30.1: 生命的宇宙背景
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- 202122
学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 描述使地球热情好客的化学和环境条件
- 讨论哥白尼原理的基本假设并概述其对现代天文学家的影响
- 理解费米悖论背后的问题
我们看到宇宙诞生于大约140亿年前的宇宙大爆炸。 在最初炎热、密集的创造火球冷却到足以使原子存在之后，所有物质都由氢气和氦气（锂含量非常少）组成。 随着宇宙老化，恒星内部的过程产生了其他元素，包括构成地球的元素（如铁、硅、镁和氧）以及我们所知道的生命所必需的元素，例如碳、氧和氮。 这些元素和其他元素在太空中结合在一起，产生了构成地球生命基础的各种化合物。 特别是，地球上的生命基于一种称为有机分子的关键单位的存在，一种含有碳的分子。 特别重要的是碳氢化合物，即完全由氢和碳组成的化合物，它们是我们生物化学或生物化学的基础。 虽然我们不了解地球生命是如何开始的细节，但很明显，要使像我们这样的生物成为可能，我们所描述的事件肯定已经发生，从而导致了所谓的宇宙化学演化。
是什么让地球热情好客？
大约50亿年前，这个宇宙邻域中的气体和尘埃云在自身的重压下开始崩溃。 从这片云中形成了太阳及其行星，以及所有也绕太阳运行的较小天体，例如彗星（图\(\PageIndex{1}\)）。 来自太阳的第三颗行星在冷却时最终允许在其表面形成大量的液态水。
地球上的化学品种类和温和的条件最终导致了分子的形成，这些分子可以复制自身（繁殖），这对于初始生命至关重要。 在数十亿年的地球历史中，生命不断演变，变得更加复杂。 进化过程被偶尔发生的全行星变化所打断，这些变化是由于与一些没有进入太阳或其伴随世界之一的较小天体碰撞而引起的。 正如我们在 “地球即行星” 一章中所看到的那样，哺乳动物对地球表面的统治可能归功于6500万年前的碰撞，这场碰撞导致了恐龙（以及大多数其他生物）的灭绝。 目前，这种大规模灭绝的细节是许多科学界关注的焦点。
经过许多曲折的转折，地球上的进化过程产生了一种具有自我意识的生物，能够提出有关其自身起源和在宇宙中的位置的问题（图\(\PageIndex{2}\)）。 像地球的大部分地区一样，这种生物是由前几代恒星锻造的原子组成的，在这种情况下，是组装成身体和大脑的。 我们可以说，通过人类的思想，宇宙中的物质可以意识到自己。
想一想你体内的那些原子。 它们只是从构成我们宇宙本土角落的原子的借阅图书馆借给你的。 许多种类的原子在你的身体中循环，然后离开它 —— 你每次吸气和呼气，吃掉和排泄的食物。 即使是在你的组织中占据更永久居留权的原子，也不会比你活着的时间长得多。 最终，你将把你的原子送回地球的巨大蓄水库，在未来的几千年里，它们将被并入其他结构甚至其他生物中。
这幅关于宇宙演化、我们从恒星降落的画面，是几十年来科学家在许多领域的努力下获得的。 其中一些细节仍是暂定的，不完整，但我们对报告的大纲有信心。 在拥有探测宇宙物理本质的仪器的短时间内，我们能够学到很多东西，这真是太了不起了。
哥白尼原则
我们对天文学的研究告诉我们，过去每当我们声称地球在某种程度上是独一无二的，我们总是错的。 伽利略利用新发明的望远镜技术，向我们展示了地球不是太阳系的中心，而只是绕太阳运行的众多物体中的一个。 我们对恒星的研究表明，太阳本身是一颗相当无与伦比的恒星，与数十亿其他恒星一样，已经过了漫长的主序列阶段的一半。 我们在银河系中的位置似乎也没什么特别之处，我们的银河系在自己的群组或超级星团中的位置也就不足为奇了。
在其他恒星周围发现行星证实了我们的观点，即行星的形成是恒星形成的自然结果。 我们已经确定了成千上万的系外行星——围绕其他恒星运行的行星，从靠近恒星运行的巨大行星（非正式地称为 “热木星”）到比地球小的行星。 源源不断的系外行星发现使人们得出这样的结论：类地球行星经常出现，足以使仅在我们自己的银河系中就可能有数十亿个 “exo-Earths”。 从行星的角度来看，较小的行星并不是独一无二的。
科学哲学家有时将我们在宇宙中的地位没有什么特别之处的观念称为哥白尼原理。 综上所述，如果生命仅限于我们的星球而从其他任何地方开始，大多数科学家都会感到惊讶。 我们的银河系中有数十亿颗恒星的年龄足以让生命在它们周围的行星上发育，还有数十亿个其他星系。 天文学家和生物学家长期以来一直猜测，一系列与早期地球上发生的事件相似的事件可能导致其他恒星周围的许多行星上出现活生物，甚至可能导致我们太阳系中的其他行星（例如火星）上出现活生物。
真正的科学问题（我们目前还不知道答案）是有机生物化学在整个宇宙中是否可能或不太可能。 我们是化学进化的幸运且极为罕见的结果，还是有机生物化学是宇宙化学进化的常规组成部分？ 我们还不知道这个问题的答案，但是数据，即使是极少的数据（比如在欧罗巴这样的世界中发现 “与我们无关” 的生命系统），也能帮助我们找到答案。
那么他们在哪里？
如果将哥白尼原理应用于生命，那么生物学在行星中可能相当普遍。 从逻辑上讲，哥白尼原理也表明，像我们这样的智慧生活可能很普遍。 像我们这样的智力有一些非常特殊的特性，包括通过应用技术取得进步的能力。 其他（较旧）恒星周围的有机生命可能比我们在地球上的生命早了十亿年，因此它们可能有更多的时间开发先进技术，例如在恒星之间发送信息、探测器甚至生命形式。
面对这样的前景，物理学家恩里科·费米在几十年前问了一个现在被称为费米悖论的问题：它们在哪里？ 如果生命和智慧是共同的，并且具有如此巨大的增长能力，那么为什么没有一个银河文明网络的存在甚至延伸到像我们这样的 “后来者” 行星系统呢？
已经为费米悖论提出了几种解决方案。 也许生活很普遍，但智力（或至少是科技文明）却很少见。 也许这样的网络将来会出现，但还没有时间发展。 也许有看不见的数据流一直流过我们，而这些数据流还不够先进，或者不够敏感，无法检测。 也许先进的物种使不干扰未成熟的意识发展成为一种习惯，比如我们自己的意识。 或者也许达到一定技术水平的文明就会自毁，这意味着我们的银河系中现在没有其他文明存在。 我们还不知道是否存在任何高级生活，如果有，为什么我们没有意识到。 不过，在阅读本章其余部分时，您可能需要记住这些问题。
太阳系之外还有银河文明网络吗？ 如果是这样，为什么我们看不见他们？ 在卡通视频 “费米悖论——所有外星人都在哪里？” 中探索各种可能性 https://youtu.be/sNhhvQGsMEc
摘要
地球上的生命基于一种称为有机分子的关键单位的存在，这种分子含有碳，尤其是复杂的碳氢化合物。 大约50亿年前，我们的太阳系是由几代恒星中产生的较重元素富集的气体和尘埃云形成的。 生命是由恒星构成的这些元素的化学组合组成的。 哥白尼原理表明我们在宇宙中的位置没有什么特别之处，这意味着如果生命能够在地球上发展，它也应该能够在其他地方发展。 费米悖论问道，如果生命很普遍，为什么更高级的生命形式没有联系到我们。
词汇表
- 有机分子
- 碳和其他原子（主要是氢气、氧气、氮、磷和硫）的组合，其中一些是我们生物化学的基础