硅基功率集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)

雖然這點(diǎn)不會因此排除硅基生命存在的可能，但存在大量液態(tài)水的星球肯定是排斥硅基生命的。

盡管從生物角度看，找到硅基生命的可能性很渺茫。但硅基生命在科幻小說中則很興盛，而且科幻作家的許多描述會提出不少有關(guān)硅基生命的有益構(gòu)想。

在斯坦利·維斯鮑姆(Stanley Weisbaum)的《火星奧德賽》(A Martian Odyssey)中，該生命體有1百萬歲，每十分鐘會沉淀下一塊磚石，而這正是維斯鮑姆對硅基生命所面臨的一個(gè)重大問題的回答，文中進(jìn)行觀察的科學(xué)家中的一位觀察到:

"那些磚石是它的廢棄物……我們是碳組成，我們的廢棄物是二氧化碳，而這個(gè)東西是硅組成，它的廢棄物是二氧化硅--硅石。但硅石是固體，從而是磚石。這樣它就把自己覆蓋進(jìn)去，當(dāng)它被蓋住，就移動(dòng)到一個(gè)新的地方重新開始。"

一個(gè)很大的缺陷就是硅同氧的結(jié)合力非常強(qiáng)。當(dāng)碳在地球生物的呼吸過程中被氧化時(shí)，會形成二氧化碳?xì)怏w，這是種很容易從生物體中移除的廢棄物質(zhì);但是，硅的氧化會形成固體，因?yàn)樵诙趸鑴傂纬傻臅r(shí)候就會形成晶格，使得每個(gè)硅原子都被四個(gè)氧原子包圍，而不是象二氧化碳那樣每個(gè)分子都是單獨(dú)游離的，處置這樣的固體物質(zhì)會給硅基生命的呼吸過程帶來很大挑戰(zhàn)。二氧化硅是原子化合物，很難溶解在水和其他液體之中，它是巨大的分子。

其實(shí)如果存在硅基生命的星球存在氟化氫，它們完全可以吸入這種氣體，與二氧化硅反應(yīng)生后呼出四氟化硅(氣體)排出水，并且硅基植物通過"光合作用"吸入四氟化硅、水和光經(jīng)過一系列反應(yīng)生成氟化氫排回大氣中并生成"硅淀粉"。但硅基植物的"光合作用"沒有詳細(xì)的可行性論述。

二氧化硅生成氣態(tài)的四氟化硅反應(yīng)方程式如下:

SiO2(s) + 4 HF(aq) → SiF4(g) + 2H2O(l)

生成的SiF4可以繼續(xù)和過量的HF作用，生成氟硅酸:

SiF4(g)+2HF(aq)=H2[SiF6](aq)，6HF+SiO2=H2SiF6+2H2O氟硅酸是一種二元強(qiáng)酸。氟硅酸的酸性比硫酸還強(qiáng)，受熱分解放出有毒的氟化物氣體。具有較強(qiáng)的腐蝕性。

有一些人認(rèn)為二氧化硅不溶于水，這種觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。以粉末形式存在的二氧化硅可以與水反應(yīng)生成原硅酸。二氧化硅在催化劑的作用下，也可以和水反應(yīng)。H2O + SiO2=H2SiO3 (硅酸) 2H2O + SiO2=H4SiO4(水過量時(shí)，生成原硅酸。)

氟化氫對硅基生物和硅基生命是有毒的，可以破壞硅化物。氟化氫又叫做氫氟酸。它具有極強(qiáng)的腐蝕性，能強(qiáng)烈地腐蝕含硅的物體。與硅和硅化合物反應(yīng)生成氣態(tài)的四氟化硅(能腐蝕玻璃)，但對塑料、石蠟、鉛、金、鉑不起腐蝕作用。氫氧化鈉可以和二氧化硅反應(yīng)，生成硅酸鈉。硅酸鈉易溶于水。硅基生命可以將硅酸鈉排除體內(nèi)。

氟化氫對硅基生命的皮膚有強(qiáng)烈刺激性和腐蝕性。氫氟酸中的氫離子對硅基生命組織有脫水和腐蝕作用，而氟是最活潑的非金屬元素之一。皮膚與氫氟酸接觸后，氟離子不斷解離而滲透到深層組織，溶解細(xì)胞膜，造成表皮、真皮、皮下組織乃至肌層液化壞死。氟離子還可干擾烯醇化酶的活性使皮膚細(xì)胞攝氧能力受到抑制

硅基生命可能用一種特殊的催化劑消除氟化氫的毒性。這種催化劑可以讓氟化氫只和二氧化硅反應(yīng)。地球上有一種生物是硫細(xì)菌，這種生物能在稀硫酸中生活，最適生長pH值范圍為pH2~3。絕大多數(shù)有機(jī)物都容易被硫酸破壞，硫細(xì)菌能產(chǎn)生一種催化劑防止它自己被硫酸破壞。硅基生物同樣也能產(chǎn)生一種催化劑，防止它自己被氟化氫破壞。

硅基生命可以呼吸二氧化碳和二氧化硫?；瘜W(xué)方程式:(甲基甲硅烷和二氧化硫應(yīng))2SiH3CH3+7SO2=2CO2+2SIO2+7S+H2O (四甲基甲硅烷和二氧化硫反應(yīng))Si(CH4)+9SO2=4CO2+SiO2+9S+H2O

因?yàn)楣韫鑶捂I(Si-Si)不穩(wěn)定，所以乙硅烷( SiH3-SiH3)不穩(wěn)定。乙硅烷( SiH3-SiH3)比碳烷烴更不穩(wěn)定，在低溫之下緩慢分解成甲硅烷和氫，在300~500℃分解成為SiH4、SinHm、H2，在光照下也分解。硅只能形成雜鏈高分子化合物。硅基雜鏈高分子的主鏈除硅原子外，還含有碳、氧、氮、硫、鋁、硼等其他元素。有機(jī)硅高分organosilion- polymers主鏈(或骨架)是由硅、氧交替組成的高分子。又稱聚硅氧烷或聚硅醇。因?yàn)楣柚荒苄纬呻s鏈高分子化合物，所以硅基生命產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物、廢物、氧化物是非常復(fù)雜的，這意味著硅基生命需要更多的酶作為催化劑。每個(gè)酶的長度大約為50nm，細(xì)胞體積太小就裝不下足夠的酶。硅基生物的細(xì)胞比碳基生物的細(xì)胞更大。如果一個(gè)細(xì)胞體積越大，那么它的相對表面積就越小。如果一個(gè)細(xì)胞相對表面積越小，那么物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞膜的速度就越小。所以硅基生物的新陳代謝比碳基生物更慢。

此外，水是一切蛋白質(zhì)生命所必需的溶液和介質(zhì)。有沒有一種其他化合物可以取代水的地位呢?有!那就是氨。由于氨在冰點(diǎn)以下仍是液體，一些科幻作家遂推想，在一些寒冷的巨型氣態(tài)行星的表面下，可能存在著由氨組成的海洋，而海洋中則充滿著以氨為介質(zhì)的生命形式。

以上都只是個(gè)別的、零星的構(gòu)想，真正對問題作出全面性的考察和系統(tǒng)性的分析的，是著名生化學(xué)家阿西莫夫所寫的一篇文章《并非我們所認(rèn)識的》。他在文中提出了六種生命形態(tài):

一、以氟化硅酮為介質(zhì)的氟化硅酮生物;

二、以硫?yàn)榻橘|(zhì)的氟化硫生物;

三、以水為介質(zhì)的核酸/蛋白質(zhì)(以氧為基礎(chǔ)的)生物;

四、以氨為介質(zhì)的核酸/蛋白質(zhì)(以氮為基礎(chǔ)的)生物;

五、以甲烷為介質(zhì)的類脂化合物生物;

六、以氫為介質(zhì)的類脂化合物生物。

其中第三項(xiàng)便是我們所熟悉的---亦是我們惟一所認(rèn)識的---生命。至于第一、第二項(xiàng)，是一些高溫星球上可能存在的生命形式，另外，地球上曾經(jīng)出現(xiàn)過的那些生活在硫礦里的、厭氧的古細(xì)菌就很有可能是以硫作為自己生命的介質(zhì);而第四項(xiàng)至第六項(xiàng)，則是一些寒冷星球上可能存在的生物形態(tài)。

(4.1)中子星

然而，科幻作家仍不滿足于生命的這些多樣性，他們在各自的作品中充分發(fā)揮了想像力，為我們創(chuàng)造出一些更不可思議、但細(xì)想之下又似乎不無道理的生命世界。一些作家設(shè)想，在某些極寒冷的星球之上，可能存在著以液體氦為基礎(chǔ)，并以超導(dǎo)電流作聯(lián)系的生命形式;另一些作家則認(rèn)為，即使在寒冷而黑暗的太空深處，亦可能有一些由星際氣體和塵埃組成，并由無線電波傳遞神經(jīng)訊號的高等智能生物--霍耳的科幻小說正是這方面的代表作;還有一些想像力更豐富的作家甚至認(rèn)為外星生命也許根本不需要化學(xué)物質(zhì)基礎(chǔ)，他們可能只是一些純能量的生命形式，比如一束電波。

最為有趣的是著名科幻作家福沃德所寫的《龍蛋》，這部構(gòu)思出色的作品描述了一顆中子星表面的生物。這顆中子星直徑僅20公里，但表面的引力卻等于地球上的670億倍，磁場是地球的1萬億倍，表面溫度達(dá)到8000多攝氏度。什么生物可以在這樣的環(huán)境下生存呢?是由"簡并核物質(zhì)"組成的生物。所謂"簡并"，就是指原子外部的電子都被擠壓到原子核里去，因此所有原子都可以十分緊密地靠在一起，形成超密物質(zhì)。中子星上的生物身高約半毫米，直徑約半厘米，體重卻有70公斤，這是因?yàn)樗麄冇珊啿⑽镔|(zhì)所組成。此外，他們的新陳代謝是基于核反應(yīng)而非化學(xué)反應(yīng)，因此一切變化(包括生老病死和思維)的速率都比人類快100萬倍!

(4.2)金屬細(xì)胞和金屬生命體

就在科幻作家構(gòu)思"硅基生命"的時(shí)候，實(shí)驗(yàn)室里的"金屬細(xì)胞"已經(jīng)有了生命征象，并且初步顯露出進(jìn)化的趨勢。 不同于碳元素的共價(jià)鍵有機(jī)物，這種"無機(jī)生命"的基礎(chǔ)是金屬鎢的雜多酸陰離子--6族元素能與氧配位成多面體(姑且理解成酸根)，然后脫水縮聚成共用氧原子的巨大結(jié)構(gòu)，比如下面的車輪形{Mo176}。這些龐大的陰離子可以繼續(xù)縮聚并容納其它含氧酸，進(jìn)而在強(qiáng)酸溶液里自組織成泡狀結(jié)構(gòu)，如同活細(xì)胞--這或許意味著，我們的生物學(xué)只是生命科學(xué)里的一小部分。

克羅寧和同事通過從大分子金屬氧化物中提取負(fù)電荷離子形成鹽溶液，來束縛氫或者鈉一些較小的正電荷離子;這種鹽溶液注入另一種含有較大負(fù)電荷有機(jī)離子的溶液中，可以束縛較小負(fù)電荷離子的活動(dòng)性。

當(dāng)這兩種鹽溶液混合，交換其中部分大分子金屬氧化物，使其不再形成較大的有機(jī)離子。這種新溶液在水中無法溶解:沉淀物質(zhì)像包裹注射溶液的殼狀物?？肆_寧稱這種沉淀物質(zhì)為泡沫無機(jī)化學(xué)細(xì)胞(iCHELLs)，并表示它們還具有更多的特性。通過修改它們的金屬氧化物主干部分使iCHELLs具備自然細(xì)胞膜的屬性，例如:以iCHELLs為基礎(chǔ)的洞狀結(jié)構(gòu)氧化物可作為多孔膜，依據(jù)大小尺度，有選擇性地讓化學(xué)物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞，其作用就像生物細(xì)胞膜。這將使細(xì)胞膜可以控制發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，這是iCHELLs細(xì)胞關(guān)鍵性的特征。

同時(shí)，研究小組還在泡沫中制造泡沫，建立的隔膜模擬生物細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。他們通過連接一些氧化分子至光敏染料，可灌輸iCHELLs細(xì)胞進(jìn)行光合作用?？肆_寧稱，早期實(shí)驗(yàn)結(jié)果形成的細(xì)胞膜可將水分解為氫離子、氫電子和氧分子，這是光合作用的初始狀態(tài)。

克羅寧稱，我們可以抽吸質(zhì)子分布在細(xì)胞膜上，來設(shè)置形成一個(gè)質(zhì)子坡度。這是從光線中獲得能量的關(guān)鍵一步，如果生命體能夠完成這些步驟，將建立形成具有類似植物新陳代謝功能的自供給細(xì)胞。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)仍處于早期階段，一些合成生物學(xué)家目前保留發(fā)言意見。西班牙巴倫西亞大學(xué)的曼紐爾-波爾卡說:"克羅寧研制的金屬細(xì)胞泡沫目前還不能說完全具備生命特征，除非這些細(xì)胞可以攜帶類似DNA的物質(zhì)，可驅(qū)動(dòng)自我繁殖和進(jìn)化。"克羅寧回應(yīng)稱，在理論上這是可能實(shí)現(xiàn)的，去年他在實(shí)驗(yàn)中顯示利用金屬氧酸鹽彼此作為模板可實(shí)現(xiàn)自復(fù)制功能。

在為期7個(gè)月的實(shí)驗(yàn)中，目前克羅寧可以大批量生產(chǎn)這些金屬細(xì)胞泡沫，并將它們注入充滿不同pH值的試管容器中，他希望這種混合環(huán)境將測試它們的生存性。如果pH值過低，一些細(xì)胞將溶解死亡。

如果克羅寧的實(shí)驗(yàn)是正確的，或許宇宙生命的存在性將更加廣闊。日本東京大學(xué)的Tadashi Sugawara說:"這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明生命體并不全是基于碳結(jié)構(gòu)，水星的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與地球相差很大，或許在水星上也有可能通過無機(jī)元素形成生命體?？肆_寧的這項(xiàng)研究開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。"

也許在未來很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的某一天，硅基生命會作為一種宇宙新進(jìn)化的生命形態(tài)而替代碳基生命，就像《科幻世界》中一篇《沙漠蚯蚓》中說的。不過那一定離我們很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)。

我們目前使用的電腦，就是用硅作為芯片的，如果這個(gè)電腦再高級一些，發(fā)展成為智能電腦，那就是硅基生命了。而網(wǎng)絡(luò)世界，或許將是硅基世界了。不過生命并非是以智能與否來定義的，因?yàn)椴《緵]有智力，只是單純的趨利避害，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)的"智力"完全可以超越這種生命，但病毒可能是生命，而計(jì)算機(jī)卻不是。這種論調(diào)是基于對生命錯(cuò)誤的定義。

還有一種猜想就是:硅基生物可以直接把光能轉(zhuǎn)化為電能，以維持其生命活動(dòng)。是否符合生命定義存疑。

但是硅基生命的存在的可能性卻受到許多缺陷的威脅:當(dāng)碳在地球生物的呼吸過程中被氧化時(shí)，會形成二氧化碳?xì)怏w，這是種很容易從生物體中移除的廢棄物質(zhì);但是，硅的氧化會形成固體，因?yàn)樵诙趸鑴傂纬傻臅r(shí)候就會形成晶格，使得每個(gè)硅原子都被四個(gè)氧原子包圍，而不是象二氧化碳那樣每個(gè)分子都是單獨(dú)游離的，處置這樣的固體物質(zhì)會給硅基生命的呼吸過程帶來很大挑戰(zhàn)。

不過有人提出質(zhì)疑，"造物主"可以在創(chuàng)造這種生物體系時(shí)對它們的能量收集方式進(jìn)行"創(chuàng)新":這種生物同時(shí)"吃"產(chǎn)生能量所需的兩種(也可以是多種)物質(zhì)，分開存儲于體內(nèi)，這兩種(或多種)物質(zhì)完全可以不是氣體。產(chǎn)生成分為硅化合物的廢物后也可以用磷酸(或氟化氫等活躍物質(zhì)或?qū)ｉT與硅產(chǎn)生反應(yīng)的反應(yīng)后生成液體或氣體的物質(zhì))組成的"血液"和化學(xué)性質(zhì)特別穩(wěn)定的血管組成內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，雖然這種循環(huán)系統(tǒng)并不是硅基的卻是可能的。這樣看來沒有呼吸系統(tǒng)的生命也是可能的，并且對于碳基生命也是可行的，但顯然這種形式顯然是低效的，因?yàn)樘蓟鼮榱诉m應(yīng)地球大自然而選定了呼吸這種形式。

有人認(rèn)為，硅可能不能像碳一樣產(chǎn)生眾多的具有左旋右旋特征的化合物，只要是生命形態(tài)，就必須從外界環(huán)境中收集、儲存和利用能量。在碳基生物這里，儲存能量的最基本的化合物是碳水化合物。在碳水化合物中，碳原子由單鍵連接成一條鏈，而利用酶控制的對碳水化合物的一系列氧化步驟會釋放能量，廢棄物產(chǎn)生水和二氧化碳。這些酶是些大而復(fù)雜的分子，它們依照分子的形狀和左旋右旋對特定的反應(yīng)進(jìn)行催化，這里說的左旋右旋是因分子含有的碳的不對稱使得分子出現(xiàn)左旋或者右旋，而多數(shù)碳基生物體內(nèi)的物質(zhì)都顯示這個(gè)特征，正是這個(gè)特點(diǎn)使得酶能夠識別和規(guī)范碳基生物體內(nèi)的大量不同新陳代謝進(jìn)程。然而，硅沒能象碳這樣產(chǎn)生眾多的具有左旋右旋特征的化合物，這也讓它難以成為生命所需要大量相互聯(lián)系的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的支持元素。即它不能像類似碳基生命一樣識別和規(guī)范碳基生物體內(nèi)的大量不同新陳代謝進(jìn)程，把儲存的能量釋放出來。