科幻电影里的硅基人

尽管在地球表面碳的含量仅为硅的1/920，但碳在银河系中的丰度却是硅的7倍。碳在恒星内部形成，通过“三重α过程”和“CNO聚变循环”，较轻的元素可以很容易被压成更重的碳。相比之下，硅的产生需要经历巨型恒星坍缩，也就是在超新星爆炸的过程中才有机会产生出来，因此硅在宇宙中的含量比碳少得多。

纯碳可以以石墨或钻石的形式存在于地球上，它有很好的稳定性，不会轻易与氧气发生化学反应，碳或碳化合物只有在氧气中燃烧时才会形成气态氧化物——二氧化碳。

钻石可以在氧气中燃烧

前节提到，碳的最外围有4个价电子，它们分别位于2s和2p轨道，这意味着它能与其它原子组成4个共价键，共价半径为77pm。由于共价半径短，碳共价键能高，键合稳定。

任何生命的化学基础都必须满足三个基本要求：足够的化学多样性；稳定性和反应性；溶剂的存在。

在我们的地球上，生命体需要多种具有不同功能的化学物质参与。包括用于制造蛋白质的氨基酸，用于制造核酸的糖和含氮碱基，作为核心代谢中间体的酮酸和羟基，以及用于制造细胞膜的脂质等等。为了组合出这些化学物质以提供生物学功能，生命体需要一套元素来构建各种分子，同时这些分子中应该事先建立起一个“脚手架”。

碳因其独特的化学性质成为这个生命支架的不二之选。

碳是生命的骨架

碳原子可以通过两个电子与相邻的碳组成长链，同时通过另两个电子与其它杂原子组合形成一个大分子。在这个大分子中，碳是支架，而杂原子提供了丰富的化学活性。碳支架提供了制造大分子的能力，因此可以制造大量不同功能的分子。碳支架相对稳定，同时与碳结合的杂原子为每个分子提供化学功能和独特性。

在太阳系形成的过程中，硅在地球表面的含量远超过碳，它的原子结构与碳相近，为什么地球上没有出现哪怕一种以硅为基础的生命形态，甚至我们连一块纯硅都找不到呢？

这还需要从硅原子本身开始说起。

硅的原子半径比碳大，它的共价半径也达到117pm。硅的四个外围电子两个位于3s轨道，两个在3p轨道，更长的键长和不同的键角导致硅比碳更活泼，它的共价键也更不稳定。

水晶是固体的二氧化硅

硅很容易被氧化形成固态的二氧化硅，它是砂子的主要成分。所以我们在地球上找不到纯净的硅，只能找到二氧化硅和硅酸盐矿物。

与碳、氮、氧和氢相比，硅有更强的正电性，这会在硅原子中形成一个电子“洼地”，导致它与其它非金属组成的键有更强的极化，进而造成以硅为核心的分子更容易受到亲电和亲核攻击。与碳相比，硅化合物更容易水解，它因此也更不稳定。在有水的环境里，硅不能作为大分子的骨架，而只会作为碳分子链条中杂原子存在。

氢和氧是宇宙中最丰富的两种元素，并且天文学家已经证实水分子在宇宙中也广泛存在。在这样的环境里，硅要么被氧化变成固体，要么它的分子链被水分子破碎，化学多样性无从谈起，也没有机会发展成为生命的基础性物质。