袁岚峰：硅基生命差在哪里？ | 科学世界

硅基生命统治世界？

「小科带你读」

近年来“硅基生命”成了一个流行词。典型场景是：在关于人工智能的访谈中，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。

这样的说法优点是显得很有深度，有哲学范儿，我无数次地在节目中和在评论区见到它。然而必须指出，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，外行说出来后，还能博得其他外行的掌声。关键在哪里呢？持这种观点的人也许很懂计算机，很懂人工智能（AI），但他们都不懂——化学。

为什么从来没有发现硅基生命？

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从化学的角度看，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，有着新陈代谢、发育与繁殖、遗传与变异等，而所谓硅基生命，至少目前完全不满足这些条件。任何人面对动植物和面对计算机，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。这样的生命会是什么样呢？一座山？还是一块地？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。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点：虽然碳（C）和硅（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，应该都听说过有机物、无机物。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。

▌为什么有机物比无机物多得多？

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，1个C的CH4叫甲烷，2个C的CH3-CH3叫乙烷，3个C的CH3-CH2-CH3叫丙烷等，任意长度的碳链都是可行的。但对于硅就不行，1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；3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单键的情况，如果再考虑双键、三键和成环的情况，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。

▌单质Si不是Si的无限长链吗？

是的，但那只是单质。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4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。

▌为什么C形成长链的能力比Si强得多？

这里专业程度就陡然上升了。前面都只是事实层面的知识，但这个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：C原子的s和p轨道能量很接近，而Si的s和p轨道能量相差很远。

电子排布

原子中的电子排列在一个个轨道（orbital）上，这些轨道分别叫作1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s、4p、4d、4f等。这里的1、2、3、4等叫作主量子数（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等对应角量子数（angular quantum number，常用l来表示），所对应的角量子数分别为0、1、2、3等。s、p、d、f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）。

在给定主量子数n的情况下，角量子数l只能取小于n的值。为什么会这样呢？它来自对原子薛定谔方程的求解。薛定谔方程是量子力学中的一个基本方程，求解它能得到原子分子体系的所有性质。对于n=1，只能有l=0，即1s轨道。对于n=2，只有2s轨道（l=0）和2p轨道（l=1）这两个。对于n=3，则有3s、3p、3d轨道这三个等。

电子轨道的能量顺序，一般而言是主量子数越小的能量越低；而在同一个主量子数内部，角量子数越小的能量越低。因此，一般是1s<2s<2p<3s<3p<3d。此外，内层已经填满的电子，对化学性质的影响很小，大部分情况下我们只需要关心原子的最外层电子。因此，对于C我们关心最外层的2s和2p轨道，对于Si则是最外层的3s和3p轨道。

以上这些，可以说都是高中知识；但下面的内容，就需要大学知识了。当两个原子相互作用时，它们的原子轨道（atomic orbital）会重叠、组合，形成分子轨道（molecular orbital）。同相的重叠使能量下降，得到成键轨道（bonding orbital）；反相的重叠使能量上升，得到反键轨道（antibonding orbital）。电子如果只填在成键轨道而没有填在反键轨道上，整个体系的能量就下降了，这是有利于稳定的。因此，一个化合物是否稳定，归根结底就取决于原子轨道组合成分子轨道时，能量下降了多少，以及电子填充分子轨道时是不是只填了成键轨道。

现在我们接触到了C和Si的区别。C的2s轨道和2p轨道能量很接近，因此两个C原子的2p轨道形成成键轨道时，也会混入很大比例的2s轨道的成分，使分子轨道的能量进一步下降。而Si的3s轨道和3p轨道能量相差很远，两个Si原子的3p轨道形成成键轨道时，3s的成分很少，所以分子轨道的能量下降得并不多。这就是C-C键比Si-Si键强得多的原因。

▌为什么C原子的s和p轨道能量很接近，而Si反之？

这是一个超级专业的问题，即使学过量子化学的人也可能回答不到点子上。实际上，如果去问一个量子化学专业的人，最有可能得到的回答是：算出来就是这样呗。这是因为，大家学量子化学时，大部分内容都是解薛定谔方程的各种方法，包括精确算法和近似算法，大部分研究都是追求计算精度或者计算效率——以至于很多人忘记了对结果进行定性解释。

在这里真正有趣的是，对C和Si的这个重要区别，存在一个简单的定性解释。这个定性解释是：存在2p轨道，但不存在1p轨道。

这是什么意思呢？首先2p轨道是存在的，但1p轨道是不存在的，因为主量子数n=1时，角量子数l只能等于0，所以只有1s轨道，没有1p轨道。但这跟C与Si的区别有什么关系呢？

关系就在于：屏蔽效应（screening effect）。其实这是个非常基础的概念，所有化学专业的学生大一时都学过。屏蔽效应的意思是：原子的内层电子会对外层电子产生一定的屏蔽效果，因为它们都带负电，同性相斥，所以会减弱带正电的原子核对外层电子的吸引，由此导致外层电子的能量升高。这是非常容易理解的。

但在此之上，还有非常有趣的一点是：角量子数相同的内层电子，对外层电子的屏蔽作用更强，这是因为它们的空间分布形状相似。s、p、d、f轨道具有不同的形状。具体而言，s轨道只有1个，是球形的；p轨道有3个，是纺锤形的，分别指向x、y、z这3个轴线方向；d轨道有5个，形状更复杂一点，有的是在空间伸展成四瓣，有的是一个纺锤周围套一个圈等。

假如外层有一个px轨道，指向x方向的两极，内层也有一个px轨道，那么在外层px轨道出现几率大的方向上，内层px轨道出现几率也大，所以它对外层px轨道的屏蔽会比较强。而如果内层轨道是s轨道，它在全空间是球对称的，对外层px轨道没有针对性，屏蔽就会比较弱。由此大家可以理解，在角量子数相同的轨道之间，屏蔽效应更大一些。

现在我们可以理清整条逻辑线了：不存在1p轨道，所以C原子的2p轨道受到的屏蔽比较弱，它受到原子核的吸引比较强，能量下降到了跟2s差不多的程度，所以C-C成键时s和p轨道的混合很强烈，导致成键轨道能量下降得很多，因此C-C键很强，可以形成几乎无限长的C链；而由于存在2p轨道，Si原子的3p轨道被屏蔽而抬升，所以轨道能量比3s高得比较多（Si的2s屏蔽3s，C的1s屏蔽2s，这两者都有。Si有2p屏蔽3p，C却没有1p屏蔽2p，这造成了区别），所以Si-Si成键时s和p轨道的混合很弱，使得成键轨道能量下降得不多，因此Si-Si键比较弱，形成Si链非常困难。

硅基生命？不存在的

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这就是为什么，存在碳基生命，而不存在硅基生命——这都是由于量子力学的一条简单法则：角量子数只能小于主量子数。归根结底，这是解薛定谔方程时得到的自然结果，不需要精确地解，只需要从解的定性结构就能得到。这一连串简单而自然的解释，是不是令你惊叹绝妙？

许多人说，宇宙这么大，其他地方的生命形式也许跟我们完全不同，可能是硅基的，可能是电磁波……。现在我们知道，这类说法看似宏大，实则无知。C形成长链的能力比Si强得多，这不是个偶然现象，而是由量子力学的基本原理决定的，在宇宙任何地方都是如此。

最后，你可能会问，我是从哪里知道这些的？回答是：来自我的博士后导师，1981年诺贝尔化学奖获得者、康奈尔大学化学系罗阿尔德·霍夫曼（Roald Hoffmann）教授。他获奖的原因是关于化学反应的理论，实际上，他就是一位定性分子轨道理论的大师。用现在的观点衡量，他的计算方法都是不精确的。但有趣之处在于，他只需要通过一些定性的推理——主要是画轨道相互作用图——就能得到很多重要的结论，例如某种结构是否稳定、它是导体还是绝缘体、它在什么位置容易发生化学反应、它倾向于如何变形等。

正是从他那里，我学到了很多关键的理念。例如他说过：一个好的模型，就是你把它一减再减，直到再减就什么都剩不下为止，这时你就知道，剩下的每一条都是十分关键的，这就是一个好的模型。我从他对教学与讲解的热爱中，还领悟到一个基本道理：凡是你真正理解的，你都可以向别人解释清楚。后来我才发现，这个理念也适用于科普。

霍夫曼研究组在康奈尔大学化学系楼Baker Lab台阶上的合影，后排左三为本文作者。