结论:可能性很大。
警告:如果你看三体,把其中的假设和想象当成科学,这篇文章将非常不适合你阅读。(大卫亚设)。
如果想拿三体反驳我,那我只能劝一句:不要回复!不要回复!!不要回复!!!————————————————————————————————
首先反对说宇宙很大所以地球不可能是最先进文明的,反对说我们不知道生命诞生的条件所以地球不可能是最先进文明的。这两套说辞基本是一个意思,就是我们对宇宙和生命诞生的条件是无知的。但是,从“不知道”我们得不到任何结论,你不能从“不知道”得出地球不可能是最先进文明的结论出来。
我一度也对地外生命非常感兴趣,发现学界探索地外生命的时候有一个非常重要的指标:这个星球有没有液态水。我也质疑过这个指标,为什么生命不能从其他液态里甚至不从液体里诞生?
后来我想明白了,碳基生命+水环境+氧气很可能是生命诞生和进化的唯一方式。下面我们来逐一分析为什么。
------------------为什么生命基本元素只能是碳?----------------------
首先我们要有一个共识,最原始的“生命”是偶然出现的能自我复制的大分子。想要经过频繁的反应诞生这样的分子,只有溶液中才行。所以最原始生命必定诞生在液体中。
其他元素形式的生命不止一次被提起过,提得最多的就是硅基生命和氨基生命(或者称氮基生命)。
首先硅的化学键键能相比碳太弱,意味着硅基物质大分子链容易受力而断裂,这无疑对生命是不利的,这样的结构就算产生了可以自我复制大分子物质,也很难保持分子的稳定性。因此目前发现的硅基高分子材料大多是硅氧键的交替组成的。我不是学化学的,对硅基高分子非常有限地了解源于以前给自己笔记本清灰的时候买导热硅脂然后随手百度了一下。刚刚特意查了资料,结论应该是没错,如果有错误请专业人士指正。所以基本可以否决硅基生命的存在。
而氨基生命就更像是一个想象力的产物了,一个氮只能产生三个化学键,而一个碳有四个,这意味着以氮为中心原子能够组成的大分子形态是非常受限的,不仅仅是分子形态受限,当分子中一旦出现不饱和键,就表示到了大分子链的终结,更别说成环了。加上氮元素在宇宙中分布稀少,氮氮键难以打开。这些不利因素基本就否定了氨基生命的存在。
综上,碳是唯一能诞生生命的基本元素。
--------------为什么生命只能诞生在水里,并且靠氧气呼吸?--------------
要明白一个星球上地表的物质不是随机出现的。所有的地表物质本质都是宇宙中游离的元素,然后被引力聚集在一个星球上,然后合成各种物质,这个和各个元素在宇宙中的丰度有关。拿地球为例,地球上原始的元素非常普通,基本全都是宇宙中丰度最大的元素:氢,碳,氮,氧。于是这些元素开始组合,形成了甲烷,氨气,水。由于氢的丰度远大于其他,所以还有大量的氢气在原始地球大气中。同理,假如有一个星球很奇怪聚集了大量的氯,那大气中就会有氯化氢。
铺垫完了,我们首先分析为什么生命一定诞生在水里。其实可能诞生生命的液体候选人就不多,宇宙中不会大量生成复杂结构的分子结构,否则违背热力学第二定律。宇宙里常见的分子其实种类并不是很多,最常见的是氢气,一氧化碳,水,氨,甲烷,硫化氢,氖。其他的,氯化氢氟化氢硫化氢元素丰度太低,并且会和岩石反应结合,后面会有解释。乙醇,氯仿这类的不要想,自然界生成不了那么复杂的东西。液一氧化碳,液氢也不可能,温度太低了。
目前地球上没有发现任何不需要水的生命,说硫化氢甲烷生命的,再去看看新闻,大多是替换了太阳能,没有替换水和碳的
第一个原因是水能稳定行星上的温度,进而保证水能维持在液态。由于氢键存在,水的比热容非常大,自然界的小分子物质中比热容比水大的寥寥可数。如果一个星球富含水,那么海洋就是一个热量存储器。白天把恒星的能量存储起来,晚上再释放出来,使星球的昼夜温差不至于特别大,生命才能得以产生。没有水的星球,昼夜温差可达几百度,非常不适合生命诞生。就算有其他液体存在,这几百度的温差很可能已经超出了液体的沸点或者熔点,在固液气中转换,这是原始生命无法承受的。最简单的例子就是月球。
还有一种情况,如果一个星球上气压很大,气体的液态温度范围可以扩大。在常温下加压,会进入超临界态,超临界态应该也有诞生生命的条件。但是宇宙中大概率没有能够诞生文明的超临界态环境,如果展开分析篇幅还会扩大。这里只说结论:固体行星质量有上限,不能大到使甲烷和氨气进入超临界态。气体行星可以进入超临界态,但是没有陆地,却缺少进入文明的条件。
当然,如果环境比较巧合,星球上也可能有稳定的其他液体稳定存在。比如土卫六,众人熟知的灭霸老家泰坦星,虽然离太阳很远,但是靠近土星这个大气体行星,靠着土星释放的温度,竟然也能维持温度相对稳定,以至于土卫六上出现了甲烷的湖泊海洋河流云层,还会下甲烷雨。那既然土卫六有了稳定的液体,为什么还是不能诞生生命呢?这就要说到第二个原因了。
第二个原因,诞生生命的液体是原始生命各种化学反应的中间产物和原料。原始的生命要自我复制,必然需要很多反应物的,那这些原料从哪里来?理所当然地从自己诞生的这片海洋里取。然后自此发展出的高等生命所有的生化反应还是在同样的环境中进行,反应物也不会变化。我们人类诞生自水中,所以身体70%是水,所有的生命活动都在细胞内的水中完成,水也参与几乎所有重要生命活动。
说回土卫六,为什么甲烷海洋无法诞生生命。前面我们已经分析了,碳基生命几乎是唯一可能的生命。我们假设土卫六上出现了一个非常耐低温的碳基生命,那么甲烷一定参与了他们的生命活动。甲烷要参加反应,就要把甲烷中的碳氢键断开,组合到其他分子上。那么问题来了,甲烷分子没有极性和氢键,甲烷上的碳氢键相比生命大分子的碳氢键并不特殊。那么为什么断碳氢键的时候只会断甲烷的,而不会断碳基大分子的碳氢键呢?化学可不会分辨敌我,只要满足条件,该断的键统统会断掉。如此一来,这种甲烷里诞生的生命基本很难维持稳定。
第三个原因,诞生生命的液体,应该是有“氧”呼吸的产物。第二个原因否定了甲烷,那如果一个星球巧合出现了液氨海洋,可能出现高等文明吗?我认为是不会的。首先,我们来看一下一个星球上出现液氨海洋的条件。
众所周知,氮元素在宇宙中丰度相对碳氧很低。一个星球上甲烷和水的量肯定大于氨。如果要出现液氨海洋,甲烷和水都必须以固态或者气态形式存在。我们来看一下氨的一些性质,熔点-77℃,沸点-33℃。甲烷熔点-178℃,水熔点0℃。恰好如果一个行星距离适中,比如我们的火星,温度能维持在-5℃到-80℃之间。这时候,甲烷是气体,水是固体。只有氨可能是液体,一个可能存在液氨海洋的星球就准备好了。
但是,氨的比热容只有水的三分之一,而液态温度区间只有30℃。拿地球为例,如果我们的海洋全是液氨的话(当然这是不可能的,没有哪个星球上氨的比重会那么大),我们的昼夜温差会比现在高3倍,远超出了氨的液态温度区间。也就是说大概率液氨海洋无法稳定存在,白天是海,晚上凝固了,或者晚上是海,白天就全气化了。
出现液氨海洋的可能性虽然很低,但也并非全无可能,如果星球上气压比较高,有可能拉长液态的温度区间(这里我记错了三相图,只有增大压强才能延长液态温度区间)。我们就假设有一个星球有这么一片海洋吧,虽然没人见过。
我们来假设一下这片海洋里出现了碳基生命,并且在进化,看看出现高等生命的可能性有多大。这些生命进化历程中肯定也会面临一个问题,就是无氧呼吸效率太低,要进行有氧呼吸才能加快进化速度。那么他们的“氧气”是什么呢?
氧气肯定不行了,呼吸的产物是水,在这种生命体内就结冰了。别忘了他们可是生活在-77℃到-33℃的环境里。除了氧,还是有什么可以当“氧气”呢?供选择的元素真的不多。
碳肯定不行,没有气体单质;
氮气好像不错,呼吸的产物之一是氨,正好是生命最需要的,可问题在于氮气化学键键能非常大,打开氮氮键需要太多能量,靠氮气给生命供能,根本入不敷出啊。那还有什么元素可以选?
氟?不好意思,丰度低得可怜,而且氟化氢已经和星球的硅酸盐结合成萤石了(固态星球的最基本成分就是硅酸盐,这点是共识,不要杠)。
氯?不好意思,丰度低得可怜,而且氯化氢已经和星球的硅酸盐结合成氯化物了。
找了一圈,根本没有可以呼吸的气体啊!得了,还是继续无氧呼吸吧。而无氧呼吸的生命,能发展出高等生物的可能性太低了。现在地球上无氧呼吸的生物都是细菌。而对于氧气的分析同样适用于诞生在甲烷中的生物。
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至此分析完了,可以得到结论,碳基+水+氧气几乎是生命诞生和进化唯一形式。我一开始也觉得可能可以靠其他元素呼吸,后来一想不太可能。
须知从地球诞生开始,到生命诞生在水中,到有氧呼吸动物出现,所有环节都是环环相扣,没有哪个环节是和其他环节脱离的,这是一个完整的系统。如果要把其中哪一个环节换掉,就要把整个系统都换掉。迄今为止,应该是很难找到能像地球生命这样自洽的生命诞生系统了。所以很多人说为什么不能靠氯呼吸,为什么生命非要诞生在水中,就有些一叶障目不见泰山了。