德雷克方程 寻找外星人需换个方式

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我们一直认为，外星生命会以小绿人的形式存在。但就在地球上的海洋中，也有着许多例证，告诉我们外星生物会有多么不可思议。在这篇文章中，供职于美国国家进化综合研究中心，为《深海新闻》 撰稿的克雷格•麦克莱恩博士 为我们讲述了，深海生物对我们研究天体生物学中可能存在的生命有着什么样的启示。
作为人类，我们一直有三个终极问题：我们从哪里来？我们往哪里去？在宇宙中人类是否孤独？这三个问题的答案拷问着人性的核心，也凸显着人类的孤独。通过科学，我们正在不断地追寻着这些问询的答案。


德雷克方程1960年，应《美国国家科学院》杂志的邀请，弗兰克•德雷克聚集了一批科学家，研究讨论探索地外智能生物的课题，这就是我们如今所熟知的SETI项目。
德雷克列出了在预测“到底探测外星智能生命有多么困难”这个问题上的所有影响因素。只要将所有这些因素相乘就可以得出一个数字N，而这正是我们的银河系中可以探测到的文明总数。当然了，这个数字只是针对射电探测而言的，而且不包括处于原始状态或初级状态的生命形式。
这便是著名的德雷克方程的来历。

计算外星智慧生命数量的德雷克方程。

其中我最感兴趣的参数有两个，一是“平均每颗恒星所具有的能够产生生命的行星数量”，二是“具有相应条件的行星上能够诞生生命的几率”。前者与可以产生生命的区域有关，而至于第二个参数，根据不同的标准会有不同的结果，目前的研究结果是从0.5%到20%不等。有些人甚至认为这个数字应该是100%——只要生命有可能存在，那么这颗行星上终将进化出生命。
与此相对，有人则认为这个参数接近于零。这样的说法其实就是把“地球殊异假说”正式化了，认为地球上多细胞生命的出现是一系列事件与环境结合的产物，这样的组合非常特殊，仅仅出现了一次。



深海

卡梅隆的深潜器在马里亚纳海沟底部拍摄到的画面，没有发现海床上有生物活动的痕迹。（来源《美国国家地理》）

卡梅隆成为史上第三位造访马里亚纳海沟的挑战者深渊的人（创造了单人潜入世界最深海底的纪录）。这让我想到了，在对深海领域进行探索和科学考察时，我们对于生命以及生命发展方式的认识将会受到怎样的挑战。观察与研究深海生命形式时获得的灵感，让我们不得不对生命理论重新进行检视与定义，也许上述的两个参数也会随之改变。生命——以及出现生命所必需的环境——也许并不像我们之前认为的那样稀有。



生命并不一定需要太阳1977年，地质学家在探索加拉帕戈斯海沟时，发现了在地球上从未见过的生物系统。同年，彼得•朗斯代尔发布了该领域的第一篇论文，研究这种在热液喷口发现的生物。他写道：某些细菌可以通过其自身的器官，利用硫化氢的氧化作用提供能量，而不需要光合作用。这些细菌可能是单独生活，也可能与蚶类或管状蠕虫共生，不过无论如何，它们都组成了深海食物链的最底层部分。

海底的热泉为某些生物提供了生存环境。

只需要最小数量的食物，生命就可以存续在深海中很少有光线，光合作用也就无从进行。正因如此，除了热液喷口附近之外，其他海域的生物只能够依靠从多产的海面沉下来的极少数量的食物维生。

被浮游生物固定的碳以“海洋雪”的形式沉入海底。

每一年，大约有160亿吨的碳被浮游生物固定下来，沉入海洋。这只相当于海洋表面所产生的固化碳的3%。一袋5磅（2.27千克）重的白糖，其3%还不到五匙半而已。这一小部分碳绝大多数都以“海洋雪”（见上图）的形式存在，散落在海底，而这正是大多数深海有机体唯一的食物来源。
尽管如此，生命不但在深海中兴旺发达，甚至还产生了丰富的生物多样性。通过多样的进化，深海动物可以寻找到极为稀少的配偶，利用新颖的食物资源，降低觅食时的能量消耗以及整体的能量消耗。



生命可以在极端的温度、压力和化学环境下生存人们已经发现了各种各样的有机组织，有的可以在极端的温度下生长，有的可以承受1100倍的大气压，有的可以在含有硫化氢或致命浓度的重金属环境下生存。这一系列事实已经足以证明，哪怕在最不利的条件下，生命也可以存活。但这些有机组织是如何做到的？
深海的这些生物证明了生物在适应极端的温度、压力和化学环境上有着多么出色的表现。水深每增加10米，压力就增加1个大气压，因此深海生物所承受的压力，从浅湾处的20个大气压，到大洋深处的1100个大气压各不相等。压力越大的地方，形成细胞膜的磷脂排列也就越紧密。而细胞膜越紧密，其渗透性也就越差。更重要的是，深海的低温同样也会降低细胞膜的渗透性。深海生物的应对方法是增加其细胞内不饱和脂肪酸的浓度，使细胞膜不至于变得过于紧密。
我们同样可以看到，不同的温度和压力环境下，生物体内蛋白质的温度敏感度和抗压能力也各有不同。蛋白质结构的变化也会对细胞功能产生影响。这样一来，深海地区的动物自然可以适应更高压力的环境。某些特定的蛋白质具有更强的连结能力，能够让生物在高压下产生的形变减小到最低程度。



即使在没有氧气的环境下，也可能存在多细胞生物长久以来我们一直认为，在深海区域，由于没有或极其缺乏生物所需要的氧气，那里的生物体内一定会有某种特殊的蛋白质，以增加固氧、输氧的转换效率。但复杂的多细胞生物是否真的需要氧气呢？过去我所参与的研究表明，氧气含量的增加是大型的多细胞生物存在的先决条件。

一种生活于海底无氧区域的铠甲门动物。

然而，根据去年发表的一份研究结果，在地中海底部完全没有氧气的区域，发现了三种铠甲门动物（一种多细胞有机体，有头部、口部、消化系统，具有复杂的生命循环，雌雄异体。图中便是其中的一种）。这些生物没有需要氧气的线粒体，而是和厌氧类细菌一样，在细胞内产生了称为氢化酶体的细胞器。研究报告作者写道：
这是我们第一次证实多细胞生物的整个生命循环可以在永久缺氧的沉积物中完成。我们的发现同样可以证明，这些厌氧环境下的多细胞生命所必需的厌氧新陈代谢的过程，与之前仅仅在单细胞真核细胞生物身上观察到过的代谢过程是一致的。这些生物的发现，为研究在缺氧环境下的多细胞生命开创了新的视角。



光合作用未必一定需要阳光在上中学的时候我们就都学过，光合作用需要阳光。因此可以推论，生命必须在可以见到太阳光的地方生长。然而在2005年，研究者发现了一种之前从未曾见到过的绿色硫细菌（一种同样依靠光生长的生物），生活在深海的热液喷口附近。这种绿色硫细菌显然正在进行光合作用，但在这样的深度上，它们是从哪里获得光合作用所需的光线的？根据这些研究者的报告，“地热辐射包含某种波长的辐射，可以被（这些绿色硫细菌的）光合色素所吸收”。



生命起源于深海此前我们认为，地球上的生命可能在许多不同的环境中产生，包括原始海滩、满潮湖、冰冻的海域、大气层，以及其他地方。当然了，这些假说各有各的模型。斯坦利•米勒在实验室中模拟了早期地球的环境，证明了地球早期的表面环境是有可能产生生命的基石（有机分子）的。（然而最近有证据表明，地球上早期的大气状态也许并不符合米勒所认为的反应发生的条件。）
自上世纪70年代之后，随着热液喷口的发现，这种研究取得了更快的进展。一篇发表在《地质学》期刊上的研究报告表明，在与热液喷口附近类似的高温潮湿环境下，通过某些粘土矿物催化，普通的碳化合物分子可能会转变成复杂的结构。研究小组在实验室中模拟了喷口附近的环境，将各种类型的粘土浸入300摄氏度的高压水中，持续数周之后对混合物中含有的甲烷进行了检验，发现它已经变成了复杂的化合物。除了有助于形成如此复杂的分子结构之外，粘土还对这样的分子起到了保护作用，防止它们被喷口不断流出的热水破坏。



进化充满智慧对地球上生命进化过程中所取得的成就，人们应当怀有敬畏之心。上面所提到的例子只是深海生物为适应极端环境而变化的一小部分。在19世纪，人们还认为生命是不可能在深海存活的。而现今，科研已经经历了飞速的发展，我们对深海也有了不同的认识。这样的认识可以扩展我们思考的领域，让我们对生命的能力产生新的认识。同样，深海的研究也预示着，产生生命，以及让生命得以发展所必需的行星环境，也许比我们想象的要宽松许多。