看到陈学雷老师刚写的《寻找太阳系外的地球》一文，使我想起了数年前选修我课程的一名学生写的文章，今天很有兴致地张贴出来。

关于地外生命形式的构想

作者：王丰    指导老师：赵斌

摘要

本文主要通过对于两种可能的地外生命形式——硅基生命和氨基生命——的构想来探讨宇宙生命形式的多样性。首先，文章对于普适性的生命存在基本原则进行了阐述；进而，在此基础上构建出了硅基生命和氨基生命两种可能的地外生命形式的基本体系，并讨论了其存在的可能性以及与地球生命形式的异同之处。

关键词

地外生命 硅基生命 氨基生命 生命存在的基本原则

引言

在茫茫的宇宙，真的只有地球这一个生命星球吗？真的只有类似于地球这样的行星才能孕育出多姿多彩的生命世界吗？真的只有地球生命这唯一的生命形式吗？多年来，人类对于外太空的探索给了这些问题一个个无情的肯定。虽然我们的科学家们努力地探索着，然而至今为止我们仍旧没能在宇宙中除地球外的星球上发现有生命存在的迹象。虽然这可能是由于科技水平不够发达的原因，但是他们探索宇宙生命的理念和方式也同样值得怀疑。当前，许多科学家仍然有着“人本主义”的思想，在他们眼中只有类似于地球生命的生命形式才是可能的生命存在方式。因而，他们在寻找探索宇宙地外生命的时候总是以地球生命为蓝本：有水是生命存在的关键；生命存在的星球和恒星的距离必须同地球和太阳的距离相似；等等。可想而知，以目前的科技水平，在如此缩小的范围内，我们的探索往往没有任何实质性的结果。面临这样的困境，我们不得不思考：是否这个缩小的范围是正确的？是否可能在宇宙中出现和我们地球生命完全不同的生命形式？所以，我在这里想就这一问题深入展开讨论，着重分析讨论1、对于生命存在的基本原则的讨论；2、硅基生命、氨基生命这两种不同生命形式各自的生命构建系统以及它们存在的可能性和同地球生命形式的比较。

 

一、生命存在的基本原则

当我们在构想还未被事实证据所证实存在的生命形式的时候，我们必须首先考虑生命存在的基本原则是什么。这对于我们构建新的生命形式具有指明方向和验证合理性等诸多重要作用。那么，什么样的客观存在才能称得上是生命？从地球生命的角度来出发，生命之所以有生命主要依赖于严密精巧的细胞结构作为一切生命活动的基础单元；都有复杂系统的代谢网络来保证和维持着生命活动的能量需求和平衡；能够繁衍出新生命来使得这个种族得以延续下去；等等。如果我们将这些地球生命的基本特性推广到一个比较普适的层面，就可以有以下这些生命存在的基本原则：

1、     Organization（组织性）

组织性，顾名思义，就是指拥有从微小元单元到系统部件再到完整个体这种阶梯式的严密生命构建体系。这是一切生命形式最为基本，也是最难以构建的性质。以地球生命为例，这种组织性就表现在其具有构建精良的细胞结构；相同细胞之间可以互相粘结并参与互相之间的细胞通讯，这构成下一级组织——细胞组织；不同的细胞组织互相配合共同完成一个单独的生命活动进程，这又构建出了更进一步的组织——器官；几个器官分工协作形成了能够行使一大类生命功能的组织——系统；最终多个系统互相协同，构成了生命这个有序的整体。由此可见，生命体的组织性对于任何一个生命活动（包括后面将要提到的新陈代谢、生长、应激等特征性生命活动）来说都是一个体系和结构上的基础；同时，正因为生命体拥有组织性，才使得其具有高度的有序性，从而才需要那么多的生命活动来维持这个有序的负熵体。所以，生命体的有序组织性和生命活动是相辅相成、缺一不可的。

2、     Homeostasis（内环境稳定性）

单单只有组织性，对于维持生命体正常生命活动还是不够的，还必须要有内环境稳定性。所谓内环境稳定性就是指生命体通过一系列调控机制维持自身体内各种物质、能量水平处于一个相对稳定的平衡状态。这对于生命体能够行使正常生命活动起到了至关重要的作用。虽然生命体拥有组织性作为物质基础，但它却缺乏弹性。外界环境的强烈影响还是可能破坏生命体的有序性，从而影响到正常生命活动的进行。所以，这个时候就需要内环境稳定性的存在来对生命体有序性进行调控和维持（如地球生命中一些物种的体温调节机制），使得生命体拥有非生命体系所无法拥有的可调控的有序组织性。可以说，内环境稳定性和组织性互相配合，一个为结构基础、一个作为调控手段共同维持生命体正常生命活动的进行。

3、     Metabolism（新陈代谢）

新陈代谢是一个大家都很熟知的词汇，包括合成代谢（通过把外源的物质转化为身体一部分来储存能量）和分解代谢（分解身体的一部分来释放能量）。可以说，新陈代谢是一切生命活动的基础：它为生命体提供了所需的物质和能量供以其他生命活动，使它们能够正常进行。新陈代谢另一个，也是最为重要的性质就是，它在产生负熵维持生命体高度有序体系的同时也保证了物质和能量可以在整个生态体系中得以流通和循环，使得整个生物圈可以得到维持和延续。+ Q' |3 Y+ I% J- o: a. T6 @  f

4、     Response to stimuli and Adaption（应激性与适应性）

应激性和适应性都是生命体对于外界环境影响的表现在生理上和形态上的反应。应激性是一个瞬时的概念，即生命体对于外界影响而做出的即时的反应；而适应性就是一个长期积累的结果，即生命体在一段相当长的时间范围内持续性的接受某种外源性刺激后逐渐做出的变化和反应，同时这种变化和反应必须对于生命体是利好的。这两种性质保证了生命体可以在复杂的外界环境中得以生存下去，同时也是生命进化的表观学基础。1 ]' r

5、     Growth and Reproduction（生长和繁殖）

生命体作为一个负熵体，它本身的不稳定性是显而易见的。这个致命的弱点使得生命体随时可能受到外界环境的影响（尽管具有很多抵抗机制）。为了使得生命能够持续下去，必须有一个更为保险的措施，那就是繁殖出新的生命。生命体通过调控合成代谢速率超过分解代谢来获得生长，当生长到一定程度，机体各部分都已成熟的时候，繁殖就会进行，新的生命将会诞生。生命体的生长和繁殖保证了生命的延续性，是生命存在不可缺少的重要性质。

 

二、两种构想中的生命形式

应用以上的五个基本原则，当我们在具体构建新生命体系基本形式的时候就需要着重讨论以下这几方面内容：基本有机物质的骨架结构；外源生物氧化剂的选择；体液的选择；物质在整个生物圈的循环；能量的流通；等等。

下面我们就按照上述几方面内容来具体讨论两种构想中的生命形式——硅基生命和氨基生命——可能的存在形式。

1、硅基生命

其实在很多年前，就有学者指出硅基生命存在的可能性。他们提出，硅基生命是以半熔融态的硅酸盐为基本物质基础的生命存在形式。由于硅及其化合物的稳定性很高，这就允许这种硅基生命存在于很高的温度环境下（可能达到上千度）；同时，较高的温度也使得组成这些硅基生命的基本化学物质处于半熔融状态，满足了生命体运动以及正常代谢的需求。然而，这种生命形式面临的第一大挑战就是合适的氧化剂的选择。虽然硅化合物稳定性很高，但在高温下，它们也无法承受氧化性很强的氧化剂；但是，如果选择较温和的氧化剂，其氧化的产物是否能在高温下稳定存在却受到怀疑。所以，我构建了在我看来较为可能的能在较低的温度下（比地球温度至多高200℃）合理存在的硅基生命，具体说明如下：

 

如果想要在和地球温度相差不多的环境下构建出硅基生命，那么首先需要解决的就是对于其基本有机物质骨架的设计，这对于形成有组织性的生命体尤为重要。由于单独硅元素很难成长链，无法形成复杂的生物大分子，这对于生命活动，尤其是新陈代谢来说是一个巨大的障碍；而且如果单单由硅元素充当骨架主体元素会让整个生命体趋于晶体状（硅硅之间形成网状结构），从而很难构建出可调控的稳定内环境。这些都违反了上述所提到的“生命存在的基本原则”，所以我在这里提出了以“-Si-O-Si-O-”这种骨架形式来构建整个硅基生命最为基本的有机物质基础。这样的骨架形式可以稳定的存在；可以形成长链，满足生物大分子形成的需要；硅上还有两个未成对电子可以连接侧链，使得其构建的生命物质柔韧性加强（不会像晶体那样），保证正常生理生化活动的进行。

有了基本骨架，下一步就是寻找合适的氧化剂。我在这里先说明一下为什么要有氧化剂的存在：由于生命体是一个高度有序的负熵体（在生命存在原则部分已经有所讨论），必定存在一个能量驱动使得这样一个高度有序负熵体得以存在，这样的后果就是导致生命体是一个高能的还原性体；继而，由于这样一个能量驱动必须持续，加之生命体是还原性体，所以环境中就必须存在外源的氧化剂来保证这样的能量流（实际上就是新陈代谢）能够继续，从而使生命体得以存在。回到硅基生命，由于“-Si-O-Si-O-”这种骨架形式在常温下的化学性质还是相当稳定的，那么就必须相应地选择一个氧化性强、电负性高的物质来做氧化剂才能达到氧化的目的。在我看来，氟气就是一个可行的选择。氟气的强氧化性使其可以在常温下就可以参与到以“-Si-O-Si-O-”为骨架的有机物质的代谢反应之中，在一系列调控机制下最终把有机物质氧化成SiF₄和H-O-F这样的简单物质，同时放出能量供给生命活动的需要。这个反应对应到地球生命形式上就是细胞的有氧呼吸作用。氟气在这里就是起到与氧气类似的作用，而SiF₄和H-O-F就分别对应地球生命形式中的CO₂和H₂O。

SiF₄（地球大气压下熔点：-90.2℃；沸点：-65℃）在常温的硅基生命星球下也同样会是气态物质。这方便了硅基生命体进行类似于地球生命体的呼吸作用：吸入氟气，氟呼吸作用后，将SiF₄排出体外。H-O-F是我推测的一种功能类似于地球生命中H₂O的物质。氟的强电负性使O-F键的共用电子对偏向于氟，这导致H-O键的共用电子对严重偏向于氧，使得氢原子非常裸露。这样的结果就是H-O-F这样的物质非常不稳定，极易发生H-O键的断裂，只有在乙氰这样的溶剂中才能稳定存在。对于这样一个不稳定的物质，为什么还要选择它来代替水呢？我们知道，H₂O除了作为地球生命体体内各种物质的溶剂，同时它也发挥了一个更为重要的作用就是参与机体内各种生化反应。这些生化反应对于地球生命体的正常生活是至关重要的。同样，对于硅基生命来说，类似的生化反应也需要这一种类似于水的物质的存在，然而不同的就是这样的反应在硅基生命中由于硅及其化合物的高度稳定性而变得难以发生。所以，就需要H-O-F这样的非常活泼的物质来替代水行使相同的作用：H-O-F中的-OH和-OF都是非常活泼的基团（尤其是后者），可以参与各种代谢反应的进行；H-O-F极易失去H质子，这为硅基生命中一些非常重要的生理生化反应提供了质子源（比如，可能存在的氟呼吸作用中需要H-O-F提供H质子）。然而，如何解决H-O-F不稳定这个缺陷呢？我想这个问题也不难解决。硅基生命中可能存在这样一种机制：H-O-F在一般情况下会与一种有生物活性的生物大分子特异性结合使其处于较为稳定的状态；当需要参与反应时，这种生物大分子失去活性不能和H-O-F结合，H-O-F便游离出来参与生理生化反应。这样，H-O-F便能稳定并且活泼地在硅基生命体中存在和行使功能了。

我在上文中提到过，H₂O还有个作用就是作为地球生命体内各种物质的溶剂。它保证了地球生命体内各个物质的运输，同时也为体内生理生化反应提供了液相介质，这对于生命体内环境的稳定和代谢反应的正常进行非常重要。同样对于硅基生命来说，也需要这样一种溶剂的存在来满足生命存在的基本原则，而且这样的溶剂同样必须是液态。液态可以说是一个完美的运输物质的形态：它不仅保证了运输的速率的同时兼顾了运输的效率，即液态比固态流动性更强，比气态单位体积运输物质更多（注：这里的运输不仅仅指物质在生命体内从一个地方运送到另一个地方，也指生化反应中参加反应的分子的运动）。HSO₃Cl、HSO₃F或SO₃ClF之类的物质则可以作为硅基生命中的溶剂“水”。它们可以溶解SiF₄等一系列硅基生命中的基本物质，从而可以顺利实现作为溶剂的作用。可见，地球生命中的水在硅基生命中有了两个对应的物质——参加反应的H-O-F和作为溶剂的HSO₃Cl、HSO₃F或SO₃ClF。

至此，我已经完成了对硅基生命基本形式的构建。我们可以设想，在这样一个生命星球中，大气的成分将主要是氟气和SiF₄，可能也存在类似于地球大气氮气这样生化反应活性非常低的气体来保证不会发生氧化剂中毒（即氧化剂浓度过高，引起机体过度氧化）；可能存在海洋，其成分主要是HSO₃Cl、HSO₃F或SO₃ClF（同生命体体液成分一致）；自养硅基生物可能采用类似于光合作用的机制利用来自恒星的能量、大气中的SiF₄以及H-O-F在生命体（包括异养生命体和自养生命体）的含氧氟代谢产物来合成“-Si-O-Si-O-”链有机小分子并放出氟气（氟循环）；“-Si-O-Si-O-”链有机小分子继而参与自养硅基生物机体的构建，生命体得以生长繁殖；异养硅基生物以自养硅基生物为食，在体内分解成“-Si-O-Si-O-”链能量小分子参与氟呼吸，产生SiF₄和H-O-F；SiF₄以气体形式返回大气完成硅循环，H-O-F在硅基体内参与生理生化反应并最终以含氟氧代谢产物排出体外；这些含氧氟代谢产物被自养硅基生物吸收并参与上述的类似光合作用的反应合成“-Si-O-Si-O-”链有机小分子，完成H-O-F循环。

 

2、氨基生命

氨基生命同样也是一些学者们畅想地外生命时的一个主要话题，可是大家往往只是讨论液氨和水的种种类似和不同（至少从我查阅的资料来看），却没有系统地阐述说明整个氨基生命的构建形式。我利用自己掌握的生物及化学知识，并通过查阅相关资料，对于氨基生命具体的基本形式进行了构建。虽然称为“氨基生命”，但在我这里氨（或者说氮）并不是构建生命的骨架成分。我所构建的氨基生命也是一种以碳为有机物质基本组成元素的生命形式，只是由于氨的介入使得生命的性质与同为碳基生命的地球生命在很多方面有所不同，才将这个名词继续沿用下去。至于我为什么会选择碳骨架，我想原因有三：1、碳骨架做为生命物质基本骨架的优越性；2、碳骨架在我所构建的氨基生命中可以存在而且还很合适；3、我还没有发现其他更好的适合氨基生命的骨架形式。下面是我对于氨基生命的具体说明：

 

既然氨基生命也采用碳骨架，那么首先需要解决的问题就是这种碳骨架在氨基生命中存在的可能性和适合性。我们知道，之所以提出氨基生命这种生命形式就是由于液氨可以起到代替水的作用；而在此基础上建立起来的生命形式就称为氨基生命。由于氨的融沸点很低，那么要保持氨为液态形式，就必须保持低温（大概-60℃左右）。在这一温度下一般地球生命的生物化学反应会变得极其惰性，所以为了保持生命活性、满足生命存在的基本原则，这里的碳骨架就必须具有很高的化学活泼性。值得庆幸的是，碳骨架的多元性使得它可以完全胜任。在氨基生命中，碳骨架中的双键和叁键比例将会比地球生命中的高很多；成环结构也不会局限于五或六个碳原子组成的环，而将有可能形成更长的环；其他在地球生命中无法稳定存在的碳骨架结构也可能存在于氨基生命中；等等。有了这些改变后，氨基生命体系中的碳骨架就会表现出很高的化学活泼性。由此我们可以得出结论：碳骨架完全可以在低温氨基生命体系中得以存在并且正常参与生命的构建。

应用在构建硅基生命时的思考路线，有了基本骨架后，下一步就是寻找合适的氧化剂。在硅基生命中，我已经阐述了氧化剂存在的必要性和普适性，所以在这里就不再赘述，而是直接讨论氨基生命体系氧化剂的选择问题。首先，由于氨基生命体系中大量存在液氨，它的还原性比较强，如果选择氧化性强的氧化剂则会把液氨氧化而使之无法稳定存在；但是如果选择氧化性较弱的氧化剂则无法在低温的氨基生命体中参与生理生化反应。在如此两难境地的情况下，巧合的正是氮的单质（即氮气）给了我们一个最好的选择：氮气单质由于是氮氮叁键，所以在一般情况下它都表现得非常的不活泼，不会氧化液氨；而当我们需要其参与生物氧化的时候，就可以把氮单质转变为氮自由基（生物体内的某种特殊机制，如利用某种特异性酶等），表现出非常强的可控氧化性，因而可以在低温下参与生物氧化反应。其次，由于我们已经认定了由液氨来替代水，我们从类比性也可以得到由氮气来替代氧气。所以，关于氧化剂选择的问题也得到了解决。

氨基生命有了碳的骨架、有了氮气做为氧化剂，通过生物氧化反应后就可以得到液氨和H-N=C=N-H，它们分别对应地球生命中的H₂O和CO₂。液氨和水在生物性方面的确存在很多相似的地方：液氨可以电离出NH₄⁺和NH₂^－，使其成为与水类似的极性溶剂，并可以参与类似的酸解反应；液氨的比热容也很大、粘滞性也很低，使其充分满足生命体对于体液的要求；液氨的化学性质也很活泼，从而可以参与生命体的一系列生理生化反应。然而，液氨也存在一个问题：由于液氨的沸点和凝固点在一个大气压下是-34℃和-75摄氏度，所以其液态温区的范围仅仅有41℃，这对于生命的生活范围的有着很大的限制。不过，当大气压提高后液氨的液态温区将明显增大（如在60个大气压下，液氨的沸点变成98℃，液态温区也随之扩大到175℃）。由此，我们也可以推断出来氨基生命可能存在于较高的气压环境之下。

H-N=C=N-H是我推断出的CO₂对应物。从结构式可以看出其氧化得并不充分，没有释放有机物中所有的能量。为什么会是这样的？我认为不充分氧化是氨基生命不可缺少的机制。氨基生命碳骨架的高化学活泼性决定它必须需要很高的外界能量或者当起始反应物能量状态较高时才能合成。而氨基生命存在的星球环境温度很低，推断出它接受恒星的能量也较地球低。所以氨基自养生物没有足够高的能量从完全氧化的产物来合成碳骨架有机小分子，而只能利用较高能的未充分氧化产物来完成合成反应。由此可见，H-N=C=N-H这种未完全氧化产物的存在是合理的而且是必然的。

至此，我完成了对于氨基生命基本生命形式的构建，我们可以设想：氨基生命体系中的大气成分主要是氮气和H-N=C=N-H；存在以液氨为基本溶剂的海洋；氨基自养生物利用恒星的辐射能或其他形式的能量，由H-N=C=N-H和液氨合成氨基生物碳骨架有机小分子，并释放氮气（合成氮气单质建立叁键时会释放大量能量，这对能量供给形势严峻的氨基自养生物来说是一个巨大的利好因素）；氨基异养生物依靠氨基自养生物为食，消化分解成碳骨架能量小分子参与生物氧化反应，释放能量供给氨基异养生物生命活动，并产生液氨和H-N=C=N-H使得其循环得以建立。

 

结语

宇宙的茫茫未知性给了我们无限的想象空间，虽然我们无法印证，但我们却始终相信在这深邃的宇宙中总有和我们相似或不同的生命形式的存在。地球，这个适宜生命繁衍生息的美丽星球，永远不会孤独。

 

 

王 丰

2008-12-14

 

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