刘夙评《稀有地球》︱复杂生命诞生的条件

刘夙

2021-08-07 10:25 来源:澎湃新闻

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作为上海辰山植物园科普部的一名科普工作者,我从2014年出版第一本译著《植物知道生命的答案》以来,翻译的国外科普著作已经有十几部,其中大部分与植物有关。然而,我即将出版的最新译著——由美国古生物学家彼得·沃德(Peter D. Ward)和唐纳德·布朗利(Donald E. Brownlee)合著的《稀有地球》——却是一部天文学(或者更准确地说,是“天文生物学”)科普书。而且,是我主动把这本书推荐给了合作多年的商务印书馆编辑,而他们也充分信任我的推荐,很快引进了版权。《稀有地球》

《稀有地球》

我作为一个植物学出身的译者,为什么要故意“跨界”,对一本天文学题材的科普书这么感兴趣?更何况,这还是一本二十年前就出版的书——在一个科学进展突飞猛进、日新月异的时代,很多科普书的“保质期”都不到二十年,其中的内容往往在几年、十几年之后就会显得过时。如果用一个词来概括我的理由,那就是:多样性。
对于植物园的从业者来说,多样性是一个耳熟能详的概念。植物园本身的诸多功能,最终都立足于植物的多样性。与此类似,还有动物多样性、真菌多样性等等概念,它们合起来便成为一个更大的概念——生物多样性。
二十世纪后期以来,由于人类对全球生态系统的干扰和破坏不断加剧,生物多样性保护成为热门研究和实践领域。由于生物圈的复杂性,时至今日,生态学界还没有发现生物多样性和地球生态系统稳定性之间存在什么简单的定律。然而,我们已经有许多证据强烈表明,丰富的生物多样性,往往可以保证一个生态系统维持较高的稳定性和抗干扰性。其背后的机制非常多样,其中一个可能的机制是,丰富的生物多样性可以让生物之间形成比较复杂的相互牵制关系,从而不会让某类生物一家独大,造成失衡,引发整个生态系统的破坏。
理解了生物多样性,也就能理解人类社会的多样性——特别是思想多样性的意义。并非机械类比的是,正如生物多样性一样,一个社会中丰富、多元的思想也有可能彼此形成比较复杂的牵制关系,从而不会让某种声音一家独大,造成失衡,引发整个社会走向某种错误、可怕的方向。
这也是为什么我当初刚开始读《稀有地球》引言的第一段,就立即被这本书所吸引,到最后几乎完全成为作者观点的追随者。正如两位作者所暗示的,自从美国天文学家德雷克(F. D. Drake)提出“德雷克方程”,并由他本人和另一位著名天文学家、科普作家萨根(C. E. Sagan)做出初步估算之后,那种“地外智慧生命一定大量存在”的乐观情绪就在学界和公众中广为蔓延,结果让有关地外生命的思考长期处于一种相对来说比较单调和贫瘠的状态之中。当电视和电影屏幕上充斥着五花八门的外星人形象时,很少有人深入地想过,德雷克和萨根的这种预设到底是不是合理。《稀有地球》的两位作者就勇敢地挑战了这种观点,以多学科的证据和缜密的思考提出了“稀有地球”假说,从而丰富了这一思想领域的多样性,对萨根式的乐观主义形成了明显牵制。
正因为本书不仅介绍了天文生物学这门新兴的交叉学科,更提出了一种理解生命与宇宙关系的新思想观念,所以二十年过去,尽管书中一些具体论述不免过时,但整个思路仍然极具启发性,值得新一代读者继续阅读和品味。更重要的是,二十年过去,中文世界有关地外生命的思考仍然颇为单一,传统的萨根式乐观主义仍然甚嚣尘上,这也让这本书的引进能更显出其价值。坦白地说,我就是看不惯国内这种单调的思想氛围,才想到要引入这本书“搅搅局”的。

所谓“稀有地球”假说(台湾地区曾有人译为“地球殊异假说”),概括来说,即:微生物生命在宇宙中很可能普遍存在,但复杂生命在宇宙中却极为稀有(请注意,这两方面观点缺一不可)。这种把微生物与复杂生命区分看待的做法,本身就是思想上的重大突破,因为包括萨根在内的很多人都想当然地以为,只要一个星球上出现了微生物生命,就一定会顺理成章地产生复杂生命。在批判性思维来看,这种臆测犯了“以偏概全”或“草率概括”的错误。
在区别了微生物生命和复杂生命之后,本书的另一大思想突破——也是书中最令人大开眼界的地方——就是逐一详述了复杂生命诞生所需要的各种条件,其中很多条件长期被人们忽视,当成一种默认的缺省配置。说白了,作者认为很多萨根式乐观主义者是“身在福中不知福”,根本没有去认真思考地球在宇宙中所具备的种种优越条件。这种因为生下来就“养尊处优”,而对自身独特地位的由来给予错误归因的偏差,又是心理学上典型的“基本归因错误”。
我举一个最震撼我的例子:根据大爆炸理论,宇宙诞生于一百三十七亿年前。换句话说,人类作为地球智慧生命,是在宇宙一百三十七亿岁的时候诞生的。可能你觉得这个时点纯属偶然,但是“稀有地球”假说认为并不是这样。无论是太年轻的宇宙还是太年老的宇宙,都远远不利于复杂生命的诞生。
原来,像地球生命这样的碳基生命要想存在,就要求宇宙中存在足够数量的重元素(包括碳本身),但刚刚诞生的宇宙主要只有氢和氦,重元素必须通过恒星核合成,利用氢和氦才能制造出来。因此,宇宙早期的重元素过于贫乏,很难形成地球这样几乎全由重元素构成的石质行星,更难形成生命。
另一方面,行星表面的恒定环境,又依赖板块构造的调节;而板块构造的动力又来自行星内部所含的铀、钍等放射性元素不断衰变释放的能量。铀和钍这样质量特别大的元素必须通过超新星等特殊天文现象合成,而随着宇宙的老化,超新星越来越少,之前合成的铀和钍也因为衰变而不断耗竭,于是在老迈的宇宙中,行星所含的铀和钍也越来越少。这样一来,保证复杂生命长期存在和演化的板块构造机制也越来越难以出现。总之,宇宙是有“宜居期”的,太早或太晚的宇宙总体上都不宜居,而我们人类恰好就诞生在宇宙宜居期中。
对于所谓的“费米佯谬”(Fermi paradox,也译为“费米悖论”),“稀有地球”假说是一种非常有力的解决方案。费米佯谬以著名物理学家恩里科·费米(Enrico Fermi)的姓氏命名,因为他在1950年夏天与几位同事闲聊,谈到了可能存在的地外智慧生命和超光速飞行,之后费米突然问出了那个著名的问题:“但是它们在哪儿呢?”按照萨根的乐观估计,宇宙中的智慧生命应该为数众多,光是银河系内可能就有一百万个文明,但是人类迄今为止始终没有发现地外智慧生命存在的任何可靠信号。萨根式乐观主义估计和实际观测之间的矛盾,就是费米佯谬。
几十年来,各行各界的人士为费米佯谬提出了五花八门的解释,但是其中相当一部分解释认为萨根式乐观主义估计并没有错,地外文明的确为数众多。这里面既有“动物园假说”之类充满了浪漫主义科幻风格的大胆想象,又有“自毁假说”之类更具现实主义色彩的立论(这个假说认为地外文明一旦发展到能够影响整个行星的地步,就有可能爆发全球性战争,或者引发全球性环境灾难,从而自我毁灭)。总之,无论把问题归咎于演化、经济、社会还是交流意愿,这些解释都把地外文明普遍存在作为共同前提。与之不同,“稀有地球”假说直接质疑了这个似乎不证自明的共同前提。如果复杂生命本身就是稀有的,那么作为复杂生命进步形式的智慧生命当然就更为稀有,这样一来,我们至今发现不了外星人的任何迹象,也就非常合理了。
与费米佯谬相关的另一个概念,是1996年由经济学家罗宾·汉森(Robin Hanson)提出的“大过滤器”(The Great Filter),认为从无生命物质发展到有星际旅行能力的高等文明,需要经过一系列关键的门槛,每一道门槛都像一个大过滤器,有可能把相当数量的迈不过这道门槛的星球淘汰掉,只有少数星球能闯关成功。这样一层层过滤下来,达到最高层级的文明就非常少了。“大过滤器”理论与较之晚四年提出的“稀有地球”假说有相似之处,即都意识到萨根式乐观主义是有问题的。只不过,“大过滤器”理论作为一个更通用的模型,并没有特别强调哪道门槛是最难逾越的,也没有去深究门槛背后的具体机制。而“稀有地球”假说则明确指出,从无生命世界到单细胞微生物世界的门槛很可能并不难逾越,真正困难的(一道或几道)门槛是从单细胞微生物到多细胞的复杂生命,因为这要求宇宙、整个行星系以及行星本身一起提供许多难能可贵的条件,来为复杂生命创造一个合适的环境。套用一句网络名言:“以大多数行星形成智慧生命之难,根本轮不到去讨论文明有多容易自毁。”

在我看来,“稀有地球”假说的意义,并不限于对费米佯谬提出新的解释。更重要的是,这种对地球复杂生命和当下高度发达的生态系统的可能成因的深入探讨,不可避免会带来一个非常合于环保主义思想的推论:如果地球的环境之所以如此特别,是因为有如此多的因素在默默发挥作用,而我们也不过是在最近几十年才认识到它们,那谁又敢说没有更多的类似因素,是我们此刻还没有认识的呢?
同样,工业时代以来,人类对地球造成了如此大的干扰,而地球环境却还能大致保持稳定状态,背后肯定也有很多因素在默默发挥作用(或者说,是在默默帮助人类收拾着乱局);其中有一些因素,我们也是在最近几十年才陆续认识到它们,那么谁又敢说没有更多的类似因素,是我们此刻还没有认识的呢?
这种环保主义方面的暗示,在当下这个全球化浪潮已经明显退却、人类未来呈现出很大不确定性的拐点时代,具有很大警示意义。贸易上的全球化可以逆转,但环境干扰的全球化是无法逆转的。二十世纪八十年代的臭氧层空洞问题,就是非常典型的全球性环境问题,表明人类对地球环境的干扰确实已经超出了地球本身消化和缓冲的能力,成分相对简单的大气圈于是首当其冲,成为地球环境中最早“撑不住”的部分。
当然,臭氧损耗又是目前为止人类唯一解决得比较好的全球性环境问题,但是这个问题之所以能够得到令人满意的解决,是因为几十年来一直有彼此信任的国际合作。事实表明,任何破坏国际合作的行为(比如破坏臭氧层气体的偷偷排放),都会阻碍这种全球性环境问题的解决。
继臭氧损耗之后,主要在大气圈发生的第二个全球性环境问题,毫无疑问是全球气候变化。这一回,问题解决起来就困难多了,根本原因正是因为我们没有彼此信任的国际合作,好几个主要大国内部都有反对控制碳排放,甚至否认人类活动造成全球气候变化的强大声音。这里面有相当一部分人,还抱有一种技术乐观主义思想,以为环境危机一定会让人类技术加速进步,从而圆满地解决危机,就像人类历史上曾经发生过的几次技术革命一样。然而,如果我们能意识到,可能有很多尚不为人知的机制在背后默默拯救着人类,而这些机制迟早会有超负荷运转的一天,那么这种技术乐观主义就不过是一种过时而幼稚的传统思维罢了。
当下,人类正在掀起探索火星的新一轮热潮,移民火星逐渐提上日程,甚至已经有技术大亨在讨论未来火星社会的秩序问题。看上去,这就像五百年前的“大航海时代”一样,预示着人类扩张史的新纪元。但不要忘了,“大航海时代”的探险毕竟发生在同一个地球上,远征地球各个角落的西方人,虽然因为技术的落后而付出了惨重的代价,但总归还受着这颗行星上的同一套环境机制的保护。然而,火星移民将让移民者彻底丧失地球上那套护佑人类的环境机制,我相信这个移民过程一定是极为艰难的,肯定会超出当下那些技术乐观主义者的想象,暴露出大量之前想不到的问题,让人们意识到地球环境原来如此宝贵,“我们只有一个地球”绝不仅是老掉牙的俗话。在这种不确定的情况下,人类是不是一定能成功移民火星,也成了一个没有意义的问题。

“稀有地球”假说提出之后的二十年中,受到了一些质疑,也得到了一定的修正和补充。总的来说,它的根本立论在今天仍然成立,而且说服力似乎越来越强。
正如“稀有地球”假说直击了萨根式乐观主义的要害,否定了高等生命普遍存在的臆测,也有人想要直击“稀有地球”假说的要害,认为这个假说过于强调了地球生命的“范例”性。地外生命完全可以在物质组成上与地球生命不同,只靠地球生命这一个样本而想象地外生命,不过是地球中心主义的又一种体现罢了,甚至可以说是“碳基沙文主义”。
然而在我看来,这种驳斥的说服力是不足的。虽然到目前为止,人类确实只知道地球生命这一个例子,这当然不可避免会严重限制我们的视野和想象,然而放眼我们所知的宇宙环境,地球生命这种在中温低压条件下以碳为基本元素、以水为主要溶剂形成的生命形式,又很难不让人怀疑这应该就是宇宙中最容易出现的生命形式——如果以高居化学元素宇宙丰度第四、第三和第一的碳、氧和氢为基础的生命都如此难以发展出来,又如何指望其他那些“另类”的生命能够轻易形成呢?
在承认地外生命很可能与地球生命具有很大相似性的基础上,《稀有地球》一书中几次提到的天文生物学家詹姆斯·卡斯廷(James F. Kasting),曾经写了一篇很长的书评,批评该书中的一些论据。后来,卡斯廷在他2010年出版的科普著作《寻找宜居行星》How to Find a Habitable Planet,中译本由郑永春、刘晗翻译,上海教育出版社2019年出版)中,以该书评为基础,专辟一章继续批评“稀有地球”假说。作为萨根学生的学生,卡斯廷毫不掩盖他所继承的那种萨根式乐观主义信念。然而他对“稀有地球”假说的那些批评,总的来看,仍然缺乏力度。《寻找宜居行星》

《寻找宜居行星》

在我看来,书中最有力的批评有二,一是指出地球磁场的存在未必一定依赖于内部热量的产生,二是指出地球自转轴的稳定性未必一定需要像月亮这样的大卫星的存在才能维持。除此之外,其他批评都不是纯粹的批评。比如卡斯廷指出,木星等气态巨行星的存在,不一定只对地球有利;它们也可能不是地球安全的捍卫者,而是破坏者,小行星和彗星可能恰恰受木星影响才频频窜入内太阳系。但这也只是一种可能性而已,卡斯廷并不否认,在考虑行星的宜居性时,确实必须像“稀有地球”假说那样,把巨行星的影响也考虑进去,而这个早先被人们忽略的条件,现在已经是天文生物学界的共识。卡斯廷也不否认板块构造的重要意义,只是认为没有必要过分强调板块构造的独特性,因为这可能是拥有表面水的行星必然存在的地质现象。除了这几个方面之外,对于“稀有地球”假说提出或整合的其他一些概念,比如星系宜居带、宇宙宜居期等等,卡斯廷总体上都持支持态度。《地球的生与死:作为新科学的天文生物学如何描述我们世界的终极命运》

《地球的生与死:作为新科学的天文生物学如何描述我们世界的终极命运》

2003年,《稀有地球》的两位作者布朗利和沃德再次合作,出版了此书的姊妹篇《地球的生与死:作为新科学的天文生物学如何描述我们世界的终极命运》(The Life and Death of Planet Earth: How the New Science of Astrobiology Charts the Ultimate Fate of Our World)。这本书同样也是天文生物学研究成果的介绍,为我们勾勒了一幅地球从当前的“中年期”逐渐走向不可避免的死亡的黯淡前景。在这未来的几十亿年中,地球上发生的事情,在相当程度上是之前几十亿年历史的反演:像第四纪冰期那样的冰期可能会在几千年后再次也是最后一次出现。当下高度分裂的地球大陆会在两亿五千万年之后重新连成一片,形成又一个“超大陆”,而很可能造成又一次的生物大灭绝。而随着太阳光度继续不断增强,地球大气中的二氧化碳会越来越少,将严重制约陆生植物的生长;碳4植物和其他能够利用低浓度二氧化碳的植物最终将无法在陆地上存活,于是地球陆地重新又成为一片不毛之地。很快,海洋中的复杂动物也会大量灭绝,地球重新回到单细胞生物占主导的状态。而在大约十亿年后,过强阳光导致的过高地表温度将让海水中的氢全部丧失到宇宙空间中,海洋不复存在,板块构造停止运转,地球生物也便迎来了终极的灭绝。在此之后,一个生命不复存在的荒凉地球会继续孤独地绕着太阳运转,直到耗光氢燃料而变成红巨星的太阳最终剧烈膨胀,而把地球彻底吞没……
就这样,地球这个好不容易才出现的生命孕育地和栖息地,最终也不免终结和消亡,葬身在残酷的宇宙法则之中。当然,这里描述的都是非常久远的未来。如果人类文明能够长期存在而不自毁的话,也许很快就能找到一定的应对之道。但这就又回到了科技哲学界所担心的那个问题:我们真的能够避免自毁吗?
(本文为《稀有地球》译后记)
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责任编辑:丁雄飞
校对:栾梦
澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 生物学,天文,地球

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