在地球上，硅是构成岩石、玻璃和计算机芯片的材料。它也出现在生命中——存在于植物和硅藻（一种藻类）的壳中，以及我们体内的微量元素。但我们所知的生命对这种元素的利用并不多。
地球生命的关键成分是碳。我们的细胞是由一系列令人眼花缭乱的分子组成的，这些分子以碳链为骨架，连接着少数其他元素。
但硅似乎也应该是一个不错的选择。“如果你是一种生命形式，想在某个地方生存，你需要利用常见且容易获取的构建模块。当然是碳，在某种程度上也是硅，”柏林工业大学的天体生物学家Dirk Schulze-Makuch说。
科幻小说喜欢猜测那些使用硅而不是老旧的碳的外国人。现在，科学家们首次设法让活细胞结合这两种元素。研究人员于11月25日在《科学》杂志上报道，当提供硅基化合物时，一种通常存在于冰岛温泉细菌中的蛋白质可以在活细胞中形成含碳硅键的分子。
“大自然中已经存在的东西，正在孕育这种全新的化学反应，并且表现得相对较好，”加州理工学院（帕萨迪纳）的化学工程师、合著者Frances Arnold说。“它为创造大自然从未创造过的化合物开辟了一条途径。然后你可以探索它们为生命系统带来的成本和效益。”
硅基生命在我们这个星球上无法生存。但科学家们可以想象宇宙中更适合它们生存的地方，并探索当我们将硅引入地球生物化学时会发生什么。
碳统治的世界
碳和硅在化学上有一些相似之处。“它就在碳的下面，所以它具有一些与碳相同的性质，”Schulze-Makuch说。像碳一样，硅可以同时与四个原子结合，这使其成为构建大而复杂分子（如DNA和蛋白质）的有吸引力的构建模块。
而且，硅储量丰富；它占地壳近30%，是仅次于氧气的第二大最丰富元素。
那么，为什么地球上不存在硅基生命呢？
基本上，地球拥有适合碳主导生命茁壮成长的恰当条件，而硅基生命将难以立足。
纯碳可以在地球上以石墨或钻石的形式存在。“它很稳定，不会立即与氧气反应，”Schulze-Makuch说。当含碳化合物燃烧并与氧气反应时，会形成二氧化碳，生命可以使用它。
另一方面，硅本身并不存在。当硅遇到氧气——无论是在空气中还是在水中——它都会抓住氧气形成硅酸盐。这些是含有硅和氧的化合物，构成了地球上大部分的岩石和矿物。“一旦你有了氧气或水……你就得到了岩石，什么都不会再发生了，”Schulze-Makuch说。
而且，虽然水对地球生命至关重要，但硅基生命将无法以同样的方式使用它。它的生物化学过程将必须依赖于另一种分子（可能是甲烷）来完成许多功能。
“硅无处不在，但它被锁定在岩石中……具有非常强的硅氧键，生命系统必须打破这些键才能使用硅，”Arnold说。“而且一旦它们使用了硅，这些化合物可能在地球条件下都不稳定。”
因此，尽管它们相似，硅和碳的行为却不同。“它绝不是可以完全替代的，”Arnold说。“在这个星球的正常条件下，生命可能无法以硅为基础运作。”
但硅基生命能在其他地方繁荣吗？
硅的领域
土卫六（土星最大的卫星）的表面温度为零下290华氏度。这颗卫星几乎没有氧气——任何水都是冰冻的——但液态甲烷在奇特的河流和湖泊中流动。可能构成外星细胞的硅基化合物（称为硅烷）在这种条件下应该是稳定的。
因此，乍一看，土卫六似乎是硅基外星人的一个有吸引力的居住地。“但土卫六的问题在于，那里有太多的碳，碳含量甚至比地球还多，”Schulze-Makuch说。“到目前为止，我们的模型表明硅的含量并不多。”
土卫六上存在的硅埋藏在月球核心附近。“为了拥有更多的硅基生命，它必须在表面[并且]可用，”Schulze-Makuch说。“但你可以想象某些行星、卫星或情景，这可能是可能的。”
他说，科学家们还推测，由岩石硅酸盐构成的生命可能存在于岩浆室的极端高温中。
另一种可能性是，依赖硅的外星生命并不只是用硅取代碳。这些外星生命将使用结合两者的分子。含碳硅键的材料已经在太空中被发现，“但它们非常稀少，碳化合物[数量]多得多，”Schulze-Makuch说。“生命可能仍然面临严峻的挑战。”
依赖硅的生命（比地球生命更多）可能存在，但不太可能普遍存在。“我认为这会非常罕见，但我可以想象它会在某个地方存在，”Schulze-Makuch说。
地球的前景
Arnold及其同事的最新研究可能为解释为什么地球生命只利用了很少的硅提供了一些线索。
当他们首次使用工程改造的大肠杆菌来生产可以制造碳硅键的蛋白质时，该过程效率并不高。但经过几次突变后，酶制造有机硅分子的效率是实验室化学方法的15倍。他们产生了二十种化合物，所有这些化合物都是稳定的。
因此，酶不需要太多鼓励就能形成碳硅键。尽管如此，这在自然界中可能不会发生。“你可能会争辩说，天哪，生物系统这样做很容易，你怎么知道它没有在发生呢？”Arnold说。“我们真的不知道，但这极不可能。”她和她的团队给细菌使用的含硅化合物，以便它们能够制造这些新产品，都是人造的；细菌在正常环境中不会遇到它们。
但这些实验室合成的碳硅键绝非无足轻重。我们可以利用类似的方法来迫使细菌制造我们需要的产物。
虽然没有已知的生命形式能够自然地形成碳硅键，但我们一直在寻找制造这些化合物的方法。结合碳和硅的分子出现在许多产品中，从药品到电子产品。这些都必须在实验室制造，但Arnold希望使用微生物制造这些化合物会更便宜、更环保，不会消耗贵金属，并且可以在室温下进行。
“酶可以做化学家认为只有他们才能做的事情，”Arnold说。除了获得一种更好的制造我们已经使用的东西的方法，我们还可以发现新材料。
“这种化学键可以出现在成千上万种不同的分子中，其中一些可能是有用的，”Arnold说。“它们都是全新的化学实体，现在只需要让细菌制造它们即可轻松获得。”
化学家可以研究当硅被引入活细胞时会发生什么。“我们可以制造含有硅的生命组成部分——也许是硅脂肪或含硅蛋白质——然后问，生命如何处理它？”Arnold说。“细胞对是否存在碳还是硅是盲目的吗？细胞会把它吐出来吗？细胞会吃掉它吗？……它是否提供了生命以前没有的新功能？”
如果引入硅似乎对生命有帮助，或者至少没有伤害，这可能表明，在获得适当的材料后，地球生物可以使用更多的硅。
科学家们甚至可能探索是否能诱使微生物将碳附着到生命通常排斥的其他元素上。“整个元素周期表很大程度上未被自然界触及，”Arnold说。生命主要由碳、氧、氮和氢组成，辅以一些其他元素。
“当引入其他元素时会发生什么？大自然能做到这一点吗？”Arnold说。“我想看看化学家已经掌握的东西中，有多少比例我们可以真正教会大自然去做。那么我们就可以用细菌取代化工厂。”
