硅基生命差在哪里？

合集 · 解读科技问题 (79)

Description
近年来，“硅基生命”成了一个很流行的词。典型的流程是，在关于人工智能（AI）的访谈中，有人问人类未来怎么办，就有人说也许碳基生命的时代要结束了，硅基生命会成为新的统治者，这未尝不是好事。甚至还有人认为，现有的碳基生命都是更高层次的硅基生命造出来的。
	这样的说法有个优点，就是它显得很有深度，很有哲学范儿，所以我无数次地在节目中和在评论区见到它。然而，我必须指出，这是对硅基与碳基了解一点又了解不多的人容易产生的想法。它最大的作用就是制造一种“跳出三界外，不在五行中”的感觉，外行说出来，博得外行的掌声。关键在哪里呢？所有这些专家也许很懂计算机，很懂AI，但他们都不懂——化学。
	从化学的角度看，就有个很明显的问题：为什么已知的生命全都是碳基生命，从来没有发现硅基生命？有人可能会说，AI就是硅基生命，但这最多只是一个比喻。因为碳基生命指的是实打实的生命，有新陈代谢、有发育与繁殖、有遗传与变异等等的生命，而所谓硅基生命，至少目前完全不满足这些条件。任何一个人面对动物植物和面对计算机，都能分辨出生命与非生命的区别。
	如果要谈论真正意义的硅基生命，那应该是以含硅化合物为核心的生命。然而一提到含硅化合物，首先想到的就是硅酸盐，由它构成的是岩石、土壤等等。所以这样的生命会是什么样？一座山？一块地？难以想象它们怎么进行新陈代谢，怎么发展出复杂的结构。而含碳化合物就有千变万化的蛋白质、核酸等等。一百多年前恩格斯就认识到，生命是蛋白体的存在方式。
	这就引出了一个关键观察：虽然C和Si属于元素周期表中的同一族，但它们的化学性质具有巨大的区别。最显著的区别，就是两者化合物的种类数。
	上过中学的人，应该都听说过有机化学、无机化学。有机物指的是含碳的化合物（除了二氧化碳、一氧化碳等极少数简单化合物之外），无机物指的是不含碳的化合物。请问，是有机物的种类多，还是无机物的种类多？考虑到化学元素有一百多种，很容易产生的想法是，无机物比有机物多。但实际情况是，有机物比无机物多得多！目前有机物的种类上亿，而无机物只有几百万。
	在这个意义上，其实真正特殊的是C，而不是Si。碳元素有话要说：不要误会，我不是针对你，我是说在座的各位……都是垃圾。
	下一层问题是，为什么有机物比无机物多得多？答案是，碳元素有几乎无限的形成长链的能力，而硅元素就不行。
	例如有机化学一上来就会学到烷烃，一个C的CH4叫甲烷，两个C的CH3-CH3叫乙烷，三个C的CH3-CH2-CH3叫丙烷，如此等等，任意长度的碳链都是可行的。但对于硅就不行，一个Si的SiH4叫硅烷，两个Si的SiH3-SiH3叫乙硅烷，它遇到空气就会瞬间燃烧，三个Si的丙硅烷SiH3-SiH2-SiH3更不稳定。如此下去，目前已知最长的Si原子链长度只有6（Si6H14），再往下就合成不出来了。
	这还是只考虑C-C单键和Si-Si单键，如果再考虑双键、三键和成环，C和Si的差距会更大。这就是为什么，含C链的化合物数不胜数，而含Si链的化合物屈指可数。
	有人可能会问，单质Si不是Si的无限长链吗？是啊，但那是单质啊。有机物和无机物指的是化合物，生命显然也得以化合物而不是单质为基础。实际上，单质Si的结构跟金刚石一样，都是每个原子周围以四面体构型连接四个原子。此外虽然Si-O链能形成长链，但没有变形余地，而生命需要分子经常变形。
	下一层问题是，为什么C形成长链的能力比Si强得多？到这里，专业程度就陡然上升了。前面那些都只是事实层面的知识，学过化学的人基本都知道。但对这个问题的回答需要理论层面的知识，即使化学专业的人也可能大部分不知道。真正的回答是：因为C原子的sp轨道能量很接近，而Si的sp轨道能量相差很远。
	这话是什么意思呢？学过电子排布的人知道，原子中的电子排列在一个个轨道（orbital）上，分别叫做1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s、4p、4d、4f等等。这里的1、2、3、4等等叫做主量子数（principal quantum number，常用n来表示），数字越小的轨道离原子核越近；s、p、d、f等等对应角量子数（angular quantum number，常用l来表示），s、p、d、f的角量子数分别为0、1、2、3。
	为什么把它们称为s、p、d、f呢？其实这是对这几个角量子数的历史性称呼，来自光谱学的术语：s表示锐线系（sharp），p表示主线系（principal），d表示漫线系（diffuse），f表示基线系（fundamental）。