在宇宙中，智慧生命或许并不罕见

一直以来，科学家都想知道在宇宙中，智慧生命究竟是普遍的还是罕见的。一种广为流传的进化模型认为，人类的起源是概率极低的时间，因为它必须成功地跨越一系列“艰难步骤”（hard steps）。该模型同样预测，类似于人类这样的智慧生命在宇宙中也应当极其罕见。

然而，一项最新发表在《科学进展》上的研究重新评估了这一理论。研究团队从历史地球生物学的角度出发，提出了一个新的模型，认为生命与地表环境的协同演化可能遵循比传统观点更具可预测性的模式。这意味着，人类或类似人类的进化或许并非纯粹的偶然。

“艰难步骤”模型的起源

“艰难步骤”模型最早由理论物理学家布兰登·卡特（Brandon Carter）于 1983 年提出。他试图解释一个看似惊人的巧合：太阳的预计寿命为100亿年，而地球孕育出人类的时间约为50亿年。‍‍

卡特认为，地球从诞生到人类出现的时间，与太阳的寿命仅相差一个2倍因子，这种数量级上的接近是值得探讨的。对此，他提出了三种可能性：

1、类人智慧生命在行星上出现的时间非常迅速，可能仅需数百万年。

2、类人智慧生命出现的时间通常与在地球所经历的时间尺度相似。

3、类人智慧生命的进化通常需要比太阳寿命更长的时间，甚至可能长达数万亿年，地球只是一个特例。

卡特首先排除了第一种可能性，因为地球上的生命演化明显远比这漫长。他认为第二种情况的概率也极低，因为太阳寿命由核聚变决定，而这一过程与生物进化并无直接联系。因此，他支持第三种解释，即类人智慧的进化通常比恒星的生命周期要长得多。

卡特进一步推测，智慧生命的出现依赖一系列极端罕见的进化步骤，而地球恰好幸运地完成了所有这些“艰难步骤”。

这些步骤必须满足两个条件：首先，它们对人类的出现是必不可少的；其次，它们发生的概率极低，以至于通常需要数十亿年的时间尺度。

“艰难步骤”真的存在吗？

1986 年，物理学家约翰·巴罗（John Barrow）和弗兰克·蒂普勒（Frank Tipler）进一步阐述了“艰难步骤”理论，并指出，这些关键进化事件可能在生命演化史上仅发生过一次。

例如，真核细胞（具有细胞核的细胞）的起源是科学界公认的一个“艰难步骤”。人类属于真核生物，如果没有真核细胞的出现，人类就不可能存在。从生命进化树来看，所有真核生物都源自同一祖先，这暗示着真核细胞的起源可能极其罕见。

其他被认为是“艰难步骤”的关键事件——如生命起源、产氧光合作用、多细胞动物的出现，以及类人智慧的进化——也表现出类似的单一起源模式。然而，这是否真正表明这些步骤极其罕见，仍然存疑。

2006 年，生物学家Geerat Vermeij提出，这种单一起源的模式可能由多个因素导致，而不一定意味着这些步骤本质上极其罕见。例如：

• 灭绝与化石记录的缺失：某些关键进化事件可能曾多次发生，但只有一个谱系存活至今，而灭绝的谱系未能形成可供研究的化石记录。

• 生态竞争优势：一旦某种生物率先突破进化瓶颈，它可能在资源竞争中迅速占据主导地位，从而抑制了其他生物独立演化出类似创新的机会。

• 环境变化的锁定效应：最早实现某一关键进化突破的生命形式可能改变了地球环境，使得其他生物失去了独立进化出相同创新的机会。例如，最早出现的光合作用生物大幅提升了地球大气中的氧气浓度，进而影响了后续生命的演化方向。

如果这些因素能够解释“艰难步骤”模型中的单一起源现象，那么这些进化步骤实际上可能并不罕见，而只是我们所观察到的唯一存活案例。

环境演化

那么，智慧生命为何没有更早出现？

根据以往的地球生物学研究，地球上的智慧生命之所以没有更早进化，可能并非因为进化本身极端困难，而是因为环境条件限制了其发生的时间。例如：

• 氧气的积累：在地球历史的 90% 时间里，大气中的氧气浓度不足以支持复杂生命的生存。同样，在适合支持现代真核细胞的氧气水平出现之前，地球上已经过去了 50% 的历史。

• 关键生态条件的成熟：所有被认为是“艰难步骤”的事件都需要特定的环境条件，而这些条件在地球早期尚未具备，而是随着时间推移逐步形成。

因此，智慧生命的演化可能并非由于其进化步骤本质上极端罕见，而是受到地球环境变化的限制。

新研究提出，随着时间推移，地球在物理和化学层面不断演化，其表面条件逐渐提供了更丰富的生命栖息地。正是这些环境变化，决定了“艰难步骤”发生的时间，而非更早发生。换句话说，智慧生命的出现受到了行星宜居性的时间窗口限制，而不仅仅是进化本身的难度。

这种观点表明，人类之所以在这个时间点出现，是因为地球直到相对最近的时期，才具备适合人类生存的环境条件。然而，卡特在1983年提出“艰难步骤”模型时，并未考虑到环境演化对生命进化的深远影响。

新研究正是通过这一视角，挑战了“艰难步骤”模型的核心假设。它表明，地球和生命的协同进化模式并非罕见现象，而是一种更具普遍性的行星演化过程。换言之，类人智慧的进化可能并非宇宙中的偶然奇迹，而是某些宜居行星上较为自然的演化结果。

未来研究的方向

不过，研究人员也强调，他们并非主张人类的进化是“必然发生的”，而是相较于传统理论所认为的更具可能性。同时，“艰难步骤”理论仍可能在一定程度上成立，因此需要进一步的科学验证。

未来，科学家可以通过 跨学科合作 来深入检验这些假设的有效性。例如：

• 地球科学与生命科学的结合：研究地球表面环境如何逐步演化，以支持关键的生命进化步骤，探讨宜居环境形成的时间与机制。

• 进化生物学与古生物学的分析：进一步限制“艰难步骤”发生的频率，并分析其罕见性究竟源自生物学限制，还是环境因素。

• 系外行星研究：利用系外行星数据评估生命存在的可能性，并寻找可能具备类似关键进化条件的行星。

通过多学科协作，科学家们将能更深入地理解生命的演化过程，并更准确地预测地外智慧生命的可能性。这不仅是对地球生命起源的重新审视，也将影响我们对宇宙生命分布的整体认知。

#参考来源：

https://theconversation.com/evolving-intelligent-life-took-billions-of-years-but-it-may-not-have-been-as-unlikely-as-many-scientists-predicted-249114

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads5698

https://www.psu.edu/news/research/story/does-planetary-evolution-favor-human-life-study-ups-odds-were-not-alone

#图片来源：

封面图&首图：ELG21/Pixabayc