问题

地球生物与(类地)外星生物的演化方向是趋同还是趋异(相比原始形态)?

回答
这是一个非常引人入胜的问题,涉及到生命演化的根本规律。要回答地球生物和(类地)外星生物的演化方向是趋同还是趋异,我们需要先厘清几个关键点,并深入探讨其中的逻辑。

首先,我们必须认识到,我们对“外星生物”的认知,很大程度上是基于地球生命演化的经验和推测。我们并不知道它们是否真实存在,更不知道它们在何种环境下演化。因此,以下讨论将主要围绕“如果存在类地外星生物,它们与地球生物相比,演化方向更可能是趋同还是趋异”展开,并以地球生物自身的演化历程为对照。

理解“趋同”与“趋异”

在讨论之前,我们先明确这两个概念:

趋同演化(Convergent Evolution):指的是不同起源的生物,在相似的环境压力下,发展出相似的结构、功能或行为。最经典的例子是鸟类、蝙蝠和翼龙(已灭绝)都进化出了翅膀以适应飞行,尽管它们的翅膀结构和演化路径各不相同。
趋异演化(Divergent Evolution):指的是同一个祖先的后代,由于迁徙到不同的环境或占据不同的生态位,发展出不同的特征。例如,达尔文的加拉帕戈斯群岛的雀类,它们喙的形状和大小因适应不同食物来源而发生差异。

地球生物的演化:既有趋同也有趋异

地球生命演化的历程本身就充满了这两种现象的交织:

趋异是基础: 地球生命起源的初始形态(如果可以追溯到一个共同的最后普遍祖先,LUCA)是相对单一的。随后,随着地球环境的多样化(大陆漂移、气候变化、海洋形成等)以及生物对新环境的适应,生命开始分化,产生了我们今天看到的各种门类。这是典型的趋异演化,从一个起点向多个方向发展。
趋同是适应的必然: 在地球漫长的演化史中,生命为了解决相似的生存挑战,确实出现了大量趋同演化的例子。
运动方式: 鱼类、鲸类、已灭绝的鱼龙类,它们都在水中生活,为了高效游泳,都进化出了流线型的身体和鳍状的肢体,即使它们的祖先并非相似。
感官系统: 几乎所有能感知光线的动物,都独立地进化出了“眼睛”,尽管眼睛的结构(如相机眼、复眼)和工作原理在不同类群中有所差异,但其核心功能——捕捉和处理光信号——是趋同的。
捕食与防御: 锐利的爪子、锋利的牙齿、隐藏的颜色、毒液等,这些在不同独立演化谱系中反复出现,是为了在竞争激烈的环境中捕食或躲避捕食。

类地外星生物与地球生物的演化方向:一个充满未知但逻辑可循的推测

现在,我们来尝试推测类地外星生物的演化方向。

1. 驱动演化的基本力量:环境与选择压力

无论生命出现在地球还是其他类地行星,演化的核心驱动力——环境选择压力——很可能是普遍存在的。这意味着,为了生存和繁衍,生命体必须适应它们所处的物理和化学环境。

能量获取: 任何生命都需要能量。如果类地行星存在液态水(普遍认为这是生命的关键)和某种形式的能量来源(恒星辐射、化学能等),那么生命就可能围绕如何高效获取和利用这些能量而演化。
物质交换: 生命需要与外界交换物质以维持自身。这可能意味着需要某种形式的“吸收”或“摄取”机制,以及“排泄”机制。
复制与遗传: 生命之所以能演化,是因为它能复制自身,并将特征传递给后代,且复制过程中可能存在变异。

2. 趋同演化的可能性:解决方案的相似性

基于上述普遍存在的选择压力,我们有理由相信,类地外星生物可能会在某些方面与地球生物呈现出趋同演化的特征。

“最优解”的存在: 某些物理或化学问题,在特定的条件下,可能只有一种或几种“最优”的解决方案。例如:
运动: 如果行星有重力,并且生命需要移动以寻找资源或逃避危险,那么流线型的身体、用于抓取或推动的肢体等结构,可能会独立地演化出来。想象一下,一个在水体中生存的生物,无论其起源如何,如果需要快速游动,流线型是自然而然的选择。
感知: 如果存在光,并且光能够提供关于环境的信息(例如,食物的位置、危险的来源),那么“眼睛”的出现是极有可能的。即使其生物化学基础不同,感知光线和聚焦光线到感光细胞上的原理,可能会有相似的“工程设计”。
信息传递: 如果生命需要进行复杂的社会行为或交流,可能会出现某种形式的“通信”方式,这可能是通过化学信号(类似于嗅觉)、振动(类似于听觉)甚至是电信号。
信息存储: 任何能够遗传和适应的生命,都必须有信息存储和传递的机制。虽然我们不知道它会是什么形式,但 DNA 这样的复杂分子,可能只是众多可能的信息载体中的一种,或者存在某种程度上功能相似的替代品。

生物化学的可能性: 虽然碳基生命和水作为溶剂被认为是可能性最大的,但理论上也存在其他可能性。然而,如果一个类地行星的环境与地球相似,那么碳和水提供的化学多样性和稳定性,很可能使其成为生命化学基础的首选,从而带来更多的趋同。

3. 趋异演化的可能性:环境的多样性与历史偶然性

然而,同时我们也必须承认,趋异演化的可能性同样巨大,甚至在某些方面更加显著。

环境的独特性: 即使是“类地”行星,其地质历史、大气成分、引力、磁场、化学构成(例如,是否有生命依赖的特定金属元素)等都可能与地球截然不同。这些独特的环境条件会施加完全不同的选择压力,催生出我们难以想象的生命形态。
不同的大气: 如果大气层更厚或更薄,或者富含不同的气体,那么呼吸、飞行、甚至身体的结构都会大相径庭。
不同的重力: 高重力行星上的生物可能需要更粗壮的骨骼,或者演化出垂直分布的身体结构;低重力行星上的生物则可能更加轻盈,甚至发展出完全不同的运动方式。
不同的化学环境: 如果液态水缺乏,但另一种溶剂(如液态甲烷)存在,那么生命的化学基础和新陈代谢方式可能完全不同,比如硅基生命或以氨为溶剂的生命(尽管目前看来可能性较小)。
历史的偶然性: 生命演化充满了偶然性。地球生命最初的“偶然”事件,比如某个基因的突变、某个物种的崛起,都对后续的演化路径产生了深远影响。类地外星生物也必然会经历属于它们自己的“偶然”,这些偶然将引导它们走向与地球生命截然不同的演化方向。
生物“模具”的差异: 即使存在趋同的“功能需求”,但实现这些功能的“生物学模具”(基本体型、细胞结构、繁殖方式等)可能完全不同。例如,地球生命普遍遵循“细胞组织器官系统”的组织模式,这可能是某个早期通用祖先决定的,外星生命可能采取完全不同的组织方式。
起源的差异: 如果外星生命并不是从一个与地球 LUCA 类似的单一祖先演化而来,而是从多个独立起源的化学过程产生,那么它们的“原始形态”就已经是趋异的,后续的演化只会放大这种差异。

总结:一种混合的、动态的图景

总而言之,要简单地说地球生物与类地外星生物的演化方向是趋同还是趋异,过于片面。更准确的说法是:

在满足生存基本需求的“功能性”层面,很可能会出现显著的趋同演化。 就像自然界存在“最佳工程解决方案”一样,生命为了应对物理法则和环境挑战,可能会独立地发展出功能相似的器官、系统或行为。
但在实现这些功能的“具体形态”和“历史路径”上,很可能会展现出巨大的趋异。 行星独特的环境条件、生物学上的偶然性、以及起始的生物化学基础,都会导致生命演化出我们难以想象的、与地球生命截然不同的“模具”和“细节”。

所以,我们可以期待,如果我们发现了类地外星生命,它们可能会“像”我们一样会飞,会“看到”,会“捕食”,但它们的“翅膀”可能是独立进化的“假翅”,它们的“眼睛”可能由完全不同的化学物质构成,它们的“身体”可能根本不是我们熟悉的左右对称。

地球生物的演化本身就是一个例子,证明了在共同的祖先基础之上,环境压力会驱动趋同(例如,在陆地上,四肢用于运动;在空中,翅膀用于飞行),同时,迁移到不同生境又会驱动趋异(例如,生活在深海的生物与生活在浅海的生物形态差异)。

类地外星生物的演化,很可能也是这样一种深刻的趋同与壮丽的趋异交织的图景。它们可能在“解决问题”上与我们相似,但在“长什么样”以及“如何做到”的细节上,则会是我们最奇异的未知。

网友意见

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演化没有特定的方向,不是“从原始到进步”。

地球生物的“原始时期”可追溯到冥古宙,原始形态是一堆RNA分子、蛋白质分子乃至更简单的自我制造有机物。

前生命化学的挑战是从少数原始底物中追踪生命关键组成部分的合成过程。2020年9月,一支研究团队报告了一种正向合成算法,可在一般公认条件下从水、氮气、氨、甲烷、氢氰酸等底物开始生成完整的前生命化学反应网络,包含已报道的和先前未确定的通往生物靶标的途径、非生物分子的合理合成。其中一些反应是研究人员实验验证的[1]
该网络表现出3种形式的非凡化学反应:
-网络中的分子可充当下游反应类型的催化剂;
-形成功能化学系统,包括自我制造循环;
-产生与生物分化的原始形式有关的表面活性剂。
该研究显示,亚氨基二乙酸之类相当简单的分子就可以开始反复的自我制造

如果你关心的是形态、结构之类,无论起点相似不相似,演化会让生物出现极大的差异。

地球上的生物就可以证明“成功的物种往往是相似的”这句话是假命题。现存地球生物中,活细胞数最多的物种是遍在远洋杆菌,年生物量峰值最高的物种可能是玉米,拥有的破坏力最强的物种是晚期智人,在三者有共同祖先的情况下,其身体的构造和整体的造型差异巨大。“类地”这个限定对此没有任何用处。

  • 2019年全球玉米产量约11亿吨[2],这么多玉米的全植株总含碳量有数十亿吨[3]。地球植物的总含碳量估计约4500亿吨。你看这个比例就可以知道世界上年生物量峰值最高的植物可能是玉米。
  • 生物量可以比较总体重、总干重、总碳原子数,玉米在每个领域都不会落后。
  • 如果不算人种植的农作物,在自然条件下的植物中,杨树、北美云杉、落叶松之类在大面积森林中处于优势地位。北美云杉在分物种考察植物生物量的英国境内显示出超越其它所有植物的生物量。落叶松是西伯利亚北方针叶林的主要成员之一,北方针叶林是陆上最大的生物群系。

如果只比较动物,人的总碳原子数与蚂蚁、白蚁相近。如果只在哺乳类内部比较,人的总碳原子数少于牛,不过这倒不太重要:牛是被我们养成这样的。


演化生物学会具体谈论的最古老的地球生命是“最后共同祖先”Last Universal Common Ancestor,简称LUCA,这是演化生物学上假定存在的生物,LUCA存在的证据和不存在的证据都是有的,谈论其存在和不存在的文章都可以发到nature上[4][5]

  • 即便假定LUCA存在,其也不是地球上最古老的生物。但是,地球上更古老的非病毒生物的遗传因子,只有水平转移到了LUCA的基因组内,才能传递下来。

21世纪初,学者一般估计最后共同祖先生活在距今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[6]。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[7]。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[8]——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[9]

以上所称的“年”均为儒略年。1儒略年=365.25天。

地球生命的太空起源说仍然是学术界经常谈论的话题,地球生命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. ^ Synthetic connectivity, emergence, and self-regeneration in the network of prebiotic chemistry DOI: 10.1126/science.aaw1955
  2. ^ 高于小麦、水稻等
  3. ^ 由于前者计算的是玉米粒,玉米总生物量应当高于甘蔗。最近几年甘蔗年产量约19亿吨
  4. ^支持它存在的研究 https://www.nature.com/articles/nature09014
  5. ^反对它存在的研究 https://www.nature.com/articles/nature09482
  6. ^ https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ast.2013.1030
  7. ^ http://eprints.whiterose.ac.uk/112179/1/ppnature21377_Dodd_for%20Symplectic.pdf
  8. ^ http://palaeo.gly.bris.ac.uk/donoghue/PDFs/2018/Betts_et_al_2018.pdf
  9. ^ 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,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。

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