新陈代谢是生命的基本特征之一，而新陈代谢就是多种化学反应，在化学反应中的最小单位是原子，各种不同的原子组成分子，形成生命体，而其中含量最多的元素分别是氧、碳、氢、氮。每种元素都有与之性质相似的其它元素，或是同周期相邻元素，或是同主族元素，为何这些性质相似的元素最终没有成为生命的基石？本文将对比这些元素的微观特性与宏观性质，探究基本元素是如何构成生命的。

一、氢与氟

氢的原子序数是1，有一个质子，既容易脱去一个电子形成H+离子即裸露的质子，又容易得到一个电子形成2e-稳定结构的H-，F的原子序数是9，F2的氧化性极强，F一般都以负一价的形式出现。氢和氟有一定相似性，例如都能与碳生成碳氢化合物和碳氟化合物如CH₄和CF₄，都可以以负一价离子的形态出现。

但是F并没有构成生命的条件。首先可以对比二者的电子亲合能，F的电子亲合能为333KJ/mol，H的电子亲合能为77KJ/mol（J·G·斯塔克&H·G·华莱士，1980）。可以发现，F的电子亲合能远高于H，因此F单质的氧化性远高于H。F化合物的稳定性也远高于H化合物，比如碳氢化合物一般都是易燃的，而碳氟化合物通常都是阻燃的，如聚四氟乙烯，俗名“塑料王”，耐酸、耐碱、耐高温。假如以氟代替氢参与生命活动，生成的物质都不易发生反应，那么也就难以进行能量转化的反应，如光合作用和呼吸作用。

其次，H还有一个特性是它可以与一些原子形成氢键，在DNA碱基配对中氢键起了非常重要的作用，而F则因为本身富电子，不能与其它含有富电子原子的分子形成类似的分子间作用，因此F无法替代H的功能。

再者，从二者的原子半径和价态来看，H+作为裸露的质子，容易被富电子的原子吸引形成各种离子（团），其半径也较小，可以在一个原子上连接多个H原子，如形成H₃O+等。F的第一电离能为17.6KJ/mol（华彤文等，2013），很难表现为+1价，不易形成正离子，即使形成正离子，也容易从其它分子中夺取电子，不能形成类似的离子（团），它半径也大于H+，假如在一个原子上连接多个F原子，空间位阻相对H更大，使反应在动力学上不容易发生，尤其是对于分子量较大，空间构型较复杂的有机反应。

二、氨、甲烷与水

水在生命活动中是不可或缺的，是众多生物反应进行的场所。甲烷、氨与水有相似的特性，分子量接近，都是含氢化合物。氨与水一样具有氢键，都可以作为溶剂，能够自耦电离2NH₃=NH₄⁺+NH₂^-，同时C与N也是生命活动中必要的基础元素。那么假如以N或者C取代O，是否能有类似的作用呢，可以从一下几个层面来分析。

首先，生物反应要在溶液中发生反应，那么作为溶剂的这种物质在常温下必定要是处于液相。水、氨、甲烷这三种物质的沸点分别为373.2K，273.82K，111.67K（华彤文等，2013）。可以得出，只有水在地球上大多数条件下是液态，因此从存在状态角度，水是地球生命的最佳选择。至少在地球上氨和甲烷难以作为生物反应的场所。即使在宇宙中，有许多温度适合的星球富含液态的氨与甲烷，要在液氨与液态甲烷中发生反应，由于极低温，生物反应的速率可能受到较大影响，而且假设其上的生命体也是以蛋白质参与生命活动，蛋白质在低温下也活性也会受到影响。

甲烷是非极性分子，而水是极性分子。由于这样的特性，水能溶解盐类、蛋白质、糖类等各种极性物质，因此水可以作为生物体中一种非常良好的溶剂，可以使多数生物反应在水中发生。而甲烷是非极性的，这就导致多数极性物质在其中溶解度较低，而脂类在其中的溶解度更高，可以推测，假如某种外星生物是以某些特殊的脂类作为代替蛋白质的功能性大分子，它可能就会以液态甲烷作为生物反应的溶剂。

氨也是极性分子，因为氨和水中都有一类特殊的分子间作用力——氢键。但二者的氢键强弱有差别。N-H···N氢键的键能为5.4KJ/mol，O-H···O为18.8KJ/mol（张霞等，2015）。由于二者氢键这样的差别，氨的比热容小于水，水中更强的氢键能缓和温度的变化，减缓地球上的温度的波动，使温度更适合生命的产生与演化。同时，冰的密度小于水，这使得在冬季过后，冰能较快融化。而固态氨的密度大于液氨，假设以液氨代替水，在温度较低的时间，氨变成固态下沉，可能会使得所有的氨都变成固态，当温度回升，固态氨难以及时融化，生命难以生存。

三、硼、硅和碳

碳是有机化合物中最为重要的元素，是各种有机物的骨架。在生命体中含碳化合物的含量甚至高于水。硅与碳同周期，因此二者有许多相似的性质，同时由于对角线规则，硼的性质与硅又很相似，因此这三种元素有很多共通之处。首先，他们都有一种较为稳定的氧化物，CO₂，SiO₂，B₂O₃（硼的氧化物种类较多，以B₂O₃为代表），且都是酸性氧化物。其次因为这三种元素最外层电子为3~4个，所以它们的原子能够形成较多的键，使之能够形成种类多样的化合物。再者，硅和硼都能形成种类多样的类似烷烃的氢化物，如甲硅烷SiH₄，乙硼烷B₂H₆等。

然而硼与硅最终没有成为生命的最基本元素。首先，硼与硅的氧化物都为固体酸性氧化物，相较常温下为气态的二氧化碳，很难被吸收，参与反应时速率也不够。在呼吸作用中假如要处理像二氧化硅这样的固体，难度非常大，代谢速率较慢。固态且坚硬的二氧化硅也容易对于器官产生损伤。而且氧化硼有毒，能刺激鼻，引起结嗅炎，红斑（罗明泉&俞平，1992）。不适于用作呼吸。

硅与碳的常见价态虽然最外层都是四个电子，但硅相比碳，多了一层电子层。因此硅原子对最外层电子束缚力更小，Si-Si键没有C-C键稳定，这就导致硅较难形成长链化合物，不能像碳一样形成更复杂的有机物。

综上，通过与相似性质元素的比较可以发现，虽然C、H、O、N这几种元素都有类似性质的元素，但它们同时又有特殊的性质。这些特殊的性质恰好都是适应于地球的环境，适应于生命的演化的。假如缺少其中一个性质，比如氢键，生命就有可能无法诞生。生命起源于这些性质特殊且恰好合适的元素。而正因这些性质都恰好符合，因此生命起源的重复率很低，难以复制，在宇宙中寻找到存在生命的星球的概率极低。

参考资料：

[1] （英）J·G·斯塔克  H·G·华莱士著  杨厚昌译,化学数据手册  （国际单位制）,石油工业出版社,1980年09月第1版,第28页

[2] 华彤文,王颖霞,卞江,陈景组编著,普通化学原理[M],北京大学出版社2013年6月第4版

[3] 罗明泉，俞平,常见有毒和危险化学品手册,中国轻工业出版社,1992年07月第1版,第303页

[4]张霞，孙挺主编；韩义德，徐燕，孟皓副主编,无机化学（第2版）,冶金工业出版社,2015.08,第186页