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作者：三联生活周刊
这是“生命三部曲”系列的最后一篇，让我们仰望星空，展望未来。
文 | 袁越
银河系里到底有没有外星人？这当然是一个没有正确答案的问题，但这并不妨碍我们试着从最基本的科学事实出发，推算一下这件事的可能性。
01
首先定义一下什么是生命。一般认为，生命最本质的特征就是它会主动地从外部吸收能量，维持自己的熵值，并把这个本事传递下去。
截止到目前为止，符合这个标准的东西只在地球上被发现过。从科研的角度来看，这说明该项研究只获得了一个数据点（Datum），连这个英文单词的复数形式（Data）都没法用！
地球是目前已知的唯一有生命的星球
因此，常规的科研方法无效，只能通过研究地球这一个数据点，总结出生命的一些普遍规律，然后再倒推回去。
首先，目前公认地球生命大约出现在40亿年前。虽然这个数值有好几亿年的误差，但考虑到地球本身只有45亿年的历史，这说明在地球这样的环境里，生命的出现是一个中等概率事件，可能性不低。其次，地球生命出现之后，有大约20亿年的时间都处在原核生物时期，细胞结构简单，多细胞生物更是不可能出现。之前那篇文章给出了这件事的真正原因，那就是原核细胞必须进化出线粒体才能变为真核细胞，而线粒体的诞生是一个古细菌和一个细菌共生的结果，这样的事情在20亿年的时间里只发生过一次，说明真核生物的出现是个极小概率事件。第三，真核细胞诞生后，生命形态仍然没有发生根本的改变，就这样又过了10多亿年，到了距今大约5.5亿年前，发生了著名的寒武纪大爆发，生物物种突然大幅增加，今天地球上的绝大部分物种都是从那个时候才开始第一次出现在地球上的。可惜的是，寒武纪大爆发的原因至今仍然不甚明确，有待研究。
寒武纪大爆发示意图
下一个大事件是发生在6500万年前的小行星撞击地球事件，直接把当时地球上最具统治力的恐龙灭绝掉了，哺乳动物这才终于有了出头之日。接下来的一个大事件出现在大约700万年前，人类祖先和灵长类动物分道扬镳，并一路进化至大约20万年前，这才首次出现了可以被称之为“高等外星人”的现代智人，这说明现代智人的出现同样是一个极小概率事件。
恐龙灭绝示意图
现代智人只用了20万年的时间就从石器时代进化到了太空时代，甚至登上了月球，这说明只要进化出了智人，殖民外星球就将会是一个大概率事件。但为什么我们至今仍然没有收到外星人发出的信号呢？这就要从地球说起了。
02
让我们花点时间讨论一下地球生命的诞生。
首先，让我们来看看有机物的形成。
上一篇文章提到过的米勒-尤里实验证明有机化合物的出现是一个大概率事件，从无机物可以很容易地合成出有机物，不需要任何神秘力量的参与。
有机化合物和无机化合物之间最本质的区别就是前者虽然基础构架简单，但种类却异常丰富，具有极强的延展性，只有这样才能让生命任意构建自己的世界，满足生命过程的各种需求，所以生命都应该是由有机物组成的。
要想满足有机化合物的这个特征，需要有个善于连接其他原子的核心原子。碳原子能够形成4个化学键，是自然界最喜欢“交朋友”的原子，非常符合要求。硅原子虽然也可以形成4个化学键，但却无法像碳那样形成二价键甚至三价键，这个特性使得碳原子可以两两结合，形成一条以碳原子为骨架的结构稳定的长链。这条链甚至可以首尾相连形成闭环，这就进一步增加了碳基分子的多样性，硅基分子则没有这个能力。
几种常见的有机化合物分子式
碳原子还有一个优点，那就是碳和其他原子相结合所需要的能量比硅原子要小得多，仅仅依靠闪电所提供的能量就足以形成化学键了，这一点在缺乏催化剂的地球“原始汤”中是一个很关键的优势。
因为以上原因，宇宙中的生命应该都是“碳基”的，硅基生命很难存在。正因为如此，地球这才选择了仅占地壳总质量0.05%的碳原子作为组建生命的原材料，而不是含量至少比碳多100倍的硅。其次，让我们来看看生命所需的另一个关键物质——水。
生命为什么需要水呢？这个问题有两个答案：第一，液态水是个万能溶剂，大部分有机或者无机分子都可以溶于水中，这就相当于为不同分子提供了一个见面和碰撞的机会，这是形成新物质的前提条件。
第二，水的冰点很低，沸点又很高，因此水分子能够在很大的温度范围内（0-100°C）保持液态，这一点是宇宙间绝大部分常见物质都无法做到的。事实上，按照地球现在的温度，只有水能够长期保持液体状态，如果换成别的分子，要么全部冻成了固体，要么全部化成了蒸汽，生命是无法出现的。
除了碳和水之外，地球生命的形成还需要活跃的地质活动，比如火山或者板块移动。地球是少数具备这个特点的行星，个中原因请看下文。
03
接下来，让我们从宇宙的起源开始，探讨一下地球生命诞生所需的基本条件究竟如何才能被满足。
首先，宇宙诞生于138亿年前发生的大爆炸（Big Bang）。大爆炸之后很长一段时间里，宇宙中只有氢和氦这两种最简单的元素，所以生命是不可能诞生的，缺乏必需的原材料。之后，由于引力的作用，氢和氦原子开始聚集，密度逐渐增加，内部温度也开始上升，终于形成了第一批恒星。恒星内部的温度和压力都非常大，引发了核聚变，质子和中子开始相互结合，形成了比氦更大的原子，也就是锂铍硼碳氮氧氟氖等等等等，天文学家们习惯性地将这些大于氦原子的元素统称为“金属”。
大爆炸想象图
恒星是有寿命的。随着恒星生命的结束，其内部的“金属”通过各种方式散布到宇宙中成为宇宙尘埃，被下一个星系俘获。这个过程一再重复，“金属”的种类不断增加，又出现了钠镁铝鹏鹏硫氯氩钾钙等等等等原子量更大的元素，其含量也逐渐增加，宇宙开始变得复杂起来，为生命的出现做好了物质准备。
以上说的是宇宙的基本演化模式，接下来再说说银河系。
银河系示意图
银河系诞生于130亿年前，那时的宇宙还很年轻，银河系里只有氢和氦，不可能有生命。太阳是45亿年前诞生的，也就是说太阳是在大爆炸发生后的93亿年之后才出现的。但即使如此，太阳系里仍然含有高达71%的氢和27%的氦，其余的“金属”只占2%，这说明“金属”的产生和富集是一个相当缓慢的过程。地球就是由这2%的“金属”物质组成的，所以地球才会是个固体。比太阳年轻的恒星系里的“重金属”太少了，少到无法形成固体星球，所以即使银河系里有生命，地球生命也应该是较早出现的那一个。换句话说，即使银河系里有外星人，他们的发展阶段也应该和我们差不太多。
现在的银河系是一个飞碟状的圆盘，包含大约1000亿颗恒星，直径约10万光年。太阳距离银河系中心2.7万光年，属于中间偏远一点点的位置。研究表明，距离银河系中心越近，星系的密度就越高，“金属”的含量也越高，类地球行星出现的可能性也就越大。但因为中心区包含的老恒星要多一些，所以那里有更多的超新星，宇宙射线强度特别大，对生命极不友好。
另外，银河系中心区平均每隔100万年-1亿年就会来一次伽马射线大爆发，每次爆发都会把周围一大片区域里的所有生命全部杀死，所以即使中心区的行星出现了生命，也没有足够的时间进化成高等生物。
与此相反，距离银河系中心越远，星系的密度就越小，“金属”的含量就越低，也就越不可能形成像地球这样的固体行星，而是只会形成像木星那样的气态行星，诞生生命的可能性就非常低了。
因此，澳大利亚科学家查尔斯·林尼惠弗（Charles Lineweaver）等人提出了“银河系适宜居住带”这个概念。根据他们的计算，这条“生命带”距离银河系中心大约2.3万-3万光年，大致相当于银河系半径的7%，其中含有的恒星只占银河系恒星总数的不到5%。
澳大利亚科学家查尔斯·林尼惠弗
太阳位于这条生命带的中心，属于这50亿颗有可能诞生生命的恒星之一，但这并不等于说这50亿颗恒星的行星都有可能诞生生命，还有很多附加因素必须考虑在内。
04
最后再来说说地球。
因为某个尚未知晓的原因，太阳系的几大行星全都在近似圆形的轨道上运动，和太阳之间的距离相对稳定，这在恒星系当中是很不常见的。大部分恒星系内的行星轨道都是椭圆形的，或者是杂乱无章的，这就导致每颗行星上的气候随时在变，而且变化幅度巨大，生命是不会喜欢那样的环境的。
太阳系示意图
除此之外，地球更是一颗极其幸运的行星。首先是地球和太阳的距离正合适，太近了会太热，太远了会太冷，都没法诞生生命。其次，地球有一颗相对体积非常大的卫星，这就是月球。如果没有月球引力的稳定作用，地球的自转轴会发生大幅度变化，导致地球气候剧变。要知道，目前地球的自转轴变化幅度很小，但也足以导致地球阶段性地出现冰期了，生命肯定不会喜欢生活在一个冰冻星球上。第三，地球内部含有大量含铁的液态岩浆，再加上地球的自转速度极快，这就产生了一个很强的磁场，如果没有磁场，宇宙射线就会直接照到地表，我们谁都活不成。第四，地球的地壳很薄，板块运动极为活跃，导致地心内部的营养物质和金属不断地翻上来。如果没有这个循环，生命很可能不会出现。即使侥幸出现了生命，也很快就会把地表的营养耗光，而且我们也不会拥有金属工具。另外，板块运动导致的火山喷发是碳循环的重要一环，如果没有火山，碳循环就无法进行，地球温度很快就会失控，我们也就活不成了。以上这4个条件都是诞生高等生命必不可少的，缺一不可。这些条件之所以在地球上正好全都具备，主要的功臣就是月球。在太阳系形成初期，地球和一个火星那么大的行星相撞，这就是地球自转速度为什么那么快的原因。那次相撞导致重金属留在了地球上，最终变成炙热的岩浆。轻一点的物质则被抛了出去，形成了月球，这就是月球的体积为什么那么大，以及地球的地壳为什么那么薄的原因。
月球形成过程的想象图
这种级别的行星相撞事件发生的概率肯定是非常低的，目前没有在其他星系中观察到任何可能的迹象，地球是唯一的“幸运儿”。
由此看来，地球上之所以能产生生命，并坚持到进化出了高等外星人，实在是一件极为幸运的事情。
05
综上所述，银河系里出现高等外星人的可能性近乎为零，我们很可能是银河系里唯一的一群孤独的智者。银河系之外有没有外星人呢？那就不好说了，毕竟宇宙几乎可以说是无限大的，再小的概率乘以无穷大，其结果也是可能大于一的。问题在于，即使宇宙中还有外星人，我们也很难碰得上，因为宇宙实在是太大了！如果宇宙和地球遵循同一套物理定律的话（我们只能这么假定，否则就没法讨论了），那么即使某个星系里存在外星人，他们也不太可能旅行到太阳系来找我们玩，我们之间的距离已经大到超过现有物理定律所允许的范围了。总之，在可预见的将来，我们是不太可能找到外星人的。地球人只有团结起来，依靠自己的智慧和创造力去应对未来可能出现的各种危机，让人类这个物种尽可能长地延续下去。
说到创造力，生命才是宇宙间最伟大的创造。宇宙创造生命的过程很值得我们学习借鉴，很多学者都这么做过了。
比如，美国进化生物学家斯图尔特·考夫曼（Stuart Kauffman）曾经于2002年提出了一个名为“相邻可能”（Adjacent Possible）的理论，大意是说，任何复杂生命都不可能从简单生命直接进化而来，而是只能一点一点地改变，每一次只能进化到和原来相邻的某个地方，比如从氨基酸只能先进化到多肽，然后才能进化出蛋白质。
美国进化生物学家斯图尔特·考夫曼
美国历史学家史蒂文·约翰逊（Steven Johnson）在《好主意来自何处》（Where Good Ideas Come From）一书中借用了考夫曼的观点，提出任何创造过程也都遵循这一原则，所有伟大的创造都是由无数个简单创意一点一点累积而成的，每一个新的事物和想法都和此前已有的旧事物或者旧想法非常相似，每次只能进步那么一点点，不可能一下子跳跃太多。
美国历史学家史蒂文·约翰逊
这个规律甚至对宇宙也适用。如今宇宙中的各种元素都是由最初的氢元素融合而来，如今丰富多彩的有机大分子也是由简单的含碳小分子相互连接而成，我们的世界之所以生机勃勃，原因就是各种不同物质的自由碰撞与组合，甚至生命也是这样一步一步地试出来的。
“人造生命”（Artificial Life）系统的创始人，美国计算机科学家克里斯托弗·朗顿（Christopher Langton）从生命诞生的过程中得到启发，提出了“液态网络”的概念。他认为创造力旺盛的地方一定处于“混沌的边缘”，也就是介于严格秩序和彻底混乱之间的中间地带。
美国计算机科学家克里斯托弗·朗顿
如果我们用物质三态来比喻的话，气体是彻底混沌，新结构随时出现但又随时瓦解，固体是严格秩序，虽然结构稳定，但几乎杜绝了新结构出现的可能性，液体介于两者之间，只有液态网络才是“混沌的边缘”，既能够让新鲜事物可以顺利出现，又可以让好的创新稳定下去，并将这个边缘继续扩大，以便进一步探索“相邻可能”。这套理论很好地解释了人类的创造力为什么会在最近这几百年内出现了爆炸式的增长，相信任何一位研究过一点人类史的朋友对此都深有体会。英国物理学家戴维·多伊奇（David Deutsch）在《无穷的开始》（The Beginning of Infinity）一书中提出，这一爆炸式增长起源于欧洲17世纪开始的启蒙运动，那场运动打破了教会对新思想的禁锢，同时也为各种新想法的相互碰撞创造了有利条件，从此新知识的积累便开始了指数增长，人类迎来了智力上的大爆发。
英国物理学家戴维·多伊奇
换句话说，欧洲启蒙运动创造出了一个全新的液态网络，此后的发展无需事先设计便可以自发地运转起来了。
多伊奇是个非常乐观的人，他相信只要这个液态网络能够保持下去，人类的未来将充满无穷多的可能性，这就是“无穷的开始”这个书名的真正含义。
结 语
马古利斯之所以能够提出线粒体的内共生学说，就是因为她年轻时参与了美国的嬉皮士运动，意识到爱与宽容具有无穷的力量。这一划时代的运动促使她改变了思路，意识到生命的复杂性不一定全都来自你死我活的生存竞争，反而更有可能来自彼此之间的相互合作，线粒体就是这种相互合作的一个经典案例。
如果你打心眼里明白了宇宙是如何进化的，生命又是怎么来的，不同物种彼此之间是怎样一种关系，你就会认同马古利斯的理念，相信世界万物合为一体，互相支撑，彼此荣耀。
—END—
生命三问（上）：生命是如何进化出来的？
生命三问（中）：为什么要有性？
“生命三问”主要参考资料
《Where Good Ideas Come From》- Steven Johnson
《Origin Story》-David Christian
《The Vital Questions：Why Is Life The Way It Is?》-Nick Lane
《Life Ascending》-Nick Lane
《The Beginning of Infinity》- David Deutsch
《Scientific American》-2018年第9期
《人类的终极问题》
作者：袁越
出版社：生活.读书.新知三联书店
出版时间：2019年9月
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⊙文章版权归《三联生活周刊》所有，，转载请联系后台。
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原文地址：今日头条 ,无意在网上看到这篇文章，深有同感。所以分享。 |
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发表于 2020-4-25 22:14:37
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