第一个「有生命的星球」是什麼樣子？

當人類仰望星空, 那些閃爍的光點總能引發最深處的遐想, 在宇宙的某個角落, 是否存在着與我們相似或截然不同的生命形式。 這種猜想並非空穴來風, 地球在宇宙中似乎並無特殊之處, 它只是一顆圍繞普通恆星運轉的岩石行星, 卻孕育出了從單細胞生物到人類文明的複雜生命譜系。 生命在地球上的成功演化, 讓我們有理由樂觀地推測, 如果構成生命的化學元素遍佈宇宙, 且支配物質運動的物理法則在全宇宙統一, 那麼生命或許不該是地球的專屬。 正如天文學家卡爾薩根所言, 宇宙比任何人所能想象的還要大, 如果只有我們,那豈不是太浪費空間了? 在探索潛在宜居星球方面, 人類在過去幾十年裏取得的成就幾乎令人難以置信。 就在1990年, 我們還不知道太陽系之外存在任何已確認的行星, 而如今,已確認的系外行星數量已超過5000顆, 從超級木星到小於地球的行星種類繁多。 許多較小的行星圍繞着穩定的內日恆星運行, 許多行星被認爲擁有稀薄的大氣層, 許多行星可能擁有生命過程所需的重元素, 許多行星是多行星系統的一部分, 其表面可能存在類似地球的溫度和壓力。 雖然地球可能是我們心目中理想宜居星球的模板, 但我們仍然可以設想許多與我們自身環境截然不同的情況, 這些情況也可能長期支持生命存在。 然而,地球的形成經歷了超過90億年的宇宙演化, 假設宇宙需要這麼長時間才能創造出宜居條件, 這種想法是極其不合理的。 如果我們以最少的假設來看待宜居性的最低要求, 那麼這些條件可能早在很久以前就已經出現了。 生命的原始化學成分是這個謎題的一部分, 但並非全部。 爲了形成一個宜居行星, 我們需要進行更深入的探索。 以下是我們應該瞭解的關於最早宜居世界的信息。 如果你想要一個宜居的星球, 首先需要的是一顆合適的恆星攻其圍繞運行。 雖然在某些情況下, 行星上的生命即使圍繞着一顆活躍且劇烈的恆星也能生存下來, 並在惡劣的環境下保持宜居, 但這種情況並不常見。 質量最低的恆星, 例如比林星這樣的紅矮星, 會爆發性地釋放藥斑和高能輻射。 任何潛在的宜居行星都可能面臨大氣層流失的風險, 直到這種劇烈的恆星活動平息下來爲止。 對於質量最低的恆星來說, 這個過程所需的時間比宇宙目前的年齡還要長。 雖然我們可以設想這樣一種情況, 強大的磁場,厚厚的大氣層, 以及足夠聰明的生命能夠在藥斑和輻射事件發生時尋找庇護。 所有這些因素結合起來, 或許可以使這樣的星球長期保持宜居, 但在宇宙早期階段, 很難想象這樣的星球上能夠存在繁榮的生態系統。 換句話說, 如果我們想要尋找第一批可能存在生命的行星, 我們應該尋找那些能夠儘快達到穩定狀態的恆星, 因爲這些恆星不會玻璃, 原本可能適合生命存在的行星的大氣層, 也不會用NAS射線和藥斑照射它們的表面。 事實證明, 恆星質量越大,就越快進入穩定狀態, 它不會頻繁地爆發藥斑, 不會大量發射高能NAS射線輻射, 也不會以巨大的爆發形式釋放恆星風, 粒子和其他玻璃大氣層的效應, 從而阻礙軌道行星的宜居性。 此外, 恆星質量越大,釋放的總能量就越多。 綜合這些事實,我們可以推斷, 如果能量是生命所需的動力, 那麼這些恆星周圍的廣闊空間, 如果溫度恰到好處, 足以使內地行星表面存在液態水, 或許就是尋找生命的最佳地點。 但是, 如果恆星壽命太短, 宜居性就不可能存在。 此外, 如果恆星系統過於原始, 也就是說包含的重元素太少, 宜居性也不可能存在, 因爲生命過程所需的原材料根本就不存在。 如果我們想要一顆能夠孕育生命的行星, 我們需要一顆質量不太大, 壽命足夠長的恆星。 以便其軌道行星有足夠的時間演化出生命, 一個富含足夠重元素的恆星系統, 以便形成一顆具有核實化學成分的岩石行星, 同時, 這顆恆星的質量也要足夠大。 這樣恆星活動纔不會徹底摧毀任何試圖形成的生命。 第一代恆星及第三星足星完全不符合這些條件。 這些恆星平均質量非常大, 是太陽質量的十倍以上。 這意味着它們的壽命不是約一百億年, 而是隻有約一千萬年。 這個時間尺度太短, 無法滿足我們所需的條件。 此外, 第一代恆星是原始的, 這意味着它們內部幾乎不含重元素。 如果我們觀察大爆炸期間產生的氧和碳等元素的含量, 會發現其含量比目前觀測到的太陽中氧和碳的丰度低了數萬億倍, 而氧和碳是宇宙中第三和第四常見的元素。 事實上, 我們現在已經知道, 就化學丰度而言, 恆星周圍存在行星的大致預知是多少, 大約是太陽中重元素含量的百分之十到百分之二十五。 在已發現的五千多顆系外行星中, 只有百分之一點八的行星圍繞着重元素含量爲太陽四分之一或更少的恆星運行, 百分之零點二的行星圍繞着重元素含量爲太陽十分之一或更少的恆星運行, 零顆行星圍繞着重元素含量爲太陽百分之五或更少的恆星運行。 行星的形成需要顯著的化學復集, 而這不僅需要時間,還需要多代恆星的演化。 在一個富含重元素且恆星壽命足夠長的恆星系統中, 我們還必須認識到, 隕石撞擊率或重轟擊時期也會不利於生命的持續存在。 根據我們目前對自身太陽系以及其他恆星系統的最佳觀測, 這些條件大約需要五億年左右才能形成。 換句話說, 我們不僅需要千級代恆, 新的生老病死來創造足夠豐富的物質來形成岩石行星, 我們還需要時間讓這些行星演化。 那麼,爲什麼我們需要岩石行星呢? 就我們目前對生命的理解而言, 一個能夠孕育生命的星球需要具備以下條件, 能量梯度及能量輸入不均勻, 能夠維持足夠厚的大氣層, 地表存在某種形式的液態水以及合適的原材料, 以便在合適的條件下生命能夠生存和繁衍。 一顆足夠大的岩石行星, 如果形成時具有合適的大氣密度, 並且以合適的距離圍繞其恆星運行, 就有可能具備這些條件。 氣態巨行星的岩石衛星也有可能具備這些條件。 考慮到圍繞一顆新恆星可能形成的行星數量 以及每個星期中形成的恆星數量之距 前幾個條件很容易滿足。 圍繞恆星運行會產生能量梯度, 圍繞行星擁有巨大衛星的氣態巨行星, 或者僅僅是地質活動足夠活躍的行星也能產生能量梯度。 無論是來自太陽輻射還是水熱、地熱活動, 不均勻的能量輸入都很容易實現。 如果存在足夠的碳、氫、氮、氧、磷等元素, 濃厚的大氣,層就能使地表存在液態水。 具備這些條件的行星只需集一年就能形成, 但這些星球也需要足夠的時間讓其最初劇烈的環境趨於穩定。 這些必須的元素也必須易於獲取, 因此通常需要水環境, 在這種環境中磷和硫等元素可以與碳、氧和氮原子發生反應, 從而形成合適的化學物質。 如果這些環境是封閉的,例如潮汐池、 陸地上的淡水湖或其他淺水環境,那就更好了, 因爲原子和分子之間的碰撞會導致形成有趣的結合模式和結構。 如果沒有這些條件, 很難想象我們生命過程所需的生物化學反應是如何發生的。 我們還有必要探討一下這些條件首先會在哪裏出現。 在大型星系的邊緣區域, 可能需要數十億年的時間纔能有足夠多的恆星精力生亡並死, 最終達到所需的重元素丰度。 但在這些巨大星系的中心, 恆星形成頻繁且持續不斷, 並且利用的是前幾代超新星、 行星撞星雲和中子星合併產生的殘餘物質, 因此重元素丰度可以迅速升高。 即使在我們自己的銀河系中, 球狀星團梅西一六十九也表明, 當宇宙年齡只有七億年時, 其中的恆星就已經擁有相當於我們太陽百分之二十二的重元素含量, 這意味着在不到十億年的宇宙歷史中, 就已經接近了形成岩石行星和生命過程所需的條件。 然而,活躍星系的中心對於行星來說, 卻是一個相對難以被認爲是宜居的地方, 因爲伴隨而來的宇宙現象構成了必須考慮的危險。 凡是有恆星持續形成的地方, 都會發生一系列壯觀的宇宙現象, 伽馬射線豹、超新星、黑洞形成、 類星體和探索的分子云使得那裏的。 環境對於生命的出現和維持來說, 充其量也只能說是岌岌可危。 爲了擁有一個我們可以自信地斷言生命能夠誕生並得以維持的環境, 我們需要恆星形成過程戛然而止, 我們需要某種機制來阻止恆星形成, 從而徹底消除對行星宜居性最具威脅的活動。 這種機制很可能是來自恆星的反饋作用, 它會清除中心區域的氣體和塵埃, 不久之後,中、新黑洞也會從活躍狀態轉爲沉寂狀態。 正是由於這些原因, 最早、最有可能持續宜居的行星可能並不存在於像我們銀河系這樣的星系中, 而是存在於數十億年前就停止形成恆星的紅色死亡星系中。 當我們觀察今天的星系時, 大約99.9%的星系仍然含有氣體和塵埃, 這些物質會導致新一代恆星的誕生和持續不斷的恆星形成, 但大約千分之一的星系在一百億年前或更早的時候就停止了新恆星的形成。 當它們的外部燃料耗盡時, 這可能發生在災難性的星系大合併之後, 恆星形成過程會突然停止。 由於沒有新的恆星形成, 那些質量更大、顏色更藍的恆星在燃料耗盡後就會結束生命, 只剩下那些溫度較低、顏色更紅的恆星。 因此,這些星系如今被稱爲紅色死亡星系, 因爲它們所有的恆星都穩定、古老, 並且不受新恆星形成所帶來的劇烈活動的影響。 其中一個這樣的星系,NGC1277, 甚至就在我們相對較近的宇宙領域中。 依據行星的形成條件,最早可能需要以下步驟, 在大型星系的緻密區域內反覆快速形成恆星, 隨後發生一次重大的星系合併, 導致大規模的恆星爆發,清除氣體和塵埃, 緊接着恆星形成突然停止,並持續到無限遠的未來。 這樣,在大爆炸發生後僅十億多年, 就能形成擁有行星的恆星系統, 這些恆星的重元素風度與太陽類似, 而圍繞這些恆星運行的行星也已穩定下來, 不再頻繁遭受巨大的撞擊。 一旦這些條件具備,複雜的分子很可能會形成, 碰撞並形成各種各樣的結構。 當第一批覆雜分子同時滿足以下兩個條件時, 它們能夠從環境中代謝某種能量或營養物質, 並且能夠自我複製或繁殖, 那麼我們就可以說, 儘管這是一種許多生物學家不會將其視爲, 生命的源是生命形式, 但生命已經從非生命物質中誕生了。 那些生命能夠維持自身、生存、繁殖並長期存在, 而不是幾乎立即滅絕的星球, 將成爲宇宙中第一批有人居住的星球。 雖然地球的形成可能好時超過九十億年, 生命在地球上出現並繁榮發展也花費了數億年, 但我們可以確定的是, 在宇宙歷時僅超過十億年的時候, 就已經存在着類似地球、 擁有類似適宜生命存在的條件的行星。 這是一個極其快速且樂觀的估計, 但考慮到如今宇宙中有數萬億個星系, 其中一些星系必然會是宇宙中的特例和統計上的異常值, 使得生命出現的可能性比在平均水平的星系中更高。 剩下的問題是, 風度、擁、有所有必要成分和條件的潛在宜居行星出現的頻率是多少? 可能性在這些潛在宜居行星中, 最終有多少會真正孕育生命以及時間尺度? 這些行星需要多長時間才能形成? 生命又需要多長時間才能在它們上面出現? 生命甚至有可能在宇宙年齡達到11年之前就已經出現, 這種可能性仍然存在, 但我們的目標是持續的、穩定的宜居行, 而不僅僅是生命出現後又幾乎立即滅絕。 當宇宙年齡略低於20億年, 僅相當於其當前年齡的13%到14%時, 宇宙中應該已經存在許多星系, 其中擁有類似太陽的恆星、 類似地球的行星以及生命出現和持續存在所需的 所有必要成分和條件。 我們仍然需要探索的關鍵一步是 2、化地球以外行星上生命的普遍性。 一旦第一個生命世界出現, 我們可以確信, 更多生命世界將很快隨之而來, 很可能遍佈整個宇宙。 無論你身處何地, 大爆炸之後展開的宇宙故事都無處不在。 原子核、原子、恆星、星系、行星、複雜分子乃至生命的形成 都是宇宙中所有事物共同的歷史的一部分。 儘管所有這些事物在宇宙的不同地點、 不同時間形成很大程度上取決於溫度和密度等初始條件, 但隨着時間的推移, 它們最終遍佈宇宙的各個角落。 至少在地球上, 生命在宇宙的某個時刻誕生了, 最晚, 它也只在我們星球形成後的僅一年就出現了。 這意味着, 我們所知的生命最晚也出現在大爆炸後僅一百億年。 大爆炸發生之初, 生命是不可能存在的。 事實上, 宇宙在最初的時刻根本無法形成生命, 當時的條件和構成生命的要素都不具備。 但這並不意味着生命需要經歷數十億年的宇宙演化才能出現。 根據我們認爲生命從非生命物質中產生的必要原始成分出現的時間, 我們有理由相信, 最初的生命可能出現在宇宙年齡只有目前年齡的百分之幾的時候。 以下是關於生命如何在我們的宇宙中首次出現的最佳科學解釋。 在熾熱的大爆炸初期, 構成生命的原始物質根本無法穩定存在。 粒子、反粒子和輻射都以接近光速的速度運動, 瞬間摧毀任何可能偶然形成的束縛結構。 然而,隨着宇宙的演化, 它不斷膨脹和冷卻, 降低了其中所有物質的動能。 隨着時間的推移, 反物質湮滅殆盡, 穩定的原子核形成, 電子最終與原子核結合, 形成了宇宙中的第一批中性原子。 然而,這些最早的原子只有氫和氦, 不足以構成生命。 更重的元素,例如碳, 但氧等等, 是構建所有生命過程所依賴的分子所必須的。 爲此,我們需要形成大量的恆星, 讓它們經歷生老病死的循環, 並將核聚變的產物釋放回星際介質。 形成第一批恆星需要5000萬到1億年的時間, 這些恆星會形成相對較大的星團, 但在宇宙中最稠密的區域, 這些星團會通過引力吸引其他物質, 包括形成更多恆星和其他星團的物質, 從而爲第一批星系的形成鋪平道路, 到大約2億到2.5億年後, 不僅多代恆星已經經歷過生老病死, 而且最早的星團也將成長爲星系。 這一點很重要, 因爲我們不僅需要創造碳, 但和氧等重元素, 我們還需要創造足夠多的這些元素, 以及所有生命必需的元素, 才能產生多種多樣的有機分子。 我們需要這些分子 在一個能夠經歷能量梯度的環境中穩定存在, 例如在恆星附近的岩石衛星或行星上, 或者在海底存在足夠的熱液活動 以支持某些化學反應, 而且,這些環境需要足夠穩定, 才能使任何生命過程得以自我維持。 在天文學中, 所有這些條件都被歸納在一個術語之下, 金屬。 對天文學家來說, 金屬是指任何比輕或亥重的元素, 從鋰一直到元素週期表理論上所能達到的最高元素。 當我們觀測一顆恆星時, 我們可以測量來自它的不同吸收線的強度, 結合恆星的溫度和電力程度, 這可以告訴我們構成這顆恆星的不同元素的丰度。 將所有這些丰度加起來, 就得到了這顆恆星的金屬丰度, 也就是其中比純氫或亥重的元素的比例。 我們太陽的金屬丰度約爲1%到2%, 但這對於生命存在的必要條件來說似乎過高了。 即使恆星所含的重元素含量解爲太陽和太, 陽系其他天體的一小部分, 也可能擁有足夠的必要成分, 從而使生命成爲可能。 值得注意的是, 在過去的約20年裏, 我們已經探測到超過5000顆系外行星, 而從我們發現和未發現岩石行星的恆星系統中, 我們可以學到很多東西。 具體來說只有10顆系外行星 圍繞着種元素含量低於太陽10%的恆星運行, 只有32顆系外行星圍繞着種, 元素含量介於太陽10%到16%之間的恆星運行, 只有50顆系外行星圍繞着種元素含量 介於太陽16%到25%之間的恆星運行, 這意味着截至2023年初, 在已發現的5069顆系外行星中, 只有92顆圍繞着種元素含量低於太陽四分之一的恆星運行。 換句話說, 如果你想要形成岩石行星, 我們認爲這類行星可能孕育生命, 你需要充分負及星際介質,而這需要時間。 然而,請記住宇宙中恆星的演化過程, 恆星從宇宙早期就開始形成, 儘管最初的恆星形成速率很低, 但在宇宙歷史的前約30億年裏, 恆星形成速率持續增加。 隨着越來越多的恆星從已死亡的舊恆星的殘骸中形成, 種元素的含量以及形成擁有岩石行星的恆星系統的概率, 也隨着時間的推移而增加。 雖然大多數恆星要等到大爆炸後幾十億年纔會形成圍繞它們的岩石行星, 但第一批擁有岩石行星的恆星可能只需要大約十億年。 這些地方是宇宙中最早真正適合生命出現的地方。 那麼,關鍵問題就變成了如何? 生命是如何產生的? 知識生命從非生命物質中誕生的條件是什麼? 促成生命誕生的具體機制是什麼? 在生命得以維持自身,即能夠生存,繁殖並世代繁衍的地方又出現了哪些條件, 使得生物活動能夠長期不間斷地延續下去? 儘管我們尚未完全弄清地球自身生命史的答案, 但近年來我們取得了巨大的進展, 尤其是在生命從非生命物質中誕生的機制方面。 瞭解生命組成成分來源的最佳方法是觀察我們在太空中發現的小行星和彗星的成分, 以及那些倖存下來並墜落到地球上的隕石殘骸。 當我們研究這些原始天體時, 其中許多天體我們可以利用原子技術追溯到大約45.6億年前, 我們發現它們內部含有80多種獨特的氨基酸。 儘管地球上只有22種氨基酸參與生命過程, 其中許多氨基酸同時存在左旋和右旋形式, 而地球上參與生命過程的氨基酸全部是左旋的。 此外,還存在碳基有機分子, 從簡單的到中等的再到複雜的。 而且,最近我們發現, 構成DNA和RNA等分子中每個核甘酸核心的5種核鹼基也存在於隕石中。 雖然有些人聲稱, 如果將所有這些成分混合在一個原始湯, 可能會自發地產生自我複製的生命, 但這只是少數人的觀點。 相反,幾乎所有生物學家都更傾向於另一種觀點, 首先出現的是代謝具有營養價值物質的能力。 讓我們想象一下這可能是什麼樣子。 在任何擁有足夠液態水的星球上, 都會存在大量天然的水環境, 甚至存在於岩石或冰層下的地下海洋。 此外,還有以陽光和地熱形式存在的外部能量來源, 包括深海熱液噴口和熱液廠。 水中溶解着礦物質和離子, 以及各種各樣的分子, 包括多種可以結合在一起的氨基酸。 或許從熱力學角度來看最重要的是, 在各種界面處存在着化學非平衡狀態, 固態地殼液態水、液態水、火山岩漿以及液態水。 當氨基酸相互碰撞時, 它們會自發地形成和斷裂化學鍵,形成態鏈。 當離子附着到這些原始態上時, 它們就能促成酶的形成。 這些分子雖然脆弱易損, 但數量龐大,而且其組合的可能性, 由龐大到幾乎難以想象的組合數學決定, 令人歎爲觀止。 其中一些蛋白質僅僅是偶然形成的, 就會獲得執行特定功能的能力。 這些功能可能包括收集甚至囤積資源, 包括特定的態, 以某種方式分解、重組其他分子, 並在過程中釋放可用能量, 以及咬住其他有用的分子, 同時自身保持完整。 無論如何, 這些代謝態的自發形成幾乎是不可避免的。 接下來發生的事情,令人着迷, 也開啓了一個全新但令人震驚的研究領域。 最近的研究表明, 如果在水環境中存在覈鹼基, 例如RNA、DNA甚至PNA、鈦核酸, 這些核鈣酸會沿着態鏈上的各種氨基酸排列。 如果它們能夠與互補鹼基配對, 或者脫落並吸引額外的氨基酸, 它們就能以極高的準確度有效地複製原始態鏈。 這種被稱爲RNA態協同進化的機制, 是目前大多數研究生命起源的科學家認爲的, 以代謝過程爲基礎的自我複製最初出現的方式。 儘管並非所有生物學家都同意以下觀點, 一個自由漂浮的分子, 能夠代謝資源並進行自我複製, 就達到了生命而非非生命的門檻。 但這很可能代表了從簡單的化學過程 到生物過程的第一個具體步驟。 這些原始的代謝複製體可能同時存在, 彼此之間具有巨大的多樣性, 其中許多在演化過程中肯定已經滅絕。 這比地球上的普遍共同祖先, 甚至我們對細胞的認知都要早數一年, 甚至可能超過十億年。 儘管如此, 這仍然是目前科學界 關於生命如何在地球上起源的主流觀點。 由於我們有充分的理由 相信地球上的物理定律和構成物質的元素 在整個宇宙中普遍存在, 因此, 在任何我們能夠觀測到的地方 尋找這些相同的, 只聞是合情合理的。 在太空中, 無論是在星系中心, 巨大的新生恆星周圍, 還是在富含金屬氣體 並即將形成未來恆星的環境中, 我們都發現了大量複雜的有機分子。 這些分子種類繁多, 從糖類到氨基酸, 再到鉀酸移植, 以及複雜的方向聽, 這些分子被認爲是生命的前提。 當然, 到目前爲止, 我們只在附近發現了這些分子生物跡象, 但這僅僅是因爲我們尚不清楚 如何在銀河系以外的遙遠環境中 尋找單個分子的特徵。 然而, 隨着我們觀測距離越來越遠, 我們確實發現了一些星系, 甚至是一些早期星系的部分區域, 它們擁有合適的恆星群和金屬丰度, 使其成爲生命誕生的理想場所。 在最極端的情況下, 我們甚至在宇宙大爆炸後 11到21年內的區域 發現了可能已經存在生命的地方。 然而, 必須指出的是, 我們仍然不知道 宇宙中的生命是如何起源的, 也不知道我們所知的生命形式 是普遍存在, 極其罕見, 還是宇宙中獨一無二的現象。 但我們可以確定的是, 生命至少在我們的宇宙中出現過一次, 而且它是由前幾代恆星產生的重元素構成的。 如果我們觀察年輕星團和早期星系中 恆星的理論形成過程, 就會發現, 在極一年後, 這些重元素的丰度 就能達到生命所需的預值, 剩下的就是將這些原子 以有利於生命形成的方式組合起來。 如果宇宙能夠形成生命所需的分子, 並將它們置於有利於生命 從非生命物質中誕生的環境中, 例如富含水的岩石行星上, 那麼生命的出現可能發生在宇宙年齡 只有目前年齡的百分之幾的時候。 因此, 我們可以得出結論, 宇宙中最早的生命可能在大爆炸後的 最初一二十億年內就已經出現了。 一旦足夠多的恆星精力生老病死, 它們殘骸中的物質就會被融入新的恆星, 新的分子, 甚至新的行星中。 在合適的條件下, 只要聚集足夠的這些富含重元素的物質, 就足以使生命的出現幾乎成爲必然。