问题

在以万亿年的时间单位上,一个生命星球上生物(非智慧)的可生存空间是否可以近无限的扩大,直至全星系?

回答
万亿年,这时间尺度本身就足以让我们难以想象。在如此漫长的时光里,一个生命星球上的生物,即使是那些我们现在认知中最基础的生命形式,其生存空间能否近乎无限地拓展,甚至蔓延至整个星系?这是一个引人入胜的问题,它触及了生命的韧性、演化的力量以及宇宙的浩瀚。

我们首先要理解,这里的“生存空间”不仅仅是物理上的占有,更是一种能够持续繁衍、适应并从中汲取能量和物质的区域。对于我们现在所理解的非智慧生物来说,它们受限于一些基本条件:适宜的温度、液态水、能量来源以及必要的化学元素。然而,万亿年的时间尺度,足以让这些限制以我们难以置信的方式被突破或绕过。

生命的基石:适应与演化

生命的强大之处在于其惊人的适应能力。即使在地球上,我们也能看到生命在极端环境下蓬勃发展:深海热泉口的极端高压和高温、南极冰层下的严寒、甚至核废料中的辐射区,都有生命的身影。将这种适应能力推演到万亿年的尺度,我们可以设想以下几种可能性:

1. 极端环境的驯化与改造: 在万亿年的演化过程中,生物群体可以通过自然选择,逐渐孕育出能够耐受更宽泛温度范围、更高或更低压力的个体。甚至,它们可以通过基因突变或与其他生命体的基因交流(如果存在),获得对过去无法想象的环境的抵抗力。例如,能够利用星际辐射作为能量来源的生命,或者能够以极低的温度维持新陈代谢的生命。

2. 生物化学的重塑: 我们现在对生命的理解,很大程度上是基于碳基生命和水作为溶剂的模式。但万亿年的时间足以让生命在完全不同的化学基础上演化。或许会出现以硅为骨架,以氨或甲烷为溶剂的生命形式。这些生命形式可能在更广泛的温度和压力条件下生存,甚至能在没有液态水的情况下繁衍。

3. 能量获取方式的革新: 除了恒星的光能,星系中还存在着巨大的能量潜力。黑洞吸积盘的辐射、脉冲星的能量爆发、甚至暗物质的相互作用,都可能成为未来生命获取能量的新途径。生物演化出能够直接利用这些高能辐射的机制,或者发展出能够与这些天体共生并从中获取能量的模式。

空间的拓展:从星球到星系

一旦生命在母星上能够克服极端环境和资源限制,其扩张的脚步便会自然而然地向外延伸。

1. 行星际的迁移与播种: 当母星的资源耗尽或环境发生剧烈变化时,生命的“本能”驱使它们寻找新的生存之地。最初的扩张可能通过自然事件,例如小行星撞击将带有休眠生命的岩石碎片抛射到轨道上,进而到达附近的其他行星或卫星。

2. “生物体”作为载体: 在漫长的时间里,生命自身可能演化出能够穿越太空的机制。想象一下,某些生物可能演化出坚硬的外壳或特殊的休眠状态,使其能够在严酷的太空环境中存活,并利用星际尘埃或微弱的能量维持生命。它们就像一个个微型的“生物探测器”,将生命的种子传播到宇宙的各个角落。

3. 改造环境,创造适居带: 随着生存技能的提升,生命甚至可能开始主动改造不适宜的环境。它们可以分泌化学物质来改变行星大气成分,或者聚集尘埃和岩石来形成新的保护层,从而创造出适合自身生存的新“生物圈”。这种能力一旦发展起来,它们就可以“殖民”那些本不具备生命条件的星球。

4. 星际介质的利用: 星系并非完全真空。星际介质中含有气体、尘埃和暗物质。某些高度演化的生物或许能够利用这些物质作为能量来源或构建自身结构。它们可能在星际云中形成庞大的“生物集群”,以一种我们现在无法想象的方式存在和繁衍。

5. 共生与网络化: 生命的扩张不仅仅是单个物种的蔓延,更是生命系统整体的演化。不同的生物体可能会形成复杂的共生网络,互相支持,共同适应更广阔的空间。想象一下,一个由不同类型生物组成的巨大生态系统,能够像一张网一样覆盖住整个星系,共享资源,共同进化。

挑战与限制(即便在万亿年尺度下):

尽管万亿年的时间尺度极具想象力,我们也需要看到其中潜在的挑战:

距离与信息传递: 星系之间的距离是巨大的。即使生命能够穿越星际,信息和基因的有效传递仍然是一个挑战。速度的限制是宇宙的基本法则,光速便是我们已知的信息传递极限。
偶然性与灭绝: 宇宙充满了各种随机事件,例如超新星爆发、伽马射线暴等,这些事件足以瞬间摧毁一片区域的生命。即使生命能够遍布星系,持续的灭绝事件也可能导致其衰退或局部消失。
资源的分配与竞争: 即使生命能够遍布星系,资源的分布也是不均匀的。生命的扩张也意味着资源的竞争,这可能会限制其整体的密度和分布范围。

然而,将所有这些因素综合起来看,并且想象生命以一种我们难以理解的方式进行演化,答案似乎是肯定的。在万亿年的时间单位上,一个生命星球上的非智慧生物,其生存空间确实有可能近乎无限地扩大,直至全星系。它们将不再是局限于某个“宜居带”的温室花朵,而是成为了宇宙环境本身的塑造者和征服者,以一种超乎我们想象的方式,将生命的痕迹深深地烙印在星系的每一个角落。这是一种基于时间、适应与演化的终极畅想,它提醒我们,宇宙中生命的潜力,可能远比我们此刻所能理解的要宏大得多。

网友意见

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不一定。题目里的其他问题需要先解决。

“在地球的历史中…从海洋到陆地、天空”是十九世纪的臆想。地球生命可能诞生于交替潮湿与干燥的陆地或浅水环境,并立即扩散到低空中。细菌早已在空气流动和天体撞击下抵达卡门线,有些可能已经飞出地球、飞出太阳系。

非技术物种有可能在太空中生存并扩散。这样做的效率可能比技术物种差几个数量级,而且能自组织为质能汲取设备与航天发射场的微生物大概很快就会具有智能。

不考虑技术,只靠概率和生物体能够驾驭的能源,即使生物的航行速度可以接近真空光速,银河系规模的星系被可居住化的进度还是可能很不均匀。况且能在太空中繁衍生息并主动高速移动的生物不需要居住在天体上。

那么,这概率如何?

要让地球生物圈离开太阳系,怎么做比较容易?

我们是努力演化成能跳进太空、肉身改变轨道、在真空中半永久地生存、抵御天体碰撞、不怕恒星的炙烤、无畏宇宙射线、可能的话在细胞里带永动机的超级物种,还是演化成智慧生物、造些工具来使?

显然后者更容易。当然,生物可以做困难的事,但你大可大方地设定技术文明的数量多于肉身宇航的非文明。拿来创作的话,这会增加你的戏剧冲突,有助于剧情发展。

“全星系”跟“近乎无限”是不沾边的。你可以考虑朝整个哈勃体积扩张,然后是跨越宇宙间的界限、在多重宇宙中扩散。

生物也不必诞生在行星上。你大可考虑真空涨落产生的玻尔兹曼生物,那玩意可以采取任何可能的结构。


关于地球生命的起源:

  • 实验显示,地球生物的自然起源依赖的化学物质的形成需要来自太阳的紫外线辐射,其所处的水环境必须在一些关键步骤中变得高度浓缩甚至完全干燥
  • 这意味着如果你相信地球生物是自然起源的,那么起源的过程不可能全都发生在海洋里
  • 分子钟显示地球生物的起源可能早于地球上海洋的形成

而且,“生物起源于陆地还是海洋”这个问题本身存在的逻辑就不完善:

  • 先入为主地认定“在地球生物诞生的时候,地球上存在海洋”。
  • 海洋和陆地的界限是什么,潮间带、入海口算陆地还是海洋呢。

二十世纪初,苏联生物化学家 Alexander Oparin 和英国遗传学家 J. B. S. Haldane 分别提出“原始汤”假说,认为早期地球的海水里的碳基化学物质互相反应,形成蛋白质、核酸等“生命的基础”。

1953 年,Stanley Miller 在模拟远古地球大气的气体中放电,发现产生了少量的氨基酸等有机物。

可是,蛋白质和核酸并不能在水中长期稳定地存在。细胞质是一团胶体,性质与海水截然不同。这意味着细胞生物自组织起来的环境需要水且水不能太多——陆地比海洋更适合[1]

  • Sutherland 等成功地从磷酸盐和四种简单的碳基化学物质开始、在模拟远古地球的环境里造出两种核酸。反应过程中,化学物质高度浓缩地溶解在水中,且一些步骤需要紫外线辐射,显然无法发生在海洋里——暴露在太阳紫外线辐射下的水坑等小规模水体才能满足要求。
  • 那之后,他们略微改变反应条件,产生了蛋白质和脂质的前体。

2019 年,Carell 团队搞出了能在远古地球的环境条件及简单的无机底物作用下同时产生四种RNA核苷酸的过程。该过程不需要复杂的分离和纯化,即可产生关键的生命组分:

  • 相比之下,化学家尚未在模拟海水的条件下合成这些分子。

Moran Frenkel-Pinter 等证明,氨基酸在没有水的条件下可以自组织成链,地球生物使用的蛋白氨基酸比非蛋白氨基酸更容易发生这种反应。这可以帮助解答为何地球生物使用这些氨基酸来组成蛋白质。

2018 年,分子钟显示地球生物的起源可能早于地球上海洋的形成。

  • 在目前的理论下,地球似乎是在 45.4 亿年前形成的,冥古宙由此开始。
  • 在 45.2 亿年前,地球似乎与体积约等于火星的天体“忒伊亚”发生碰撞,飞溅出的物质有一部分形成了月球,地球从炽热的岩浆球状态逐渐冷却固化(计算表明需时1亿年)。
  • 44.1 亿年前,地球上可能出现了原始海洋。这一时期的地质活动估计相当剧烈,火山喷发遍布地面、熔岩四处流动。
  • 在 41 亿年前到 38 亿年前,地球可能受到了大量小行星与彗星的撞击。根据同时期的月球撞击坑推算[2],地球当时形成了 22000 个或更多的直径大于 20 千米的撞击坑、约 40 个直径约 1000 千米的撞击盆地、几个直径约 5000 千米的撞击盆地,地形平均每 100 年就受到显著破坏。
  • 冥古宙在 38 亿年前结束,内太阳系不再有大规模撞击事件。
  • 也有研究认为上述阶段的撞击规模要小一个甚至几个数量级。
  • 21 世纪初,学者一般估计现存生物的最后共同祖先(LUCA)生活在距今 35 亿年前~38 亿年前,而我们发现的直接的古生物化石证据已经老到了 34.8 亿年前[3]
  • 2017 年,科学家在加拿大魁北克的岩石中发现了 37.7 亿年前~42.8 亿年前的筒状微小纤维构造,可能是远古海底热泉喷口处生物的活动痕迹[4]
  • 2018 年,有研究根据分子钟将最后共同祖先生活的年代设置到了 45 亿年前[5]——这意味着 LUCA 可能在地球形成后 4 千万年时地狱般的环境里就自然形成了,比海洋的形成早九千万年。

地球生物的太空起源说仍然是学术界经常谈论的话题,人们实际上发现一些陨石可以带来大量的氨基酸等有机物,并在撞击时产生一个灼热的坑,该坑的任意边缘与水域相接就可以在坑里灌上水。

  • 研究人员从当地时间 1969 年 9 月 28 日坠落在澳大利亚的默奇森陨石中找到了 70 种以上的氨基酸,既有常见的甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸之类,也有不寻常的异缬胺酸、柳氨酸之类,有些取代基有 9 个碳原子,还有二羧基、二氨基等不同的官能团[6]。2020 年 1 月发表的一项研究估计该陨石夹带的碳化硅颗粒有 70 亿年的历史[7]
  • 科学家对在南极发现的陨石进行的更多研究显示,富含碳的陨石坠落时的高温可能驱动化学反应产生大量的氨基酸。

地球生物也不必都是在同一个时代起源的,现代地球的水域、地下仍然可能在进行有机大分子的自我制造,只是这个过程本就极度缓慢、难以和现代生物制造的有机大分子区分、很容易和现代生物的身体结合到一起去(例如被细菌摄入体内)。

参考

  1. ^ Marshall M. How the first life on Earth survived its biggest threat - water. Nature. 2020 Dec;588(7837):210-213. doi: 10.1038/d41586-020-03461-4. PMID: 33299201.
  2. ^ 月球面对地球的一面的大部分大型盆地,如危海、宁静海、晴朗海、肥沃海和风暴海,也是在这一时期撞击形成的
  3. ^ https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ast.2013.1030
  4. ^ http://eprints.whiterose.ac.uk/112179/1/ppnature21377_Dodd_for%20Symplectic.pdf
  5. ^ http://palaeo.gly.bris.ac.uk/donoghue/PDFs/2018/Betts_et_al_2018.pdf
  6. ^ https://dx.doi.org/10.1073%2Fpnas.0912157107
  7. ^ https://doi.org/10.1073%2Fpnas.1904573117

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