长期以来，科幻小说中常将外星人想象成为硅基生命，比如《星际迷航》中以吃石头为生的霍塔人（Horta）。如今，科学家们首次发现证据，显示大自然中的生物真能将硅融入碳基分子中，形成硅碳键（silicon-carbon）。而在此之前，硅碳键只能通过化学方法人工合成。美国加州理工学院化学工程师弗朗西斯·阿诺德（Frances Arnold）最近在《科学》杂志上详细介绍了他们的发现，她说：“我的感觉是，如果人类能够诱使生命形成硅碳键，大自然同样也能做到。”
图：科学家推测硅基生命形态，比如《星际迷航》中以吃石头为生的霍塔人
生物方式产生硅碳键
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产生的，这很可能是因为每个碳原子都能同时与另外4个其他原子形成键。这种性质让碳非常适合形成长分子链，构成我们已知的生命基础，比如蛋白质和DNA。然而，研究人员推测外星生命可能与地球生命存在完全不同的化学基础。举例来说，外星人或许不用水作为生物分子运动的溶剂，而是依赖于氨或甲烷。它们不依赖碳形成生命分子，而是利用硅元素。
在化学结构上，碳和硅非常相似，硅原子也可以同时与4个不同原子形成键。此外，硅也是宇宙中最常见的元素之一。比如，地球地壳质量的30%由硅构成，差不多是地壳中碳储量的150倍。科学家们早就知道，地球生命能够在化学层面上操纵硅元素。以被称为植物岩的二氧化硅微观粒子为例，它可在草和其他植物体内发现，而被称为硅藻的光合藻类可将二氧化硅融入骨骼中。可是，地球上还没有已知的生命实例，能利用硅和碳结合成分子。
尽管如此，化学家们已经可通过人工合成方式获得硅碳键。这些有机硅化合物在许多产品中都被发现，包括医药、密封胶、填缝剂、粘合剂、油漆、除草剂、杀菌剂以及计算机和电视机屏幕中。然而，这些产品目前都是通过化学合成制造的，因为在自然界尚未发现硅碳键。现在，科学家们发现新的方法，可以诱使生物通过化学方式形成硅碳键。阿诺德说：“我们想要看看，我们是否能够利用生物已经拥有的能力扩展到全新的化学领域，尽管大自然还未对这个领域进行过探索。”
新的研究表明，通过生物学能够以更环保、更便宜的方式制造硅碳键。同时也首次证明：自然界也能适应并将硅元素吸收纳入作为生命基石的碳基分子中。长久以来，科学家一直想弄清楚，地球生命是否可以进化为基于硅元素，而不是基于碳元素。阿诺德说：“原本只有化学家才能做到的事情，现在自然界的细菌也能做到了，并且做得更好！”合成有机化学家珍妮弗·坎（Jennifer Kan）说：“没有任何已知生物能合成硅碳键，即使我们周围的岩石和海滩上存在的丰富的硅元素。”
过程就像培育千里马
20世纪90年代初，阿诺德就提出名为“定向进化”的策略，即研究人员可控制微生物创造此前从未见过的分子。就像农民对农作物进行长期改良，或通过育种培育出牲畜独有的特征，科学家们也希望培育出特殊的微生物以创造他们渴望的分子。多年来，科学家们已经利用“定向进化”策略创造家庭用品（如洗涤剂）、开发制造药物、燃料以及其他工业产品的环保方式。
阿诺德及其团队成员坎、生物工程师鲁塞尔·刘易斯（Russell Lewis）以及化学家陈凯（Kai Chen）专注于酶的研究，即催化或加速化学反应的蛋白质。他们的目标是创造能够产生有机硅化合物的酶。阿诺德表示：“我的实验室使用进化方式来设计新的酶。没人知道如何设计它们，它们都是极其复杂的。但我们正在学习如何利用进化来制造新的酶，就像大自然那样。”
图：艺术家渲染的硅基生命效果图
首先，研究人员需要选取想要增强其性能的目标酶，原则上他们选择了可通过化学操纵的硅。其次，他们以随机的方式对编码该酶的DNA引入突变，并测试所得酶的性能。接着，对性能最好的酶再次突变、筛选，不断重复该过程，直到获得他们想要的结果。
然而，最新研究的目标不仅仅是提高酶的生物学功能，实际上还要让酶做一些以前没有做过的事情。为此，研究者首先需要找到合适的蛋白质：即有可能制造出硅碳键的酶。阿诺德说：“这就像是培育赛马，伯乐们鉴别出千里马的潜力，然后经过连续几代培育出真正的千里马。我们的做法相似，只不过是用蛋白质来进行实验。”
生物界带来的惊喜
最初，阿诺德等人利用名为血红素蛋白的酶进行尝试，它的核心处有铁存在，能够催化多种反应。最广泛被认可的血红素蛋白可能是血红蛋白，即帮助血液携氧的红色色素。经过对多种血红素蛋白进行测试，科学家们将注意力集中在海洋红嗜热盐菌（Rhodothermus marinus）身上，它是来自冰岛温泉的细菌。其中，研究人员关注的血红素蛋白被称为细胞色素c，即通常穿梭于微生物中其他蛋白质中的电子。但是阿诺德等人发现，它也能产生低水平的有机硅化合物。
经过分析细胞色素c的结果，研究人员猜测，只需要少数突变就可能大幅增强这种酶的催化活性。事实的确如此，只经过了3轮突变，这种蛋白质就成为催化剂，可以产生硅碳键，其效率比当前最好的合成技术高15倍。阿诺德说，这种突变酶至少可产生20种不同的有机硅化合物，其中19种都是新发现的。现在还不清楚如何应用这些新化合物。
阿诺德说：“这项工作带来的最大惊喜就是，从生物学上获得新功能是多么容易，而这些新功能从来未在大自然中被选择过，但它们依然对人类有用。生物世界似乎总是能给人创新惊喜。”
除了展示突变酶可在试管中自己产生有机硅化合物外，科学家们还展示了大肠杆菌，它通常会自己产生突变酶，这种细菌也能创造有机硅化合物。这种结果产生一种可能性，即某个地方的微生物可在自然条件下进化出创造这类分子的能力。阿诺德表示：“对于宇宙中存在生命的可能形态，我们已经证明，生命存在多么容易，正如我们所知道的那样，它的有机分子中可能含有硅元素。一旦你在宇宙中的某处那样做，实际上它可能早已经存在。”
至于生命是否可以进化为以硅元素为基础，阿诺德则说：“这取决于大自然。这项研究表明了自然界能够迅速适应新的挑战，当我们向自然界提供新的试剂并以人工淘汰的方式提供适当的激励时，细胞中以DNA编码的催化机制能够快速学习并促进新的化学反应。如果大自然想要进化出硅基生命，它自然可以做到这一点。”
更环保更有潜力
虽然地壳中硅元素普遍存在，但是地球上的生命是否全部是基于碳元素构成的问题依然悬而未决。此前研究显示，与碳相比，硅可以与更少的原子形成化学键，它经常与能够交互的原子形成不太复杂的分子结构。通过赋予生命创造有机硅化合物的能力，未来的研究可测试地球或其他地方的生命是否能将硅纳入生物分子中。
除了天体生物学的影响，研究人员指出，他们的工作显示生物过程可以产生有机硅化合物，与现有合成这些分子的方法相比，新的生物过程更加环保，也更有潜力。举例来说，当前用于制造有机硅化合物的技术经常需要使用贵金属和有毒溶剂。
突变酶也可以产生更少我们不想要的副产品。与之相比，当前技术通常需要采取额外措施去除这些副产品，这导致制造这些分子的成本增加。阿诺德说：“我与多家化学公司探讨过应用我们发现的潜力。这些化合物很难人工合成，为此通过环保的生物工程生产这些化合物非常有吸引力。”
未来的研究将会探索生物创造有机硅化合物的能力存在哪些优势和劣势。阿诺德表示：“通过将这种能力赋予生物，我们可以看到：是否有什么原因阻止其在自然界出现。”
