按道理来说,宇宙中应该有五种生命形式,按照丰富度和物质结构的组合概率排名,分别是硅基,硼基,氧基,碳基和氮基。碳基生命只能排到第四个位置,那排名第一的硅基生命到底有多强?答案在文章后面会揭晓
在地壳的元素含量中,碳只占据0.03%,可以说是极其稀有的,而地壳中含量最丰富的元素则是氧和硅,分别占据46.6%和27.72%。
如果以丰富度来看,地球上最应该出现的生命是氧基生命和硅基生命。
事实上,人体的确也是含氧量最多的生命体。
我们知道,人体共有60多种元素,含量最多四种元素分别是氧,碳,氢和氮。
其中氧元素占比最高,达到61%,而碳元素只有20%。
那这样说来,人类更应该叫氧基生命,毕竟氧的含量最多。其实,之所以人类不能称作氧基生命,主要是由于人体60-70%都是水,因此才造就了氧和氢在人体元素的超高占比,氧元素并不是人体物质构造中的核心元素。
事实上,构成生命的核心元素不能只看丰富度,还得考虑其稳定性。这种元素不能太稳定,也不能不稳定。太稳定的元素其核外电子就不易形成化学键,这样一来,生命体所需的大分子就无法构建。但要是不稳定,这种元素即便可以构建更多的大分子,那韧性也大打折扣,生命就显得太脆弱。
这就要求构成生命的元素稳定性刚好处于折中位置。
那哪些元素可以承担如此的要求呢?
在元素周期表中,人类已经找到了118种元素,其中自然界天然形成的元素,只有前98个。第98号元素是锎,也就是说锎之后的元素都是人工合成的。
元素周期表的排列方式让我们很容易得出,第一列元素的核外电子只能连接一个电子,也就是只能形成一个共价键,第二列元素能连接两个电子,形成两个共价键,第三列可以连接三个电子,形成三个共价键。第四列可以连接四个电子,形成四个共价键。之后第五列元素就只能连接三个电子,形成三个共价键。此后依次递减,直到惰性元素,其核外最外层电子没有形成共价键的需求,所以惰性元素也是最稳定的元素。
因此惰性元素作为生命的基础元素应该第一个被pass掉。
刚才已经说了,要成为生命体的基础元素,那么这种元素就得既稳定又不稳定。这里面的稳定性指的是衰变稳定性,原子序数不能太大,核外电子数不能太多,如果核外电子数越多,那么原子核对最外层电子的掌控力就越弱,元素就越容易衰变。
而不稳定性指的是元素最外层电子形成共价键的难易程度,越不稳定,越易形成更多的共价键。
在元素周期表中,既要保证原子序数不能太大,又要核外电子形成更多的共价键,也只有碳元素能满足。
碳原子序数为6,一共有6个电子,其中最外层有4个电子。
这四个电子可以形成四个共价键。
这四个共价键就可以让碳元素以共价键的形式形成更为复杂的分子,这是生命形成的必然条件。碳基分子可以形成十分长的非重复聚合物链,也可以形成闭环,或者与其他的元素形成单键,双键或者三键,这些组合形式甚至可以达到数百万种类型。这就让碳基分子可以参与大量生命必需分子的形成过程。分子组合的形式越多,越复杂,携带的信息也就越大,这就造就了DNA可以携带大量的遗传信息,生命体的功能也就越齐全。
可能有人会说,生命体核心元素为什么一定需要四个共价键,难道形成两个或者三个共价键的元素不行吗?拥有两个或者三个共价键的元素,虽然形成的生命大分子种类没有那么多,但也足够有成千上万种组合,这些数量的组合形式对生命来说,或许就足够了。
我们以拥有两个共价键的氧元素为例,氧的核外电子决定其只能和两个原子结合,所以形成的分子不管是从复杂度还是丰富度都大打折扣,即便存在氧基生命,其生命的物质结构也会十分简单,无法进化成更高级的生命形式。
而硼可以生成三个共价键,所形成的分子复杂度也比较多,但是硼在地壳中的含量极其稀有,地壳含量只有0.001%,与碳元素含量存在量级上的差距,这也许是硼元素没有形成生命的一个重要原因。
氮同样可以形成三个共价键,但是氮原子最外能层的一个能级上有两个电子,这就是富余电子
这部分富余电子在一般的生命分子中可以起到氢键的作用,方便形成其他空间结构,但在氮基的生命分子中就是反作用了,它们会挤压其他的三对键的位子,这使得氮基骨架在空间结构的可能性上远小于碳基骨架。
其实在元素周期表中,构成生命的基础元素只需考虑前18种元素即可,越靠后的元素越不稳定。
就以碳和硅举例,它们虽然最外层电子都可以形成四个共价键,但是硅的最外层电子在第三个能层上,而碳的最外层电子在第二个能层上,最外层电子距离原子核越远,就越不稳定,形成的共价键就越容易断裂,比如硅-硅共价键的强度是196KJ/mol,
而碳-碳共价键的强度是334KJ/mol,碳共价键的强度接近硅共价键强度的二倍,所以同样复杂度的大分子,碳基生命受到外界辐射的稳定性就比硅基生命强了接近一倍。
所以硅基生命压根就没有碳基生命强大,完全是营销噱头而已。
共价键越稳定就越能对抗来自母星的电磁辐射。
碳基生命作为地球上的主宰,还有一个很重要的原因,那就是水。碳基生命要想复制自己的基因,就得需要水作为溶剂运输这些碳基分子。
而对于其他星球来说,或许最常见的液体并不是水,而是液态甲烷或者乙烷,比如土卫六。这些液体可能就和地球上的水一样,充当其他生命形式的溶剂。不同的星球有不同的压力和温度,在其他星球上,或许非碳基分子的元素更易形成生命体。从这个角度来看,宇宙中的某一个行星上,是有可能存在硅基或者其他生命形式的生物的。