Life | “拍”一“拍”硅作为生命基石的潜力
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你知道系外行星上可能有生命存在吗?
你想过基于硅的生命化学可能性吗?
你相信有物质在硫酸中比在水中更稳定吗?
让我们来探索这一“神奇”发现吧!
物理和化学法则普遍存在于我们可观测宇宙的每一个“角落”,那么生物学上是否有同样适用的一套法则呢?我们能确定生物学的普遍规律吗?
众所周知,生命的基本单元氨基酸、核苷酸是以碳元素为骨架变化而来的,因此也被称为“基于碳的生命”。硅与碳有许多相似之处,并且在岩石中以各种硅酸盐的形式存在,是地壳中第二大含量最高的元素 (仅次于氧气) [1]。然而,尽管其资源丰富,但陆地生命仅使用硅作为硅酸和二氧化硅。硅即使在生命起源中起着至关重要的作用,却被认为是地球上所有生命的“辅助元素”。尽管有关有机硅化学方面的研究已有一百多年的历史,但生命基于硅的可能性仍然处在争议之中。
近日,来自于美国麻省理工学院 (Massachusetts Institute of Technology) 的Janusz Jurand Petkowski博士及其研究团队在期刊Life上发表论文,对基于硅的生命可能性进行了系统而全面的论述。
与碳相比,硅是否满足化学多样性和反应性的要求?为了研究硅生物化学的可能性和可行性,该团队探索了在行星环境中发现的各种溶剂中硅的化学复杂性。发现在多种环境下,以硅化学为基础的生命都是一种可行的选择。在水丰富的环境中,硅的化学能力由于二氧化硅的普遍存在而受到极大限制,硅只能用作稀有的杂原子;而低温溶剂对包括有机硅在内的所有分子的溶解度极低;不过令人惊讶的是,和水相比,硫酸似乎能够提供更多的有机硅化学多样性。
图1. 硅和碳化学多样性的比较。硅和碳作为支架元素,可形成共价化合物,且能够自身成链,但硅具有更强大的空间稳定性。
我们知道,任何生命的化学基础都必须具备三个基本要求:足够的化学多样性;稳定性和反应性;溶剂的存在。
化学多样性:生命需要具有不同功能的多种化学物质。在地球上,存在各种各样的化学物质,如氨基酸、糖、酮酸和脂质等。为了构建多种化学物质,生命需要一系列的元素,这些元素能够构建成分子,从而提供一定的生物学功能。在地球上,碳是主要的支架元素。硫、硼,尤其是硅,能够形成共价化合物 [2]。在可替代的支架元素中,硅自身能够形成链,或与各种杂原子交替形成链,并且可以形成各种线性或分支结构,这似乎是生物化学中碳取代基最有希望的选择 (图2)。
图2. 比较四种 (硫、硼、硅和碳) 支架元素及其作为生物化学主要构成元素的利弊。硫可以自身成链,但其支链结构非常有限,这严重限制了硫基的形状多样性。硼可以自身形成链,但形成了原子簇。而碳和硅可自身形成链,或与各种杂原子交替成链,形成各种线性或分支结构。
稳定性和反应性:生命物质的稳定性和在溶剂中的反应性之间必须保持平衡。例如,糖不能使用浓硫酸作为溶剂,因为糖在硫酸条件下在一分钟内就会脱水成无定形碳。生命物质必须在其溶剂中产生一定程度的反应性,以便能够执行其所需的生物学功能。
溶剂:化学生命必须允许在分子内移动 (液体和气体),但又需要阻止大分子简单地以聚集体形式 (固体和液体) 在介质中运行。这意味着生命的化学反应必须在稠密的流体溶剂 (最可能是液体) 中进行。目前的研究中普遍认为水是生命的理想溶剂,也可能是唯一的溶剂。尽管水是地球上基于碳生命的良好溶剂,但也有研究提出了许多其他替代型溶剂也适用于生命化学 (例如硫酸、二氧化碳、氰化氢氨等) [4–5]。
生命的维系需要多种化学物质和溶剂。如果溶剂不能溶解多种化学物质,则该溶剂将无法维持生命。由于溶解度的限制,任何种类的生化化学在低温溶剂中都是难以实现的。图3总结了溶解度和化学稳定性之间相互联系的性质。水的确在该图中占据了最佳位置,平衡了反应性和溶解度。
图3. 复杂生物化学中不同溶剂的活力随化学反应性变化的示意图。Y轴:以°C为单位的温度。X轴:溶剂化学反应性的定性估计。每个长条的高度表示溶剂的温度范围。
硅化学的巨大理论空间在水中几乎完全不稳定,因此若以水为溶剂,其生物化学性能无法满足。硫酸被认为是比水更具有化学侵蚀性的溶剂,因此,对于生命物质来说这是一种令人难以置信的溶剂。但是,该团队有个出乎意料的发现:尽管硫酸具有高度的腐蚀性、极性和离液性,但在浓H2SO4的苛刻条件下,硅化学的一部分性能却是相当稳定的。浓硫酸中的硅化学空间稳定性比在水中更大,这是因为硅化合物在水中的大部分不稳定性是由OH−离子对正硅原子的亲核攻击和五配位结构的稳定性引起的。
硅和碳是“假双胞胎”。它们的相似之处是表面的,不足以缩小它们的关键差异。对于碳来说稳定和正常的化学物质,对硅来说是不稳定的并且是奇异的,而对于碳来说不稳定且不可能的化学物质对于硅来说也是稳定且常规的。硅独特的化学特性和反应性使其成为生命中具有挑战性的选择。
作者还得出了一个新的关键性发现,即在浓硫酸中,硅化学的空间稳定性比在水中更大,因此以硫酸为溶剂的生命物质可以利用这种硅分子多样性。即使碳仍然占主导地位,硅却可以广泛用作硫酸生物化学中的杂原子组分。
结论 ·
作者认为应该考虑将硅作为生物化学的贡献者 (作为硫酸中的常见杂原子和水溶剂中的稀有杂原子),而不是生命的主要组成部分。即使原则上可以避免生物学上的各种缺陷,将硅作为生命元素进行生物利用,使其替代碳作为主要成分使用于生命,但仍然存在进化压力。
参考文献
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1. Asimov, I. The elementary composition of the earth’s crust. J. Chem. Educ. 1954, 31, 70.
2. Bains, W. Many chemistries could be used to build living systems. Astrobiology 2004, 4, 137–167.
3. Hoehler, T.; Bains,W.; Davila, A.; Parenteau, M.; Pohorille, A. Life’s requirements, habitability, and biological potential. In Planetary Astrobiology; Meadows, V., Des Marais, D.J., Arney, G., Schmidt, B., Eds.; University of Arizona Press: Tucson, AZ, USA, 2020; in press.
4. McKay, P.C. Titan as the Abode of Life. Life 2016, 6, 8.
5. Budisa, N.; Schulze-Makuch, D. Supercritical carbon dioxide and its potential as a life-sustaining solvent in a planetary environment. Life 2014, 4, 331–340.
6. Miozzi, F.; Morard, G.; Antonangeli, D.; Clark, A.N.; Mezouar, M.; Dorn, C.; Rozel, A.; Fiquet, G. Equation of State of SiC at Extreme Conditions: New Insight Into the Interior of Carbon-Rich Exoplanets. J. Geophys. Res. Planets 2018, 123, 2295–2309.
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原文出自Life期刊
Petkowski, J.J.; Bains, W.; Seager, S.On the Potential of Silicon as a Building Block for Life. Life 2020, 10, 84.
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*翻译作者:Winni Huang
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