第十四章 硼基生命
“大家好，我是Max生命实验室的赵老师，今天为大家讲硼基生命。”
“硼基生命(boron-basedlife)，是一种碳基生命以外的生命形态。
从化学角度看，硼具有很多优点：
<1>硼拥有比硅更小的原子半径和远比硅强的连接能力，仅略弱于碳。
<2>硼是唯一和碳一样具有无限延伸自身的能力。硼还具有比碳更丰富的成键多样性。
<3>硼的氢化物体系的稳定性不受原子数目制约，综合能力和碳相当。
<4>硼烷及其衍生物种类众多，且稳定性可观。硼烷的稳定性为硼基生命提供可能，复杂性为硼基生命提供了保障。还有类似杂环化合物的杂硼烷。有人据此猜测，硼也可能作为生命骨架。
同时，也有人指出，如果某片星际尘埃通过机缘巧合受到了大量宇宙射线的照射，或中子星附近(也算宇宙射线强的地方)，硼元素的富集也是可以实现的（宇宙中硼元素主要是由宇宙射线与碳、氧作用发生散裂反应得到）。硼基生命就可能在这样的地方出现。
有人猜测，硼基生命可能诞生在以氟化氢为溶剂的海洋中，以硫或多硫化物作为氧化剂。以类似嘌呤和嘧啶的基于二十面体结构的碳硼烷和碳氮硼烷作为遗传信息的载体的核心部分。而氮配合的硼烷基硼酸则相当于氨基酸，其中，对应氨基NH2C的RNH2B和对应羧基COOH的B(OH)2通过脱水和重分配可产生类似于蛋白质，以类似肽键-CO-NH-C的B(-NHR-B)2为连接中心的多聚物。
在稳定硼烷中，硼的配位数都是不少于4（即与周围4个原子形成共价键）的，甚至达到6才是常见情况。这是因为硼的缺电子性导致稳定硼烷中都存在多中心键。也因此，硼骨架的电子往往高度离域，而不像有机物和简单无机分子那样高度定域。也因此部分硼烷反应也与有机反应相当不同。也因此硼基生命的生物化学可能与碳基生命差别较大。
还有一点需要注意的是，硼烷原子数也许低于很多烃类，但它们的结构绝不“简单”——事实上，在复杂硼烷中常见的基于二十面体的结构是所有元素氢化物中最复杂的结构，而硼也是唯一可以在其二元氢化物中配位数达到7的元素（注意，结构复杂性并不与原子数挂钩，再庞大的碳骨架也无法形成类似硼烷的结构）。此外，硼拥有最复杂的单质，其中含有15种不同环境的硼原子。
二.硼的潜力：
有人认为，硼烷衍生物及其衍生物的规模仍然不足，因此难以作为生命的核心元素。但实际上，不管是作为地球碳基生命的生命活动的主要承担者的蛋白质，还是作为我们遗传物质的DNA，实际上也都分别是由十分简单的分子——氨基酸和脱氧核苷酸构成的。而形成具有与氨基酸或核苷酸类似功能的硼烷衍生物实际上并非难事。
也有人误以为，硼烷及其衍生物只能形成简单封闭的结构，其实不然，人类已经成功合成了结构复杂的硼烷衍生物。而由于硼烷及其衍生物稳定性不受原子数量制约，在合适的环境下，经过足够长时间的演化，小规模的硼烷衍生物结构单元完全可能连接形成非常庞大的化合物。比如结构复杂的金属硼烷。
三.生命猜测：
<1>诞生的溶剂：
有人认为，硼基生命可能生活在以氟化氢为溶剂的海洋中。星球表面温度比地球更低。
<3>“蛋白质”：
戊硼烷，己硼烷与大气中的三氟化硼反应后生成硼烷基氟化硼，再与海洋中的水反应生成类似
羧酸的硼烷基硼酸，再和铵反应生成类似于氨基酸的有机胺或氨的氮配合的硼烷基硼酸(H2RN)wBxHyB(OH)2。其中RNH2-B相当于氨基酸中的氨基NH2-C，-B(OH)2则相当于羧基-COOH。通过脱水和重分配，可产生类似于多肽，以对应肽键-CO-NH-C的-B(-NHR-B)2为连接中心的多聚物：
B-B(OH)2+2RNH2-B→B-B(-NHR-B)2+2H2O
硼烷基氟化硼，水解后会生成类似羧酸的硼烷基硼酸。
<4>遗传物质：
癸硼烷、戊硼烷和己硼烷等硼烷和乙炔和乙烯等不饱和烃和氰化氢等物质发生芳构化作用，产生的稳定的基于二十面体结构的碳硼烷和碳氮硼烷。则相当于地球碳基生命中的嘌呤和嘧啶等杂环化合物，作为硼基生命的遗传信息的载体的核心部分。比如基于二十面体结构的碳硼烷和碳氮硼烷。
上述杂硼烷形成后与有机胺，氨和有机磷发生配合反应和取代反应使杂硼烷官能团化，而其中RNH2-B和磷酸发生酰基化作用产生的PONH结构则对应我们地球碳基生命的磷酸酯；而经过官能团化的杂硼烷则与其共同构成硼基生命的“核苷酸”的雏形：
RNH2-B+HOPO(OH)2→(HO)2PO(-NHR-B)+2H2O
<5>呼吸作用与光合作用
氧气的氧化性对硼基生命来说过于剧烈，氧化性更温和的硫则更适合硼基生命——硫单质（S）和多硫化物（Sx2-，R-Sx-R）起着氧的作用，裂解B-H键产生B-SH和B-S-B基团并放出能量，这些能量在硼基生命形成的过程中为相关反应供能，硼基生命形成之后可用于硼基生命的生命活动。在经过复杂的代谢活动后，以挥发性小分子三氟化硼（BF3）作为代谢产物排出，硫元素被还原后生成的硫化氢（H2S）或有机硫烷（RSH）则通过植物光合作用再变回多硫化物或硫单质完成一次循环：
呼吸作用：
储能物质—[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→储能物质+HF
四.对硼基生命的担忧：
1.宇宙中硼丰度过低：
硼元素在宇宙中的数量十分有限，含量比碳元素低数百万倍。硼元素在宇宙中丰度比碳低6个数量级，作为介质的氟化氢中的氟丰度也远低于氧氮。硼元素和氟元素丰度足够且处于硼基生命宜居带的星球的形成难度较大
2.功能相似时，硼烷(衍生物)比烃(衍生物)复杂。有人认为这也不利于硼基生命形成。不过也有人指出，硼烷拥有元素氢化物中最高的反应多样性，在部分功能相似时，硼烷衍生物同时也可以同时实现烃衍生物所不能实现的功能。
3.尽管硼原子之间可以相互连接，也可以通过氢原子形成笼状骨架，骨架上的氢原子连接形成硼烷，但这些分子简单、封闭，因此它们不太可能成为构成生命的分子，也不可能存在于地球上的生物体中(金属硼烷的出现，改变了这个观点)。
目前人类尚未发现硼基生命。
好了，今天就讲到这里，到点下课啦~”
(本章结束)
“硼基生命(boron-basedlife)，是一种碳基生命以外的生命形态。
从化学角度看，硼具有很多优点：
<1>硼拥有比硅更小的原子半径和远比硅强的连接能力，仅略弱于碳。
<2>硼是唯一和碳一样具有无限延伸自身的能力。硼还具有比碳更丰富的成键多样性。
<3>硼的氢化物体系的稳定性不受原子数目制约，综合能力和碳相当。
<4>硼烷及其衍生物种类众多，且稳定性可观。硼烷的稳定性为硼基生命提供可能，复杂性为硼基生命提供了保障。还有类似杂环化合物的杂硼烷。有人据此猜测，硼也可能作为生命骨架。
同时，也有人指出，如果某片星际尘埃通过机缘巧合受到了大量宇宙射线的照射，或中子星附近(也算宇宙射线强的地方)，硼元素的富集也是可以实现的（宇宙中硼元素主要是由宇宙射线与碳、氧作用发生散裂反应得到）。硼基生命就可能在这样的地方出现。
有人猜测，硼基生命可能诞生在以氟化氢为溶剂的海洋中，以硫或多硫化物作为氧化剂。以类似嘌呤和嘧啶的基于二十面体结构的碳硼烷和碳氮硼烷作为遗传信息的载体的核心部分。而氮配合的硼烷基硼酸则相当于氨基酸，其中，对应氨基NH2C的RNH2B和对应羧基COOH的B(OH)2通过脱水和重分配可产生类似于蛋白质，以类似肽键-CO-NH-C的B(-NHR-B)2为连接中心的多聚物。
在稳定硼烷中，硼的配位数都是不少于4（即与周围4个原子形成共价键）的，甚至达到6才是常见情况。这是因为硼的缺电子性导致稳定硼烷中都存在多中心键。也因此，硼骨架的电子往往高度离域，而不像有机物和简单无机分子那样高度定域。也因此部分硼烷反应也与有机反应相当不同。也因此硼基生命的生物化学可能与碳基生命差别较大。
还有一点需要注意的是，硼烷原子数也许低于很多烃类，但它们的结构绝不“简单”——事实上，在复杂硼烷中常见的基于二十面体的结构是所有元素氢化物中最复杂的结构，而硼也是唯一可以在其二元氢化物中配位数达到7的元素（注意，结构复杂性并不与原子数挂钩，再庞大的碳骨架也无法形成类似硼烷的结构）。此外，硼拥有最复杂的单质，其中含有15种不同环境的硼原子。
二.硼的潜力：
有人认为，硼烷衍生物及其衍生物的规模仍然不足，因此难以作为生命的核心元素。但实际上，不管是作为地球碳基生命的生命活动的主要承担者的蛋白质，还是作为我们遗传物质的DNA，实际上也都分别是由十分简单的分子——氨基酸和脱氧核苷酸构成的。而形成具有与氨基酸或核苷酸类似功能的硼烷衍生物实际上并非难事。
也有人误以为，硼烷及其衍生物只能形成简单封闭的结构，其实不然，人类已经成功合成了结构复杂的硼烷衍生物。而由于硼烷及其衍生物稳定性不受原子数量制约，在合适的环境下，经过足够长时间的演化，小规模的硼烷衍生物结构单元完全可能连接形成非常庞大的化合物。比如结构复杂的金属硼烷。
三.生命猜测：
<1>诞生的溶剂：
有人认为，硼基生命可能生活在以氟化氢为溶剂的海洋中。星球表面温度比地球更低。
<3>“蛋白质”：
戊硼烷，己硼烷与大气中的三氟化硼反应后生成硼烷基氟化硼，再与海洋中的水反应生成类似
羧酸的硼烷基硼酸，再和铵反应生成类似于氨基酸的有机胺或氨的氮配合的硼烷基硼酸(H2RN)wBxHyB(OH)2。其中RNH2-B相当于氨基酸中的氨基NH2-C，-B(OH)2则相当于羧基-COOH。通过脱水和重分配，可产生类似于多肽，以对应肽键-CO-NH-C的-B(-NHR-B)2为连接中心的多聚物：
B-B(OH)2+2RNH2-B→B-B(-NHR-B)2+2H2O
硼烷基氟化硼，水解后会生成类似羧酸的硼烷基硼酸。
<4>遗传物质：
癸硼烷、戊硼烷和己硼烷等硼烷和乙炔和乙烯等不饱和烃和氰化氢等物质发生芳构化作用，产生的稳定的基于二十面体结构的碳硼烷和碳氮硼烷。则相当于地球碳基生命中的嘌呤和嘧啶等杂环化合物，作为硼基生命的遗传信息的载体的核心部分。比如基于二十面体结构的碳硼烷和碳氮硼烷。
上述杂硼烷形成后与有机胺，氨和有机磷发生配合反应和取代反应使杂硼烷官能团化，而其中RNH2-B和磷酸发生酰基化作用产生的PONH结构则对应我们地球碳基生命的磷酸酯；而经过官能团化的杂硼烷则与其共同构成硼基生命的“核苷酸”的雏形：
RNH2-B+HOPO(OH)2→(HO)2PO(-NHR-B)+2H2O
<5>呼吸作用与光合作用
氧气的氧化性对硼基生命来说过于剧烈，氧化性更温和的硫则更适合硼基生命——硫单质（S）和多硫化物（Sx2-，R-Sx-R）起着氧的作用，裂解B-H键产生B-SH和B-S-B基团并放出能量，这些能量在硼基生命形成的过程中为相关反应供能，硼基生命形成之后可用于硼基生命的生命活动。在经过复杂的代谢活动后，以挥发性小分子三氟化硼（BF3）作为代谢产物排出，硫元素被还原后生成的硫化氢（H2S）或有机硫烷（RSH）则通过植物光合作用再变回多硫化物或硫单质完成一次循环：
呼吸作用：
储能物质—[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→储能物质+HF
四.对硼基生命的担忧：
1.宇宙中硼丰度过低：
硼元素在宇宙中的数量十分有限，含量比碳元素低数百万倍。硼元素在宇宙中丰度比碳低6个数量级，作为介质的氟化氢中的氟丰度也远低于氧氮。硼元素和氟元素丰度足够且处于硼基生命宜居带的星球的形成难度较大
2.功能相似时，硼烷(衍生物)比烃(衍生物)复杂。有人认为这也不利于硼基生命形成。不过也有人指出，硼烷拥有元素氢化物中最高的反应多样性，在部分功能相似时，硼烷衍生物同时也可以同时实现烃衍生物所不能实现的功能。
3.尽管硼原子之间可以相互连接，也可以通过氢原子形成笼状骨架，骨架上的氢原子连接形成硼烷，但这些分子简单、封闭，因此它们不太可能成为构成生命的分子，也不可能存在于地球上的生物体中(金属硼烷的出现，改变了这个观点)。
目前人类尚未发现硼基生命。
好了，今天就讲到这里，到点下课啦~”
(本章结束)
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