能提供一些线索，解释地球生命为何进化到只需要如此少的硅。

当他们首次使用经过改造的大肠杆菌来生产能够制造碳硅键的蛋白质时，该过程效率并不高。但经过几次突变后，这些酶产生的有机硅分子效率比实验室中使用的化学方法高出 15 倍。它们产生了 20 种化合物，全部都是稳定的。

因此，酶不需要太多刺激就能形成碳硅键。不过，这在自然界中可能不会发生。“你可能会说，天哪，生物系统做这件事太容易了，你怎么知道外面没有呢？”阿诺德说。“我们真的不知道，但可能性极小。”她和她的团队给细菌提供的含硅化合物是人造的，这样它们就可以制造这些新产品；细菌通常不会在环境中遇到它们。

但这些实验室合成的碳硅键绝非无足轻重。我们可以用类似的方法迫使细菌制造我们需要的产品。

虽然目前还未发现任何生命形式能够自然形成碳硅键，但我们一直在寻找制造这些化合物的方法。结合碳和硅的分子出现在从药品到电子产品等许多产品中。这些必须在实验室中制造，但阿诺德希望使用微生物制造这些化合物会更便宜、更环保，不会消耗贵金属，并且可以在室温下进行。

阿诺德说：“酶能做到化学家们认为只有酶才能做到的事情。”除了找到更好的方法来制造我们已经使用的东西外，我们还可以发现新材料。

“化学键可能出现在成千上万种不同的分子中，其中一些可能是有用的，”阿诺德说。“它们都是全新的化学实体，现在只需让细菌制造它们就可以轻松获得。”

化学家可以研究硅被引入活细胞后会发生什么。“我们可能可以制造出包含硅的生命成分——可能是硅脂肪或含硅蛋白质——然后问，生命会用它们做什么？”阿诺德说。“细胞不知道里面是碳还是硅吗？细胞会直接吐出来吗？细胞会吃掉它吗？……它是否提供了生命以前没有的新功能？”

如果引入硅似乎有助于生命或者至少不会损害生命，那么这可能表明，只要获得合适的材料，地球生物就可以更多地使用硅。

科学家甚至可能探索他们能否诱使微生物将碳附着到生命通常排斥的其他元素上。“整个元素周期表基本上没有受到大自然的影响，”阿诺德说。生命主要由碳、氧、氮和氢组成，还有一些其他元素。

“当你加入其他元素时会发生什么？大自然能做到这一点吗？”阿诺德说。“我想看看化学家们已经弄清楚的事情中有多少部分我们可以真正教给大自然去做。然后我们真的可以用细菌取代化学工厂。”