硅基生命統(tǒng)治世界？

近年來“硅基生命”成了一個(gè)流行詞。典型場景是：在關(guān)于人工智能的訪談中，有人問人類未來怎么辦，就有人說也許碳基生命的時(shí)代要結(jié)束了，硅基生命會成為新的統(tǒng)治者，這未嘗不是好事；甚至還有人認(rèn)為，現(xiàn)有的碳基生命都是更高層次的硅基生命造出來的。

這樣的說法優(yōu)點(diǎn)是顯得很有深度，有哲學(xué)范兒，我無數(shù)次地在節(jié)目中和在評論區(qū)見到它。然而必須指出，這是對硅基與碳基了解一點(diǎn)、又了解不多的人容易產(chǎn)生的想法。它最大的作用就是制造一種“跳出三界外，不在五行中”的感覺，外行說出來后，還能博得其他外行的掌聲。關(guān)鍵在哪里呢？持這種觀點(diǎn)的人也許很懂計(jì)算機(jī)，很懂人工智能（AI），但他們都不懂——化學(xué)。

為什么從來沒有發(fā)現(xiàn)硅基生命？

從化學(xué)的角度看，有個(gè)很明顯的問題：為什么已知的生命全都是碳基生命，從來沒有發(fā)現(xiàn)硅基生命？有人可能會說，AI就是硅基生命。但這最多只是一個(gè)比喻。因?yàn)樘蓟傅氖菍?shí)打?qū)嵉纳?，有著新陳代謝、發(fā)育與繁殖、遺傳與變異等，而所謂硅基生命，至少目前完全不滿足這些條件。任何人面對動植物和面對計(jì)算機(jī)，都能分辨出生命與非生命的區(qū)別。

如果要談?wù)撜嬲饬x的硅基生命，那應(yīng)該是以含硅化合物為核心的生命。然而一提到含硅化合物，首先想到的就是硅酸鹽，由它構(gòu)成的是巖石、土壤等。這樣的生命會是什么樣呢？一座山？還是一塊地？難以想象它們怎么進(jìn)行新陳代謝，怎么發(fā)展出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。而含碳化合物就有千變?nèi)f化的蛋白質(zhì)、核酸等。一百多年前恩格斯就認(rèn)識到，生命是蛋白體的存在方式。

這就引出了一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：雖然碳（C）和硅（Si）屬于元素周期表中的同一族，但它們的化學(xué)性質(zhì)具有巨大的區(qū)別。最顯著的區(qū)別，就是兩者化合物的種類數(shù)。

上過中學(xué)的人，應(yīng)該都聽說過有機(jī)物、無機(jī)物。有機(jī)物指的是含碳的化合物（除了二氧化碳、一氧化碳等極少數(shù)簡單化合物之外），無機(jī)物指的是不含碳的化合物。請問，是有機(jī)物的種類多，還是無機(jī)物的種類多？考慮到化學(xué)元素有一百多種，很容易產(chǎn)生的想法是“無機(jī)物比有機(jī)物多”。但實(shí)際情況是，有機(jī)物比無機(jī)物多得多！目前有機(jī)物的種類上億，而無機(jī)物只有幾百萬。在這個(gè)意義上，其實(shí)真正特殊的是C，而不是Si。

▌為什么有機(jī)物比無機(jī)物多得多？

碳元素有幾乎無限的形成長鏈的能力，而硅元素就不行。例如有機(jī)化學(xué)一上來就會學(xué)到烷烴，1個(gè)C的CH4叫甲烷，2個(gè)C的CH3-CH3叫乙烷，3個(gè)C的CH3-CH2-CH3叫丙烷等，任意長度的碳鏈都是可行的。但對于硅就不行，1個(gè)Si的SiH4叫硅烷；兩個(gè)Si的SiH3-SiH3叫乙硅烷，它遇到空氣就會瞬間燃燒；3個(gè)Si的丙硅烷SiH3-SiH2-SiH3更不穩(wěn)定。如此下去，目前已知最長的Si原子鏈長度只有6（Si6H14），再往下就合成不出來了。這還是只考慮C-C單鍵和Si-Si單鍵的情況，如果再考慮雙鍵、三鍵和成環(huán)的情況，C和Si的差距會更大。這就是為什么，含C鏈的化合物數(shù)不勝數(shù)，而含Si鏈的化合物屈指可數(shù)。

▌單質(zhì)Si不是Si的無限長鏈嗎？

是的，但那只是單質(zhì)。有機(jī)物和無機(jī)物指的是化合物，生命顯然也得以化合物而不是單質(zhì)為基礎(chǔ)。實(shí)際上，單質(zhì)Si的結(jié)構(gòu)跟金剛石一樣，都是每個(gè)原子周圍以四面體構(gòu)型連接4個(gè)原子。此外雖然Si-O鏈能形成長鏈，但沒有變形余地，而生命需要分子經(jīng)常變形。

▌為什么C形成長鏈的能力比Si強(qiáng)得多？

這里專業(yè)程度就陡然上升了。前面都只是事實(shí)層面的知識，但這個(gè)回答需要理論層面的知識，即使化學(xué)專業(yè)的人也可能大部分不知道。真正的回答是：C原子的s和p軌道能量很接近，而Si的s和p軌道能量相差很遠(yuǎn)。

電子排布

原子中的電子排列在一個(gè)個(gè)軌道（orbital）上，這些軌道分別叫作1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s、4p、4d、4f等。這里的1、2、3、4等叫作主量子數(shù)（principal quantum number，常用n來表示），數(shù)字越小的軌道離原子核越近；s、p、d、f等對應(yīng)角量子數(shù)（angular quantum number，常用l來表示），所對應(yīng)的角量子數(shù)分別為0、1、2、3等。s、p、d、f是對這幾個(gè)角量子數(shù)的歷史性稱呼，來自光譜學(xué)的術(shù)語：s表示銳線系（sharp），p表示主線系（principal），d表示漫線系（diffuse），f表示基線系（fundamental）。

在給定主量子數(shù)n的情況下，角量子數(shù)l只能取小于n的值。為什么會這樣呢？它來自對原子薛定諤方程的求解。薛定諤方程是量子力學(xué)中的一個(gè)基本方程，求解它能得到原子分子體系的所有性質(zhì)。對于n=1，只能有l(wèi)=0，即1s軌道。對于n=2，只有2s軌道（l=0）和2p軌道（l=1）這兩個(gè)。對于n=3，則有3s、3p、3d軌道這三個(gè)等。

電子軌道的能量順序，一般而言是主量子數(shù)越小的能量越低；而在同一個(gè)主量子數(shù)內(nèi)部，角量子數(shù)越小的能量越低。因此，一般是1s<2s<2p<3s<3p<3d。此外，內(nèi)層已經(jīng)填滿的電子，對化學(xué)性質(zhì)的影響很小，大部分情況下我們只需要關(guān)心原子的最外層電子。因此，對于C我們關(guān)心最外層的2s和2p軌道，對于Si則是最外層的3s和3p軌道。

以上這些，可以說都是高中知識；但下面的內(nèi)容，就需要大學(xué)知識了。當(dāng)兩個(gè)原子相互作用時(shí)，它們的原子軌道（atomic orbital）會重疊、組合，形成分子軌道（molecular orbital）。同相的重疊使能量下降，得到成鍵軌道（bonding orbital）；反相的重疊使能量上升，得到反鍵軌道（antibonding orbital）。電子如果只填在成鍵軌道而沒有填在反鍵軌道上，整個(gè)體系的能量就下降了，這是有利于穩(wěn)定的。因此，一個(gè)化合物是否穩(wěn)定，歸根結(jié)底就取決于原子軌道組合成分子軌道時(shí)，能量下降了多少，以及電子填充分子軌道時(shí)是不是只填了成鍵軌道。

現(xiàn)在我們接觸到了C和Si的區(qū)別。C的2s軌道和2p軌道能量很接近，因此兩個(gè)C原子的2p軌道形成成鍵軌道時(shí)，也會混入很大比例的2s軌道的成分，使分子軌道的能量進(jìn)一步下降。而Si的3s軌道和3p軌道能量相差很遠(yuǎn)，兩個(gè)Si原子的3p軌道形成成鍵軌道時(shí)，3s的成分很少，所以分子軌道的能量下降得并不多。這就是C-C鍵比Si-Si鍵強(qiáng)得多的原因。

▌為什么C原子的s和p軌道能量很接近，而Si反之？

這是一個(gè)超級專業(yè)的問題，即使學(xué)過量子化學(xué)的人也可能回答不到點(diǎn)子上。實(shí)際上，如果去問一個(gè)量子化學(xué)專業(yè)的人，最有可能得到的回答是：算出來就是這樣唄。這是因?yàn)?，大家學(xué)量子化學(xué)時(shí)，大部分內(nèi)容都是解薛定諤方程的各種方法，包括精確算法和近似算法，大部分研究都是追求計(jì)算精度或者計(jì)算效率——以至于很多人忘記了對結(jié)果進(jìn)行定性解釋。

在這里真正有趣的是，對C和Si的這個(gè)重要區(qū)別，存在一個(gè)簡單的定性解釋。這個(gè)定性解釋是：存在2p軌道，但不存在1p軌道。

這是什么意思呢？首先2p軌道是存在的，但1p軌道是不存在的，因?yàn)橹髁孔訑?shù)n=1時(shí)，角量子數(shù)l只能等于0，所以只有1s軌道，沒有1p軌道。但這跟C與Si的區(qū)別有什么關(guān)系呢？

關(guān)系就在于：屏蔽效應(yīng)（screening effect）。其實(shí)這是個(gè)非?；A(chǔ)的概念，所有化學(xué)專業(yè)的學(xué)生大一時(shí)都學(xué)過。屏蔽效應(yīng)的意思是：原子的內(nèi)層電子會對外層電子產(chǎn)生一定的屏蔽效果，因?yàn)樗鼈兌紟ж?fù)電，同性相斥，所以會減弱帶正電的原子核對外層電子的吸引，由此導(dǎo)致外層電子的能量升高。這是非常容易理解的。

但在此之上，還有非常有趣的一點(diǎn)是：角量子數(shù)相同的內(nèi)層電子，對外層電子的屏蔽作用更強(qiáng)，這是因?yàn)樗鼈兊目臻g分布形狀相似。s、p、d、f軌道具有不同的形狀。具體而言，s軌道只有1個(gè)，是球形的；p軌道有3個(gè)，是紡錘形的，分別指向x、y、z這3個(gè)軸線方向；d軌道有5個(gè)，形狀更復(fù)雜一點(diǎn)，有的是在空間伸展成四瓣，有的是一個(gè)紡錘周圍套一個(gè)圈等。

假如外層有一個(gè)px軌道，指向x方向的兩極，內(nèi)層也有一個(gè)px軌道，那么在外層px軌道出現(xiàn)幾率大的方向上，內(nèi)層px軌道出現(xiàn)幾率也大，所以它對外層px軌道的屏蔽會比較強(qiáng)。而如果內(nèi)層軌道是s軌道，它在全空間是球?qū)ΨQ的，對外層px軌道沒有針對性，屏蔽就會比較弱。由此大家可以理解，在角量子數(shù)相同的軌道之間，屏蔽效應(yīng)更大一些。

現(xiàn)在我們可以理清整條邏輯線了：不存在1p軌道，所以C原子的2p軌道受到的屏蔽比較弱，它受到原子核的吸引比較強(qiáng)，能量下降到了跟2s差不多的程度，所以C-C成鍵時(shí)s和p軌道的混合很強(qiáng)烈，導(dǎo)致成鍵軌道能量下降得很多，因此C-C鍵很強(qiáng)，可以形成幾乎無限長的C鏈；而由于存在2p軌道，Si原子的3p軌道被屏蔽而抬升，所以軌道能量比3s高得比較多（Si的2s屏蔽3s，C的1s屏蔽2s，這兩者都有。Si有2p屏蔽3p，C卻沒有1p屏蔽2p，這造成了區(qū)別），所以Si-Si成鍵時(shí)s和p軌道的混合很弱，使得成鍵軌道能量下降得不多，因此Si-Si鍵比較弱，形成Si鏈非常困難。

硅基生命？不存在的

這就是為什么，存在碳基生命，而不存在硅基生命——這都是由于量子力學(xué)的一條簡單法則：角量子數(shù)只能小于主量子數(shù)。歸根結(jié)底，這是解薛定諤方程時(shí)得到的自然結(jié)果，不需要精確地解，只需要從解的定性結(jié)構(gòu)就能得到。這一連串簡單而自然的解釋，是不是令你驚嘆絕妙？

許多人說，宇宙這么大，其他地方的生命形式也許跟我們完全不同，可能是硅基的，可能是電磁波……?，F(xiàn)在我們知道，這類說法看似宏大，實(shí)則無知。C形成長鏈的能力比Si強(qiáng)得多，這不是個(gè)偶然現(xiàn)象，而是由量子力學(xué)的基本原理決定的，在宇宙任何地方都是如此。

最后，你可能會問，我是從哪里知道這些的？回答是：來自我的博士后導(dǎo)師，1981年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者、康奈爾大學(xué)化學(xué)系羅阿爾德·霍夫曼（Roald Hoffmann）教授。他獲獎(jiǎng)的原因是關(guān)于化學(xué)反應(yīng)的理論，實(shí)際上，他就是一位定性分子軌道理論的大師。用現(xiàn)在的觀點(diǎn)衡量，他的計(jì)算方法都是不精確的。但有趣之處在于，他只需要通過一些定性的推理——主要是畫軌道相互作用圖——就能得到很多重要的結(jié)論，例如某種結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定、它是導(dǎo)體還是絕緣體、它在什么位置容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、它傾向于如何變形等。

正是從他那里，我學(xué)到了很多關(guān)鍵的理念。例如他說過：一個(gè)好的模型，就是你把它一減再減，直到再減就什么都剩不下為止，這時(shí)你就知道，剩下的每一條都是十分關(guān)鍵的，這就是一個(gè)好的模型。我從他對教學(xué)與講解的熱愛中，還領(lǐng)悟到一個(gè)基本道理：凡是你真正理解的，你都可以向別人解釋清楚。后來我才發(fā)現(xiàn)，這個(gè)理念也適用于科普。

▌作者簡介

袁嵐峰，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心副研究員、科技傳播系副主任，中國科協(xié)科普專業(yè)研究員，安徽省科協(xié)常務(wù)委員，科技與戰(zhàn)略風(fēng)云學(xué)會會長，中國青少年新媒體協(xié)會常務(wù)理事，中國科普作家協(xié)會理事，中國物理學(xué)會科普工作委員會委員，中國化學(xué)會科普工作委員會委員，入選“典贊·2018科普中國”十大科學(xué)傳播人物。

霍夫曼研究組在康奈爾大學(xué)化學(xué)系樓Baker Lab臺階上的合影，后排左三為本文作者。

本文摘編自《科學(xué)世界》雜志2025年第1期，文章內(nèi)容略有刪改。

新媒體編輯 | 周濛