_宇宙与生命_系列讲座之五_生命之难

20卷第5期(总119期)·7·“宇宙与生命”系列讲座之五——生命之难章德海莫大的宇宙中，居然有生命。物理规律的本质是对称的统一，物理世界的实现是对称的破缺。对称破缺的方式是多种多样的，因此物理世界的实现不会是唯一的。物理规律不会只产生一个宇宙。众多的荒芜宇宙中，能产生生命的宇宙是个奇迹。前四讲提到，我们的宇宙是为将来有生命而诞生的。由此可见生命对宇宙的重要性。但是我们只知道地球上有生命。已经发现，地球上所有的生命的主要成分是由DNA，RNA和蛋白质构成。所有生命体的DNA都是由称为A、G、C、T的4种核苷酸靠磷酸二脂键连接构成的长链，两链之间碱基以氢键配对构成双螺旋。如果核糖不脱氧且T代换为U，那么就构成RNA。所有生命体的蛋白质都是由20种左旋氨基酸构成（极少古细菌略有例外）。我们称这28种分子为生命基本单元，它们都是C、H、O、N、P、S这六大生命元素构成，分子量在100到300左右。这就说明了地球上生命的统一性，也暗示了所有地球生命都有单一的生命起源系统。生命的中心法则是由DNA储藏和复制信息，由RNA传递信息并制造蛋白质，由蛋白质实现功能。每三个碱基编码一个氨基酸。几乎每一步生化反应都需要不同的专用酶的催化。由各种成分的氨基酸的不同排列和构形可以形成大量不同种类的蛋白质。其中一部分蛋白质就是生命的至关要素——酶，另一些可以作为生命体的各种功能结构。各种功能的不同组合形成大量物种，地球物种在100万以上，包括历史灭绝的可能上亿种。生命的信息量是相当大的，酵母的DNA有1000万对碱基，人的DNA有30亿对碱基。也不是碱基对的数目越大，生物就越高级。玉米的DNA有50亿对碱基，蝾螈的DNA有900亿对碱基。这么庞大数量的碱基并不都对应蛋白质的编码，尽管基因的主要功能之一是编码蛋白质。已查明人的DNA只有约3%的序列编码了约3万个基因，算下来每个基因的编码部分有约3000个碱基，可以编码1000个氨基酸。基因中还包含前导区、尾区、许多功能不明的内含子、基因片断、拟基因。加上这些以后，每个基因约有碱基3万个。基因的功能高度复杂，一个基因可通过剪接mRNA实现多蛋白复制，基因本身和基因间形成复杂的调控机制，生命的实现依靠调控。我们深入不到这些问题。我们只列举一些简单情况，例如细胞中负责代谢的一个重要细胞器——线粒体，看看它对进化有什么启发性特征。线粒体有独立的DNA体系，是母系遗传的。动物的线粒体DNA有1.7万对碱基，编码40个基因蛋白质。其中一个研究得比较透彻的是细胞色素c，它有约104个氨基酸，比起刚才提到的平均数1000，是个很小的蛋白质分子了。人与猩猩的细胞色素c全同，与猴子的也仅仅只相差一个氨基酸。即使与酵母的细胞色素c相比，也仅有44个氨基酸不同，即要保持60个氨基酸的排列不得变动。在分子水平上其同异完全反映了生命体进化间的亲疏远近关系。如果这60个氨基酸的排列是任意的，那么就会有2060=1078种组合构形，要从这么多个组合中选出刚才所说的那个唯一正确的组合，真是太不容易了。要知道我们当今可见宇宙内的总核子数也才1078个！我们来算算全宇宙最多能有多少个蛋白质分子。即使我们宇宙全视界内有1千亿个星系，每个星系有1千亿个恒星，每100个恒星有一个地球（地球是罕见的），每个地球表面有1米厚的100肽蛋白质，那么总共才有1060个蛋白质分子。让每个蛋白质分子每秒钟变异一个组合构形，那么宇宙100亿年龄里，所有这些蛋白质分子也才只能有1078个组合构形。这样的算法，勉强把唯一正确的组合构形找了出来。当然其中每个环节的考虑变动可能很大，所以算法并不精确。但是它大体给我们一个印象，为什么宇宙要这么大，为什么宇宙要这么老，为什么生命进化时间要这么长。足以可见，生命之难。这里有个例子，动员全世界的业余计算机能力去寻找梅森素数，最近也要好几年才能找到一个。·8·现代物理知识生命进化中找到蛋白质的正确氨基酸组合既不是完全随机的，也不是完全遗传的。完全遗传就没有了进化，没有继承完全随机就不成其生命。生命进化的速度一定被遗传和随机变异的对立统一所控制，但是目前并没有被真正研究清楚。从生命起源到文明诞生，究竟需要多长时标，很难回答。我们仅知一个例子，从地球生命起源到人类出现大约需要36亿年。也许有人觉得，生命的起源和进化不一定要这么难。也许例如少10%，32亿年就够了。如果这样，我们马上就要遇到一个费米悖论。费米有个关于外星文明的很有名的悖论。费米认为，如果生命进化到高级文明是容易的，那么为什么没有外星高级文明来访问我们？费米问题不是个玩笑，但对费米问题的回答却往往是些玩笑。费米问得很有理。我们人类文明才短短5000年，就已经上知宇宙结构和起源，下知顶夸克τ中微子。人类300年的技术已经进步到能够人类登月、核能发电、核能潜艇、全球联网、电脑控制、精确制导。再过不到100年，石油告罄、人口过剩、粮食短缺、全球变暖、环境恶化、核武临空，人类必然面临严重危机和发展瓶颈。如果这道道难关能被人类跨越，将来1000年人类技术会发达到怎样一个高度？是受控核聚变、月球氦三矿、量子计算机？谁也无法预测。那时是否已使用光子火箭来去自由，或者进化到冬眠人、克隆人、机器人再向外星移“民”？一个银河直径不过10万光年。一旦高级文明有能力向星际扩张，其向全银河扩展所需的时间不会超过1亿年。这1亿年与我们生命进化的36亿年相比，不过是个小数字。我们银河的年龄在100亿年以上，我们的太阳只是第三代恒星，因此比我们太阳早诞生1亿年的恒星肯定有的是。事实是第二代恒星要比太阳早几十亿年。假如外星类地球并不希罕，生命的起源和进化顽强而普遍，比地球生命效率高级一些，那么有的外星类地球生命进化就用不了36亿年，而是只需例如32亿年。假如这样的外星地球又比我们早诞生4亿年，那么它的文明就足足比我们早了8亿年！这个时间差足以让它们的文明扩展到全银河。那么为什么没有外星文明来访问我们？因此费米这个问题问得非常好，问得很科学。当然否定的答案可以很多。这里五花八门，我们仅列举一些以搏一笑。1）任何文明发展都过不了能源、环境、核战争的道道难关，早早灭亡了。此回答叫“文明短命论”。2）移民外星困难太大，根本无法实现。这有一定的可能，裂变核能难以飞船化，有开采意义的裂变核矿源毕竟很有限，且开矿和核废料对环境危害重大。受控聚变核能由于技术难点也许永远是个梦想。此回答叫“技术有限论”。3）地球过于特殊来之不易而罕见，生命的长期进化条件苛刻，不要指望有比我们更早的文明。这相当有可能的，这说明有人动不动幻想UFO外星人访问地球毫无根据。此回答叫“地球生命最高级论”。4）其实外星人早就在访问地球了，人类不知道它们的到访是因为外星人不愿打搅人类的自然状态，它们用高技术把自己极好地隐藏起来，在一旁观察人类的内斗，以此作个典型生物实验。这叫“动物园理论”，我们地球只是它们进行观察的动物园。甚至有人幻想，我们的火箭燃烧的是化学燃料，外星人燃烧的是反物质。外星人用的是中微子通讯、引力波通讯，人类用的是无线电或光波通讯，比别人差了几大档次。我们远未掌握中微子或引力波，所以你根本发觉不到它们的存在。必须指出，外星人想愚弄人类毕竟没有人愚弄蚂蚁那么容易。人已经很了不起了，不要自卑地把自己看作蚂蚁。人类已对物理世界有深刻认识，这蚂蚁怎么比得了。人类办不到的事情，外星人想办到恐怕也不容易，想绝对逃脱人类的探测可能更困难。个别人愿当傻瓜，全人类绝不愿当傻瓜。外星人没来过地球也许还说得过去，来过不被我们发现的可能性就比较小了。5）外星人已经来过了，也有古今证据，但就是政府故意隐瞒和死板的科学家不愿承认。但是政府和科学家一致作弊可能性很小。这叫“隐瞒论”。许多人在疯狂收集外星人证据，遗憾的是他们的证据那么脆弱。6）地球生命是外星高级生命播的种，叫“播种论”。外星生命亲自来地球有困难，但它采用高技术播种生命的较原始形式确实可以大大减轻技术难度。总不能说，外星生命自己的生命系统最高效，却要另外制造一套低效的生命系统用以播种吧。那么至少也说明，要播的这个种肯定是先进的，于是地球生命也是先进的，进化时标也是最短的。但地球有真细菌、古细菌和真核生物三大界生命，似乎地球生命不像是播种的而是原生的。这里2）与4）中我们看到对未来技术的截然相反的两种估计。2）觉得人类技术尤其是能源技术已经接近最高极限，而4）则认为未来人类的技术能20卷第5期(总119期)·9·力将远远高出目前的水平的千万倍，外星人或未来人类将无所不能。人们把以前对神仙的向往转移到外星人的身上，大千世界无奇不有。但是不要认为任何幻想都迟早能变成现实。点石成金曾是人们的幻想。后来从物理上知道了，只要把汞核减少一个质子，就真的可以把汞变成黄金。但是，再后来发现，这么改变核内质子数去制备黄金，成本远远高于淘淘金砂矿，人们于是再也不想点石成金了。物理原理上能办到的事情，技术上未必办得到。受控热核的确是个烫手山芋，它要解决了，人类的确就获得了取之不尽用之不竭的能源，外星人也才可以来去自由。此技术何等重要，其原理非常明确，遗憾的是虽然时时在声称取得进展，但突破却遥遥无期。五十年代时两大阵营都以为受控热核技术马上就会获得突破，曾严加保密激烈竞争。但是时间已过去快六十年，两大阵营早已消失，技术已进步到何等程度，全球科学家即使现在携手攻关，也仍未奏效。这是人们未能料到的硬骨头。没有外星人的到访，也许暗示受控热核对外星高级文明也是个难题。对费米悖论解答的种种猜测是不会有答案的，科学没有发展到这样的程度足以肯定回答外星文明问题。我更愿接受一个比较理性的猜测：生命的起源和文明的出现具有最大限度的艰难性和漫长性。我们的出现已经很不容易，比我们出现得更早就几乎不可能了。如果有比我们文明更早的文明，那么那个高级文明肯定也不满意自己就是最高级的文明，必定还要怀疑是否有比它还要更高级文明的存在。那么何处是个头？总不能宇宙刚一诞生，高级文明就已诞生？一定有个宇宙年龄，第一文明在这个时段诞生。那么第一文明诞生的宇宙年龄是什么？它只能往后推，推到不能再推为止。那么这个“不能再往后推的年龄”就是我们宇宙的现在年龄，137亿年。比它早了，不符合“最大艰难漫长性猜测”，且会出费米悖论；比它晚了与事实不符。简单地说法是我们是宇宙的头一批文明。虽然说到生命的起源和文明的出现具有最大限度的艰难性和漫长性，但是从地球生命发展史看，似乎并不如此。从地球生命发展史看，人的出现却是显得那么轻松自如和必然，环环紧扣，这给了我们极大讽刺。仅仅恐龙灭绝给了我们一些遐想。恐龙从3.5亿年前石炭纪初出现到0.67亿年前白垩纪末灭绝，已经统治地球长达2.8亿年。是那颗尤卡坦小行星偶然撞击墨西哥湾，引起地球生命特别是恐龙大灭绝，才让哺乳动物有崭露头角的机会获得发展最终出现人类。如果这颗小行星晚来1亿年，没有理由怀疑恐龙的能耐差不能多统治地球1亿年，而让其统治期变得可以长达3.8亿年？那么从生命起源到人类出现就不是36亿年，而是37亿年了？如果小行星不来撞地球，那么人就不能及时出现了吗？这里是否有偶然性存在？我们是宇宙的头一批文明。是否以后宇宙中的文明会不断地涌现呢？也不是。随着宇宙的膨胀，宇宙中恒星诞生的高潮已过。因此宇宙中类地球的诞生会越来越稀少，总有停止诞生文明的时刻。我们不知道文明诞生延续期的时间有多长。但是137亿年这个特殊时间又显得更加突出了。更重要的是，早在宇宙年龄100亿年的时候，我们的宇宙已进入了加速膨胀时期，这正是宇宙大大降低了恒星生成率的主要原因。宇宙安排得太巧了，宇宙诞生了第一文明以后，就安排宇宙基本截断文明的诞生。似乎宇宙的演化就是为这几乎唯一的文明而特意安排的，暗能量数值的安排似乎具有极大的目的性。如果你设想宇宙为我们文明的诞生而安排了大量几乎同时出现的其他文明，那反到是一件不可思议的事情了。如果有大量文明同时出现，说明文明出现并不艰难。既然不艰难，为什么非要集中在一个短时段出现？完全可能分散在一个比较长期的时段中陆续出现，那又违背费米悖论了。于是只能得出结论，这个特殊的宇宙年龄仅仅是为我们这些为数不多的文明