Kindle电子书
EPUB、MOBI、AZW3电子书资源

第11章 寻找外星生命之路

碳基化学和水在宇宙中是否占据优势?无论对这种观点的看法如何,我们都可以从中得出关于生命结构及其潜在原子相似性的有力结论。但是,一个不可否认的事实是,它为我们当前的知识设置了不可回避的极限:我们是基于一个星球得出的上述结论。用地球生命来推断生命运行的通用物理学原理会导致相似或相同的结果,如果确实在其他地方诞生了不同类型的生命,则必然使我们陷入困境。这就是所谓的N=1问题。[1]对于任何哪怕稍有自尊心的科学家来说,如果仅仅从一个样本中得出结论,都会感到不安。因此,许多人认为,关于生命的特征在多大程度上具有普遍性或必然性这个问题的讨论是有缺陷的。

我们努力找寻地球上所有生命,以及宇宙其他地方假想生命的共同点,试图发现是否存在普遍的生物学规律。人们很容易陷入这种争论:生物学是不是一个独立的领域,是否具有跟物理学不同的规律。[2]但是命名惯例并不是一个值得讨论的问题。通用生物学问的是这样一个问题:“对于所有能自我复制并在演化中适应环境的物质团,哪些特征是所有此类物质共有的?”我可以假定,不断自我复制的物质是我对生命的一般实用定义。

我们总是受到人类语言的思想束缚,提出一些无意义的问题,比如某些“生物学定律”是否具有普遍性。当我们将生物学和物理学定义为两个泾渭分明的独立科学领域时,问题也就出现了。实际上,并不存在什么生物学定律,甚至也不存在什么物理学定律,只有决定宇宙运作方式的定律。这些定律对于所有形式的物质都是有效的,并不需要人为分割成物理学领域或生物学领域。自称物理学家或生物学家都是一种不幸。生物学家只是碰巧把研究重心放在某些物质上,它们可以做一些有趣的事情,我们常常把这些东西称为“生命”,但不管是生物学家还是物理学家,都对同一宇宙中的物质以及潜在普遍原理有着同样的兴趣,只要了解这些原理,他们就能勾勒出宇宙的秩序。

尽管许多人认为,N=1问题使人们无法回答“生物学的哪些特征可能普遍存在”这个问题,但我们讨论的基础可能比我们想象的要更为坚实。[3]我们在本书中探讨过的许多生命特征似乎都符合普遍的物理规律,我们认为这些规律也应该适用于其他地方的任何生命。

我们已经明白了为什么碳是生命的主要元素,以及为什么宇宙中含碳分子发生的复杂反应比其他元素多得多。考虑到水的物理特性和在宇宙中的丰度,水似乎是通用生物溶剂的极佳选择。但是我们也发现了适应生命普遍特征的其他因素。蛋白质链会向最低能量状态折叠,于是我们可以预测到一些折叠类型。根据这些观察结果,我们可能会认为,构成生命的任何化合物链都将以有限的方式折叠在一起,普适的热力学因素至少会在其中起到一定作用。形成细胞的物理过程让在自然环境下趋向于分散的分子变得更富集,它也是自我复制的物质系统的普遍特征之一。

从整个生物体的规模上看,演化已经进行了几百万次的实验,而不仅仅是一次。趋同演化为我们提供了众多的动物样本,它们的外形和结构被物理学原理塑造为类似的形式,比如我们的朋友鼹鼠。比例定律定义了动物大小和特性(不同的代谢率和寿命)之间的相互关系,它适用于从猫到鲸等众多生物,这也表明有一些原理适用于任何类型的生命。[4]这些观察结果表明,在我们的生物圈内,有一系列实验可以验证物理学原理是如何在不同的尺度上驱动常见的生命形式的。生物圈单一,并不意味着我们无法理解物理定律是如何影响演化产物的,相反,我们可以运用这些原理来预测其他地方的生命本质。当然,因为地球上的所有生命都有一个共同的祖先,所以关于通用生物学的任何讨论都存在缺陷,这无疑提醒我们要小心共同的生物化学过程和发育结果带来的相似性。但是即使有这样的警告,我们仍然可以看清楚,为什么地球上成功演化出了生命,进行了我们所知的这些演化实验的系统具有这些原子特性。即使考虑到一定的祖先相似性和发育生物学的通道,我们仍然可以观察到,生物会受物理学原理限制而收敛到有限的形态上。

但是,我们经常发现,要想找到意外事件在哪些方面发挥了重要作用并不容易。你可能会想到遗传密码。这种密码采用了4种特定的碱基,其种类与4种这个数字或许都是最优解,是使用多种我们熟悉的分子测试后可以预测到的结果。尽管遗传密码的偶然性看起来比我们以前想象的要小得多,但我们仍然面临一个问题;生物中可能存在多少种完全不同的遗传信息系统?是0、10、100,还是其他数字?关于遗传密码的其他问题比比皆是,比如在遗传密码和功能分子之间是否一定需要中介(如信使RNA)?

即使我们不能确定通用的分子组合,我们或许也能说出它们会有哪些化学上的普遍特征。也许,就像DNA具有带负电的磷酸盐骨架一样,我们至少可以预测,其他生命的分子物质也将由长链组成,也带有负电荷或正电荷。[5]合成生物学以及化学领域的不断探索可能会帮助我们回答这些问题,最终帮助我们进一步描述生命的普遍特征。

也许把注意力集中在生命的特定结构上是错误的,相反,我们应该将注意力放在生命的过程或产物上,我们可以证明这些过程或产物不可避免地与物理学原理有着千丝万缕的联系。通过研究这些过程和产物,我们更可能发现生命的普遍之处。

地球上的所有生物为了繁殖和演化,必须具有代代相传的密码,密码中包含了产生新生物所需的信息。复制密码不能完全照搬,否则就不会出现适应环境的变异,不会生成新的生命形式。但是,密码的复制也不能错漏百出,如果每一代都包含许多错误,这些“错误灾难”会导致生命退化成无组织的有机体。生命的这种特征与演化过程密不可分,这也许也是一种普遍现象。生命是一个“复制物质的系统,它包含一种代码,其复制准确度介于完美和错误百出之间”,这可能是构成生命物质的普遍物理特性。因此在这里,我们可能会通过确定物质演化所需的特征来寻找生命中普遍存在的东西,这一特征决定了我们是否可以把某些物质称为“生命”。

生命是一个物质系统,它消耗能量并利用能量进行复制和演化,这使我们想到,普遍特性也许来自其能量学和热力学特性。例如,如果我们认为电子传递可能是收集能量的通用方法,那么我们可以挑选出所有生物都用来收集能量的元素或分子。我们知道,在宇宙中的任何地方,生命都可以通过合适的生化机制使用氢和二氧化碳作为能源(并在过程中生成甲烷),因为在许多环境中这两种化合物都会进行有利的、产生能量的热力学反应。这是由物理学定律决定的,而不是由偶然的演化决定的。因此,列出生命从环境中收集自由能量时所用的电子给体和电子受体是一件相当琐碎的事情,这项工作使人们可以全方位观察到生命的能量潜力。

考虑能量时可能会得出其他预测。如果外星生物彼此捕食,我们还可以预测出食物链。食物链顶部的能量有限,所以顶部的大型捕食者较少,而在食物链较低层有较多的小生物,这和我们在地球上看到的一样。从亚原子尺度上的电子传递链到种群尺度上的食物网,生命的各个方面都是由热力学驱动的。此外,探索描述能量转移的规律(如热力学的基本定律)会产生哪些生物学后果,很可能会帮助我们确定通用的生命形式。

在预测生物形式时,我们可能会研究诸如P=F/A之类固定的方程式,并探讨对有机体(鼹鼠和蠕虫状实体)应用该方程式可能产生的普遍结果。我们在本书中探讨的许多方程式都是常见的、通用的,它们为预测生物结构的组装和总体趋同提供了参照。

尽管在我看来,我们在探索生命潜在的普遍过程和结构方面有望取得进展,但值得一提的是,要理解物理学如何限制了地球生命,偶然性在多大范围内起了作用,最可靠的方法就是研究另一种生命。我们有可能在地球之外找到另一种生命吗?

我们不知道是否能在我们的星球之外找到真正独立起源、从头开始演化实验的生命。在太阳系中,我们发现了许多有水的环境,例如古老的火星地貌,这种地方似乎适合居住,有产生生命的可能。[6]也许现在那颗行星的表面之下就有生命存在。外太阳系的冰冷卫星中存在大量液态水海洋,包括木卫二、土卫二和土卫六。[7]这些星球是否在进行独立的演化实验?哪怕答案是肯定的,它们的生物群也可能与地球上的生命有关系,因而不是完全独立的。[8]自行星第一次从早期的原行星盘中产生以来,陨石就在行星之间自由跳跃,把上面的物质和可能的生命播撒到各处,这使生命的起源这个问题变得有些复杂。然而,在我们的太阳系中寻找生命仍然是一个有价值的科学目标,因为如果我们发现生命确实是从地球上独立演化而来的,我们就可以评估生命现象的普遍性。如果我们发现了与地球生物相关的生命,或者发现根本没有生命,那么我们对生物学的新了解不会有前一种情况那么多,但我们会知道一些关于生命分布,以及它能做什么、不能做什么的知识,了解有关太阳系中生命起源或转移的信息。

我们在利用无人探测器探索太阳系方面取得了令人瞩目的成绩,同时,在寻找其他恒星周围的类地行星方面也取得了非凡的进展。这些突破能告诉我们哪些生命特征可能具有普遍性吗?我们还要等待多年才能探访围绕遥远恒星运动的系外行星,并对其生物圈进行采样(如果有可能的话)。即使行星距离我们只有几光年到数十光年,以我们目前可以建造的最佳推进系统,也要几代人的时间才能到达。因此,现在还不能说,系外行星的发现可能找到其他“生物圈”,我们也谈不上有能力探索生命的普遍性。[9]

虽然放弃了寻找另一个生物圈来检验本书中某些观测结果的野心(尽管我们希望有一天会发生),我们仍然可以深入探讨这些不平常的系外行星。至少,我们可能会在更狭窄的范围内提出一些稍微不同的问题。其他世界有多奇怪?假设这些行星上最初的生命与地球上最初的生命一样,不同的环境会引导演化走上不同的道路吗?

我们先前的智力探索活动都以丰富的数据为基础,相比之下,对于系外行星的探索似乎很大程度上是推测性的,但这种思维有时可以启发我们对地球的了解,激发我们提出新的问题,比如地球上的演化产物是靠哪种力量驱动产生的。从其他行星的角度看地球,可以打开我们的思路,且常常会带来丰硕的成果。因此,为了把我们的思想扩展到全范围,以思考生命结构是否具有普遍性这一问题,我们需要简要地探索一下关于外星世界的新观点,并用演化的思维思考问题。

当科学家急切地转向遥远的恒星去寻找行星时,他们期望在行星系统中找到和地球上几乎一样的世界。在恒星的外围,像木星和土星一样的气态巨行星绕轨道运行。如我们的太阳系一样,那些行星系统外围的温度同形成初期一样寒冷,倾向于让氢、氦和其他轻气体凝结,而在更靠近恒星的内部区域,这些气体则会蒸发进入太空。在恒星附近,随着气体的消失,只留下岩石残留物,它们相互碰撞和凝结,形成了所谓的类地行星,如金星、水星、火星和我们独特的居所——地球。恒星的附近是小块的岩石行星,远处则是气态的大型球状行星。这似乎很符合常理。

令人惊讶的是,天文学家第一次探测到的绕着遥远恒星运行的行星(被称为系外行星),竟然是一个巨行星,在短短的5天内绕恒星公转了一圈!这个星球离它的恒星如此近,天文学家别无选择,只能称这个新天体为热木星。1990年,人类发现的第一个系外行星围绕飞马座51(Pegasi 51)这颗恒星旋转,后者距离我们50.9光年,天文学家对此困惑不已。[10]它怎么会在离恒星这么近的轨道上?如此庞大的气态星球怎么没有被蒸发呢?这一发现迫使刚刚踏上寻找遥远行星之路的天文学家马上修改了关于太阳系形成方式的模型。只有一种理论可以恰当地解释这些紧紧环抱着母星的巨型行星:它们从自己的“太阳系”的外围向内迁移,并停留在原本仅属于小岩石星球的区域中。这是表明我们居住的太阳系可能并没有代表性的第一个迹象。

这颗被命名为Pegasi 51b的行星只是个开端,后续科学家又发现了一大批类型和轨道奇特的行星,新的发现堆积如山。首次观察后约20年里,惊喜不断出现,但是有几件事变得显而易见,并将长期成立。我们这个太阳系的结构不具代表性。在其他星系中,行星形成了多种构型,而迁移的行星则在行星结构形成的过程中起到了“扳手”的作用,改变了行星系统的位置,由引力决定具体位置。许多行星并不像我们太阳系中的主要行星那样有漂亮的近圆形轨道。[11]有的行星会绕着疯狂的椭圆形轨道飞行,弧线轨迹使它们有时离恒星很远,有时又会向内猛冲,从很近的地方掠过恒星,就像我们熟悉的彗星一样。这些极端的轨迹是引力扰动和相互作用的结果,这些引力和相互作用来自系统形成的早期,那时新行星刚刚形成,其他行星也完成了迁移,它们共同塑造了行星系统。有些轨迹是如此极端,以至于行星甚至可以被完全抛出恒星系统,流放到太空的深渊中。

世界各地的科学家们找到的系外行星无异于一场奇异的盛宴,其中包含各种各样不可思议的场景。除了热木星,天文学家还发现了热海王星,就是比木星稍小,与天王星和海王星差不多大的气态行星。[12]

以上提到的绝不是这些系外行星唯一的奇特之处。一些气态巨行星的轨道离恒星如此之近,以至于恒星的高温导致气体膨胀成巨大的包层,使大气膨胀。这些“浮肿”的行星密度非常低。比如453光年外的HAT–P–1b,只比木星大一点点,每4.47天绕恒星运行一次。它的密度只有液态水的四分之一。[13]这个膨胀的球代表了几十年前天文学家无法想象的世界。[14]

我们最感兴趣的是可能存在生命的世界。随着系外行星探测方法的改进,能够探测到的行星的尺寸范围逐步缩小。行星质量在地球质量和海王星质量之间,有一个灰色区域,这里是巨大的气态行星和小的岩石行星之间的过渡区域。在这两个极端之间的叫作超级地球。这个词有点儿不准确,因为这些地方不一定像地球一样。它们中的许多可能不适合居住,或者起源的环境与地球截然不同。[15]有些可能是海洋星球,大部分质量都是水。[16]

寻找真正的类地行星的关键是在恒星周围的宜居区域中找到行星,那里的太阳辐射刚好足以使液态水在星球表面持续存在。[17]若行星离恒星太近,行星最终就会像金星一样,海洋都蒸发了,这是温室效应失控的结果,大气中浓密的二氧化碳把热量吸收走,让所有水都蒸发了。离得太远,行星就会成为一个寒冷而荒凉的世界。宜居带有时也被称为“正正好区”,是温度适中的环形空间,我们地球上的演化实验已经证明了该区域的功能。

行星开普勒452距地球1 400光年远,它是第一个真正的类地行星。尽管它的直径比地球大60%,但它在宜居带的轨道上绕着类似太阳的恒星运行。它的年龄比地球略老一些,大约有60亿年的历史。[18]

开普勒太空望远镜等仪器收集到的大量数据表明,在我们银河系中,约有5%~7%类似太阳的恒星周围的宜居区域可能有地球大小的行星。[19]把这些数字代入整个银河系,结果令人瞠目结舌:银河系可能包含大约80亿个跟地球大小差不多的可能适宜居住的星球!好吧,也有人争论说应该是50亿或者100亿,但这有些吹毛求疵了。系外行星的发现揭示了小型岩石行星的普遍性。

天文学家是如何找到这些行星的?系外行星发现的故事可以写成一整本书,虽然它与本书探讨生命和物理学原理的主题有些不相干,但还是值得简要说明一下。系外行星的发现表明,物理科学领域的研究人员与生物科学领域的研究人员之间有着十分有趣的联系。双方都对了解其他行星的物理条件感兴趣,如果行星上有生命的话,我们假设这些条件会影响生命。

20年前,天文学家和生物学家之间的交流很少(除了在咖啡馆聊天)。然而,天文学家用来寻找系外行星的方法发现了与地球质量相当的行星,而我们最终可能会研究它们上面有没有生命迹象。于是,物理科学和生物科学走到了一起,这种联盟的建立很可能会产生大量新的观点:天体物理学原理如何塑造行星形成条件、行星表面特征以及可能出现生命的物理环境。这是天体生物学最令人兴奋的新兴领域之一。

在炽热的恒星周围探测到一颗行星还不是很容易的事。即使是最大的类木行星反射的光,也只有恒星巨大的燃烧聚变反应堆产生的光的几十亿分之一。要克服这些限制,需要一些独创性,而天文学家们最不缺的就是独创性。[20]

想象一下,你正在用望远镜凝视遥远的行星系统的侧面。望远镜的镜头中是位于中心的明亮恒星,但是恒星突然变暗了。原来,有一颗行星正从它前方优雅地经过,挡住了恒星发出的光。光并不会变暗很多,也许只下降了原来的百分之一或更少,但是如果使用一台好的望远镜和一些测量光的设备,你就可以看到,当行星经过时光的强度会短暂下降。这种方法(凌星法)有其局限性,就是只能从行星系统的侧面才可以观察到。从上往下观察这样的系统得不到好的结果,因为从这个角度看,当行星绕着恒星运行时,它永远不会挡住恒星的光。尽管如此,凌星法还是非常成功的。开普勒太空望远镜以17世纪的天文学家约翰内斯·开普勒的名字命名,他率先阐述了定义行星轨道的定律。这台望远镜已经使用凌星法找到了1 000多颗行星,足以说明这种方法需要面向行星系统侧面的局限性并没有妨碍科学家找到大量的行星。

天文学家也找到了其他一些寻找行星的聪明方法。行星在环绕恒星运动时,会引起恒星摆动,我们可以通过这些摆动检测出这些行星。想象或回忆一下婚礼的场景,你看着情侣在酒会上跳舞,一对夫妇握住彼此的手,疯狂地旋转。他们绕着共同的质量中心——他们之间某个假想点旋转,最后都晕了。当他们离开舞池时,不幸的妻子被她魁梧的叔叔拦住,叔叔也要跟她跳舞。这个身材娇小的女人握着他的手,但是这一次舞伴的体重太大了,看起来她就像在他身边飞来飞去,而他的位置几乎固定不变。但是,叔叔的位置并不是完全固定的。两人之间的共同质心是一个假想的点,在靠近魁梧叔叔的一侧,有时与他的身体重合。他也绕着共同的质心摆动和旋转,但受到的影响却相对较小,而他的娇小而轻盈的舞伴则围绕着他的身体旋转。舞曲结束时,侄女无疑已经头晕眼花,而叔叔也跌跌撞撞地回到了桌子旁。

天体物理学领域的情况也是如此。严格来说,并不是行星围绕恒星运行,其实是行星和恒星都绕着它们共同的质心运动。但是,恒星的质量太大了,以至于共同的质心基本上位于恒星内部。当较小的行星绕着恒星运动时,我们几乎不会注意到小小的行星也在拉动恒星。这种影响很小,但它确实存在,使恒星微微摆动,就像我们那位有些许不稳的叔叔一样。也就是说,恒星的自转受到行星质量的影响。如果轨道上有许多行星,恒星的运动将更加复杂,它的倾斜速度和模式可以表明有多个行星存在。

在几百或数千光年之外,我们怎么能看到这种几乎无法察觉的变化呢?好消息是,冰激凌马上就要登场了。我敢肯定,每年夏天都会发生这种情况:你听到冰激凌售卖车发出的曲调后,欣喜若狂地冲到大街上。售卖车慢慢驶近,你听到了旋律,但是随着车辆慢慢走远(它没有在你身边停下来,不过这种讨厌的心情被你对物理学的迷恋所淹没),音调会降低。驶过的救护车发出的声音也会有这样的现象,只不过它的声音不是令人欣喜,而是令人警醒。

多普勒效应以奥地利物理学家克里斯蒂安·多普勒(Christian Doppler)的名字命名,他于1842年提出了解释音高改变现象的理论。这种效应很容易理解。冰激凌售卖车从远处驶来的过程中不断发出声音,但由于车辆在移动,它产生的每个声波都比前一个声波更靠近你,因此声波之间的时间减少了(它们的频率变得更高,在你听来就是音调更高了)。当欺骗你的司机消失在远方时,由于售卖车正在远去,因此发出的每个声波都在往远处移动,从而降低了声音的频率。也就是说,声波本质上被拉伸了。

冰激凌与系外行星有什么关系?多普勒效应也会影响光,因为光和声音一样以波的形式移动。如果像恒星这样的发光的物体朝你移动,它的光线将比恒星静止时略微偏蓝,因为当它朝向你移动时,这些波长的光会被轻微压缩,波长缩短,更偏向光谱的蓝色区域。同样,当恒星离开时,光会略微变红,因为通过拉伸,光的波长会变长。

当这颗巨大的恒星与环绕它的行星绕着共同的质量中心摆动时,在地球上从侧面看去,恒星似乎有时靠近,有时后退。这种摆动让它的光谱发生了微妙的变化,当恒星朝地球靠近时,光线变蓝,而后退时则变红。通过精确地观测不断变化的光谱可以探测系外行星,这种方法叫多普勒频移法,有时也称为径向速度法,可用于确定绕行行星的质量。将这些数据与通过凌星法得到的信息(可以确定行星的大小)结合起来,我们就可以算出行星的密度,这对于确定其组成非常重要。

所有这些奇异的新世界,很容易让我们想到科幻小说之父H.G.威尔斯的推测:硅基生命沿着液态铁海洋的海岸行走。[21]我们可以确定的是,既然我们已经发现的行星的形式和大小似乎有无穷无尽的变化,那么行星上生命的生物学形式也将有无尽的可能性。然而,尽管我们在这些行星上发现的许多不同的物理特征可能揭示了外星生命可以在奇怪的环境中存在,但我们仍可以在本书中讨论物理学原理是如何影响行星上的所有生命的。

通过观察光谱,我们知道所有系外行星都由元素周期表中的同一组元素组成。系外行星的成分来源于同一个周期表,这是一个无足轻重的事实(没有人期望过会有别的结果),但由它可以推导出许多直接的观点。碳骨架分子之所以能在我们从星际介质、地球和生命中观察到的所有复杂分子中脱颖而出,靠的正是根植于量子世界的化学特性——而同样的限制也适用于系外行星。我们可以预期,在任何由岩石构成的星球上,硅都主要存在于矿物中,碳才是构建自我复制、不断演化的实体的首选。因此,在原子尺度上,我们可以对其他行星上生命(如果存在)的潜在结构进行一些预测。

水是宇宙中常见的分子,这意味着,在遥远恒星周围的岩石星球表面上最常见的液体也是水。它可以与其他化合物(例如氨)混合,在足够的压力下也能与液态二氧化碳混合,但它作为一种随处可见的溶剂,从诞生之日起就准备好了进行生物学反应。

甚至,其他生物收集能量的来源也同我们在地球上能观察到的一样。周期表或由通用元素制成的化合物中的电子给体和电子受体在整个宇宙的任何地方都是相同的。它们不是地球特有的:它们的状态是由元素及其构成的化合物的热力学特征决定的;温度和压力条件将改变给定反应的热力学合理性,而不同化合物的丰度将改变生命可用的能量来源,地球上发生的很多变化都展现了这一点。不了解足够多的行星化学和行星物理学知识,我们就无法预测在特定系外行星上更有利、更普遍的是哪种类型的能源。但是,元素周期表提供的反应机制必定是相同的。

在这些限制条件下,行星生物圈可能比地球更丰富,也可能更贫乏。一些特征可能会使其他类地行星产生更丰富的生命。[22]来自加拿大麦克马斯特大学的勒内·赫勒(René Heller)和来自犹他州韦伯州立大学的约翰·阿姆斯特朗(John Armstrong)都在思考如何使一个行星比地球更宜居的问题。他们提出了许多设想,以创造一个“超级宜居”、比我们自己的青翠绿洲更适合生活的星球。比地球略大的行星可能容纳更多的生物量甚至更多的生物多样性。生态学家深知,陆地或大陆架越多,在上面生活的生命就越多样化。[23]大陆内部水体更多、干旱地区更少的行星可能支持的生物量更多。而如果恒星光线的紫外线辐射水平较低,辐射损伤对表面生命的影响较少,行星表面就可能更利于生命的存在。我们可以想象,行星大小、陆地与海洋的比例、地表温度或大气成分的差异将如何改变生命存在的条件。

但是,即使在整个地球历史上,也发生了影响地球多样性和生物量的巨大转变。大陆发生了漂移,大气成分发生了变化,陆地也变得越来越干旱。诸如小行星和彗星撞击之类的天文事件也会周期性地骚扰我们的星球。其中一些事件非常严重,导致了生物的大规模灭绝。从动植物的生物量来看,今天的地球比5亿年前更适合人类居住。然而,这些行星条件的改变都没有动摇物理学对生命的限制性影响。

我并不是说,这些系外行星上的生命会跟地球生命很像,从而让人大失所望。尽管受到物理学限制,演化实验中不会出现威尔斯想象的疯狂的生命形式,但在物理条件不同的行星上,仍然会产生各种各样的生命。

为了探索其他地方不同的物理条件如何影响生命,同时带来了令人着迷的多样性,进行一些简要的推测会给我们带来启发,甚至带来乐趣。有一种物理因素会对整个地球的生命产生作用,在宇宙中的任何其他星球上也是如此。甚至达尔文在他的书的最后一段中,也提起了重力这个因素。许多系外岩石行星上的重力将与地球上的不同。这一因素将如何影响生命?我们可以使用以下这个简单的公式来求出任何行星表面的重力加速度(g):重力加速度与行星的质量成正比,与行星的半径的平方成反比,因此有

g=GM/r2

其中G是引力常数(6.67×10-11 m3kg-1s-2),M是行星的质量。

想象一颗直径为地球直径10倍的系外行星。行星的质量与其体积有关,计算公式是(4/3)πr3。因此,质量与半径的立方成正比。为了得到重力的数值,我们将质量除以r2,重力的比例就是r3/r2=r。简单来说,假设行星的体密度与地球的密度大致相同,那么如果一颗行星直径是地球直径的10倍,它表面的重力也将是地球的10倍。

让我们想象,在这个遥远的星球上,生活着一个巨大的类似牛的生物。在所有其他因素相同的情况下,该生物体所受的重力(以mg表示,即生物体的质量乘以重力加速度)将大10倍。动物所受的重力必须由腿的横截面支撑,如果重力增加到10倍,则腿部的直径要增加到3.2倍,横截面积才会增加到10倍。增加的直径会使腿部单位横截面积承担的力量变小,这一点跟地球上是一样的。

外星牛的腿很可能比我们熟悉的牛的腿更粗,并且可能体型较小。尽管在高重力作用下,骨骼或肌肉可能演化得更强壮,产生的生物也可能与地球上的相差无几,但这个行星上的高重力环境很可能会在大型生命的解剖学结构上留下印记。

外星鱼会怎么样呢?你应该会记得,流体中的作用力由(mg–ρVg)计算得到。公式中的第一项是动物的重量。因此,在重力为10倍的系外行星上,鱼的重量也是地球上的10倍。但是,由于被鱼类取代的水的重量也随重力而变化,因此在这个星球中,浮力(ρVg)也是原来的10倍。重力增加到10倍,其实对鱼没有影响。身处地球还是“超级地球”,对鱼类和鲸的影响都很小。

小型生物受到重力差异的影响甚至更小。在瓢虫身上,重力几乎是无关紧要的。我们知道,分子间作用力是支配瓢虫世界的主要力量。甚至它脚下一层薄薄的水对它的吸引力也能与重力竞争,足以使它附着在竖直的墙壁上,不然虫子就会掉下去。但是,瓢虫还是会受到重力的影响。如果瓢虫在飞行中停止扇动翅膀,它肯定会掉落到地面上,就像人从墙上跳下来一样,但是大气的阻力不会让这种轻量化生物的速度下降得过快。

我们可以思考一下,如果一个生物从外星的悬崖或从树枝上跳下,重力会对它产生什么影响。如果一个物体一直向下坠落,它会达到一个终极速度,这就是它将达到的最快速度了。重力把它向下拽,而空气或流体阻力又不让它下落得很快,两个力之间会达到一个平衡。我们可以使用以下公式计算出最大速度(Vt):

其中m是物体的质量,g是重力加速度,ρ是物体周围的空气或流体的密度,A是物体的表面积,Cd是物体的阻力系数,表示阻力使其速度减慢的程度。

你会注意到,方程中涉及了生物的质量,这很重要,因为质量越大,终极速度越高。对于地球上的人类来说,终极速度大约是每小时195千米,速度相当快。下落约450米(大约需要12秒),你就会达到这个速度。一般来说,要是人以每小时195千米的速度撞击地面,立刻就会死亡,其实不需要达到终极速度,就会给人造成严重的伤害,从树顶上跳下已经够糟了。

在一些故事里,有人奇迹般地生还了。1971年12月,德国–秘鲁生物学家尤利亚妮·克普克(Juliane Koepcke)乘坐的飞机在秘鲁雨林上空遭遇猛烈雷暴,飞机被闪电击中爆炸,她从3千米的高度坠落,但幸免于难。她跌落在地上,身体仍然被安全带固定在座位上,只是右胳膊受伤、锁骨骨折。[24]据说,第二次世界大战时,也有飞行员从高空飞机上摔下,坠落到雪原中幸存下来。但是,这些情况都是十分罕见的。

在这方面,人比蚂蚁脆弱多了。根据蚂蚁的质量可以算出它的终极速度是每小时约6千米,是人类的三十分之一。大多数蚂蚁在以这种速度坠落时能存活下来,几乎不会受伤。

现在让我们将这个方程式中的另一个量——系外行星上的重力增加到地球的10倍,终极速度会相应增加。对于大型动物而言,这会增加它们跳过障碍物或从飞行中坠落的麻烦,但是对于小型昆虫而言,尽管现在的终极速度相对更高,但是可能仍然不足以对它们产生巨大的伤害。假设大气密度相同,蚂蚁的终极速度提高到每小时约20千米,但仍低于我们这个世界上老鼠的终极速度。这些蚂蚁在达到终极速度坠落后可以几乎毫发无伤地离开。我们举蚂蚁的例子是为了说明,重力对小型动物的作用较小。在遥远的超级地球上,重力大对星球上最小的生命形式几乎没有影响。

另一颗行星上的演化过程会带来全新的、我们不曾见过的生命形式吗?在以上这些例子中,我们没有看到令人信服的肯定回答。相反,我们可能会再次看到,物理学的定律是不变的,生命只能在普遍的运行定律下以可预测的方式被塑造。这些定律可能会导致细节上的差异,但提供的解决方案种类是非常有限的,其中许多是我们熟悉的。

我们再来想想其他有趣的话题。比如,我们可能会考虑一下,重力因素是如何影响会飞的生物的,比如我们的外星大雁。

无论你是观看从爱丁堡机场起飞的飞机,还是我们已经遇到的大雁,这些飞行的物体都必须在空中保持升力。我们可以使用升力公式算出保持在高空所需的力:

L=(CLAρv2)/2

升力(L)是使物体保持在天空中的向上的力,正比于机翼的表面积(A)与物体周围的空气密度(ρ)和速度(v)平方的乘积。

你还会注意到方程式中有一个奇怪的项。CL是升力系数,这类系数有时被委婉地称为经验系数。它不是某种基本常数,但它抹去了这个方程式不能完全解决的所有复杂问题:升力的问题不仅与机翼的表面积有关,还与翼展、空气与不同机翼材料的相互作用、机翼的角度(迎角)有关。CL必须通过实验测得,这就是空气动力学专家要把模型飞机放在风洞中的原因,这样他们才能确定用哪个数字才能得到正确的答案。

这个方程告诉了我们一些简单的事情:大气层越厚,可以飞起来的生物越重;重力越小,该生物受到的向下的力就越小,于是,我们可以看到质量更大的动物在空中飞行。

要展示这种简单物理学原理的奇怪后果,没有比土卫六更好的地方了。[25]这颗非同寻常的土星卫星直径只有5 152千米,是地球直径的40%,重力加速度为1.34米/秒2,仅是地球重力加速度的13.7%。然而,它有超厚的大气层,密度约为5.9千克/米3,而地球大气的密度仅为1.2千克/米3。

这些数字引起了人们的想象。如果一个人的体重减少到原来的七分之一,又由于大气密度更高而增加了升力,我们将看到了人类飞行的情景。

假设一个人体重70千克,那么这个人在土卫六上的重量大约就是94牛顿。如果这个人要飞起来,升力就必须达到这个数值甚至更大。我们可以假设他们以每秒5米(每小时约18千米)的速度悠闲地飞行。升力系数我们取0.5(典型值)。利用土卫六大气层的密度,我们得出了机翼所需的表面积是2.5平方米,我们可以轻松地将这种尺寸的机翼安装在衣服上。人类可以从土卫六的悬崖上跳下来(当然得穿太空服),在天空中飞翔,像鸟儿一样,缓慢、庄重而优雅地下落。

只要有足够的速度,即使在地球上,人们也可以使用装有机翼的服装飞行。但是在土卫六上,重力更小,大气层更厚,你就可以缓慢而优雅地滑行,而不会遇到优兔网(YouTube)上的事故死亡场景。

上文通过简单的思考提供了一个例子,说明尽管物理学定律是不变的,但系外行星特征的细微变化可能演化出新的物种。在大气层稀薄的大型行星上,可能完全无法飞行,在那个生物圈中,“飞行”只能是短时地冲入天空,就像地球上的飞鱼或飞鼠一样。在另一些地方,稠密的大气包裹着小型行星,那片天空上就可能飞翔着大大小小、多种多样的生物。

在演化过程中,这些差异是否可能导致某些我们未曾料到的大事发生?想象一颗遥远的系外行星,它比地球小,但大气层却很厚,上面的生命在不断演化。在那个星球上,出现了大小与人类差不多的大型生物,而且,他们还发展出了智慧。但是这些生物跟我们有一些不同之处:他们有翅膀。

他们的飞行能力对其历史产生了深远的影响。从有记录的时间开始,他们就能够环游整颗行星,进行长距离旅行。他们上下班不是坐车,而是飞翔。因此,他们从未发明汽车,因为没有需求。像所有有感觉的生物一样,他们也有攻击性的倾向,但是他们能够飞上天,从天上远远地观望其他人和城市,这给了他们看待其他生命的视角,并减少了破坏性倾向。从最原始的时代,俯瞰整个大陆的视角就激发了他们的生态和环境意识。他们从发现科学方法的初期开始就努力绘制整个行星及其环境系统的地图。这项工作在他们的物种中创造了行星级的友情意识。

与生俱来的飞行能力使他们很快领悟了人工飞行的基本原理。十几岁的天才青少年仅仅通过在无聊的课堂上观察自己的翅膀,就知道了机翼是如何工作的,从而设计出人工飞行器。在这个行星上,有数百种出于旅游或商业目的的飞行器在飞行,除了自身的能力外,他们很早就开发了飞机。

现在,由于早期的环境意识,他们通常过着平静的生活。但是,对于他们而言,偶尔发生的战争将是毁灭性的。他们能够将物体从高处投到敌人身上,因此在历史早期就开始了空战。

翅膀为太空旅行提供了重要动力。他们天生就有从三维空间看世界的倾向,超凡的视野使他们迅速开始梦想飞越大气层。一旦他们掌握了铸造金属和利用基本化学反应的技能,他们就开始尝试制造火箭了。航天能力随航空器的建造而迅速发展。

我之所以带你们进行这次稍微有些怪异的思想旅行,只是为了说明,物理学定律极大限制了生命形式的说法,并不意味着无法产生各种可能的结果。我以这个假想中的智慧生命为例说明,即使各个行星的物理学原理都是相同的,行星物理条件的微小变化(在例子里是密度更高的大气)也很可能会带来不同的生物学结果,并改变生物演化的轨迹,一路引起各种各样的间接影响,对你我而言,其中最具体可感的就是文化含义了。尽管我选择的例子相当简单,但是重力的例子说明,我们可以使用以方程式来呈现的物理学原理来探索对假想生物群的潜在影响。

系外行星的发现向我们表明,宇宙充满了各种各样的可能性。可能没有一个行星跟地球完全一样。重力、大气密度、景观、陆地与海洋的比例以及其他因素的细微差异都会影响演化实验(如果存在的话)的范围和内容。没有一个星球能精确地复制地球生物圈。颜色和形状的微小修改带来的无限多样性将产生很多奇妙、让人迷惑的生物。但是,这些生物圈中的生物,在最小的尺度上,都有着相同的架构、相同的含碳分子的复杂结构,其主要分子中都有着相同的重复组成单元,细胞也都会被分隔成小室。在大的尺度下,他们将采用相同的方式来应对重力,飞向空中或在海里游泳。生命的方程式增加了地球上的多样性和偶然性,如果生命存在于其他地方,那么那里也会一样。

目前来看,短时间内我们还没有希望直接研究遥远系外行星生物圈中的生命形式,无法扩大我们可以分析的演化实验样本规模。目前,我们只能寻找太阳系中的生命。无论我们能否找到独立的演化实验,系外行星的发现及其承载环境的特征都将让我们更了解岩石星球的物理条件的多样性。这些全新的景象将丰富并激发我们的思想,让我们思考,如果在这些遥远的星球上进行实验,我们自己的演化实验的特征可能会有哪些不同。从这个角度看,我们可能会更好地了解地球的物理条件如何塑造了这里的生命形式。有了这种新的视野,我们对生命的普遍认识也将更加深刻。

赞(0)

评论 抢沙发

  • 昵称 (必填)
  • 邮箱 (必填)
  • 网址