稀有地球：为什么复杂生命在宇宙中如此罕见(自然文库)

地球之外或许存在生命痕迹，但地外生命并不等于地外文明。

• 科学怪咖马斯克的移民火星计划，早在20年前就已被批驳得体无完肤？
• 霍金对地球将迎来灭顶之灾的预言，其实并非科学界的新鲜论断？
• 《流浪地球》的“逃跑方案”，真的能让人类对抗残酷的宇宙法则并避免自毁吗？

哪里有什么外星文明呢？不过是人类为满足好奇心而构筑的想象罢了。

自古以来，人类便对宇宙怀有好奇，对地外文明的想象和探索也从未终止。1974年，天文学家卡尔•萨根提出，仅在银河系，便存在100万个由智慧生命创造的文明。这个激动人心的观点催生了许多科幻小说或影视作品，其中对外星智慧生命特征的种种刻画，充分满足了我们内心深处对这些尚未出现的“太空邻居”的期待。

然而，随着有关地球生命起源与外星生命探索的研究不断深入，越来越多的科学证据表明，40亿年前生命在这颗蓝色行星上的起源和复杂性的演化，直至发展出今天的文明，并非任意星系中随处可见的现象，而是一种非常稀有的结果。地球这枚“暗淡蓝点”，或许真的是茫茫宇宙中适合高等生命存在的家园。当智人因为漫不经心的管理而把动植物逼上灭绝的境地，宇宙因此遭受的损失将比我们感性认知中的更加惨重。

结合*新的天文物理学、天体生物学和行星科学知识，古生物学家彼得•D.沃德和天文学家唐纳德•布朗利以极强的洞察力和清晰的条理，对地球上高等生物的出现原因进行了严谨而透彻的分析与推断。

在这趟探寻生命的宇宙之旅中，我们会惊奇地看到，虽然微生物这样简单生命的活动证据不难找到，但复杂生命的演化和生存所需的条件却相当难得，如宜居带的形成、板块构造和月球在地球生命起源中所扮演的角色等。如果你也对宇宙生命的诞生之谜感兴趣，那么本书作为“稀有地球”假说的立论之作，将是书单中必不可少的一本。尽管已经提出二十余年，但该假说的根本立论在今天仍然成立，而且说服力似乎越来越强。读罢此书你将发现，地球上的缤纷生命远比我们所想象的更为珍贵。即便穷尽人类文明，我们也未必能接触到另一个宇宙文明。

彼得•D. 沃德（Peter D. Ward），古生物学家和天体生物学家，美国华盛顿大学教授。他关注地球历史上的大规模生物灭绝事件，是研究宇宙生命的起源、分布和演化这一新兴领域的领军人物。已出版畅销科普著作十余部，其TED演讲《地球大灭绝理论》观看量逾百万次。

唐纳德•布朗利（Donald Brownlee），天文学家，美国华盛顿大学教授。主要研究兴趣集中于行星物质、行星的起源和演化，曾多次参与来自小行星和彗星的原始物质的实验室研究。

译者简介：

刘夙，中科院植物所博士，现为上海辰山植物园科普部研究员，上海市科普作家协会理事，从事科普编著、科技史和科技文化研究及科普网站建设等工作，已著译有《植物名字的故事》《醉酒的植物学家》《植物知道生命的答案》等科普著作二十多部。

平装版序言

版序

引言：天文生物学革命与稀有地球假说

宇宙中的死亡地带

稀有地球因素

章 为什么宇宙中可能广布着生命

第二章 宇宙的宜居带

第三章 建造宜居地球

第四章 地球生命的初次登场

第五章 如何建造动物

第六章 雪球地球

第七章 寒武纪爆发之谜

第八章 集群灭绝与稀有地球假说

第九章 板块构造令人意外的重要性

第十章 月球、木星与地球生命

第十一章 检验稀有地球假说

第十二章 评估概率

第十三章 星际信使

参考文献

译后记

索引

平装版序言

2002 年 11 月 12 日，美国国家航空航天局（NASA）艾姆斯研究中心的约翰·钱伯斯（John Chambers）博士在华盛顿大学天文生物学研究组开了一场研讨会。参会的大约 100 位听众全神贯注地听着钱伯斯把行星系如何形成的计算机研究结果描述出来。他的研究目标，是要回答一个乍一看很简单、实则不然的问题：假如恒星的大小与我们的太阳相当，那么新形成的行星系有多大可能产生类似地球的行星？在钱伯斯看来，“类似地球”意味着这颗行星是岩石构成的，表面有水，公转轨道位于恒星的“宜居带”中。宜居带是个既不太热、又不太冷的内侧区域，距离恒星相对较近，可以让行星表面的液态水保持几亿年——生命演化很可能就需要这样长的时段。就为了回答这样一个行星系中能孕育多少类似地球的行星的问题，钱伯斯在运算能力强大的计算机组成的阵列上运行了高度复杂精巧的建模程序，花费了数千小时。

在这场研讨会上公布的结果令人震惊。模拟计算显示，在与中心恒星保持“正确”距离的轨道上运转的石质行星虽然易于形成，但是后拥有的水量却有很大的变化范围。在宜居带中构建行星的物质，既包括在本地形成的干物质，又包括从距离恒星较远、必须被撒播到内侧区域来的含水物质，它们大多以彗星的形式存在。如果没有含水的彗星来撞击，那么那些地球模仿者就始终只能是模仿者——它们永远不会含有任何水分。

这个模型显示，如果处于中间位置的行星——也就是在相当于太阳系的巨行星木星和土星位置上的行星——要小得多的话，那么这种向内侧送返水分的机制会运行得好。在我们太阳系这样的行星系中，把水运往一颗内侧的、类似地球的行星表面的效率是相对较低的。然而，在这种中间行星非常小、可能只有天王星或海王星那么大的行星系中，水的递送却相对频繁。但与此同时，另一个问题又出现了：在这样一个行星系中，含水彗星的撞击频率也很高；不仅如此，小行星的撞击率也很高，以致任何演化出来的生命可能很快就会被清除。而且令人惊奇的是，导致这一问题的并不只是小行星撞击和由此造成的火球、尘暴、流星雨和“核冬天”。过多的含水撞击事实上也会造成过犹不及的效应：太多的水会让行星完全被水覆盖，而这样的环境不利于我们的地球上发生现在所见的多姿多彩的演化。地球似乎是块举世无双的宝石——在这颗石质行星上，不仅液态水可以存在很长时间（这既是因为日地之间有合适的距离，又是因为它拥有能够调控温度的板块构造式“温度调节器”），而且其上所见的水量正好能形成一片健康的海洋——既不太少，也不太多。我们这颗行星似乎位于银河系中一个宜人的区域，在这里彗星和小行星的轰炸是可以忍受的，而宜居带的行星通常都可以增长到地球大小。银河系中——可能也是任何星系中——这样一处“地产”对生命来说是优质的。当然，也是稀有的。

“……很有可能引发一场思想革命……”

——《纽约时报》

“……（这本书）就像一颗颇具杀伤力的小行星，强烈撼动了天文生物学家的世界……”

——《新闻日报》（纽约）

“……一项令人震惊的全新假说……”

——《图书馆杂志》

引言 天文生物学革命与稀有地球假说（节选）

无论哪一天晚上，都有一大堆外星生命频频出现在全世界的电视机和电影院屏幕上。不管是“星球大战”系列、“星际迷航”系列还是《X 档案》，传达的意思都是很明白的：宇宙中充斥着外星生命形式，有多种多样的形体构型和智力，仁慈程度也各不相同。我们的社会对外星生命显然十分迷恋，不仅期望其他行星上有生命，甚至还期望宇宙中能出现大量智慧生命，创造出外星文明。

对宇宙中其他地方存在智慧生命的这种估测偏差，部分是源于人们希望（也可能是害怕）它们存在，部分则是源于天文学家弗兰克·德雷克（Frank Drake）和卡尔·萨根（Carl Sagan）的一部现在很有名的著作，他们在此书中对我们所在的银河系中可能存在的先进文明数目提出了一种估测方法（即德雷克方程）。用这个方程加以估测的基础，是先对以下数目进行合乎学理的评估：银河系中行星的数目，其中可能有生命栖息的行星所占的比例，以及不仅存在生命而且已经发展出文明的行星所占的比例。德雷克和萨根得出了一个惊人的结论：智慧生命在整个银河系中应该普遍存在，广泛分布。事实上，卡尔·萨根在 1974 年估计，光是我们银河系这一个星系，就可能有100 万个文明。考虑到我们银河系也只不过是宇宙中数以千亿计的星系之一，宇宙中的智慧外星物种的数目必然极为庞大。

银河系中存在 100 万个由智慧生命创造的文明，这是一个激动人心的观点。但它可信吗？德雷克方程的这个解隐含了一些需要检验的假设。其中重要的一点是，它假定生命一旦在某颗行星上起源，就会演化出更高的复杂性，终就会在很多行星上发展出文明，达到。当然，这正是我们的地球上所发生的事。在这里，生命起源于大约 40 亿年前，然后从单细胞生物演化出具有组织和器官的多细胞生物，终出现高等植物和动物。然而，这样一种生命史——复杂性不断增加，直至演化到动物级别——是演化所不可避免的结果吗？它真是一种常见现象吗？如果它实际上只是一种非常稀有的结果呢？在本书中，我们会论证，不光是智慧生命，就连简单的动物在银河系甚至整个宇宙中都是极为稀有的。我们并没有说生命是稀有的——只是说动物是稀有的。我们相信，微生物或与之形态类似的生命在宇宙中普遍存在，有可能比德雷克和萨根预计的还要普遍。然而， 复杂生命——高等植物和动物——可能要比人们一般所假定的稀有得多。简单生命有普遍性，复杂生命具稀有性，我们把这两个预言合起来称为“稀有地球假说”。在后面的章节中，我们会解释这个假说背后的理由，说明它可以如何检验，还会指出如果这个假说是准确的，那么它对我们的文明意味着什么。

我们对地外生命的热切搜求才刚刚开始，但我们已经进入了一个非凡的发现时代。这是一个激动人心的时代，展现着新知识的曙光，自欧洲人乘着木帆船抵达新世界以来可能就没再有过这样的景象。我们也正在抵达新的世界，以日新月异的速度获取数据。旧思想在衰亡，新观念随着每一幅新的卫星图像或每一项深空探测的结果起起伏伏。在有关宇宙中的生命的众多假说里，生物学或古生物学的每一项新发现都支持或打击了其中的某些假说。这是一个不同寻常的时代，一门新的科学——天文生物学——正在诞生。它重点关注的对象是宇宙中支持生命的条件。

……

当“海盗 1 号”（Viking I）宇宙飞船在 1976 年抵达火星时，人们曾经抱有很大希望，觉得种地外生命——至少是间接表明它存在的信号——要被发现了。然而，“海盗 1 号” 并未发现生命。事实上，它发现了不利于有机质存在的条件：极寒，有毒的土壤，水分的缺乏。在很多人心目中，这些发现击破了地外生命可在太阳系里发现的所有幻想。对新生的天文生物学领域来说，这是一场毁灭性打击。

差不多这个时候，还发生了另一个让人沮丧的重要事件。对太阳系外行星的批严肃的研究全都得到了负面结果。虽然很多天文学家相信其他恒星很可能也普遍有行星围之运转，但这仍然只能是个抽象的推理，因为在运用地面望远镜搜索之后，没有任何证据表明在我们太阳系之外还有其他行星存在。到 20 世纪 80 年代早期，人们对这个领域出现真正进展已经不抱什么希望，因为我们似乎连环绕其他恒星运转的行星都探测不出来。

……

自从波兰天文学家尼古拉·哥白尼把地球从宇宙中心挪开，放置在环绕太阳运转的轨道上之后，地球就遭受了一轮又一轮的贬低。我们不再居于宇宙中心，而只是栖息在一颗小小的行星上；它所环绕的恒星也又小又平凡，位于银河系中一个不起眼的区域——这是如今已由所谓“平庸原理”（Principle of Mediocrity）确立的观点；按此观点，地球绝不是存在生命的行星，而是许多这样的行星中的一个。人们对其他智慧文明的数目有种种估计，从 0 到 10 万亿个不等。

然而，如果稀有地球假说是正确的，那么它会逆转这种去中心的趋势。万一拥有高等动物的地球实际上在银河系的这个区域里——比如说在近的 1 万光年内——独一无二，为另类呢？万一地球比这还要特殊，是银河系中甚至整个可见宇宙中有动物的行星，宛如一座动物堡垒，孤立在只沾染着微生物的茫茫沧海间呢？如果真是这种情况的话，当智人因为漫不经心的管理把动植物逼上灭绝的境地时，宇宙会因为每个物种的灭绝而再次遭受多大的损失呢？

欢迎您登上这条孤舟。