矽基生命也許不隻存在於科幻作品中
文/Charles Q. Choi
譯/喬琦
校對/斬光
原文/www.nbcnews.com/mach/science/silicon-based-life-may-be-more-just-science-fiction-n748266
本文基於創作共同協議（BY-NC），由喬琦在利維坦發布
藝術家筆下的矽基生命。最近的研究首次證明，細菌可以創造出有機矽化合物。圖源：Lei Chen and Yan Liang (BeautyOfScience.com) / Caltech
長久以來，科幻小說中總是會暢想外星世界裏棲息著矽基生命，比如原版《星際迷航》電視劇中以岩石為生的霍塔（Horta）。如今，科學家已然首次證明，自然演化可以將矽元素囊括進碳基分子中——而後者正是構成地球生命的基礎。
至於這些發現可能會對我們認識遙遠世界上外星人的化學構造產生什麽影響，這項研究的通訊作者、加州理工大學化學工程師弗朗西斯·阿諾德（Frances Arnold）說：“我覺得，如果人類可以人為誘導生命朝矽和碳共基的方向發展，那麽大自然也能做到這一點。”最近，這群科學家在頂級期刊Science上發表了這些發現的詳細情況。
（science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aah6219）
《星際迷航》中的霍塔（Horta）。圖源：Tumblr
現在已知的所有生物分子的核心都是碳元素。地球上的生命以碳為基礎，這很可能是因為，每個碳原子都可以同時和最多4個其他原子形成化學鍵。這一特性使得碳成為了形成長鏈分子的完美人選，而在我們的知識體係中，長鏈分子（比如蛋白質和DNA）正是生命的基石。
盡管如此，研究者們的心頭始終存在著這樣一個疑問：外星生命是否可能擁有和地球生命完全不同的基礎化學構造呢？比如，在他們那兒，水也許不是生物分子發生反應的載體溶劑，他們的載體溶劑或許是氨或者甲烷。又比如，外星生命生物分子的核心也許不是碳，或許是矽。
碳和矽這兩種元素在化學性質上十分相似，比如，矽原子同樣可以同時和最多4個其他原子形成化學鍵。另外，矽是宇宙中最常見的元素之一，舉例來說，矽元素幾乎占據了地殼質量的30%，這個質量占比大概是碳元素的150倍。
“我覺得，如果人類可以人為誘導生命朝矽和碳共基的方向發展，那麽大自然也能做到這一點。”
圖源：DeviantArt
科學家很早就知道，地球上的生命有能力在化學層麵上操控矽元素，比如，我們可以在青草及其他植物中發現植矽體，而植矽體實際上就是一種二氧化矽的微觀粒子。又比如，我們知道，有種可以進行光合作用的藻類叫矽藻，它們就可以將二氧化矽吸收進自己的外殼中。不過，目前我們還沒有在自然形成的地球生命中，發現由矽和碳共同形成生物分子的例子。
但是，化學家還是人工合成了許多同時由矽和碳構成的分子。我們可以在各種產品中發現這些有機矽化合物的身影，其中包括藥物、密封劑、粘合劑、油畫顏料、除草劑、殺菌劑、計算機以及電視屏幕。如今，科學家又發現了一種可以誘使矽和碳在化學層麵上緊密結合在一起的生物學方法。
恩斯特·海克爾《自然界的藝術形態》 （1904）中的矽藻。圖源：維基
“我們想看看，是否能夠將這種生物學上已經能做到的方法，拓展到連大自然都還未探索出來的全新化學領域中去，”阿諾德說。
研究者通過操控微生物創造了之前在自然界中完全沒有出現過的分子，而他們使用的指導思想則是大家知道的“定向演化”策略，這正是阿諾德在20世紀90年初率先研究的課題。農夫們很早就知道，要想獲取希望得到的動植物性狀，就得撫育一代又一代農作物和牲畜，並在此過程中改良它們的基因。與之類似，科學家們現在就是通過培育微生物的方式創造出他們想要的分子。多年來，科學家已經使用定向演化策略創造出了像清潔劑這樣的家用商品，還憑此開發出了製造藥品、燃料及其他工業產品的環保方法。（傳統的化工生產流程需要用到有害化學物質；相比之下，定向演化策略在創造這些分子的過程中使用的是生物體，通常就避免了那些會對生活產生危害的化工過程。）
阿諾德和她的團隊——有機合成化學家詹妮弗·坎（Jennifer Kan）、生物工程師拉塞爾·劉易斯（Russell Lewis）以及化學家陳凱（音譯）——把研究重點放在了酶上，而酶是一種可以催化或者加速化學反應的蛋白質。他們的目標是，創造可以產生有機矽化合物的酶。
“我的實驗室使用演化策略設計新型酶，”阿諾德說，“沒人知道究竟怎麽去設計這種物質——它們真的是太複雜了。但我們正在學習如何使用演化方法製作新型酶，而這正是大自然的工作方式。”
化學工程師弗朗西斯·阿諾德。圖源：ChemistryViews
第一步，研究者們先從他們覺得原則上可以在化學層麵上操控矽的酶開始研究。接著，他們用多少有點隨機的方式修改了這些蛋白質的DNA構成，然後測試新酶是否具有想要的性狀。研究者會挑選出在測試過程中表現最好的酶，再次讓其基因突變。這個過程會一直重複到科學家得到了他們想要的結果為止。
阿諾德和他的同事從血紅素蛋白質開始實驗。這類蛋白質的核心都含有鐵元素並且可以催化多種反應。最廣為人知的血紅素蛋白質很可能是血紅蛋白，也就是那種讓血液攜氧的血紅色素。
在測試了各種血紅素蛋白質後，這群科學家最終把精力放在了一種從海洋紅嗜熱鹽菌（一種在冰島溫泉中發現的細菌）中提取出來的蛋白質上。這類血紅素蛋白質就是“細胞色素c”（cytochrome c），通常可以將電子轉移到微生物內部的其他蛋白質中，但是，阿諾德和她的同事卻發現，這種血紅素蛋白質也可以生產低濃度有機矽化合物。
分析了細胞色素c的結構之後，研究者們懷疑，也許隻要幾次基因突變就可以大大增強酶的催化活性。事實上，三輪基因突變就足以讓細胞色素c轉變成一種可以生產碳-矽鍵的強效催化劑，且其效率要比現有最好的工業合成技術還要高上至少15倍。阿諾德說，這種變異了的酶可以生產至少20種不同的有機矽化合物，其中有19種是此前科學界未知的。我們現在還不知道，這些全新化合物可以在哪些領域派上用場。
“這項工作給我們的最大驚喜是，原來用生物學方法獲取新物質這麽簡單。而且這些新物質雖然可能永遠也不會被大自然選中，但它們對人類仍有用，”阿諾德說，“生物學世界好像時時刻刻都準備著創新。”
藝術家構想的矽基生物體。圖源：surrealsciencestuff
除證明這些變異酶可以在試管中自行產生有機矽化合物之外，這群科學家還證明了，將大腸杆菌進行基因改造，使其在自身體內產生這種變異酶後，它也可以創造有機矽化合物。這個結果告訴我們，某些地方的微生物也許可以自然進化出創造碳-矽共基分子的能力。這個可能性不僅存在，而且越來越高了。
“在這個確實可能存在其他生命類型的宇宙裏，我們已經證明了，生物體完全可以將矽元素納入有機分子中，”阿諾德說，“而在這個宇宙中，一旦你證明這種情況的確可以在某種條件下出現，那麽它很可能已經出現了。”
至於為什麽地殼中的矽明明更多，地球生命卻以碳為基礎，這個問題尚沒有答案。此前的研究表明，和碳相比，可以與矽元素形成化學鍵的原子種類更少，而且矽和這些原子反應形成的分子結構要比碳簡單。通過賦予生命體創造有機矽化合物的能力，未來的研究就可以測試出為什麽某處的生命能或者沒能將矽元素納入生物分子。
“在這個確實可能存在其他生命類型的宇宙裏，我們已經證明了，生物體完全可以將矽元素納入有機分子中，”阿諾德說，“而在這個宇宙中，一旦你證明這種情況的確可以在某種條件下出現，那麽它很可能已經出現了。”
卡西尼號上由紅外傳感器觀測到的土衛六。它是太陽係第一顆被發現擁有濃厚大氣層的衛星，因此被高度懷疑有生命體的存在，科學家也推測大氣中的甲烷可能是生命體的基礎。圖源：Air & Space Magazine
除了天體生物學方麵的啟示之外，研究人員還強調，他們的工作表明，生物學過程可以用比現有所有合成技術更環保且可能更經濟的方式生產出有機矽化合物。例如，現在的合成技術常常要用到稀有金屬以及有毒溶劑，而應用生物學技術就沒有這個煩惱。
此外，應用變異酶技術產生的我們不想要的副產品也更少。與之形成對比的是，現有合成技術通常需要引入額外工序去除這些惹人厭的副產品，而這又增加了生產有機矽化合物的成本。
“我現在就正和幾家化工企業討論我們這項工作成果的潛在應用，”阿諾德說，“用工業合成技術製造這些化合物的難度很高，因此，綠色的生物學生產路線就很有吸引力了。”
未來的研究會探索生物體擁有創造有機矽化合物的能力究竟會有何益處和壞處。“將這種能力賦予生物體，我們也許就能理解，為什麽自然界中無法出現這種現象”，阿諾德說。
這項研究的資助方是：美國國家科學基金會、加州理工創新計劃以及加州理工雅各布斯藥用分子工程學研究所。
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