Rare Earth 有多罕見？

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Rare Earth 有多罕見？

 

 

10年前，美國華盛頓大學的地質學家、古生物學家Peter Ward 和天文學家Donald Brownlee合著了一本書：Rare Earth 副標題是Why complex Life Is Uncommon In the Universe 。

 

這是一部極有趣的書。

 

二位作者根據當時科學所提供的地球上的生命演變過程中地球的地質歷史和天文事件產生的影響作出分析、推測和估計。進而，對宇宙中可能有的生命形式作出猜測。最後作者的結論是：宇宙中生命形式可能是「到處」都有，但高級的生命形式是很罕見的（rare ）、不普通的（uncommon）。換一種說法，地球上的高級生命形式（Animal）在銀河系中可能是唯一的，甚至在宇宙中也是唯一的。

 

本書的價值在於對地球上生命演變過程的具體地質和天文事件的分析及方法。這些研究成果會給人們帶來有益的思考。至於最後的「結論」倒是無關緊要的。作者最後的結論，與其說是根據科學研究的結果得出的推論，不如說是作者自己頭腦中相信什麼。對於作者前半部的結論，我本人同意。至於後半部，就是說高級的生命形式在銀河系甚至整個宇宙都是唯一的這個結論，我幾乎無法相信。對於作者用的資料，我本人基本沒有異議。問題的關鍵是作者導致最後結論的那些分析方法的使用，我無法完全同意。

 

生命存在的材料在宇宙中是到處都有。天文學家Armand Delsemme 說：「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.」

 

作者在書的開始，首先羅列了若干「Dead Zones of the Universe 」。作者雖然沒有說明這個「死區」不是指沒有生命的地區，但從全書來看，他是指沒有「動物」的宇宙區。在9個地區中，像「Elliptical galaxies ，Small galaxies」，就是橢圓星系和小星系。他把這些星系排除在動物生命可能存在的地區之外的理由是根據目前我們對生物的認識和對星系的知識加以猜測而得出的結論。其他人可能得出和這完全不同的結論。

 

作者主要是假設在宇宙中，要有太陽大小的恆星，和地球一樣大小的行星，該行星距恆星的距離和地球與太陽之間的距離大致一樣。一句話，要把整個太陽系完全複製一個。他把這些條件作為「動物」生命出現的必須條件。

 

作者說，產生生命的條件好像是並不需要太苛刻的環境，但有生命之後，演變並不是線性的，好像和多次的環境巨變有必然的聯繫。細菌並不會簡單地慢慢演變成複雜的動物。這些大概是有道理的。

 

地球的生命出現大約是38億年前（對這個時間表，各個文章中敘述的許多都各不相同的），但在很長的時間裡，地球上的生命是單細胞的形式。最早的地球大氣中是沒有自由氧的存在。在這漫長的時間裡，地球的環境發生過巨大的變化。在25億前，地球的大部分或全部被冰雪覆蓋。這樣的現象被稱為「Snowball Earth」。這個過程大約持續了三千萬年。在距今八億至六億年間，地球上發生了第二次「雪球」時期。這個期間大概出現了三次或更多的全球結冰期。

 

在第一次雪球期，在漫長的三千萬年間，海洋中的火山的噴發仍在進行中。火山噴髮帶來的鐵、鎂等元素在冰下積累，並被帶往全球海洋的各地。當冰雪融化后，這些元素的積累才使光合細菌能大量繁殖。這些細菌的大量繁植，不斷地產生氧氣。在距今二十億左右的時間裡，地球的大氣中才具有了豐富的自由氧。這為複雜的動物的出現開闢了道路。

 

當然，對於這次雪球期，地質學家基本都同意，但許多天文學家堅決否認，因為那時地球的大氣層里還有20%的二氧化碳存在。不過，那時期，在地球的「低緯度」的冰川的證據是廣泛存在的，如何解釋這個現象，還存在著很大的空間。

 

第二次的雪球期后，地球上產生了「寒武紀生物的大爆發」。就是在這個時期，生物才長出骨骼。其尺寸才可能越長越大。這個生物的大爆炸計幾乎產生了地球上生物所有的Phyla。實際上，寒武紀時期的Phyla 大約有100種，而今天地球上的生物的Phyla 不到40種。

 

至於這次生物爆發的引發的原因，科學家們有各種解釋。一個是地球大氣中氧氣含量的豐富，另一個是地球上營養物質的豐富。生物生長必須的元素是磷、氮、鉀等。在這個時期，大陸板塊活動劇烈。也就是在這個期間，大陸開始漂移。板塊的劇烈活動，把原本沉積在海洋底部的營養元素被新形成的洋流帶到上面。這為生命的繁榮準備了必須的物質。

 

還有人認為，這次板塊漂移是地球自轉軸變化了90度而導致的。那樣說來，就是地球上生物的爆發是天文上事件的結果。不過這個結論需進一步的證據。

 

很明顯的是，天文上的另一些事件會導致生物的大滅絕。彗星和小行星撞擊地球，是最常見的導致生物大規模滅絕的原因。自然，其它像鄰近的強烈超新星的爆炸，可能也會導致生物的大滅絕。

 

有一點不容懷疑的是，地球上的生物，為天文上的許多事件所控制或影響。如，我們地球外面的巨大的木星和土星組成了一道巨大的引力保護傘。太陽系內部或外部那些到處亂竄的小行星和彗星的大部分是被它們給捉了去。不然的話，我們的地球被它們撞擊的次數要多得多。你只要看一眼月球及火星那傷痕纍纍的樣子，就會知道這個保護傘對我們地球上的生命的存在是多麼的重要。

 

作者從此出發，得出「罕見地球」的假說。作者根據理論上觀念加上猜測，得出一個宇宙生物存在的概率公式（Rare Earth Equation）。最後的結論是：概率幾乎是零。

 

作者最後的公式成立的前提是式中各項事件的發生是獨立的。這個要求在許多時候是無法滿足的。如作者認為地球存在一個巨大的月亮是地球上複雜生物存在所必須的，但他又把星系中大多數的紅矮星周圍的行星排除在會有複雜生命之外，原因是其行星欲獲得合適的熱量來源，就必須靠近其恆星。這樣就導致該行星被潮汐鎖定而一面對著恆星。而行星周圍的一個巨大的月亮會使潮汐鎖定的過程極其漫長。我們的地球大概就因為有月亮的存在，直到今天也沒有被潮汐鎖定。作者認為像木星那樣巨大的行星存在對地球上生命能在漫長的歲月里存在下去是極端重要的。但木星那樣的巨大行星在地球外圈，地球在內圈，這樣的結構在其形成過程中是有物理上的原因的，也就是說：二者的出現是有相關性的，不是純粹的獨立事件而隨機發生的。這根本不滿足作者那個計算概率公式的先決條件。當然，此類的問題還有許多。

 

天文學家David Darling 曾評論說：「『罕見地球的假說』既不是假說，也不是預言，而僅僅是對地球上生命是如何興起的描述。」我們基本同意他的觀點。

 

這樣看來，本書的基本價值就是它對各種生物及天文上事件對它們的影響的具體分析上，其最後的結論基本沒有太大的意義。人類對地球外生物的探索絕不會因為罕見地球的假說就停止不前或加速。

 

 

後記：這篇文章寫於幾年前，但我一直沒有貼出。

 

隨著人類探索太陽系外行星不斷取得的成果，從目前看，該書作者的那個宇宙生物存在的公式，我們有足夠的信心否定了它的合理性。從數學上否定那個結果及其推論，不是太難的事，但要說服天文學家們，恐怕不是很容易的。從目前發現的太陽的孿生兄弟和地球的孿生兄弟的資料來看，那個公式的合理性就足以被否定了。

 

從物理上和數學上否定那個宇宙生命公式，我們有足夠的信心的。

 

 

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