Rare Earth 有多罕见？

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Rare Earth 有多罕见？

 

 

10年前，美国华盛顿大学的地质学家、古生物学家Peter Ward 和天文学家Donald Brownlee合著了一本书：Rare Earth 副标题是Why complex Life Is Uncommon In the Universe 。

 

这是一部极有趣的书。

 

二位作者根据当时科学所提供的地球上的生命演变过程中地球的地质历史和天文事件产生的影响作出分析、推测和估计。进而，对宇宙中可能有的生命形式作出猜测。最后作者的结论是：宇宙中生命形式可能是“到处”都有，但高级的生命形式是很罕见的（rare ）、不普通的（uncommon）。换一种说法，地球上的高级生命形式（Animal）在银河系中可能是唯一的，甚至在宇宙中也是唯一的。

 

本书的价值在于对地球上生命演变过程的具体地质和天文事件的分析及方法。这些研究成果会给人们带来有益的思考。至于最后的“结论”倒是无关紧要的。作者最后的结论，与其说是根据科学研究的结果得出的推论，不如说是作者自己头脑中相信什么。对于作者前半部的结论，我本人同意。至于后半部，就是说高级的生命形式在银河系甚至整个宇宙都是唯一的这个结论，我几乎无法相信。对于作者用的资料，我本人基本没有异议。问题的关键是作者导致最后结论的那些分析方法的使用，我无法完全同意。

 

生命存在的材料在宇宙中是到处都有。天文学家Armand Delsemme 说：“the ‘prebiotic’molecules,i.e.molecules required to start life on Earth, exist in abundance everywhere in space. The three most important prebiotic molecules are probably water (H2O), formaldehyde (H2CO) and hydrocyanic acid (HCD). These crucial prebiotic molecules reach high abundances in our Galaxy and presumably everywhere else in other galaxies.”

 

作者在书的开始，首先罗列了若干“Dead Zones of the Universe ”。作者虽然没有说明这个“死区”不是指没有生命的地区，但从全书来看，他是指没有“动物”的宇宙区。在9个地区中，像“Elliptical galaxies ，Small galaxies”，就是椭圆星系和小星系。他把这些星系排除在动物生命可能存在的地区之外的理由是根据目前我们对生物的认识和对星系的知识加以猜测而得出的结论。其他人可能得出和这完全不同的结论。

 

作者主要是假设在宇宙中，要有太阳大小的恒星，和地球一样大小的行星，该行星距恒星的距离和地球与太阳之间的距离大致一样。一句话，要把整个太阳系完全复制一个。他把这些条件作为“动物”生命出现的必须条件。

 

作者说，产生生命的条件好像是并不需要太苛刻的环境，但有生命之后，演变并不是线性的，好像和多次的环境巨变有必然的联系。细菌并不会简单地慢慢演变成复杂的动物。这些大概是有道理的。

 

地球的生命出现大约是38亿年前（对这个时间表，各个文章中叙述的许多都各不相同的），但在很长的时间里，地球上的生命是单细胞的形式。最早的地球大气中是没有自由氧的存在。在这漫长的时间里，地球的环境发生过巨大的变化。在25亿前，地球的大部分或全部被冰雪覆盖。这样的现象被称为“Snowball Earth”。这个过程大约持续了三千万年。在距今八亿至六亿年间，地球上发生了第二次“雪球”时期。这个期间大概出现了三次或更多的全球结冰期。

 

在第一次雪球期，在漫长的三千万年间，海洋中的火山的喷发仍在进行中。火山喷发带来的铁、镁等元素在冰下积累，并被带往全球海洋的各地。当冰雪融化后，这些元素的积累才使光合细菌能大量繁殖。这些细菌的大量繁植，不断地产生氧气。在距今二十亿左右的时间里，地球的大气中才具有了丰富的自由氧。这为复杂的动物的出现开辟了道路。

 

当然，对于这次雪球期，地质学家基本都同意，但许多天文学家坚决否认，因为那时地球的大气层里还有20%的二氧化碳存在。不过，那时期，在地球的“低纬度”的冰川的证据是广泛存在的，如何解释这个现象，还存在着很大的空间。

 

第二次的雪球期后，地球上产生了“寒武纪生物的大爆发”。就是在这个时期，生物才长出骨骼。其尺寸才可能越长越大。这个生物的大爆炸计几乎产生了地球上生物所有的Phyla。实际上，寒武纪时期的Phyla 大约有100种，而今天地球上的生物的Phyla 不到40种。

 

至于这次生物爆发的引发的原因，科学家们有各种解释。一个是地球大气中氧气含量的丰富，另一个是地球上营养物质的丰富。生物生长必须的元素是磷、氮、钾等。在这个时期，大陆板块活动剧烈。也就是在这个期间，大陆开始漂移。板块的剧烈活动，把原本沉积在海洋底部的营养元素被新形成的洋流带到上面。这为生命的繁荣准备了必须的物质。

 

还有人认为，这次板块漂移是地球自转轴变化了90度而导致的。那样说来，就是地球上生物的爆发是天文上事件的结果。不过这个结论需进一步的证据。

 

很明显的是，天文上的另一些事件会导致生物的大灭绝。彗星和小行星撞击地球，是最常见的导致生物大规模灭绝的原因。自然，其它像邻近的强烈超新星的爆炸，可能也会导致生物的大灭绝。

 

有一点不容怀疑的是，地球上的生物，为天文上的许多事件所控制或影响。如，我们地球外面的巨大的木星和土星组成了一道巨大的引力保护伞。太阳系内部或外部那些到处乱窜的小行星和彗星的大部分是被它们给捉了去。不然的话，我们的地球被它们撞击的次数要多得多。你只要看一眼月球及火星那伤痕累累的样子，就会知道这个保护伞对我们地球上的生命的存在是多么的重要。

 

作者从此出发，得出“罕见地球”的假说。作者根据理论上观念加上猜测，得出一个宇宙生物存在的概率公式（Rare Earth Equation）。最后的结论是：概率几乎是零。

 

作者最后的公式成立的前提是式中各项事件的发生是独立的。这个要求在许多时候是无法满足的。如作者认为地球存在一个巨大的月亮是地球上复杂生物存在所必须的，但他又把星系中大多数的红矮星周围的行星排除在会有复杂生命之外，原因是其行星欲获得合适的热量来源，就必须靠近其恒星。这样就导致该行星被潮汐锁定而一面对着恒星。而行星周围的一个巨大的月亮会使潮汐锁定的过程极其漫长。我们的地球大概就因为有月亮的存在，直到今天也没有被潮汐锁定。作者认为像木星那样巨大的行星存在对地球上生命能在漫长的岁月里存在下去是极端重要的。但木星那样的巨大行星在地球外圈，地球在内圈，这样的结构在其形成过程中是有物理上的原因的，也就是说：二者的出现是有相关性的，不是纯粹的独立事件而随机发生的。这根本不满足作者那个计算概率公式的先决条件。当然，此类的问题还有许多。

 

天文学家David Darling 曾评论说：“‘罕见地球的假说’既不是假说，也不是预言，而仅仅是对地球上生命是如何兴起的描述。”我们基本同意他的观点。

 

这样看来，本书的基本价值就是它对各种生物及天文上事件对它们的影响的具体分析上，其最后的结论基本没有太大的意义。人类对地球外生物的探索绝不会因为罕见地球的假说就停止不前或加速。

 

 

后记：这篇文章写于几年前，但我一直没有贴出。

 

随着人类探索太阳系外行星不断取得的成果，从目前看，该书作者的那个宇宙生物存在的公式，我们有足够的信心否定了它的合理性。从数学上否定那个结果及其推论，不是太难的事，但要说服天文学家们，恐怕不是很容易的。从目前发现的太阳的孪生兄弟和地球的孪生兄弟的资料来看，那个公式的合理性就足以被否定了。

 

从物理上和数学上否定那个宇宙生命公式，我们有足够的信心的。

 

 

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