第十四章 硼基生命

　　“大家好，我是Max生命實(shí)驗(yàn)室的趙老師，今天為大家講硼基生命?！?p>　　“硼基生命(boron-based life)，是一種碳基生命以外的生命形態(tài)。

　　從化學(xué)角度看，硼具有很多優(yōu)點(diǎn)：

　　<1>硼擁有比硅更小的原子半徑和遠(yuǎn)比硅強(qiáng)的連接能力，僅略弱于碳。

　　<2>硼是唯一和碳一樣具有無(wú)限延伸自身的能力。硼還具有比碳更豐富的成鍵多樣性。

　　<3>硼的氫化物體系的穩(wěn)定性不受原子數(shù)目制約，綜合能力和碳相當(dāng)。

　　<4>硼烷及其衍生物種類眾多，且穩(wěn)定性可觀。硼烷的穩(wěn)定性為硼基生命提供可能，復(fù)雜性為硼基生命提供了保障。還有類似雜環(huán)化合物的雜硼烷。有人據(jù)此猜測(cè)，硼也可能作為生命骨架。

　　同時(shí)，也有人指出，如果某片星際塵埃通過(guò)機(jī)緣巧合受到了大量宇宙射線的照射，或中子星附近(也算宇宙射線強(qiáng)的地方)，硼元素的富集也是可以實(shí)現(xiàn)的（宇宙中硼元素主要是由宇宙射線與碳、氧作用發(fā)生散裂反應(yīng)得到）。硼基生命就可能在這樣的地方出現(xiàn)。

　　有人猜測(cè)，硼基生命可能誕生在以氟化氫為溶劑的海洋中，以硫或多硫化物作為氧化劑。以類似嘌呤和嘧啶的基于二十面體結(jié)構(gòu)的碳硼烷和碳氮硼烷作為遺傳信息的載體的核心部分。而氮配合的硼烷基硼酸則相當(dāng)于氨基酸，其中，對(duì)應(yīng)氨基NH2C的RNH2B和對(duì)應(yīng)羧基COOH的B(OH)2通過(guò)脫水和重分配可產(chǎn)生類似于蛋白質(zhì)，以類似肽鍵-CO-NH-C的B(-NHR-B)2為連接中心的多聚物。

　　在穩(wěn)定硼烷中，硼的配位數(shù)都是不少于4（即與周圍4個(gè)原子形成共價(jià)鍵）的，甚至達(dá)到6才是常見情況。這是因?yàn)榕鸬娜彪娮有詫?dǎo)致穩(wěn)定硼烷中都存在多中心鍵。也因此，硼骨架的電子往往高度離域，而不像有機(jī)物和簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)分子那樣高度定域。也因此部分硼烷反應(yīng)也與有機(jī)反應(yīng)相當(dāng)不同。也因此硼基生命的生物化學(xué)可能與碳基生命差別較大。

　　還有一點(diǎn)需要注意的是，硼烷原子數(shù)也許低于很多烴類，但它們的結(jié)構(gòu)絕不“簡(jiǎn)單”——事實(shí)上，在復(fù)雜硼烷中常見的基于二十面體的結(jié)構(gòu)是所有元素氫化物中最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而硼也是唯一可以在其二元?dú)浠镏信湮粩?shù)達(dá)到7的元素（注意，結(jié)構(gòu)復(fù)雜性并不與原子數(shù)掛鉤，再龐大的碳骨架也無(wú)法形成類似硼烷的結(jié)構(gòu)）。此外，硼擁有最復(fù)雜的單質(zhì)，其中含有15種不同環(huán)境的硼原子。

　　二.硼的潛力：

　　有人認(rèn)為，硼烷衍生物及其衍生物的規(guī)模仍然不足，因此難以作為生命的核心元素。但實(shí)際上，不管是作為地球碳基生命的生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者的蛋白質(zhì)，還是作為我們遺傳物質(zhì)的DNA，實(shí)際上也都分別是由十分簡(jiǎn)單的分子——氨基酸和脫氧核苷酸構(gòu)成的。而形成具有與氨基酸或核苷酸類似功能的硼烷衍生物實(shí)際上并非難事。

　　也有人誤以為，硼烷及其衍生物只能形成簡(jiǎn)單封閉的結(jié)構(gòu)，其實(shí)不然，人類已經(jīng)成功合成了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的硼烷衍生物。而由于硼烷及其衍生物穩(wěn)定性不受原子數(shù)量制約，在合適的環(huán)境下，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)時(shí)間的演化，小規(guī)模的硼烷衍生物結(jié)構(gòu)單元完全可能連接形成非常龐大的化合物。比如結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬硼烷。

　　三.生命猜測(cè)：

　　<1>誕生的溶劑：

　　有人認(rèn)為，硼基生命可能生活在以氟化氫為溶劑的海洋中。星球表面溫度比地球更低。

　　<3>“蛋白質(zhì)”：

　　戊硼烷，己硼烷與大氣中的三氟化硼反應(yīng)后生成硼烷基氟化硼，再與海洋中的水反應(yīng)生成類似

　　羧酸的硼烷基硼酸，再和銨反應(yīng)生成類似于氨基酸的有機(jī)胺或氨的氮配合的硼烷基硼酸(H2RN)wBxHyB(OH)2。其中RNH2-B相當(dāng)于氨基酸中的氨基NH2-C，-B(OH)2則相當(dāng)于羧基-COOH。通過(guò)脫水和重分配，可產(chǎn)生類似于多肽，以對(duì)應(yīng)肽鍵-CO-NH-C的-B(-NHR-B)2為連接中心的多聚物：

　　B-B(OH)2+ 2RNH2-B → B-B(-NHR-B)2+ 2H2O

　　硼烷基氟化硼，水解后會(huì)生成類似羧酸的硼烷基硼酸。

　　<4>遺傳物質(zhì)：

　　癸硼烷、戊硼烷和己硼烷等硼烷和乙炔和乙烯等不飽和烴和氰化氫等物質(zhì)發(fā)生芳構(gòu)化作用，產(chǎn)生的穩(wěn)定的基于二十面體結(jié)構(gòu)的碳硼烷和碳氮硼烷。則相當(dāng)于地球碳基生命中的嘌呤和嘧啶等雜環(huán)化合物，作為硼基生命的遺傳信息的載體的核心部分。比如基于二十面體結(jié)構(gòu)的碳硼烷和碳氮硼烷。

　　上述雜硼烷形成后與有機(jī)胺，氨和有機(jī)磷發(fā)生配合反應(yīng)和取代反應(yīng)使雜硼烷官能團(tuán)化，而其中RNH2-B和磷酸發(fā)生?；饔卯a(chǎn)生的PONH結(jié)構(gòu)則對(duì)應(yīng)我們地球碳基生命的磷酸酯；而經(jīng)過(guò)官能團(tuán)化的雜硼烷則與其共同構(gòu)成硼基生命的“核苷酸”的雛形：

　　RNH2-B + HOPO(OH)2→(HO)2PO(-NHR-B)+ 2H2O

　　<5>呼吸作用與光合作用

　　氧氣的氧化性對(duì)硼基生命來(lái)說(shuō)過(guò)于劇烈，氧化性更溫和的硫則更適合硼基生命——硫單質(zhì)（S）和多硫化物（Sx2-，R-Sx-R）起著氧的作用，裂解B-H鍵產(chǎn)生B-SH和B-S-B基團(tuán)并放出能量，這些能量在硼基生命形成的過(guò)程中為相關(guān)反應(yīng)供能，硼基生命形成之后可用于硼基生命的生命活動(dòng)。在經(jīng)過(guò)復(fù)雜的代謝活動(dòng)后，以揮發(fā)性小分子三氟化硼（BF3）作為代謝產(chǎn)物排出，硫元素被還原后生成的硫化氫（H2S）或有機(jī)硫烷（RSH）則通過(guò)植物光合作用再變回多硫化物或硫單質(zhì)完成一次循環(huán)：

　　呼吸作用：

　　儲(chǔ)能物質(zhì)—[S]，HF，酶→ BF3 + H2S(或RSH)

　　光合作用：

　　H2S(或RSH)—hν，酶→[H]+ Sx2-(或R-Sx-R、S)

　　BF3 +[H]—酶→儲(chǔ)能物質(zhì)+ HF

　　四.對(duì)硼基生命的擔(dān)憂：

　　 1.宇宙中硼豐度過(guò)低：

　　硼元素在宇宙中的數(shù)量十分有限，含量比碳元素低數(shù)百萬(wàn)倍。硼元素在宇宙中豐度比碳低6個(gè)數(shù)量級(jí)，作為介質(zhì)的氟化氫中的氟豐度也遠(yuǎn)低于氧氮。硼元素和氟元素豐度足夠且處于硼基生命宜居帶的星球的形成難度較大

　　 2.功能相似時(shí)，硼烷(衍生物)比烴(衍生物)復(fù)雜。有人認(rèn)為這也不利于硼基生命形成。不過(guò)也有人指出，硼烷擁有元素氫化物中最高的反應(yīng)多樣性，在部分功能相似時(shí)，硼烷衍生物同時(shí)也可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)烴衍生物所不能實(shí)現(xiàn)的功能。

　　3.盡管硼原子之間可以相互連接，也可以通過(guò)氫原子形成籠狀骨架，骨架上的氫原子連接形成硼烷，但這些分子簡(jiǎn)單、封閉，因此它們不太可能成為構(gòu)成生命的分子，也不可能存在于地球上的生物體中(金屬硼烷的出現(xiàn)，改變了這個(gè)觀點(diǎn))。

　　目前人類尚未發(fā)現(xiàn)硼基生命。

　　好了，今天就講到這里，到點(diǎn)下課啦~”

　　(本章結(jié)束)