科幻小说中的硅基生命，就要实现了吗？

图源：Freepik ‍ ‍ ‍ ‍ ‍ ‍ ‍

导读：

硅与碳，在元素周期表中同属第14族，却在地球的生命中扮演着截然不同的角色。 地球上的所有生命形式都选择了以碳元素为基础，而含量极为丰富的硅却未能在生命的演化中占据一席之地。

近些年来，随着人工智能的崛起，硅基智能正在逐步展现其潜力，未来有可能超越碳基智能吗？

“无论大脑是由碳还是硅构成，如果它的复杂性能够使其表现出有意识的迹象，那么同时也就赋予了它主观的内在生命。”

Whether a brain is made of carbon or silicon, the complexity that would enable it to give the outward signs of consciousness also endows it with a subjective inner life.

——Raymond Kurzweil （美国作家和发明家，现任谷歌工程总监）

硅仅次于氧，是地壳中含量第二高的元素，占地壳质量的27.7%。假如有外星生命具备基础的化学知识，当他们从宇宙中某个遥远的地方观测地球时，即便还不能探测到我们人类的存在，应该很容易发现地球是一个被氧化硅和水占据的行星。

人类利用含硅材料的历史源远流长，古埃及人用石英砂制作晶莹剔透的玻璃，中国人以陶土烧制精美瓷器，先民留下的智慧结晶见证了人类与硅的不解之缘。 然而，由于硅的提纯非常困难，硅元素的发现之路充满坎坷 。 直到 1823年，瑞典化学家贝采利乌斯把氟硅酸钾与钾一同加热，并巧妙地用水去除杂质硅化钾，才首次获得较高纯度的硅 ，而此时，铱、铂、铑等稀贵金属元素都已经被人类发现了。

约恩斯·雅各布·贝采利乌斯（Jöns Jacob Berzelius） 图源：Jöns Jacob Berzelius: Wikipedia

高纯度的硅带有银色的光泽，这让贝采利乌斯误以为硅是一种金属 ，于是他根据拉丁语的法则造出了silicium一词为硅命名，其中 -ium通常是金属元素才有的词根。 后来，人们认识到硅的物理化学特性更接近于碳元素，并不属于金属，就去掉了-ium的字根，改用了英国矿物学家托马斯·汤姆森提出的silicon一词。

高纯度的硅材料（硅含量>99%）。 2024年，包括诺奖得主、中美欧科学院院士和杰出青年学者等在内的全球50位材料领域领军科学家，受 Matter 期刊 邀请投票选出了他们认为最重要的50种材料。 值得注意的是，这些提名中，硅 （Silicon） 几乎无一例外地被列为重要材料。 图源: 参考来源 13

硅的命名演变，反映了人类关于硅的认知的变化，而硅与碳的相似性，也激发了许多关于硅基生命的丰富想象。

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地球生命为什么没有选择硅？

纵观地球上的生命形态，从微小的细菌到庞大的蓝鲸， 所有生命体中的关键分子——包括核酸、蛋白质和脂类——都是以碳原子为基本骨架构建而成 。

硅与碳在元素周期表中同属第14族，应具有相似的物理化学性质。而且，硅元素在地壳中的丰度显著高于碳元素 （后者仅占地壳质量的约0.04%） 。这引发了一个自然而然的疑问： 为什么地球生命没有选择硅元素？硅基生命有可能存在吗？

元素周期表中硅（Si）位于碳（C）的正下方。图源: 参考来源 14

早在1891年，德国波茨坦大学的天体物理学家儒略·申纳尔 （Julius Scheiner） 在一篇论文中便首次提出硅基生命的概念。随后，英国化学家詹姆斯·艾默生·雷诺兹 （James Emerson Reynolds） 在1893年的科学演讲中进一步发展了这一理论。他特别指出， 硅化合物优异的热稳定性可能使硅基生命能够在高温环境下生存 。

儒略·申纳尔（左）与 詹姆斯·艾默生·雷诺兹（右）图源： 参考来源 6，7

这些假说激发了科幻作家的创作灵感，硅基生命随之成为科幻文学中的经典主题。

在众多作品中，1934年斯坦利·温博姆 （Stanley G. Weinbaum） 发表的《火星奥德赛》堪称里程碑之作。小说中描绘了一种名为Tweel的奇特火星生物，它们以硅为主要构成元素，拥有长达50万年的惊人寿命。特别是，作者为这种生物设计了一个极具想象力的新陈代谢模式：每隔十分钟，Tweel就会排泄出一个砖块。这个看似怪诞的设定蕴含基于元素化学知识的合理推想：既然碳基生命 （如人类） 的新陈代谢产物是气态的二氧化碳，那么以硅为基础的生命体，其代谢产物就很可能是固态的二氧化硅。

《火星奥德赛》（A Martian Odyssey）图源:参考来源15

然而，随着现代化学研究的深入，科学家们逐渐意识到，早期关于硅基生命的设想可能过于理想化。 硅元素在化学性质上的局限性，使其难以胜任生命基础元素的重要角色。

生命本质上是一个精妙的化学系统，需要在分子稳定性和反应活性之间保持微妙的平衡。虽然硅原子与碳原子一样拥有四个价电子，理论上都能形成四个共价键，但由于硅原子比碳原子多出一个电子层，导致其对最外层电子的控制力显著减弱。 这种电子结构的差异使得Si-Si键的键能远低于C-C键，由硅原子形成的长链结构不稳定，特别是在水溶液中极易分解，而水正是地球孕育碳基生命的摇篮。 不仅如此，硅原子也难以像碳原子那样形成稳定的双键和三键结构。这些都严重限制了硅化合物的多样性和复杂性。

碳（C）与硅（Si）的原子结构对比。图源：参考 来源 8

长链硅烷与碳烃之间的键能对比。图源：参考来源9

另一方面，硅与氧的结合又走向了另一个极端： Si-O键异常牢固（键能高达452 kJ/mol），这使得二氧化硅成为一种高度稳定的固体物质，难以像气态的二氧化碳那样参与生物体的新陈代谢循环。 因此，尽管科幻作品中描绘的"呼出砖块或沙子的生物"极具想象力，但从化学角度分析，这种生命形式在现实中存在的可能性微乎其微。

如果我们把目光投向地球之外，在星际空间中是否存在以硅为基础的生命形式？这个问题至今仍未有定论。然而，现有的天文观测数据似乎也不支持这一假说。迄今为止，除了普遍存在的二氧化硅和硅酸盐等简单化合物外，天文学家尚未在宇宙中发现任何复杂或高级的硅基分子结构。

相比之下，碳基有机分子在宇宙中的存在却得到了广泛证实。 通过光谱分析和陨石研究，科学家们已经在星际介质和彗星上检测到多种含碳有机分子，其中甚至包括构成生命基础的氨基酸。这些发现进一步印证了碳元素在生命起源中的独特地位。

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硅基生命有可能了？

尽管仿照现有的碳基有机分子，构建一个以硅为主体的生命体系似乎面临着难以逾越的障碍，但令人意想不到的是，随着以硅半导体为核心的计算机技术的飞速发展，特别是在人工智能 (AI) 研究蓬勃兴起后，硅与智能生命在当代又产生了许多耐人寻味的交集，重新点燃了人们对非碳基生命可能性的探讨。

硅成为现代电子工业的基础材料，与硅物理化学特性密切相关。 硅是一种半导体，纯净的硅晶体几乎不导电，但只要引入微量的特定杂质元素，其导电性能就会发生显著变化。 从原子结构来看，硅原子的价层有四个电子，如果掺入微量的价层电子更少的硼，镓、铟等三价元素，硅晶体就会因此少了一些带负电的电子，物理学家将其等效视为增加了一些带正电的“空穴”。这种以空穴为主要载流子的半导体被称为P型半导体 （P代表positive，即正电荷） 。与之相反，如果掺入价层有五个价电子的磷、砷、锑等元素时，晶体中会形成多余的自由电子。这种以电子为主要载流子的半导体则被称为N型半导体 （N代表negative，即负电荷） 。

通过精密的制造工艺，将P型和N型半导体以特定方式组合连接，就可以制造出晶体管等基础电子元件。晶体管本质上是一个微型电子开关，通过控制电流的通断来实现二进制运算中的"0"和"1"状态。正是这些数以亿计的微型开关的协同工作，构成了现代计算机芯片的核心，实现了复杂的计算和信息处理功能。

几个大小不同的晶体管。图源：参考来源11

2019年AMD公司Ryzen5-3600处理器芯片（未封装状态）参考来源11

值得一提的是，最初开启半导体产业新篇章的材料并不是硅，而是元素周期表中与硅同族的锗 （Ge） 。 1947年12月16日，第一个由锗元件制造出来的点接触式半导体晶体管问世。然而，锗的含量有限，其地壳含量只有硅的二十万分之一，长远来看稳定供给会是问题。其次锗的化学稳定性较差，特别是其氧化物二氧化锗可溶于水，无法像二氧化硅那样为半导体器件提供可靠的表面保护层。但是，用于制造半导体器件的硅必须具有超高的纯度 （99.999999999%以上） ，这一技术瓶颈直到20世纪50年代后期才被贝尔实验室攻克。他们开发出区域熔融法提纯制备单晶硅的工艺，为硅在半导体中的大规模应用铺平了道路。

如今，硅基芯片已经成为现代信息社会的基石。从我们口袋里的智能手机到云端的数据中心，从智能家居设备到无人驾驶汽车，硅基芯片无处不在。这些指甲盖大小的芯片，其计算能力已经远远超越了上世纪占据整个房间大小的早期计算机。

这种指数级的技术进步，也掀起了一场前所未有的科技革命。20世纪80年代末，当笔者刚刚踏入小学课堂时，即便是只能进行简单四则运算的计算器，也是稀罕之物，记忆中那时家中长辈仍在使用算盘噼啪作响地记账。如今，我的孩子在学龄前便已能熟练地解锁智能手机，观看网络视频了。短短几十年间，技术的飞速发展彻底改变了我们的生活习惯。

如果说前几次工业革命——通过蒸汽机、电力、自动化等技术的突破——使生产效率大幅提升，极大地解放了人类的体力劳动，那么当前以深度学习为代表的人工智能 （AI） 核心技术，则是在更深层次上改变了人类的工作方式：它正在逐步接管人类的脑力劳动，承担起越来越多原本需要人类深度思考的工作。例如，在医疗领域，AI可以通过分析海量的医学影像和病历数据，辅助医生进行疾病诊断；在金融领域，AI能够快速处理市场数据，提供投资建议；甚至在艺术创作中，AI大模型也开始模仿人类艺术家写诗、作画和谱曲。思考和创造力，是人类自认为区别于其他生物、引以为傲的核心能力。这就是为什么我们感觉现在的智能机器人和人越来越有几分相似了。

2025年春节晚会，机器人表演扭秧歌

当然，从科学严谨性的角度审视，应该认识到硅材料主要是用于芯片和存储单元， 将其定义为"硅脑"或“硅基智能”或许比“硅基生命”更为准确 。随着人工智能系统的持续升级，“硅脑”在越来越多的领域正逐步超越人类的“碳脑”，这使得我们也不免会有忧虑，今后人类的价值和独特性将如何体现？这些搭载"硅脑"的智能机器人是否真的会发展出类似人类的自主意识和情感体验？

“硅基智能”虽然不是传统意义上的生命形式，却至少在功能上部分实现了非碳基生命的设想。遥想百年前，那些首先提出"硅基生命"概念的先驱学者们，恐怕难以预见：如此强大的硅基智能并非自然演化的产物，而是源自碳基生命的智慧结晶。

人类不仅是硅基智能的创造者，在未来还很可能成为它的依赖者、合作者，甚至是竞争者。 一边是历经百万年自然进化而来的人类大脑，一边是以指数级速度发展的硅基智能，人类与硅基智能将如何相处，无疑将是一个影响深远的课题，有关生命与硅的故事还远结束。

李研 | 撰文

作者简介：

李研，化学博士，赛先生专栏作家。目前担任细胞出版社(Cell Press)旗下 Cell Reports Physical Science 和 Matter 期刊的科学编辑。

参考来源：

1.硅：Wikipedia

2.Jöns Jacob Berzelius: wikipedia

3.硅基文明终将统治地球，是一切宇宙文明的必由之路？https://www.sohu.com/a/744083500_121312637

4.硅基生物: wikipedia

5.《奇妙的材料》，【日】佐藤健太郎著，陈广琪译，北京时代华文书局

6.Julius Scheiner: Wikipedia

7.https://www.meisterdrucke.us/fine-art-prints/Unbekannt/1010336/James-Emerson-Reynolds.html

8.Can Two Elements Be Equally Reactive? https://pcbpedia.home.blog/2019/09/01/can-two-elements-be-equally-reactive/

9.Why is All Life Carbon Based, Not Silicon? Three Startling Reasons! https://www.youtube.com/watch?v=kAFC4RY1cKQ

10.晶体管：Wikipedia

11.集成电路：Wikipedia

12.Medium: The AI-Driven Universe a Blink of the Eye Away

13. http://www.sinosilica.com/c/c/29.html

14. https: //en.wikipedia.org/wiki/Periodic_table

15. https://csfaf.0gsf.com/wiki/doku.php/科幻话题： 硅基生命

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来源：赛先生