宇宙自然生命简史：37 维持地球生命的条件

首先更正一个上期节目的错误，上期节目我说水的比重是空气的 1300 倍，这个数据有误，应该是 770 到 800 倍的样子，取决于大气压。

在这个宇宙中，地球是我们目前已知的唯一愿意收留我们的地方，但这个星球上也仅仅只有一小块地方是干的，可以让我们站在上面。然而，这一小块地方的绝大部分不是太热，就是太冷，要么太干旱或者太险峻了，总之对我们不友好。不过，我们必须诚实一点，说这些地方不友好其实是我们自己太没用了。如果我们走在炎热的沙漠中，不给水喝，要不了七、八个小时，绝大多数人就会神志不清、一跤摔倒，可能就再也起不来了。热我们受不了，冷也受不了，虽然与所有的哺乳动物一样，我们产生热量的本事不算小，但我们却不擅长保存这些热量，因为我们不长毛。即使是在相当温暖的气候中，我们也要消耗一半的能量来维持体温，尤其是我们的大脑袋。当然，我们可以通过穿衣服和盖房子来克服这些弱点，但即便如此，地球上的宜居面积还是很有限的，大约只占到陆地面积的 12%。如果算上海洋，那么就大约只占到整个地球表面积的 4%。这两个数字都是比较模糊的数字，取决于我们对宜居的定义，但上下浮动也不会很大。

但是，如果我们把目光投向已知的宇宙环境，你会发现真正的奇迹不是地球上的这一小块宜居面积，而是诞生了地球这样的一个奇葩星球。你只要看一眼我们的太阳系，或是了解一下地球自身的历史，你就会暗自庆幸，与我们拥有的这个蓝色、温暖、湿润的星球相比，绝大多数地方对待生命都要粗暴得多、无情得多。

根据维基百科的资料显示，截止到 2017 年 12 月 1 日，已经被确认的太阳系以外的行星总数为 3710 颗，估计仅银河系中系外行星的总数至少可以达到上千亿颗。但是，我们已知的证据表明，你想要在这之中找到一颗适合生命的行星，需要一个极好的运气。如果进一步想找到一颗适合高等生命的行星，那更是需要福星高照才行了。很多科学家已经总结出，地球至少有 20 多个特定的条件是维持生命所必须的，在我《寻找外星人的科学》那个系列节目中，我有过非常详细的介绍，但今天我们只把最为关键的四个条件再次简述一下：

第一、绝佳的宇宙位置

我们离一颗恒星不远不近，距离合适得有点儿不可思议，而这颗恒星的大小又正合适，大到可以辐射出足够的热量，又不至于大到很快就烧光了。

奇妙的物理定律决定了一颗恒星越大，燃烧得就越快。如果太阳的质量再大 10 倍，那么就不是像现在这样能燃烧 100 亿年，而只要 100 万年就烧光了。我们也就不可能出现在这儿了。我们的公转轨道也恰到好处，再近一点儿，地球上的所有东西都会被蒸发掉；再远一点，那么所有的东西又会被冻住。

在 1978 年，有一个叫哈特（MichaelHart）的天文学家做了一个计算，他得出的结论是，只要地球比现在离太阳再远 1% 或是近 5%，就不再宜居。这个数字不太准确，最近的修正把宜居带扩大了一些，近到 5%，远到 15% 被认为是更精确的数据，但这也依然是很窄的一个范围。（在黄石公园沸腾泥浆中发现的极根生物，以及在其他地方所发现的类似生物让科学家认识到生命的生存范围可能比原先认为得更宽。甚至有可能扩展到冥王星冰冻的地表之下。不过，我们今天要所讨论的是生活在行星表面的复杂生物。）

想要理解这条宜居带有多窄，只要看一下金星就知道了。金星距太阳的距离只比地球离太阳近了 4000 万公里。温暖的阳光只早了 2 分钟到达那里。金星的大小和物质构成与地球很像，但公转轨道的一点点小差异却造成了两者的天壤之别。在太阳系形成的初期，金星比地球热不了多少，而且很可能也有海洋。但多出来的那么一点热量却意味着它无法维持住行星表面的液态水，结果造成了灾难性的气候。随着水分的蒸发，氢原子散逸到太空中，而氧原子与碳结合形成了一层厚厚的由温室气体二氧化碳组成的大气。金星变得越来越闷热。天文学家曾一度希望金星厚厚的云层下面孕育着生命，甚至覆盖着某种热带植被。但我们现在已经知道那里是一个极端严酷的环境，不可能存在任何生命形式。金星的表面温度能达到 470℃，热得足以融化铅。大气压是地球上的 90 倍，远超出人体所能承受的极限。我们关于金星的所有认识主要来自于雷达遥测图像，以及若干颗无人探测器传回的短暂数据，那是 1970 年 8 月 17 日年苏联发射的金星探测器 7 号，它满怀希望地坠入浓密的云层中，但是软着陆失败，不过在它彻底损毁前，还是传回了一些吼叫声，但很快就永远闭上了嘴。这是人类第一次有探测器在金星表面着陆，并且第一次获得了来自金星表面的数据。1978 年 8 月 8 日，这天对我和我父母来说，都是一个比较值得纪念的日子，美国人的先驱者 - 金星 2 号探测器试图让金星探索车和 4 个探测器软着陆在金星表面，结果很不幸，美国人大大低估了金星大气层中的热度，除了一个小探测器，其他东西全部都在金星大气层中烧毁，那个小探测器算是勉强软着陆在金星表面，短暂地工作了一个多小时，也阵亡了。

这就是朝太阳靠近 2 光分的后果。但如果离太阳远一点，问题就又从太热变成了太冷，冰冷的火星足以作证。据认为火星也曾经是一个宜人的地方，但是由于无法留住有用的大气，变成了今天这样一个冰冻的不毛之地。

但是，光是与太阳有一个合适的距离还远远不够，否则，月亮也应该是一片大森林了，但显然不是。这是因为，除了合适的位置，还需要：

第二、一个特别的星球

如果有人让你就地球美妙之处谈谈看法，我想，即便你是一个地球物理学家，你可能也不会把地球内部充满岩浆这事也算在美妙之处。但事实却是，如果没有地下这些翻滚的岩浆，我们不会出现。地球活跃的内部运动使得大量的气体喷出，从而创造了大气层；流动的岩浆还创造了地磁场，保护我们免遭宇宙射线的伤害。还有由此形成的地球板块构造，使得地球的表面被不断地改变形状。要是地球完全平坦，那么整个地表都会被4公里深的海水覆盖，或许在孤寂的海洋中也会产生生命，但可以肯定，那种生命不会踢足球。

现在这样的地球内部还带来了另外一个好处，地球上某些元素的丰度恰到好处。这对我们的身体健康是至关重要的，关于这个话题我们过会儿还要充分讨论。先让我们把另外两个剩下的条件说完

第三个条件：地球有一颗伴星

虽然大家都说月球是地球的一颗卫星，实际上它更应该算做一颗伴星。太阳系中绝大多数的卫星与主星相比都很小，例如火星的两颗卫星，直径仅有 10 公里。但是我们的月亮，直径超过地球直径的四分之一，在整个太阳系中，可以把自己的卫星称之为“很大的”行星，地球是唯一的一个。（有人可能会说冥王星也有个相比很大的卫星卡戎，但冥王星自己只能算个矮行星，太小了，与地球不能算在一个梯队中）。那么，拥有一颗伴星对我们来说，会带来什么好处呢？

如果没有月球的影响，地球就会像一个快要倒掉的陀螺一样摇摆不停。天知道这会对地球的气候造成什么样的后果。月球对地球稳定的引力摄动使得地球保持着一种角度和速度都合适的转动。这种长期的稳定环境，是生命得以成功进化的重要保障。但这不会永远保持下去。月球正以每年约 4 厘米的速度逐渐脱离地球的控制。20 亿年之后，它会离我们远到无法保持地球的稳定，届时我们不得不寻求其他解决方案。也有科学家认为，月亮的对地球的潮汐效应对海洋中的生命最终爬上陆地起到了关键性的作用，这也就是说啊，如果没有月亮，我们今天大概也就最多像海豚一样在海水里面玩耍，不会抬头仰望星空。我想，你大概应当明白了月球不仅仅是夜空中的一道美丽风景。

有很长一段时间，天文学家以为地球和月球要么是同时形成的，要么就是地球捕获了刚好漂过的月球。不过，现在最主流的观点是大碰撞说，也就是大约在 44 亿年之前，有一颗火星大小的天体猛烈撞击了地球，轰出来的物质聚合成了月球。这个假说最然还不够完美，它能解释我们已知的绝大多数现象，但也不是全部，但肯定是目前最佳的一种解释。这件事显然对我们来说是挺幸运的，但这得是发生在很久很久以前才行。如果它发生在最近的几百年，那就绝不是什么好事情了。这就引出了我们要讨论的下一个条件，也是最为至关重要的一个条件：

第四个条件：时间

宇宙是一个变幻无常、事件频发的地方，我们的存在就是一个奇迹。在地球长达 46 亿年的漫长历史中，发生了一系列令人难以想象的复杂事件，但它们都在一个特别的时间以特别的方式结束了，一个明显的例子就是恐龙的灭绝，如果不是因为一颗陨石毁灭了它们，你现在很可能只有几厘米长，长着触须和尾巴，正躲在某个地洞中听我这个节目，当然这也是不可能的，因为我自己也是这个鸟样，哪里会做什么节目呢。

如果最终要产生一个高级文明的社会，那么我们必须处在一大堆事件的合适终点，要有一段足够长的稳定时期，这段时期还得恰到好处地夹杂着一些困难和挑战（例如：冰河期），但又不能发生真正的大灾难。我们正是处在这样一个合适的终点上。

好了，关于地球的独特性我们就简单说到这里，实际上还远远不止这一些。接下来我还要再简短地谈一下我们周围的元素。它们对生命的出现至关重要。

地球上一共有 92 种天然形成的元素。另外人类还在实验室中创造了 20 多种元素。不过，所有这些元素中有相当一部分可以立即扔在一边不管。因为，事实上化学家也是这么干的。我们对地球上的许多化学元素都知之甚少，这挺让人吃惊的。比如说砹，原子序号 85，元素代号 AT，我们除了给它起了个名字和知道它在元素周期表中的位置（紧挨着居里夫人发现的钋元素），以及一些最基本的化学和物理特性外，没有什么特别的研究，它的用途也仅限于在放射医学方面。砹的半衰期仅有 7.2 小时，也就是说，你如果今天搞到 100 克砹，到了第二天，就大约只剩下 12 克多一点了，再过一天，就只剩下不到 2 克了。或许科学界之所以不重视，除了因为它太稀少了，不稳定也是一个原因。不过，最罕见的元素可能是 87 号元素钫，元素代号 Fr。总之，大约仅有 30 种元素在地球上是广泛分布的。其中又只有 6 种对生命起到了核心作用。

你可能已经知道，氧元素是地球上最丰富的元素，占了整个地壳的将近 50% 之多。但是，跟在氢后面的一些极为丰富的元素可能会让你吃一惊。例如，谁能猜到硅是地球上第二多的元素，而钛排到第十名呢。元素的丰度与我们对它的熟悉程度以及元素的用处大小没有什么关系，许多难得听到的元素实际上要比一些知名度很高的元素多得多。比如，地球上的铈要比铜还要多，铊和镧要比钴和氮更多。锡的丰度只能排到第 50 名，落后于镨（pǔ）、钐（shan）、钆（gá）、镝（dí）。

元素的丰度与是否容易发现也没有什么必然联系。铝是地球上第四多的元素，在你脚下的大地中差不多有十分之一的物质是铝。但是，它的存在却一直要到 19 世纪才被戴维发现，并且在此后的很长一段时期中，铝都被认为稀有且珍贵。美国国会差点儿决定在华盛顿纪念碑的顶端镶嵌一些闪闪发亮的铝箔，为的是显示这个国家的富有。

在同一时期的法国，王室在国宴上用铝制餐具来替换银质的餐具，因为当时铝比银更贵。

元素的丰度与对我们的重要性也不相干。碳元素我们感觉似乎很多，其实丰度排名仅是第 15 位，只占地壳总物质可怜的 0.048%。但是，我们却完全离不了它。碳的与众不同之处，在于“她”不知羞耻的放荡。“她”是原子世界中的名媛，喜欢粘住很多别的原子（包括她自己），紧紧地抱在一起，形成牢固又亲密的分子长链。这是大自然变出的神奇戏法，蛋白质和 DNA 全靠了这种戏法。正如戴维斯（Paul Davies）写道的：“如果没有碳，一切已知的生命都不可能存在，很可能任何形式的生命也都不可能出现。”不过，碳在人体中的丰度却并不是很多，尽管我们如此依赖它。在我们每个人的身体中，平均每 200 个原子中有 126 个氢原子，51 个氧原子，而碳原子只有 19 个。另外四个原子中，有 3 个是氮，剩下一个由所有其他元素瓜分。

另外还有一些元素对于维持我们的生命起到了至关重要的作用。我们需要铁元素来制作血红蛋白，没有它，我们活不了。钴对于制造维生素 B12 是必须的。钾和一丁点儿的钠对人的神经系统是必不可少的。钼、锰和钒保持了酶的活性。锌——上帝保佑它——能氧化酒精。

在漫长的进化中，我们逐步学会与这些元素共存，忍受它们，利用它们。若不是这样，我们也不会出现在这里。但是，即便经历了这一切，我们对许多元素的忍耐范围依然是很窄的。硒对人体是必不可少的元素，但只要摄入量超标了那么一丁点，它就会成为你生命中最后摄入的玩意儿了。一种生物在什么样的环境中生存进化，决定了它对某种特定元素的需要程度或者是忍受能力。我们现在看到牛和羊紧挨在一起吃草，其实，它们对矿物元素的需求是有很大不同的。现代的牛需要相当多的铜元素，这是因为牛最早是在欧洲的部分地区和非洲进化的，那里都是富含铜的地方。而羊，则是在铜缺乏的小亚细亚地区进化的。长期的进化让我们喜欢，实际上是必须要吃含有微量元素的肉食和纤维等食物。但如果摄入的微量元素过多了，只要多了那么一点点，都有可能送我们去另一个世界。例如，微量的砷元素是人体必须的，如果到医院体检，检查出来砷元素缺乏，医生会让你补砷，但是，我们又可以确定，如果砷多了，就是剧毒的，一勺子砷肯定会让你送命。

当元素互相结合在一起时，它们的性质会发生很奇妙的变化。例如，氧和氢是我们身边最易燃的两种元素，准确地说氧气本身并不会燃烧，它必须要和别的元素在一起才能燃烧，燃烧其实是剧烈的氧化反应。这样很好，否则每次当你划着一根火柴，周围的空气就一下子全烧起来了不是，因为空气中充满了氧气。但氢气就不一样了，它极易燃烧。例如，在 1937 年 5 月 6 日，在新泽西州的莱克赫斯特，著名的辛登堡号飞艇开始它的首航，但没想到飞艇中的氢气意外发生爆炸，整个变成了一团火焰，36 人遇难。但是，如果我们把氢、氧放一起，却会结合成完全不可燃的水。更加奇怪的还有钠和氯这两种元素的结合，钠是最不稳定的元素之一，氯则是最毒的元素之一。如果把一块纯的钠扔到普通的水中，它会发生爆炸，威力足以伤人。氯气则是很毒的一种气体，量少的时候可以用来灭菌（我们在游泳池中闻到的怪味就是氯气的味道），但量一多就可以杀人。在一战中，氯气是众多毒气中的一种。那些游泳时眼睛疼的人可以说明即便是极大稀释了的氯也很不受人体欢迎。但是，如果把这两种恶劣的元素放在一起，你会得到什么呢？你肯定知道，是氯化钠，也就是最最普通的食盐。我们每天都要吃，万鲜始于盐嘛。

总的来说，如果一种元素不是能很自然地进入我们的身体系统，比如说它不溶于水，我们往往就会吃不消它。铅之所以会毒害我们，就是因为我们在流行把铅渗入食物器皿和水管中之前，从来也没有接触过这种元素。（铅的符号是 Pb 并不是偶然的，它是单词“管道”（Plumbing）的缩写）。古罗马人喜欢在酒中添加一点铅，这或许是他们衰弱下去的部分原因。关于铅的故事，我们在讲彼得森的那期节目中已经详细说过了，无知让我们付出了很大的代价，直到今天，我们的健康还在受到影响。而那些自然界中不存在的元素，我们当然不会在进化中容忍它们，这些元素对我们都是极为有毒的。比如元素钚，我们对它的耐受力是零。任何一点钚都足以把我们放倒。

好了，今天我带着你兜了这么大的一个圈，其实只是想对你说明一点：地球之所以看上去奇迹般地呵护着我们，很大的原因是我们自己通过漫长的进化而适应了环境。准确地说，我们真正应当惊叹的不是地球恰好适合生命，而应当是恰好适合我们这样的生命。有一些科学家认为，我们真的没必要太惊讶。或许，所有那些对我们而言是如此完美的东西，比如大小合适的太阳，罩着我们的月亮，爱交际的碳，数量恰到好处的岩浆等等，它们的完美可能仅仅是因为我们就是依赖这些条件而诞生的。但也有另外一些科学家认为本宇宙中高级生命所需要基本条件都是相似的，你不能天马行空的认为任何条件都能产生高级生命。

在科幻小说中，我们完全可以想象在另外一个世界的生物或许喜欢他们那儿泛着银光的水银湖和天空中飘着的氨气云。他们或许庆幸，自己没有被行星上的板块摇晃得头晕，脚底下也不会时不时地喷出大量岩浆覆盖大地。他们生活在一个长期稳定、没有板块构造的宁静大地上。不过，科学家们不会按照这种幻想去寻找外星生命，因为科学探索是务实的，说白了就是要花钱的，方向错了，白花花的银子就打了水漂，科学家们看中的是证据，在没有直接或者间接证据之前，科研不会用科幻的思维来指导。

在我们的大气成分中，有一种是氮气，这种气体懒得与任何东西发生化学反应；另一种是氧气，活泼得动不动就使得其它东西烧起来，为此我们不得不在城市中遍布消防站。假使外星访客也是一种爱逛商场、爱看动作片、呼吸氧气的两足动物，我看他们也不见得会喜欢地球。因为我们招待他们的所有食物中都含有锰、硒或者别的一些元素，我想，至少有一种元素会要了外星客人的命。在他们的眼里，地球肯定不是一个奇迹般的宜居星球。

物理学家费曼（Richard Feynman）曾经开个一玩笑：“你知道吗？今天晚上在我身上发生了一件绝对令人吃惊的事情。我看到一辆车上挂着的牌照号码是 ARW357。天哪，你能想象吗？要知道全州可是有数百万张不同的牌照，今天晚上我恰好看到这张车牌的几率该有多小啊！太神奇了。”当然，费曼的观点其实是，假如你把什么事情都和天意联系起来，那么任何一件普通的小事都可以很容易被当作是极不寻常的事件了。

所以，从这个意义上来说，地球上能够出现生命，那些条件和事件或许并不像我们想的那样不寻常。但是，当我们现在拥有了环视宇宙的能力时，我们必须承认，地球已经足够不寻常了。对人类而言，有一件事是肯定的：在我们找到更理想的行星之前，地球就是最不寻常的！

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