生命三问(下):银河系里到底有没有外星人?

发布时间:  2020年04月25日 03:24:11 作者:  奇葩网

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!

生命三问(下):银河系里到底有没有外星人?

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。

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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“高等智慧生物”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。

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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,移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。

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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。