氧气瓶颈：为什么氧气浓度低于18%的星球无法孕育科技文明？

考虑到宇宙的空间尺度，与地球有着相似条件的行星应该应有尽有，这些星球也可能孕育出生命；

同时考虑宇宙存在的时间尺度，以及科技指数性爆发的事实，应该早有星际文明存在才是，至少应该存在有能力对外发送电磁波的文明。

但是，事实如你所见，我们至今没有遇见外星文明，甚至连任何外星文明发送的信息都没有收到。

大过滤器示意图

一些聪明的大脑就此提出了“大过滤器”理论，认为生命的发展会像通过一个个过滤器一样逐渐被淘汰，从而无法发展出星际文明，甚至连科技文明都无法到达。

人类非常幸运，我们发展出科技文明，我们可以向宇宙发射电磁波，如果存在和我们一样幸运的文明，它们可能会在以后接收到我们的信息。

最近发表在《自然天文学》杂志上一篇文章指出，我们能够发展出科技并发送电磁波的一个最关键的因素——地球氧气水平足够高。

这篇文章的作者罗马托尔维加托大学的天文学家阿梅迪奥·巴尔比和罗切斯特大学的亚当·弗兰克把这个称之为“氧气瓶颈”。

他们认为高氧气水平可能就是文明发展到技术文明的“大过滤器”，我们人类幸运地通过了这个大过滤器，而其它星球的早期文明可能并没有那么幸运，它们星球出于各种原因没有足够氧气，所以它们永远没法发展出能够发送电磁波的技术。

那么有趣的问题是，为什么氧气水平是科技文明的关键呢，其它化学物质难道没法替代氧气吗？

为什么氧气是发展科技的关键？

其实这两位作者的想法非常简单，就是想要拥有制造先进设备的技术，你需要能够提高用于制造该设备材料的温度。

比如，你想建造射电望远镜之类的东西，你不仅需要从地下提取一堆铁、镍、铜和其他原材料，然后你还必须加热这些材料，冶炼它们、重塑它们。

一个年轻的智慧生命凭什么了解要去加热这些材料以改变它们呢？人类历史给出了答案——就是使用火或者燃烧。

学会利用燃烧无疑是人类质的突破，这对我们智力的发展都有极大的影响，但更重要的是我们依赖火才攀登上技术复杂性的阶梯。

人类祖先可能在200万年前就开始普遍使用火，之后人类用火来热处理燧石或黑曜石，让石器变得更加实用，不过从火的使用到学会处理工具，人类花了很长时间。

人类之所以有机会玩火，当然是因为地球大气层中有氧气的存在。

但你可能会问，燃烧又不是必须要氧气参与，凭什么地球因为氧气的燃烧有了人类的科技文明，其它星球也必须如此？

众所周知，燃烧需要燃料和氧化剂，只要提供初始的热量，燃烧反应就开始放出热量，直至燃料或氧化剂耗尽。

燃烧本质其实是将电子快速从燃料转移到氧化剂上，氧气就是我们常规的燃烧中氧化剂，它的工作则就是接受来自燃料的电子。

在元素周期表中，有许多元素可以取代氧气的工作，但是很少有比氧气更强的——或者说更能接收燃料的电子的，氧气是强氧化剂。

然而，氧气一切又刚刚好，它不会太猛烈，那些比它强的氧化剂，比如氟，它们因为太过于强，几乎可以充当一切燃料的氧化剂，只要给它一点初始能量输入，它会燃烧一切包括你想要淬炼的材料，甚至不用初始能量的输入，它都会有很强的腐蚀性。

这项研究的作者表示，没有任何的氧化剂比氧气更好的，它是元素周期表中能找到的最完美的氧化剂。

那么，还有一个问题，多少氧气浓度才有机会孕育出科技文明呢？

这篇文章给出的答案是，如果与地球的大气压相当，那么18%是最低阈值，低于这个氧气含量将无法孕育出科技文明。

至于为什么是这个值，其实两个作者的理由也相当简单，那就是低于18%的氧气浓度时，生物材料就不会被自然点燃，只会像烧炭一样闷闷发热。

燃烧反应除了要考虑氧化剂接收电子的能力之外，还要考虑氧化剂的浓度，你高中的时候一定做过铁在纯氧中燃烧的实验。

如果材料没法被自然点燃的话，那么文明就不可能学会使用火，自然也就不会有之后的科技进步。

地球的氧气怎么来的？

在地球历史上，其实大部分时间里，地球大气的氧气含量都低于18%，甚至几乎没有氧气，直到最近的4.2亿年，氧气水平才处于18%以上。

蓝细菌

地球的氧气是由生物自行生产的，大约在24亿年前，蓝细菌进化了，它们学会了光合作用，消耗大气中的二氧化碳，并产生氧气。

但是，地球大气的氧气水平并没有因为生物学会光合作用就开始呈现不停上升的趋势，它一直在波动，而且有时候幅度相当大。

比如在大约在7.5亿年前，地球大气中的氧气浓度为12%，但在几千万年之内，它就骤降至只有0.3%。

至于是什么原因？

这里有一个奇葩的事实，那就是氧气含量增加意味着二氧化碳被固定，而这些温室气体的减少会让地球进入冰河时代，进而导致大量生产氧气的生物灭绝，随着排量的减少，氧气在大气中的含量自然也就逐渐减少。

出于各种原因，地球的氧气水平有机会维持在18%以上，但是别的星球不一定有这样的好运。

最后

两位作者在接受采访时还表示，“氧气瓶颈”不代表全部，生物能够寻找的出路是我们难以想象的，但是这个可以作为搜寻地外文明计划（SETI）的一个重要标准，可以有目的的去选择那些氧气含量高的行星。

当然，现在的技术确实有能力判断出一颗星球的大气成分的，包括氧气，但是要准确知道具体浓度，多少还是有点困难的。

另外，虽然人类已经到了科技文明的程度，通过了“氧气瓶颈”，但这并不意味着之后就没有所谓的“大过滤器”了，我们也可能出于其它原因最终无法发展到星际文明。

报道原文：

https://www.supercluster.com/editorial/the-oxygen-bottleneck-technological-alien-worlds-need-fire

文献：https://doi.org/10.1038/s41550-023-02112-8