一个化学狗对生命形式的一点点看法

自从NASA发布了关于地球姐妹星的消息之后，关于地外生命的讨论就再度热门了起来，各种观点如碳基生命、硅基生命、等离子生命、电磁波生命、泡在液态甲烷海里的生命、飘在木星大气层里的生命等等层出不穷，看得人眼花缭乱……
那么这些假设是否能够站得住脚呢？让我们首先看看生命的本质：生命首先应该是有序的、包含自身（遗传）信息的、可以利用周边物质及能量进行自我复制的有机体。从这一点来看，首先可以将等离子生命和电磁波生命排除掉。这是因为，等离子体在宏观上可能是有序的，比如恒星、星系在重力作用下形成的规则宏观形态，但是在微观上是无序的，因为等离子体中的电子和原子核完全是无规则热运动，不可能形成稳定的结合形态（能结合起来，就不叫等离子体了）；电磁波就更不用说了，仅仅“波粒二象性”这五个字就决定了它无法形成具体的结构。为了形成宏观有序，微观也有序的存在型式，生命只能是以化学物质为基础，而其形成、生存以及繁衍的基础则是化学反应。
既然谈到化学反应，我们就不得不提及各种元素及其化合物的理化性质。这个要慢慢说。
首先，要形成稳定、包含遗传信息的的基本架构，咱得有个足够大的分子。这就需要一种具有高价态、其本身及常见化合物的化学反应活性适中、能够形成稳定共价键和长链分子结构的元素，从这点上看，三价的硼、四价的碳和硅、五价的氮磷、六价的硫等貌似都有希望。但是别高兴的太早，事实上能够形成以单一元素为主链的稳定大分子化合物的元素只有碳和硅 - 别问我为啥，这玩意解释起来能写一本书，有兴趣的TX可以去看看无机化学、有机化学、结构化学、物理化学、化学工程等专业书。
说到这里，支持硅基生命的TX可能会高兴了，不过别高兴的太早了。为了有效地完成完成化学反应，各种反应物之间必须形成有效接触（就像谈恋爱的双方必须通过某种方式互相联系上一样），所以我们需要一个固-液、固-气、液-液、液-气或气-气反应环境，固体和固体之间除非有激烈搅拌不断更新表面，否则是无法持续发生化学反应的（相关学科为表面化学）。不幸的是，硅和其常见化合物绝大多数都是熔点很高而且化学性质非常稳定的固体（想想你化学实验的试管烧瓶什么的都是什么材质就明白了）。想象一下，在原始地球上，甲烷、二氧化碳、氮气等成分在阳光、宇宙粒子、闪电等外界能量作用下欢快地反应，形成各种有机物的时候，石英砂只能在地上干瞪眼……所以硅被开除了，剩下的只有碳。
碳是一种很神奇的元素。它在宇宙中广泛存在，其丰度仅次于氢、氦和氧（欲知详情请观看探索频道《宇宙有道理》之恒星篇），可谓随处可见。它又是一种化学反应活性适中的元素，能够和许多其它元素形成相对稳定的、在常温下呈现不同相态的化合物，如常见的二氧化碳、碳酸盐、各种烃类等。同时，由于碳是四价元素，在两两相连形成链状分子的同时又可以在旁边结合其它元素，形成更加复杂的分子，如常见的酒精、甘油、氨基酸等等（可参考有机化学）。事实上，在我们身边存在的以碳元素为基本组成部分的有机化合物分子的种类要远远超出无机化合物种类的总和。碳的这些特性，使其成为生命的最优基础元素，没有其它。
谈完基础骨架元素，我们再看看生存条件。第一，温度不能太高，否则大分子有机化合物很容易分解（参见中学化学里的木材干馏试验），难以形成稳定的遗传物质；第二，温度也不能太低，否则化学反应速度太慢，难以形成大分子生命物质，即便偶尔形成一点大分子物质，也马上冻硬了（可以想象一下冬天的漠河，误加了0号柴油的车辆的惨状），所以土卫六之类拥有甲烷海洋里产生生命的可能基本上为零；第三，除了作为骨架结构的碳之外，我们还需要些其它元素，让生命分子变得更加复杂，以便承载必要的遗传信息 - 只有碳氢的大分子最多形成聚乙烯聚丙烯之类的塑料，却永远无法变成生命 - 幸运的是，我们有氧、氮这两种具有良好、适中的反应活性，同时在宇宙中又广泛分布的元素。第四我们需要一个液态的海洋，来溶解必要的化学物质，以满足生化反应的需要（不要提超临界气体，那玩意儿的环境太苛刻，溶解性能太强了，没毛生命物质能够在那样的环境下不被溶的一干二净）；第五，需要外界能量源来支持生化反应；第六环境要相对稳定，不能三天两头有个伽玛射线爆，或者白天一两百度、晚上零下一两百度之类的剧烈变化……
林林总总，生命产生及发展需要的条件很苛刻，所以也就不难理解为何宇宙中有机物无处不在，而生命却如此稀少了。自从NASA发布了关于地球姐妹星的消息之后，关于地外生命的讨论就再度热门了起来，各种观点如碳基生命、硅基生命、等离子生命、电磁波生命、泡在液态甲烷海里的生命、飘在木星大气层里的生命等等层出不穷，看得人眼花缭乱……
那么这些假设是否能够站得住脚呢？让我们首先看看生命的本质：生命首先应该是有序的、包含自身（遗传）信息的、可以利用周边物质及能量进行自我复制的有机体。从这一点来看，首先可以将等离子生命和电磁波生命排除掉。这是因为，等离子体在宏观上可能是有序的，比如恒星、星系在重力作用下形成的规则宏观形态，但是在微观上是无序的，因为等离子体中的电子和原子核完全是无规则热运动，不可能形成稳定的结合形态（能结合起来，就不叫等离子体了）；电磁波就更不用说了，仅仅“波粒二象性”这五个字就决定了它无法形成具体的结构。为了形成宏观有序，微观也有序的存在型式，生命只能是以化学物质为基础，而其形成、生存以及繁衍的基础则是化学反应。
既然谈到化学反应，我们就不得不提及各种元素及其化合物的理化性质。这个要慢慢说。
首先，要形成稳定、包含遗传信息的的基本架构，咱得有个足够大的分子。这就需要一种具有高价态、其本身及常见化合物的化学反应活性适中、能够形成稳定共价键和长链分子结构的元素，从这点上看，三价的硼、四价的碳和硅、五价的氮磷、六价的硫等貌似都有希望。但是别高兴的太早，事实上能够形成以单一元素为主链的稳定大分子化合物的元素只有碳和硅 - 别问我为啥，这玩意解释起来能写一本书，有兴趣的TX可以去看看无机化学、有机化学、结构化学、物理化学、化学工程等专业书。
说到这里，支持硅基生命的TX可能会高兴了，不过别高兴的太早了。为了有效地完成完成化学反应，各种反应物之间必须形成有效接触（就像谈恋爱的双方必须通过某种方式互相联系上一样），所以我们需要一个固-液、固-气、液-液、液-气或气-气反应环境，固体和固体之间除非有激烈搅拌不断更新表面，否则是无法持续发生化学反应的（相关学科为表面化学）。不幸的是，硅和其常见化合物绝大多数都是熔点很高而且化学性质非常稳定的固体（想想你化学实验的试管烧瓶什么的都是什么材质就明白了）。想象一下，在原始地球上，甲烷、二氧化碳、氮气等成分在阳光、宇宙粒子、闪电等外界能量作用下欢快地反应，形成各种有机物的时候，石英砂只能在地上干瞪眼……所以硅被开除了，剩下的只有碳。
碳是一种很神奇的元素。它在宇宙中广泛存在，其丰度仅次于氢、氦和氧（欲知详情请观看探索频道《宇宙有道理》之恒星篇），可谓随处可见。它又是一种化学反应活性适中的元素，能够和许多其它元素形成相对稳定的、在常温下呈现不同相态的化合物，如常见的二氧化碳、碳酸盐、各种烃类等。同时，由于碳是四价元素，在两两相连形成链状分子的同时又可以在旁边结合其它元素，形成更加复杂的分子，如常见的酒精、甘油、氨基酸等等（可参考有机化学）。事实上，在我们身边存在的以碳元素为基本组成部分的有机化合物分子的种类要远远超出无机化合物种类的总和。碳的这些特性，使其成为生命的最优基础元素，没有其它。
谈完基础骨架元素，我们再看看生存条件。第一，温度不能太高，否则大分子有机化合物很容易分解（参见中学化学里的木材干馏试验），难以形成稳定的遗传物质；第二，温度也不能太低，否则化学反应速度太慢，难以形成大分子生命物质，即便偶尔形成一点大分子物质，也马上冻硬了（可以想象一下冬天的漠河，误加了0号柴油的车辆的惨状），所以土卫六之类拥有甲烷海洋里产生生命的可能基本上为零；第三，除了作为骨架结构的碳之外，我们还需要些其它元素，让生命分子变得更加复杂，以便承载必要的遗传信息 - 只有碳氢的大分子最多形成聚乙烯聚丙烯之类的塑料，却永远无法变成生命 - 幸运的是，我们有氧、氮这两种具有良好、适中的反应活性，同时在宇宙中又广泛分布的元素。第四我们需要一个液态的海洋，来溶解必要的化学物质，以满足生化反应的需要（不要提超临界气体，那玩意儿的环境太苛刻，溶解性能太强了，没毛生命物质能够在那样的环境下不被溶的一干二净）；第五，需要外界能量源来支持生化反应；第六环境要相对稳定，不能三天两头有个伽玛射线爆，或者白天一两百度、晚上零下一两百度之类的剧烈变化……
林林总总，生命产生及发展需要的条件很苛刻，所以也就不难理解为何宇宙中有机物无处不在，而生命却如此稀少了。