長期以來，科幻小說中常將外星人想象成為硅基生命，比如《星際迷航》中以吃石頭為生的霍塔人（Horta）。如今，科學家們首次發(fā)現(xiàn)證據(jù)，顯示大自然中的生物真能將硅融入碳基分子中，形成硅碳鍵（silicon-carbon）。而在此之前，硅碳鍵只能通過化學方法人工合成。美國加州理工學院化學工程師弗朗西斯·阿諾德（Frances Arnold）最近在《科學》雜志上詳細介紹了他們的發(fā)現(xiàn)，她說：“我的感覺是，如果人類能夠誘使生命形成硅碳鍵，大自然同樣也能做到?！?/p>

圖：科學家推測硅基生命形態(tài)，比如《星際迷航》中以吃石頭為生的霍塔人

生物方式產(chǎn)生硅碳鍵

碳是地球上所有已知生物分子的“基石”。地球上的生命都是基于碳產(chǎn)生的，這很可能是因為每個碳原子都能同時與另外4個其他原子形成鍵。這種性質(zhì)讓碳非常適合形成長分子鏈，構(gòu)成我們已知的生命基礎(chǔ)，比如蛋白質(zhì)和DNA。然而，研究人員推測外星生命可能與地球生命存在完全不同的化學基礎(chǔ)。舉例來說，外星人或許不用水作為生物分子運動的溶劑，而是依賴于氨或甲烷。它們不依賴碳形成生命分子，而是利用硅元素。

在化學結(jié)構(gòu)上，碳和硅非常相似，硅原子也可以同時與4個不同原子形成鍵。此外，硅也是宇宙中最常見的元素之一。比如，地球地殼質(zhì)量的30%由硅構(gòu)成，差不多是地殼中碳儲量的150倍?？茖W家們早就知道，地球生命能夠在化學層面上操縱硅元素。以被稱為植物巖的二氧化硅微觀粒子為例，它可在草和其他植物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)，而被稱為硅藻的光合藻類可將二氧化硅融入骨骼中。可是，地球上還沒有已知的生命實例，能利用硅和碳結(jié)合成分子。

盡管如此，化學家們已經(jīng)可通過人工合成方式獲得硅碳鍵。這些有機硅化合物在許多產(chǎn)品中都被發(fā)現(xiàn)，包括醫(yī)藥、密封膠、填縫劑、粘合劑、油漆、除草劑、殺菌劑以及計算機和電視機屏幕中。然而，這些產(chǎn)品目前都是通過化學合成制造的，因為在自然界尚未發(fā)現(xiàn)硅碳鍵?，F(xiàn)在，科學家們發(fā)現(xiàn)新的方法，可以誘使生物通過化學方式形成硅碳鍵。阿諾德說：“我們想要看看，我們是否能夠利用生物已經(jīng)擁有的能力擴展到全新的化學領(lǐng)域，盡管大自然還未對這個領(lǐng)域進行過探索?！?/p>

新的研究表明，通過生物學能夠以更環(huán)保、更便宜的方式制造硅碳鍵。同時也首次證明：自然界也能適應并將硅元素吸收納入作為生命基石的碳基分子中。長久以來，科學家一直想弄清楚，地球生命是否可以進化為基于硅元素，而不是基于碳元素。阿諾德說：“原本只有化學家才能做到的事情，現(xiàn)在自然界的細菌也能做到了，并且做得更好！”合成有機化學家珍妮弗·坎（Jennifer Kan）說：“沒有任何已知生物能合成硅碳鍵，即使我們周圍的巖石和海灘上存在的豐富的硅元素。”

過程就像培育千里馬

20世紀90年代初，阿諾德就提出名為“定向進化”的策略，即研究人員可控制微生物創(chuàng)造此前從未見過的分子。就像農(nóng)民對農(nóng)作物進行長期改良，或通過育種培育出牲畜獨有的特征，科學家們也希望培育出特殊的微生物以創(chuàng)造他們渴望的分子。多年來，科學家們已經(jīng)利用“定向進化”策略創(chuàng)造家庭用品（如洗滌劑）、開發(fā)制造藥物、燃料以及其他工業(yè)產(chǎn)品的環(huán)保方式。

阿諾德及其團隊成員坎、生物工程師魯塞爾·劉易斯（Russell Lewis）以及化學家陳凱（Kai Chen）專注于酶的研究，即催化或加速化學反應的蛋白質(zhì)。他們的目標是創(chuàng)造能夠產(chǎn)生有機硅化合物的酶。阿諾德表示：“我的實驗室使用進化方式來設(shè)計新的酶。沒人知道如何設(shè)計它們，它們都是極其復雜的。但我們正在學習如何利用進化來制造新的酶，就像大自然那樣?！?/p>

圖：藝術(shù)家渲染的硅基生命效果圖

首先，研究人員需要選取想要增強其性能的目標酶，原則上他們選擇了可通過化學操縱的硅。其次，他們以隨機的方式對編碼該酶的DNA引入突變，并測試所得酶的性能。接著，對性能最好的酶再次突變、篩選，不斷重復該過程，直到獲得他們想要的結(jié)果。

然而，最新研究的目標不僅僅是提高酶的生物學功能，實際上還要讓酶做一些以前沒有做過的事情。為此，研究者首先需要找到合適的蛋白質(zhì)：即有可能制造出硅碳鍵的酶。阿諾德說：“這就像是培育賽馬，伯樂們鑒別出千里馬的潛力，然后經(jīng)過連續(xù)幾代培育出真正的千里馬。我們的做法相似，只不過是用蛋白質(zhì)來進行實驗。”

生物界帶來的驚喜

最初，阿諾德等人利用名為血紅素蛋白的酶進行嘗試，它的核心處有鐵存在，能夠催化多種反應。最廣泛被認可的血紅素蛋白可能是血紅蛋白，即幫助血液攜氧的紅色色素。經(jīng)過對多種血紅素蛋白進行測試，科學家們將注意力集中在海洋紅嗜熱鹽菌（Rhodothermus marinus）身上，它是來自冰島溫泉的細菌。其中，研究人員關(guān)注的血紅素蛋白被稱為細胞色素c，即通常穿梭于微生物中其他蛋白質(zhì)中的電子。但是阿諾德等人發(fā)現(xiàn)，它也能產(chǎn)生低水平的有機硅化合物。

經(jīng)過分析細胞色素c的結(jié)果，研究人員猜測，只需要少數(shù)突變就可能大幅增強這種酶的催化活性。事實的確如此，只經(jīng)過了3輪突變，這種蛋白質(zhì)就成為催化劑，可以產(chǎn)生硅碳鍵，其效率比當前最好的合成技術(shù)高15倍。阿諾德說，這種突變酶至少可產(chǎn)生20種不同的有機硅化合物，其中19種都是新發(fā)現(xiàn)的?，F(xiàn)在還不清楚如何應用這些新化合物。

阿諾德說：“這項工作帶來的最大驚喜就是，從生物學上獲得新功能是多么容易，而這些新功能從來未在大自然中被選擇過，但它們依然對人類有用。生物世界似乎總是能給人創(chuàng)新驚喜?！?/p>

除了展示突變酶可在試管中自己產(chǎn)生有機硅化合物外，科學家們還展示了大腸桿菌，它通常會自己產(chǎn)生突變酶，這種細菌也能創(chuàng)造有機硅化合物。這種結(jié)果產(chǎn)生一種可能性，即某個地方的微生物可在自然條件下進化出創(chuàng)造這類分子的能力。阿諾德表示：“對于宇宙中存在生命的可能形態(tài)，我們已經(jīng)證明，生命存在多么容易，正如我們所知道的那樣，它的有機分子中可能含有硅元素。一旦你在宇宙中的某處那樣做，實際上它可能早已經(jīng)存在?！?/p>

至于生命是否可以進化為以硅元素為基礎(chǔ)，阿諾德則說：“這取決于大自然。這項研究表明了自然界能夠迅速適應新的挑戰(zhàn)，當我們向自然界提供新的試劑并以人工淘汰的方式提供適當?shù)募顣r，細胞中以DNA編碼的催化機制能夠快速學習并促進新的化學反應。如果大自然想要進化出硅基生命，它自然可以做到這一點?！?/p>

更環(huán)保更有潛力

雖然地殼中硅元素普遍存在，但是地球上的生命是否全部是基于碳元素構(gòu)成的問題依然懸而未決。此前研究顯示，與碳相比，硅可以與更少的原子形成化學鍵，它經(jīng)常與能夠交互的原子形成不太復雜的分子結(jié)構(gòu)。通過賦予生命創(chuàng)造有機硅化合物的能力，未來的研究可測試地球或其他地方的生命是否能將硅納入生物分子中。

除了天體生物學的影響，研究人員指出，他們的工作顯示生物過程可以產(chǎn)生有機硅化合物，與現(xiàn)有合成這些分子的方法相比，新的生物過程更加環(huán)保，也更有潛力。舉例來說，當前用于制造有機硅化合物的技術(shù)經(jīng)常需要使用貴金屬和有毒溶劑。

突變酶也可以產(chǎn)生更少我們不想要的副產(chǎn)品。與之相比，當前技術(shù)通常需要采取額外措施去除這些副產(chǎn)品，這導致制造這些分子的成本增加。阿諾德說：“我與多家化學公司探討過應用我們發(fā)現(xiàn)的潛力。這些化合物很難人工合成，為此通過環(huán)保的生物工程生產(chǎn)這些化合物非常有吸引力?！?/p>

未來的研究將會探索生物創(chuàng)造有機硅化合物的能力存在哪些優(yōu)勢和劣勢。阿諾德表示：“通過將這種能力賦予生物，我們可以看到：是否有什么原因阻止其在自然界出現(xiàn)?！?/p>