nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
圖源：Freepik???????
導讀：
硅與碳，在元素周期表中同屬第14族，卻在地球的生命中扮演著截然不同的角色。 地球上的所有生命形式都選擇了以碳元素為基礎，而含量極為豐富的硅卻未能在生命的演化中占據一席之地。
近些年來，隨著人工智能的崛起，硅基智能正在逐步展現其潛力，未來有可能超越碳基智能嗎？
“無論大腦是由碳還是硅構成，如果它的復雜性能夠使其表現出有意識的跡象，那么同時也就賦予了它主觀的內在生命?！?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 （美國作家和發明家，現任谷歌工程總監）
硅僅次于氧，是地殼中含量第二高的元素，占地殼質量的27.7%。假如有外星生命具備基礎的化學知識，當他們從宇宙中某個遙遠的地方觀測地球時，即便還不能探測到我們人類的存在，應該很容易發現地球是一個被氧化硅和水占據的行星。
人類利用含硅材料的歷史源遠流長，古埃及人用石英砂制作晶瑩剔透的玻璃，中國人以陶土燒制精美瓷器，先民留下的智慧結晶見證了人類與硅的不解之緣。然而，由于硅的提純非常困難，硅元素的發現之路充滿坎坷。直到1823年，瑞典化學家貝采利烏斯把氟硅酸鉀與鉀一同加熱，并巧妙地用水去除雜質硅化鉀，才首次獲得較高純度的硅，而此時，銥、鉑、銠等稀貴金屬元素都已經被人類發現了。
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
約恩斯·雅各布·貝采利烏斯（J?ns Jacob Berzelius） 圖源：J?ns Jacob Berzelius: Wikipedia
高純度的硅帶有銀色的光澤，這讓貝采利烏斯誤以為硅是一種金屬，于是他根據拉丁語的法則造出了silicium一詞為硅命名，其中 -ium通常是金屬元素才有的詞根。后來，人們認識到硅的物理化學特性更接近于碳元素，并不屬于金屬，就去掉了-ium的字根，改用了英國礦物學家托馬斯·湯姆森提出的silicon一詞。
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
高純度的硅材料（硅含量>99%）。2024年，包括諾獎得主、中美歐科學院院士和杰出青年學者等在內的全球50位材料領域領軍科學家，受Matter期刊邀請投票選出了他們認為最重要的50種材料。值得注意的是，這些提名中，硅（Silicon）幾乎無一例外地被列為重要材料。 圖源: 參考來源13
硅的命名演變，反映了人類關于硅的認知的變化，而硅與碳的相似性，也激發了許多關于硅基生命的豐富想象。
SAIXIANSHENG
地球生命為什么沒有選擇硅？
縱觀地球上的生命形態，從微小的細菌到龐大的藍鯨，所有生命體中的關鍵分子——包括核酸、蛋白質和脂類——都是以碳原子為基本骨架構建而成。
硅與碳在元素周期表中同屬第14族，應具有相似的物理化學性質。而且，硅元素在地殼中的豐度顯著高于碳元素（后者僅占地殼質量的約0.04%） 。這引發了一個自然而然的疑問：為什么地球生命沒有選擇硅元素？硅基生命有可能存在嗎？
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
元素周期表中硅（Si）位于碳（C）的正下方。圖源: 參考來源14
早在1891年，德國波茨坦大學的天體物理學家儒略·申納爾 （Julius Scheiner） 在一篇論文中便首次提出硅基生命的概念。隨后，英國化學家詹姆斯·艾默生·雷諾茲 （James Emerson Reynolds） 在1893年的科學演講中進一步發展了這一理論。他特別指出，硅化合物優異的熱穩定性可能使硅基生命能夠在高溫環境下生存。
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
儒略·申納爾（左）與 詹姆斯·艾默生·雷諾茲（右）圖源：參考來源6，7
這些假說激發了科幻作家的創作靈感，硅基生命隨之成為科幻文學中的經典主題。
在眾多作品中，1934年斯坦利·溫博姆 （Stanley G. Weinbaum） 發表的《火星奧德賽》堪稱里程碑之作。小說中描繪了一種名為Tweel的奇特火星生物，它們以硅為主要構成元素，擁有長達50萬年的驚人壽命。特別是，作者為這種生物設計了一個極具想象力的新陳代謝模式：每隔十分鐘，Tweel就會排泄出一個磚塊。這個看似怪誕的設定蘊含基于元素化學知識的合理推想：既然碳基生命 （如人類） 的新陳代謝產物是氣態的二氧化碳，那么以硅為基礎的生命體，其代謝產物就很可能是固態的二氧化硅。
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
《火星奧德賽》（A Martian Odyssey）圖源:參考來源15
然而，隨著現代化學研究的深入，科學家們逐漸意識到，早期關于硅基生命的設想可能過于理想化。硅元素在化學性質上的局限性，使其難以勝任生命基礎元素的重要角色。
生命本質上是一個精妙的化學系統，需要在分子穩定性和反應活性之間保持微妙的平衡。雖然硅原子與碳原子一樣擁有四個價電子，理論上都能形成四個共價鍵，但由于硅原子比碳原子多出一個電子層，導致其對最外層電子的控制力顯著減弱。這種電子結構的差異使得Si-Si鍵的鍵能遠低于C-C鍵，由硅原子形成的長鏈結構不穩定，特別是在水溶液中極易分解，而水正是地球孕育碳基生命的搖籃。不僅如此，硅原子也難以像碳原子那樣形成穩定的雙鍵和三鍵結構。這些都嚴重限制了硅化合物的多樣性和復雜性。
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
碳（C）與硅（Si）的原子結構對比。圖源：參考來源8
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
長鏈硅烷與碳烴之間的鍵能對比。圖源：參考來源9
另一方面，硅與氧的結合又走向了另一個極端：Si-O鍵異常牢固（鍵能高達452 kJ/mol），這使得二氧化硅成為一種高度穩定的固體物質，難以像氣態的二氧化碳那樣參與生物體的新陳代謝循環。因此，盡管科幻作品中描繪的"呼出磚塊或沙子的生物"極具想象力，但從化學角度分析，這種生命形式在現實中存在的可能性微乎其微。
如果我們把目光投向地球之外，在星際空間中是否存在以硅為基礎的生命形式？這個問題至今仍未有定論。然而，現有的天文觀測數據似乎也不支持這一假說。迄今為止，除了普遍存在的二氧化硅和硅酸鹽等簡單化合物外，天文學家尚未在宇宙中發現任何復雜或高級的硅基分子結構。
相比之下，碳基有機分子在宇宙中的存在卻得到了廣泛證實。通過光譜分析和隕石研究，科學家們已經在星際介質和彗星上檢測到多種含碳有機分子，其中甚至包括構成生命基礎的氨基酸。這些發現進一步印證了碳元素在生命起源中的獨特地位。
SAIXIANSHENG
硅基生命有可能了？
盡管仿照現有的碳基有機分子，構建一個以硅為主體的生命體系似乎面臨著難以逾越的障礙，但令人意想不到的是，隨著以硅半導體為核心的計算機技術的飛速發展，特別是在人工智能 (AI) 研究蓬勃興起后，硅與智能生命在當代又產生了許多耐人尋味的交集，重新點燃了人們對非碳基生命可能性的探討。
硅成為現代電子工業的基礎材料，與硅物理化學特性密切相關。硅是一種半導體，純凈的硅晶體幾乎不導電，但只要引入微量的特定雜質元素，其導電性能就會發生顯著變化。從原子結構來看，硅原子的價層有四個電子，如果摻入微量的價層電子更少的硼，鎵、銦等三價元素，硅晶體就會因此少了一些帶負電的電子，物理學家將其等效視為增加了一些帶正電的“空穴”。這種以空穴為主要載流子的半導體被稱為P型半導體 （P代表positive，即正電荷） 。與之相反，如果摻入價層有五個價電子的磷、砷、銻等元素時，晶體中會形成多余的自由電子。這種以電子為主要載流子的半導體則被稱為N型半導體 （N代表negative，即負電荷） 。
通過精密的制造工藝，將P型和N型半導體以特定方式組合連接，就可以制造出晶體管等基礎電子元件。晶體管本質上是一個微型電子開關，通過控制電流的通斷來實現二進制運算中的"0"和"1"狀態。正是這些數以億計的微型開關的協同工作，構成了現代計算機芯片的核心，實現了復雜的計算和信息處理功能。
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
幾個大小不同的晶體管。圖源：參考來源11
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
2019年AMD公司Ryzen5-3600處理器芯片（未封裝狀態）參考來源11
值得一提的是，最初開啟半導體產業新篇章的材料并不是硅，而是元素周期表中與硅同族的鍺（Ge）。1947年12月16日，第一個由鍺元件制造出來的點接觸式半導體晶體管問世。然而，鍺的含量有限，其地殼含量只有硅的二十萬分之一，長遠來看穩定供給會是問題。其次鍺的化學穩定性較差，特別是其氧化物二氧化鍺可溶于水，無法像二氧化硅那樣為半導體器件提供可靠的表面保護層。但是，用于制造半導體器件的硅必須具有超高的純度 （99.999999999%以上） ，這一技術瓶頸直到20世紀50年代后期才被貝爾實驗室攻克。他們開發出區域熔融法提純制備單晶硅的工藝，為硅在半導體中的大規模應用鋪平了道路。
如今，硅基芯片已經成為現代信息社會的基石。從我們口袋里的智能手機到云端的數據中心，從智能家居設備到無人駕駛汽車，硅基芯片無處不在。這些指甲蓋大小的芯片，其計算能力已經遠遠超越了上世紀占據整個房間大小的早期計算機。
這種指數級的技術進步，也掀起了一場前所未有的科技革命。20世紀80年代末，當筆者剛剛踏入小學課堂時，即便是只能進行簡單四則運算的計算器，也是稀罕之物，記憶中那時家中長輩仍在使用算盤噼啪作響地記賬。如今，我的孩子在學齡前便已能熟練地解鎖智能手機，觀看網絡視頻了。短短幾十年間，技術的飛速發展徹底改變了我們的生活習慣。
如果說前幾次工業革命——通過蒸汽機、電力、自動化等技術的突破——使生產效率大幅提升，極大地解放了人類的體力勞動，那么當前以深度學習為代表的人工智能 （AI） 核心技術，則是在更深層次上改變了人類的工作方式：它正在逐步接管人類的腦力勞動，承擔起越來越多原本需要人類深度思考的工作。例如，在醫療領域，AI可以通過分析海量的醫學影像和病歷數據，輔助醫生進行疾病診斷；在金融領域，AI能夠快速處理市場數據，提供投資建議；甚至在藝術創作中，AI大模型也開始模仿人類藝術家寫詩、作畫和譜曲。思考和創造力，是人類自認為區別于其他生物、引以為傲的核心能力。這就是為什么我們感覺現在的智能機器人和人越來越有幾分相似了。
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
2025年春節晚會，機器人表演扭秧歌
當然，從科學嚴謹性的角度審視，應該認識到硅材料主要是用于芯片和存儲單元，將其定義為"硅腦"或“硅基智能”或許比“硅基生命”更為準確。隨著人工智能系統的持續升級，“硅腦”在越來越多的領域正逐步超越人類的“碳腦”，這使得我們也不免會有憂慮，今后人類的價值和獨特性將如何體現？這些搭載"硅腦"的智能機器人是否真的會發展出類似人類的自主意識和情感體驗？
“硅基智能”雖然不是傳統意義上的生命形式，卻至少在功能上部分實現了非碳基生命的設想。遙想百年前，那些首先提出"硅基生命"概念的先驅學者們，恐怕難以預見：如此強大的硅基智能并非自然演化的產物，而是源自碳基生命的智慧結晶。
人類不僅是硅基智能的創造者，在未來還很可能成為它的依賴者、合作者，甚至是競爭者。一邊是歷經百萬年自然進化而來的人類大腦，一邊是以指數級速度發展的硅基智能，人類與硅基智能將如何相處，無疑將是一個影響深遠的課題，有關生命與硅的故事還遠結束。
李研|撰文
作者簡介：
李研，化學博士，賽先生專欄作家。目前擔任細胞出版社(Cell Press)旗下Cell Reports Physical Science 和 Matter期刊的科學編輯。
參考來源：
1.硅：Wikipedia
2.J?ns Jacob Berzelius: wikipedia
3.硅基文明終將統治地球，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，陳廣琪譯，北京時代華文書局
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.晶體管：Wikipedia
11.集成電路：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/科幻話題：硅基生命
來源：賽先生
編輯：Decoherence
轉載內容僅代表作者觀點
不代表中科院物理所立場
如需轉載請聯系原公眾號
掃碼進入“科學與中國”小程序，可觀看以院士科普視頻為代表的優秀科普視頻，第一時間獲取中國科學院公眾科學日、科學節等科普活動報名信息。
1.2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.