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地球生命简史(下)

发布日期:2022-08-01 16:15   来源:未知   阅读:

  2.5亿年前线亿年前多细胞生命形态的爆发导致众多动物的出现。有强力证据表明,这两件事都是月球诞生之后由地球上最剧烈的两次环境变化引起的,就是当时让热带都结冰的冰川期。一次也许还是巧合,但如果进化史上两个最重大的事件都在最剧烈的环境变化之后发生,显然说明其中存在着因果关系。用布拉克内尔夫人的句式就是:一次冰川期后,物种进化有了大的飞跃还可以认为是巧合;两次都这样,似乎就有规律了(1)。虽然我们不知道环境剧变是如何引发进化飞跃的,但我们在最近几亿年中规模更小的物种灭绝事件里也能观察到其中的联系。

  这两次“冰雪地球”事件,都通过冰川在远古时期的岩石上留下了印记,而且这两次事件使整个陆地都结冰了,还有证据表明绝大部分海洋也都被冰覆盖。这是很危险的状态,也威胁着地球上的生命。整个地球结冰之后,会将大部分太阳的热量反射出去,冰雪非常难融化。如果冰川覆盖了陆地,即使不考虑低温,可供生命栖息的区域也非常有限;如果冰川覆盖了大海,阳光就无法射入海面,光合作用或是其他需要耗能的反应就无法进行。生命在散落各处的水坑、泥潭里挣扎,适应着各自的小环境,也进化出了多样性。真核细胞很可能只在泥潭里“发明”出来了一次,然后等冰川融化后散播到了地球各处。

  但这样一颗“雪球”如何融化呢?唯一的可能性似乎就是温室气体,尤其是二氧化碳的积累,将太阳的热量留住,使表面温度升高至冰雪可以融化的程度。超过了这个临界值,冰雪不断融化,反射掉的热量越来越少,地球也进入一个良性循环,结束了雪球的状态。

  就我们的了解,今天地球也是这样调节温度的。二氧化碳等温室气体从火山中释放出来,进入大气层。但二氧化碳溶于水,流过岩石表面的水会引发风化作用,将部分二氧化碳以石灰石的形态固化在岩石中,包括石灰岩溶洞里的钟乳石和石笋中。有些生物会将空气中的二氧化碳固化在外壳中。地球的温度升高一些,风化作用就加速一些,空气中的二氧化碳就少一些,温室效应也削弱一些,让地球降温。地球的温度降低一些,风化作用就减弱一些,空气中的二氧化碳就多一些,让地球升温。目前,至少在人类活动干预气候之前,这些负面反馈循环可以在较小的范围内调节地球的温度。但在雪球状态下,火山会继续释放二氧化碳,风化作用几乎不存在,温室效应会一直加强,直到冰雪开始融化。随着气温升高,冰雪减少,反射至太空的太阳热量也减少,温度会继续升高,可供生物栖息的区域也增加了,从原来星星点点的区域剧增至整个地球。整个融化过程需要几百万年,甚至可能达到两千万年。

  冰川融化的这段时间,生命在海洋中扩散开。大气中的二氧化碳十分充足,恢复的降水也会将陆地上的养分带入大海,光合作用会急剧增加,让大海中的有机生物剧增,就像覆盖池塘的绿藻一样,还会向大气中释放大量氧气。25亿年前这次氧气剧增的直接后果,可以在世界各地的岩石中找到,这些岩石中都含有大量氧化铁,是含铁化合物与空气中的氧气反应生成的。这可以认为是雪球状态结束后,整个世界都“生锈”了。空气中第一次有了如此充足的氧气,相关的进化也随之而来。有些生物无法适应,就灭绝了,其他生物逐渐适应,学会了利用氧气,就活了下来。不过在我们看来,第一次雪球状态的关键作用是让真核生物崛起了。没有当初的那颗大雪球,我们就不会在这儿。

  但25亿年前地球为什么会结冰?简短的回答是,我们不知道。这个事件太过久远,我们很难发现起因的证据。还有个不全面的解释,就是板块重构的影响。地球还年轻时,陆地很少,而没有陆地,雪就无法累积成冰层。雪一落在陆地上,就会反射太阳的热量;而雪一落入大海就会融化,除非大海也结冰。而大海结冰的温度,要比能产生降雪的温度低许多。但这只能解释雪球状态为什么没有更早出现。25亿年前究竟是什么导致了地球变成雪球,依然是个谜。

  不过,第一次雪球状态之后的地球上,板块重构起了很重要的作用,这是毋庸置疑的。两次雪球状态之间,生命之所以能繁衍兴旺,原因之一就是地球上的陆地面积逐渐接近了今天的水平。当时虽然陆地上还没有生命;但大陆的周围环绕着浅海,而阳光可以洒遍浅海,引发光合作用,陆地上的营养成分也被冲刷进入海中,因此浅海非常适宜生命生存,伯吉斯页岩可以作证。但由于我们缺少那个时代的数据,专家们还无法确定第二次全球范围的冰川期到来时,大陆究竟是什么状态,不过这次冰川期——地理学家将其称为斯图尔特冰川期——的时间我们已经可以确定了,在7亿多年之前。

  斯图尔特冰川期持续了至少500万年,结冰的区域一直延伸到赤道。但既然有真核生物挺了过来,那地球一定没有彻底冻结。地面上一定还有零星的池塘、泥潭,还能照到阳光,而这次的冰川融化之后,第一批动物出现了。

  佛罗里达大学的约瑟夫·米尔特和奥斯陆大学的特隆德·托斯维克梳理了一下有限的数据,发现8亿~7亿年前,地球上绝大多数的陆地似乎都集中在低纬度地区。这个状态可能会导致地球降温。当时的陆地上还没有植被,光秃秃的岩石比海水对太阳光的反射效应更强,因此低纬度地区的陆地确实会让地球降温。但地球会一直降温到全部冻结吗?似乎不太可能,因为陆地如果都集中在赤道附近,两极地区就经常有低纬度地区的暖流流过,即使冬天海水也很难结冰。不过,如果陆地被冰雪覆盖,绝大部分太阳的热量都被反射出去,地球应该可以降到足够低的温度,再次进入雪球状态。计算机模拟发现,赤道南北30度以内的范围结冰后,冰川会向高纬度地区扩散,进而覆盖全球。虽然有些不符合直觉,但冰川确实是由低纬度地区(2)开始扩散的。这时只需要一个引子,只要能降低赤道地区的温度,达到产生降雪的程度就行了。听起来似乎不太可能,但当时一定发生了什么,而由于没有确凿的证据,大家纷纷进行了推测。我只提两个推测,一个是最早出现的,还有一个是我最喜欢的。

  第一个推测是雪球状态期间,地球的倾斜角更大。20世纪70年代就有人认为这是斯图尔特冰川期出现的原因,那时我们还没发现地球曾经整个被冰川覆盖。

  地球自转轴的倾斜角增大至55度,对于热带降温非常有帮助。这种情况下,两极接收到的热量比赤道多,如果两极地区有陆地,夏季的温度甚至可能让水沸腾。又一个问题出现了:即便那时热带结冰,冰川又是如何扩散到两极的呢?自转轴倾斜可以解释热带结冰,但让地球变成雪球似乎说不通。我们先不看这个问题,因为这个模型本身还有其他问题。

  比如,7亿年前,地球的倾角为什么会变化?后来又怎么变了回来?毕竟有月球将地球稳定在现在的倾斜角——23.5度,可以避免倾斜角发生大的变化。我前文还提到月球的稳定作用对我们的出现和生存至关重要。但这还没完。如果产生月球的那次撞击让地球的倾角处在60度~90度,那即便后面有了月球的作用,地球还是可能在这个范围内剧烈晃动。因此,如果斯图尔特冰川期是倾角过大引起的,那大约6亿年前,地球还要一下子变回现在的倾角,让月球能够继续产生稳定作用。

  地球为什么会这样还是个谜。有人认为地球倾角很大时,绝大多数大陆都会漂移至南极或北极中的一处,让地球的质量分布不均,在几千万年的时间里将其拉回现在的位置。不过,虽然前寒武纪末期,南极附近确实聚集了许多陆地,这个解释却突出了倾斜角导致地球冻结这个理论最大的瑕疵。倾斜角的改变很缓慢,但两次雪球状态结束得都很突然。这就引出了寒武纪生命大爆发之前,地球是如何进入雪球状态的解释。这个解释也有瑕疵,但比起其他解释要更完善一些。作为对比,我们先来看看导致白垩纪结束的那次陨石撞击,以及陨石撞击对生命构成了多大的风险。

  白垩纪由陨石撞击终结,这个推论的证据在20世纪80年代初期开始涌现,路易斯和沃特·阿尔瓦雷斯在世界各地的地层中,都发现了6500万年前的一层薄薄的铱。铱元素在地表非常罕见,但在某些陨石中很常见。他们通过计算得出,全球各地发现的这层铱,可能来自一颗直径约10千米的陨石撞击地球后掀起的覆盖整个地球的尘埃。这个观点一开始饱受质疑,但地理学家们在寻找这个理论的相关证据时,发现了更多恐龙灭绝时期留下来的陨石碎片。对绝大多数人来说,最关键的证据是20世纪90年代初,有人确认了墨西哥尤卡坦半岛希克苏鲁伯的一处地质特征其实是陨石坑,而且无论位置还是年龄都与理论假设吻合。

  还有一点存疑。地下没有铱元素,是火山喷发将铱带到了地表。一次超大规模、覆盖全球的火山喷发似乎也能在地层中产生同样的一层铱,而且这样的火山喷发自然会危及绝大多数生物。那时还真的有一次喷发符合条件,喷出的岩浆覆盖了印度中西部地区,产生了德干地盾。这是地球上最大的火山地质特征之一,厚度超过2000米,覆盖面积超过100万平方千米。但德干地盾并不是独一无二的。2.5亿年前,地球上发生了寒武纪以来最大的一次火山喷发之一,形成了西伯利亚地盾,并形成了二叠纪和三叠纪之间的界线。这与二叠纪生物灭绝事件刚好吻合,那时约90%的物种都灭绝了;而且我们几乎可以确定,正是形成西伯利亚地盾的火山喷发导致了那次灭绝。

  因此我们可以合理地推断,德干地盾的形成与白垩纪末期生物大规模灭绝有关,类似的事件也都对地球的生命史产生了影响,科技文明的诞生之路上又多了一个障碍。而且白垩纪末期的陨石撞击时,地球上的生物似乎已经承受了德干地盾形成导致的环境变化压力。2010年,41位地理学家、古生物学家及其他领域的科学家召开会议,梳理了所有数据,并将结论发表在了《科学》杂志上,呼吁大家在接下来的20年里对这些可能性进行研究。他们发现那时的火山活动持续了150万年,远比岩石中那层铱所代表的时间长,而且白垩纪物种灭绝前50万年,火山就喷发了。那段时间的环境并没有剧变,直到希克苏鲁伯陨石撞击发生。综合考虑所有数据信息,那次参会的科学家们认为,6500万年前一颗大型陨石撞击墨西哥才是大规模物种灭绝的主要原因。发表在《科学》杂志上那篇论文的作者之一,伦敦帝国理工学院的乔安娜·摩根是这样描述的:我们现在可以很自信地宣布,(白垩纪物种灭绝的)原因就是陨石撞击。这次撞击引发了大规模的火灾、超过里氏10级的地震,还导致了大陆滑移,产生了海啸。不过,让恐龙彻底灭绝的原因,还是陨石撞击后激起的漫天尘埃。地球因此不见天日,进入了全面的冬季,很多不能适应的物种都灭绝了。

  虽然上面这段话用词很夸张,但几乎没有提到生物在陨石撞击之后面对的环境。既然这对我们的存在至关重要,我们还是来详细地看看吧。

  现在的尤卡坦半岛所在的浅海,刚好能让撞击的破坏最大化。那里的沉积物中含有碳酸钙,还有一层厚厚的、富含硫元素的硬石膏。因此撞击后会产生大量的二氧化碳和二氧化硫,其中二氧化硫在高温下与水反应生成硫酸,并以小液滴的形式进入平流层。撞击之后,硫酸还没发挥作用时,生物面临的最大威胁就是产生的热量和火灾;而跟生物即将面临的灾难相比,撞击引发的地震和海啸几乎不值一提。撞击掀起的高温物质会扩散至全球,以大约10kW/m2的功率加热着整个地球,持续几个小时,美国科学家杰·梅洛什将其形象地比喻为“像是把家里的烤箱调到了‘全面烤’”。这些热量足够让整个地球燃起大火,烧光所有植被,留下一层炭灰——紧挨着地层中发现的那层铱。这一层炭灰约含有700亿吨的碳元素,意味着那时地球上25%的有机生物都化为了灰烬。

  大火释放的烟还会遮天蔽日,而且平流层中的硫酸可以反射掉太阳大部分的热量。地球上的光合作用几乎被完全遏制,导致很多植物死亡。而在“全面烤”之后,地球又会像乔安娜·摩根说的那样,整个进入寒冬。随着浓烟散去,大气中的硫酸全部落到地面,地球又开始升温;不过这时大气中还有大量的二氧化碳,地球会因严重的温室效应而过热。同时,地表的所有生物都会被酸雨腐蚀,尤其是大海中菊石等动物的外壳。撞击后的一系列异常还会损坏臭氧层,让太阳光中有害的紫外线到达地表。有科学家推测,撞击点对面一侧火山频频喷发,原因可能就是撞击产生的冲击波被地球表面的弧度聚焦,在对面产生了影响。

  那次撞击之所以如此致命,正是因为带来了多种多样的环境影响。这个理论出现之前,科学家们还需要解释其他事情,比如一次灾难为何能同时影响恐龙和菊石两种大相径庭的生物,而鳄鱼等生物却毫发无损或只是稍有损伤。答案是陨石撞击引发了一系列灾难。陆地上,植被的消失导致食草恐龙及其天敌食肉恐龙大量减少;海洋中,壳类生物被酸雨大量侵蚀。存活下来的生物大多体积很小,比如我们的祖先,可以躲避灾难,消耗的食物不多,或是足够幸运,生活在不大受影响的区域,灾难过后还可以扩散出去。地球上70%的物种灭绝了;但这也意味着剩下的30%有了探索的机会。但这些灾难跟变成雪球的地球相比,还是小巫见大巫。陨石撞击无法引发全球冻结。根据恐龙灭绝前后的事件看,这次撞击更可能导致全球变暖,而非冻结。但是地球以外的情况就是另一回事了。

  不计算的话,很难想象太阳系穿过宇宙中一片厚厚的云团是什么情况,云团中的物质会挡住太阳部分的热量,让地球降温,进入冻结状态。但即使是很致密的云团,每立方厘米中也只有大约100万个原子、分子,其中绝大多数是氢气分子。以地球上的标准衡量,这个密度接近于真空。而宇宙云团中只有约1%的物质是固态颗粒,直径大约0.1毫米。这样的物质几乎遮蔽不了多少阳光,没法影响地球的气候。

  但有一个漏洞——如果太阳经过的致密云团,刚好是附近的超新星爆发产生的,那么大气顶端的尘埃的确可以反射足够多的热量,让地球进入雪球状态,但这也会在相应年代的地层中留下一层放射性物质,我们至今仍未发现这样的物质。

  不过,太阳系穿过一片普通的宇宙云团,还是有可能导致地球进入冰川期,只不过不是彻底冻结。云团中的氢气被地球捕获,并进入上层大气。氢气分子会被拆开,跟氧气分子发生反应,生成许多种化合物,包括水蒸气。有科学家考虑过这一系列反应对平流层的影响——破坏了抵御紫外线的臭氧层;但最重大的影响,还是在高空产生了一层致密的水滴和冰晶,反射了太阳绝大部分的能量,让地球表面降温。可是,这样稀薄的云团最多只能让地球降下1摄氏度,只能起到锦上添花的作用。宇宙中的云团无法让地球进入雪球状态;那么太阳系中的云团呢?

  一颗直径10千米的陨石已经可以引发白垩纪生物大灭绝。这么大的天体很常见,但只有轨道和地球交叉的天体才有机会和地球发生撞击。这些天体分为两类:阿波罗型小行星——得名自第一颗归为此类的小行星——绝大多数时间都比我们离太阳更远,但靠近太阳时就会穿过地球的轨道;阿登型小行星——也得名自第一颗归为此类的小行星——绝大多数时间都比我们离太阳更近,但远离太阳时会穿过地球的轨道。还有第三类天体,阿莫尔型小行星,会从外侧接近地球的轨道,但不会和地球交叉。目前已知的有几十颗阿波罗型小行星,并且这个数量还在不断增加;阿登型小行星几乎一样多;阿莫尔型小行星有1000多颗,因为离我们不远,所以很容易发现。阿波罗型和阿登型小行星只有在靠近我们时才能被观测到,从已有的数据推算出直径超过1千米的这两类天体,也会有数千颗。

  而这样与地球轨道交叉的天体,最大能有多大呢?爱神星是一颗形状像板砖的小行星,长35千米,宽11千米,高11千米。想想这样的天体撞击地球会是什么样吧。爱神星正是典型的阿莫尔型小行星,轨道在逐渐移动,而计算机模拟发现200万年内,爱神星的轨道就会与地球的轨道交叉。虽然太阳系内侧有许多小行星,木星也会挡掉许多外部的天体,但还是有更远处的天体——在最远的行星之外——能进入太阳系内侧。这些天体包括彗星,以及奥尔特彗星云中的冰块岩石混合天体。虽然还没得到确切证实,但许多轨道与地球轨道交叉的天体应该都是早期彗星进入太阳系后残余的岩石块,其中的冰早已蒸发或升华殆尽。如果爱神星只是一片碎片,那么会来自什么样的天体呢?

  这个问题可以从两个角度解答。首先,我们可以看下现在太阳系外侧的冰块有多大。我们最远只能观测到奥尔特彗星云中这么大的天体,但在柯伊伯带中就可以观测到类似的冰块。我们现在普遍认为冥王星不是行星,而是柯伊伯带中的天体;冥王星直径约2300千米,在柯伊伯带中都不是最大的天体。可能存在这么大的彗星吗?另一个角度是尝试用计算机模型重建不久之前在太阳系内解体的大型天体。最佳的例子就是恩克彗星留下的一条碎石带,这颗彗星得名自约翰·恩克,第一位计算出其轨道的天文学家。恩克彗星与太阳的距离在0.34~4.08个天文单位之间,最远时几乎跟木星并肩,每3.3年环绕太阳一周。这意味着恩克彗星是唯一活跃的阿波罗型小行星,经常穿越地球的轨道。20世纪,牛津大学的维克多·克鲁伯和爱丁堡皇家天文台的比尔·纳皮尔合作得出了恩克彗星与太阳周围一圈碎石之间的联系。

  濒死的彗星进入这样的轨道时,每次经过太阳都会损失一部分冰,这部分冰会化为一团蒸汽消失。这样,原本由冰固定的固态物质就会逐渐释放,体积大到如小行星一般,小到同一粒沙子一样。地球经过这样一条碎石带时,大体积的石块如果不发生碰撞,沙粒一般大小的天体就会进入大气,燃烧发光,变成流星。我们每年都会穿过类似的一条碎石带,因此总有那么一晚,或是几个晚上,夜空中会出现流星雨。我们根据目测处在流星雨源头的星座为其命名。比如金牛座流星雨是因为流星看起来像是从金牛座落下来的,在每年11月初都会出现;而地球转至太阳的另一头,即每年的六月底,还会穿过同一圈碎石带,产生金牛座β流星雨。从这个例子我们大概能了解碎石带有多分散,以及其中有多少物质。

  1940年,当时彗星研究方面的先锋弗雷德·惠普通过计算得出,金牛座流星群的运行轨道与恩克彗星运行的轨道形状相同,只不过位置平移了一点。他发现原来的彗星是受了木星的引力作用,留下了一长串碎石,而且要达到今天的状态,至少已经过了1000年。克鲁伯和纳皮尔进一步计算后,发现最大的阿波罗型小行星中,至少有七颗与金牛座流星群有关,从其中最大的一颗,直径约10千米的火神星的运转轨道可以看出,这颗小行星是至少20000年前从恩克彗星上脱离的。他们估计与金牛座流星群和恩克彗星相关的碎石中,直径超过1千米的至少有150块。他们在合著的《宇宙寒冬》中写道:这些碎石应该都是从一颗巨型天体上掉落的。

  克鲁伯和纳皮尔将流星群中的天体全部累加起来,估计最初的天体直径至少有100千米。这与凯龙星的体积相当。凯龙星是一颗冰冻状态的天体,轨道在木星和天王星之间,与土星的轨道交叉。我们知道太阳系中有许多这样的天体,有的直径达数百千米,而且恩克彗星与金牛座流星群之间的联系说明这样的天体可以闯入太阳系内部。那这样的天体到了地球这里,会造成多大的影响呢?

  克鲁伯与纳皮尔对有史以来这样的彗星闯入太阳系内部后对地球的影响尤为感兴趣。他们研究了这样的天体产生的尘埃在太阳周围扩散并反射太阳光形成的黄道光现象,几千年来,黄道光的强度一直在变。他们认为这也对地球的气候产生了影响,并认为凯龙星这样的天体落入恩克彗星运转的轨道后会导致冰川期。要真的进入冰川期其实很难,但以横向思维闻名而且思考方向经常正确的天文学家弗雷德·霍伊尔提出了一种可能性,即这样的事件甚至可能导致极端的冰川期,远比克鲁伯和纳皮尔研究的结果要严重。

  霍伊尔观点的核心是目前地球的气候处于微妙的平衡状态,只要稍有倾斜,就会引发一系列反馈,造成无法挽回的后果。他将气候比作一台“天气机器”,由太阳的热量驱动。海洋吸收了太阳的热量,产生了水蒸气,这些水蒸气再凝结为水滴,落在其他地方,释放当初吸收的热量。因此水蒸气可以从热带向高纬度地区传递热量。水蒸气还可以进入高层大气,到达离地面约15千米高的对流层。对流层的温度最低可达-20摄氏度,但水蒸气不会全部结冰,因为只有附着在尘埃之类的微小“种子”上,水蒸气才能结成冰晶。没有可供凝结的核心,水会一直以超冷却的蒸汽状态存在,直到温度降到-40摄氏度以下,这时微小的水滴会突然结成冰晶,并作为凝结的核心,供其他水滴附着、结冰,形成一大片反射性极强的微小颗粒,南极地区的探险者们看到这样的颗粒后,为其取名为“钻石尘”。这种冰晶的反射能力非常强,即使在地球表面包上一层0.01毫米厚的水,并将其全部转化为直径约1微米(0.001毫米)的钻石尘,这层物质也几乎能够反射掉太阳照射过来的全部能量。将大气层中0.1%的水蒸气转化为钻石尘,就足够让地球进入雪球状态了——虽然霍伊尔得出这个结论时,地理学家还没发现雪球状态存在过的证据。

  霍伊尔想找到触发普通冰川期的事件,而非雪球状态的事件。他为此建立了一个复杂的模型,假设陨石撞击地球后,让高层大气中布满了尘埃,使温度降低到足以触发雪球状态的程度。这样的撞击规模一定很巨大,也一定会留下很醒目的陨石坑。但如果被撞击的不是地球呢?

  虽然地球上的生物经历过许多次灭绝,但目前我们仅证实了其中两次与陨石撞击有关,即白垩纪末期和三叠纪末期这两次。这算不上什么好消息,毕竟陨石撞击至少引发了两次最严重的灾难。要评估风险,我们可以看看金星的表面,金星由于没有板块重构,所有陨石坑都留存了下来。我们可以通过金星的表面计算一定时间内,指定规模的撞击发生的频率。而且地球与金星体积相近,距离也很近,都在太阳系内部,通过金星计算出的频率也适用于地球。我们利用环绕金星的探测器对表面进行雷达探测,目前对金星表面已经有了很细致的了解。不过,我之前也提过,金星的表面有些不对劲。与月球和水星表面相比,金星表面的陨石坑密度很低。考虑到金星的体积和年龄,上面的陨石坑太少了。

  我们通过对月球、水星和火星的研究,发现金星应该每隔70万年就会受到一次大型撞击,留下的陨石坑能被探测器的雷达探测到。金星表面随机分布着约900个这样的陨石坑,因此表面的年龄约有6亿~7亿年。这只相当于金星年龄的15%。但是太阳系的年龄超过40亿年,金星应该也是。我们还在金星表面观测到了火山活动留下的痕迹,最近的约在几百万年前,但这依然无法解释金星表面为何如此光滑。行星天文学家们给出的解释,是约7亿年前(前后5000万年以内),金星上发生了灾难性的火山爆发,表面裂开,岩浆喷涌而出,将以前的陨石坑都填满,让金星表面焕然一新,陨石可以重新留下新的印记。从地理学的角度看,这次“换脸”是灾难性的,其持续时间可能长达一亿年。

  而金星的地壳非常厚,不像地球一样会发生板块重构,这与上面的假设也吻合。我们通常认为金星厚厚的地壳阻隔了大量辐射释放的热量,这些热量会不断积累,直到足够让表面裂开。这样说来,40亿年的时间里,金星可能已经“换”了几次“脸”了。

  但金星还有其他奇怪的地方。金星的自转方向“错了”。假如你站在“高高”的地方“俯视”太阳系,你会发现行星都是逆时针旋转的。只有天王星几乎是平躺着旋转的,还有金星是顺时针旋转的。因此金星上的太阳从西边升起,东边落下。不过金星的日升日落相隔很久。金星的自转非常缓慢,一圈要243个地球日。这甚至比金星上的一年(225个地球日)还要久,但金星围绕着太阳旋转,一天的时间,即两个正午之间的间隔,是117个地球日。因此金星的一年只有两个金星日。行星大多逆时针方向旋转,目前公认的解释是因为诞生行星的物质团是这样旋转的。天王星和金星起初应该也朝着同样的方向旋转,因为物理法则不允许其他可能性。但如果这两颗行星都遭受过巨大天体的撞击,它们异常的自转状态就能解释了。

  没人能确定金星什么时候遭受的撞击,只知道至少在7亿年以前,否则我们一定能看到那次撞击的痕迹。而且,这样的撞击可以熔化金星的地壳,释放大量岩浆覆盖表面,抹去一切痕迹。宾夕法尼亚州立大学的詹姆斯·卡斯汀指出,谷神星的直径超过1000千米,灶神星和智神星直径都在500千米左右。他认为这样的天体如果撞击地球,“很可能将海洋全部蒸发,产生一层厚厚的水蒸气,就像早期金星上失控的温室气体一样……(这层水蒸气)可能灭绝地球上所有的生物。”但他没有问过,如果这样的撞击发生在金星上呢?

  虽然只有间接证据,但我们还是很希望得出最明显的结论,除非你相信极其巧合的事。如果一颗体积跟柯伊伯带相仿的天体或很大的陨石,在约7亿年前落入太阳系内侧,然后解体,其中大的碎片都撞向了金星,就能解释金星的自转方向为何相反,那时的金星为何会“换脸”,以及地球为何有段时间像颗钻石一样反射了大部分太阳光,导致表面结冰了。一颗巨大的彗星可以解释三个谜题。那时温室金星和雪球状态的地球的命运紧紧联系在了一起,并为寒武纪生命大爆发搭好了舞台。而这次撞击的罕见程度,凸显了寒武纪生命大爆发有多特别,以及我们的存在有多幸运。

  (1)布拉克内尔夫人是奥斯卡·王尔德笔下的角色,最有名的一句台词就是“失去一位病人也许是不幸,失去两位就像是粗心大意了”。——译者注

  我们的特别之处显然是智慧。当然,海豚和其他生物也有智慧,但我们的智慧更加独特,虽然怎么定义智慧有些困难。智慧不仅仅是大脑尺寸的问题,我们可以认为海豚有智慧,海豚的大脑占身体的比例的确更高,比黑猩猩、大猩猩都要高。的确,直到约150万年前,海豚都是大脑占身体比例最高的生物,应该也是最有智慧的。之后直立人的大脑才逐渐发育,占比超过了海豚。但科学技术都是人类发现、发明的,而不是海豚,当然这与海豚在海里也有点关系。

  智慧是什么呢?如果没人问我,我很清楚。但有人问我,我又很茫然。我们只知道人类的智慧似乎是地球上独一无二的进化产物。但似乎又有证据表明,如果时机合适,类似的智慧还可能更早出现。从我们的角度看,这是偶然与趋同互相作用的最好示例,或者用获得诺贝尔奖的法国生物学家雅克·莫诺德更优雅的说法,偶然与必然。

  按这个说法,在白垩纪生物大灭绝之类的灾难发生后,决定哪些物种能存活的是偶然,而幸存下来的物种如何进化、适应环境,关键又在必然性。如果在今天的环境下,有智慧、立体视觉和灵活双手的直立两足动物有很大的进化优势,那在恐龙统治地球的1.5亿多年时间里,自然选择的压力为什么没有产生出聪明直立的恐龙呢?

  原因之一是过去的几个纪元里,进化的压力从各方面来讲都比后来小。那时的环境总体来说很稳定。具体来说,由于各块大陆之间的位置关系,地球上没有发生过大规模的冰川期,消灭大部分物种,并筛选出有智慧、适应性强的物种。一会儿我们会讲到这点。还有一个原因,虽然进化的车轮转得很缓慢,但依然在转,白垩纪晚期的确出现了一种很独特的恐龙。

  恐龙并不是头脑简单、四肢发达的大块头。“恐龙”这个词就像今天的“哺乳动物”一样,覆盖了很多种生物。恐龙有食肉恐龙,像今天的狮子、老虎一样;还有食草恐龙,像今天的鹿和山羊一样,甚至还有水生的恐龙和会飞的近亲,严格来说,会飞的不属于恐龙。恐龙下面有一科生物,对我们为什么会出现有着独特的启示。这一科生物中,最典型的就是啮齿龙,包括啮齿龙科和啮齿龙属。过去我们将啮齿龙称为细爪龙,它是似鸟龙的近亲;不过对于非专业人士来说,现在这三个名词指的是同一种动物,我在下文将其称为啮齿龙。

  啮齿龙体形较小,头尾两到三米,双足直立,有两条前臂,各分出三根手指,其中一根像我们的拇指一样,指向与其他手指不同(1)。啮齿龙体重50~60千克,眼睛很大(有专家认为这意味着啮齿龙是夜行动物),双眼均处在头部正前方,因此应该具有立体视觉。从牙齿看,啮齿龙应该是杂食动物,但食物以肉类居多。啮齿龙是轻盈敏捷的猎手,视力良好,还有抓力较强的手;其猎物应该不仅有小型爬行动物,还有小型哺乳动物,包括我们那时的祖先。更重要的是,啮齿龙大脑占身体的比例是所有恐龙中最高的,几乎达到了现在狒狒的水平。这些都表明啮齿龙很有希望进化出我们这样的智慧。但不幸的是,啮齿龙刚好出现在白垩纪末期。

  白垩纪生物大灭绝之后,陆地上任何体重超过40千克的动物都消失了,包括啮齿龙及啮齿龙科下的所有生物。但如果没有这次灭绝会怎么样?许多科学家都觉得这个假设很诱人,有几位进行了深入研究,其中最有名的就是古生物学家戴尔·拉塞尔和天文学家卡尔·萨根,他们研究了如果没有白垩纪生物大灭绝,啮齿龙会朝哪个方向进化。拉塞尔与同事罗恩·赛金甚至还做了一个“实物”模型,他们将其称为“恐龙人”,大脑很大、双足直立的爬行动物,眼睛很大,手上有三根手指,其中一根是智人指。

  拉塞尔计算出以白垩纪晚期进化的速度,要进化出体重和大脑都与现代人类相近的生物,大约需要2500万年,也就是在4000万年前。这种有智慧的恐龙人很可能会开发出计数体系,但会是六进制的,与我们开发出十进制的理由逻辑类似,虽然我们的理由是主观的。在之后的4000万年里,这种生物又会进化成什么样呢?萨根做了保守的估计(这段话写在我们发现白垩纪生物大灭绝之前):如果6500万年前,恐龙没有神秘消失,似鸟龙会继续进化为更有智慧的物种吗?他们能学会集体狩猎更大的哺乳动物,甚至阻止中生代结束后哺乳动物的大规模扩张吗?如果恐龙没有灭绝,主宰着地球、能读书写字,甚至还会推测如果哺乳动物胜出会怎样的,会是似鸟龙的后代吗?

  “搜索地外智慧生命”计划的狂热支持者则认为,如果啮齿龙很久之前就几乎可以进化出智慧,那在银河系其他地方发现智慧生物的可能性就增加了。但费米悖论还是卷土重来了,因为我们现在面临的问题,不仅仅是为何其他星球上的文明没有在太阳系留下记号,还有其他具备太空航行能力的文明为何没有在地球、月球,甚至火星的轨道上留下痕迹。悲观地看待这个问题,恐龙花了1.5亿年才有机会进化出智慧,然后就发生了大灾难。考虑到地球上生命遭受灾难的频率,智慧生命怎么来得及进化出来?而对于人类来说,是多变的气候让进化的步伐加快了。

  我们通过化石和分子证据,知道了哺乳动物中的似鸟龙花了多久进化成智人。DNA“指纹”技术目前在法医学领域有了成熟的应用。在其他手段无法识别身份时,我们经常用亲人,比如,兄弟姐妹的DNA,确认受害者的身份。兄弟、姐妹、父母、子女的DNA都很相似。表兄弟的DNA比亲兄弟的差别大一点。亲缘关系越远,DNA差异就越大。面对一群不同年龄、彼此有亲属关系的人,只用DNA就可以建立所有人的关系树,甚至还能确定大家共同的一位祖先。类似的方法也适用于物种。我们通过分析生物的DNA,可以确认与其亲缘最近的物种(兄弟姐妹),还有亲缘较近的物种(表亲),等等。向上追溯,就会发现兄弟物种同样的祖先(父母),表亲物种则要追溯得更远(祖父母),以此类推。

  我们正是通过这样的分析确定了大熊猫是熊的一种——DNA鉴定技术出现之前,动物学家无法确定大熊猫究竟属于熊还是浣熊。我们还用类似的方法确定了狗的祖先,结束了学界多年来的争论。DNA鉴定技术出现之前,专家们分为两派。一派认为早期的狗就是由狼驯化而来;另一派则认为狗的祖先还包括了豺狼或郊狼。DNA证据表明,狗的祖先只有狼。这项技术解决了许多只通过解剖无法确认的问题。那我们人类呢?

  我们的基因与黑猩猩的相似度高达99%,这句话被人复述了太多遍,不过准确性不容置疑。更准确地说,我们与黑猩猩之间有98.6%的基因是相同的,但人类和黑猩猩的外观差异依然十分显著。黑猩猩也分为两种,普通黑猩猩和侏儒黑猩猩。DNA证据已经能够表明,我们与侏儒黑猩猩之间的亲缘更近,与普通黑猩猩则稍远。但两者的差异十分微小。根据生物学的一般规则,我们也可以归为黑猩猩类,即智慧黑猩猩——我们只是想当然地认为自己很独特,所以才单独分出了人类这一物种。除黑猩猩之外,与我们亲缘最近的物种你应该也猜到了,是大猩猩与红毛猩猩。但如果这两种猩猩算是我们的表亲,那我们人类、黑猩猩、大猩猩、红毛猩猩共同的祖父母是什么物种?它们又生活在哪里?换一种问法,分子时钟转动的速度有多快?

  首先要说明,对于我们感兴趣的物种,尤其是我们自己、黑猩猩和大猩猩,分子时钟转动的速度都是一样的。同一个祖先分化为两个物种,并通过DNA变异不断积累着变化,而我们不可能假设不同物种发生变异的速率都相同,无论这个结论看起来多么合理。分子时钟(除DNA外的其他分子也可以用作时钟)要先测试准确程度,并根据化石等证据校准时间,然后才能用来研究生物的亲缘关系。

  实际操作中,这个过程很漫长,需要深入调查许多物种的分子和其他证据。我们暂时不用关注太多细节,只用一个例子来看看这项技术的工作原理。猿(包括我们人类)、狒狒和松鼠猴都是自同一个祖先进化而来。这个祖先有多久远,对我们的讨论暂时无关紧要。我们和松鼠猴的分子差距是15%,而松鼠猴和狒狒,以及其他猿类之间的差距也是15%。因此经过了同样多的时间,这几个物种都累积了同样数量的变化。这说明这些物种自分化出来后,分子时钟的转速相同。类似地,狒狒与所有猿类之间的差距也一样。因此我们可以认为,人类、猿类和松鼠猴从同一个祖先分化出来后,分子时钟的转速是相同的。这进一步证明了光从进化的角度看,人类走过的路其实没什么特别的;我们只是非洲猿类的一种,像其他猿一样进化着。

  虽然我们还没发现能证明人类与其他猿类分化时间点的化石证据,但还有其他化石能证明更早的分化,我们也可以用这些证据来校准时钟。读者需要知道的就是已有的化石和分子证据告诉我们,不足400万年前人类与黑猩猩分化了,而就在这次分化之前,大猩猩与人类和黑猩猩也分化了。

  这就带来了一个问题,物种为什么会分化?生活在丛林的猿类为何会分成几条线?虽然大多还生活在非洲丛林,但为何有一条线不断演变成了主宰地球的物种,能建造射电天文望远镜和太空探测器,还会思索宇宙其他地方是否存在智慧生命?我们通过化石证据知道了分化发生的地点——东非大裂谷;我们还知道分化的时间;甚至还找到了一个非常理想的原因,解释为什么会分化,以及与白垩纪末期其他生物的进化速度相比,那次分化为什么那么快。

  我们与其他的非洲猿类有什么不同?适应性和智慧。那400万年前,生活在非洲丛林的猿类有了适应性和智慧,能占据什么优势呢?那时非洲丛林受到了环境变化的严重影响,而这些环境变化的起因正是大陆漂移。

  大约500万年前,地球的环境发生了较大的变化,地理学家认为可以将其定义为一个世代——第三纪中新世的终结,以及新纪元——第三纪上新世的开始。真正意义上的猿人,以及第一个可以归为人类的物种正是出现在第三纪上新世。那时地球的南部几乎没有地理上的变化,除了大洋洲和南美洲正在逐渐远离南极洲。而那时的南极洲已经覆盖了南极。这就使得南极洲周围产生了很强的洋流,其他地区的暖流无法影响到南极洲,因此约600万年前,南极洲就十分寒冷,而且那时南极洲的冰比现在还要多。那时结冰的海水更多,海平面比今天的海平面低了50米。这个原因,加上其他因素的作用,使得地中海盆地完全干涸。而且随着南极洲冰量的变化,地中海盆地也曾数次干涸。

  这样,地球南部基本稳定了下来,波动很小,北半球地理上的变化就成为了我们起源的主要原因。随着大陆北移、聚集在北极地区,陆地上的环境也改变了。原因有两点,第一点是越靠北的地方,降雪越容易累积形成冰盖或冰川。第二点是在北极的北冰洋越来越封闭,周围的大陆挡住了热带暖流,导致温度下降。最终,北冰洋表面出现了冰盖——而冰盖一出现,就会反射掉太阳的能量,维持低温的状态。据我们所知,北极是一圈陆地围起来的海洋,南极是一片永远覆盖冰川的大陆,这种情形之前几十亿年从来没在地球上出现过,像我们一样独一无二。

  大陆向北极漂移的第一个影响,就是产生了更加多样的气候。所有大陆都分布在赤道周围时,陆地上几乎只有热带气候。这种情况持续了数千万年,对适应了热带气候的物种来说非常理想,但缺乏变化,不太能刺激出进化。地中海一次次干涸的时候,北极的气候一直很凉爽、温和,针叶林一直覆盖到大陆最北端。虽然北部的高纬度地区会有季节性降雪,但能从南方带来温暖海水的墨西哥湾流在逐渐增强,降雪无法累积成冰川。这些发生在500万~300万年前,那时南北美洲之间的距离在逐渐缩小,洋流很难进入太平洋。但北边也逐渐被格陵兰岛阻隔,洋流只能向东,让欧洲西北部比现在的纽芬兰岛还温暖,北冰洋也最终结冰。约530万年前,由于板块重构,伊比利亚半岛与非洲之间的距离稍微扩大了,水流从直布罗陀海峡以300千米/时的速度涌入,只用两年的时间就让地中海盆地最后一次被水灌满。海平面每天甚至会上涨10米。

  有了更多样的气候,动植物生存的环境也更加多样。陆地主要被热带雨林覆盖时,热带生物的生存环境很理想,其他生物则不然。而出现了热带、温带和其他气候之后,很多热带生物就遭殃了,至少生活在热带雨林边缘的生物是这样,因为它们不得不为了日益减少的资源互相竞争;但对于能迁出丛林,适应其他生活方式的物种来说,这是好消息。因此约600万年前,地球上的生物多样性增加了。现代狗的祖先就在那时出现,很快现代熊、骆驼、猪,以及其他生物的祖先也都出现了。而我们知道,那时东非的猿类分成了三条线,其中一条线最终演变成了智人。

  约500万年前,由于特殊的地理条件,东非地区对当时地球上的气候变化尤其敏感。就在非洲猿分化为三条线的时候,那里的板块重构正将地壳掀起,产生碰撞,形成了东非大裂谷。大裂谷区域并没有被雨林覆盖,常年湿热,而是变得干燥,丛林也不断减少。与当时全球范围的趋势类似,那里的气候也有了季节变化,草原和稀疏的林地将仅存的一片片热带雨林包围了起来。

  不过,即使是地球北部结上了一层冰盖,东非地区的温度也只是略有下降。对那里的动植物来说,最关键的变化是裂谷对降水的影响。地球降温时,海洋中蒸发的水分变少,因此空气湿度会降低,降水量也减少了。而随着冰盖面积的扩大,海平面也会下降,露出更多的大陆架,因此降水天气系统与东非大裂谷这类地区的距离也变远了,降水系统在移动过程中也会损失掉大部分水分。对我们祖先的进化过程来说,最关键的问题就是高纬度地区进入冰川期,导致东非出现了干旱期。而干旱对雨林很不利。

  到了300万年前,北极的温度与现在差不多。虽然冰雪没有延伸很远,但我们通过各种地质证据发现,赤道地区还是有了显著的降温,也干旱了不少。到了约250万年前,欧洲大陆和加州的山脉上都出现了冰。现在,冰覆盖了地球表面约1500万平方千米的面积;但约200万年前,冰覆盖的面积达到了4500万平方千米,根据那时海平面降低的程度推断,被冰盖住的水足有5.6万亿立方米。巧合的是(我并不相信这是巧合),当时的人类第一次离开了东非,开始在非洲各地乃至欧洲、亚洲扩散。那时的人类还属于直立人,颈部以下与现在的人类相同,脑容量约有900立方厘米,后来逐渐进化至1100立方厘米;现代人的脑容量是1360立方厘米。显然,更大的大脑及其带来的好处是智慧和适应能力,这对直立人及后来其他人种的成功至关重要。原因很简单,从那时气候出现的规律性变化中就能看出来。

  虽然气候的规律性变化很复杂,涉及许多因素的循环,但我们通过地质学研究发现,最主要的规律就是每次冰川期都会持续约10万年,冰川期之间温度更高的阶段——间冰期,会持续约1万年。我们现在就生活在间冰期,这次间冰期约在1万多年前开始;整个人类文明的历史都在最近的一次冰川-间冰期交替中。当然,“下一次”冰川期可能不会按时到来,因为科技文明也对地球的气候产生了冲击。

  这方面我们理解得很透彻。气候变化的规律与地球在月球的稳定作用下,轻微的倾斜和抖动有关,地球轨道在其他行星,尤其是木星的作用下,从圆形变为略显椭圆形,再变回去。我们将由此引发的气候变化命名为米兰科维奇模型,因为塞尔维亚天文学家米卢丁·米兰科维奇计算出了相关的细节。地球其实有三个主要的米兰科维奇循环,持续时间分别约为10万年、4.3万年和2.3万年。最核心的问题是虽然地球每年从太阳接收的热量几乎不变,但不同季节热量的分布不同。而过去几百万年,地球大陆独特的布局使得南极洲永远冰封,却也让北半球对气候变化极其敏感。这种情况在地球的历史上独一无二,也对我们的存在至关重要。

  有时,北半球的冬天很冷,夏天很热;有时,冬天又没那么严酷,夏天也凉爽(当然,南半球的冬夏与北半球相反)。现在,北半球高纬度地区冻结的海洋周围有这么多陆地,地球应该很快进入全面的冰川期。根据米兰科维奇模型,地球摆脱冰川期后,只要过几千年,北半球的夏天就会非常炎热,让绝大部分冰川都融化。只要夏天还炎热,冰只需要融化一点,这个过程就会不断加速,因为露出的大陆是深色的,会从太阳那里吸收更多的热量。但如果夏天的温度降低了,而冬天又无论如何总会降雪,上面的过程就逆转了,地球就会进入全面的冰川期。地质记录也与我们的预测相符。

  而在很靠南的地方,我们祖先生存的丛林则会经受交替的旱灾与涝灾。南极上覆盖了永久的冰盖后,南半球可用的水分就很少了,丛林也对米兰科维奇循环的变化更敏感。气候很严酷,导致丛林面积缩减时,那里的人猿面临着两个选择——是撤回丛林的中心地带,与其他树生动物争夺有限的资源,进化为更适应丛林的猿类,还是尝试在丛林边缘生存,适应新的生活方式,再向平原进发?被逼到丛林边缘、不适应就会灭绝的,是之前生存得没那么好的树生人猿。

  如果干旱继续,这些人猿可能会全部灭绝。当时也的确有不少人猿消失了。但过了约10万年,降雨回归了,丛林面积扩大,生存的难度也降低了。筛选后幸存的人猿都是最顽强、适应能力最好的,或者从进化的角度说,最适应新生活方式的。在干旱回归、条件又一次变得严苛之前,人猿数量应该会暴增,不断散播让自己成功幸存的基因。几百万年来,这样的循环一次次上演,每筛选出一批更有智慧、适应性更强的人猿,气候就会变得温和一点儿,让幸存者能够繁衍生息。难怪我们的祖先比啮齿龙进化得快呢。

  冰川期的节奏也是人类进化的节奏。如果三四百万年前,冰川全部覆盖地球,并且从未融化,东非就会变成大片的沙漠,只有最适应丛林生活的人猿在仅存的丛林里生活。而如果条件刚好相反,干旱从未发生,那也不会有进化的压力筛选出我们这样的智慧生物——以南美洲为例,那里的热带雨林保留了下来,树生的灵长类动物依然适应得很好。正是因为有了不寻常的气候变化,我们的祖先才幸存了下来,并持续进化,我们才能够出现。但我们的祖先也只是幸存了下来——DNA证据告诉我们,西非地区一个黑猩猩群体内的基因差异,比地球上任意两个人的基因差异都大;我们推测,追溯现在地球上所有人的祖先,得到的结果应该是一群不超过1000人的早期人类。因此,地球即使经历了早期的重重磨难,也还是险些与科技文明失之交臂。但我们的祖先一旦有了一定程度的智慧和适应能力,就能够在间冰期发展出文明,资源充裕时人口爆发式增长、农业蓬勃发展,这些都不是巧合。那我们的未来呢?

  无论德雷克方程的粉丝们有多狂热,我们都不可能将人类存在之前的每一个关键环节都量化。但显然大多数,甚至绝大多数环节发生的概率都很低。行星很常见,但类地行星不常见。类地行星上的海洋很可能诞生生命,但这样的生命又很难进化成复杂的多细胞生物。以此类推。读者可能会觉得我有些悲观。但无论进化出啮齿龙或南美猿猴的概率多么乐观,还是有这样的最后一环,让银河系中出现我们这类智慧生物,也就是从猿猴变为人的希望变得十分渺茫。要完成这最后一环,需要南北极同时被冰川覆盖,出现不同的气候带,能产生东非大裂谷的地质变化,还需要行星轻微地抖动,刚好能产生米兰科维奇的冰川期循环。我们的确是很幸运的物种。

  这应该让我们有些责任感。可惜并没有。洛夫拉克将地球看作一个完整的生态系统——“盖娅”,能够解释为何适宜复杂生命生活的环境可以维持这么久,但也提醒着我们,对于科技文明可能带来的突然冲击,地球的生态系统也很脆弱。在气候方面,现在我们最担心的是人类活动引发的全球变暖。我们最怕21世纪中期或晚期,地球的平均温度会缓缓地上升2或3摄氏度。但地质记录显示,只要达到了临界点,地球的温度就会突然变化,可以升高也可以降低。要想象这个情形,看看北冰洋的冰盖就行了。北冰洋全部被冰覆盖时,会反射掉太阳的热量,即使温度升高,速度也十分缓慢。但一旦冰面开始融化,深色的海洋就会吸收非常多的热量,导致温度急剧上升。而到达地球表面的能量减少时,这个反馈循环还会反向作用,海洋会慢慢降温,达到冰点后,温度再骤降。洛夫拉克通过计算得出,如果本世纪中叶地球的温度达到临界点,在反馈系统和地球上生物、非生物的共同作用下,温度会突然升高4~6摄氏度。从地理学的角度看,即使地球在10000年内升温4~6摄氏度也很突然,会导致生物大规模灭绝;而在我们的影响下,一个人一生之内就可能见证这样的变化。生命可以延续;但科技文明能否幸存还有待讨论。

  人类活动积累的二氧化碳等物质,不只会产生全球变暖一个威胁。还有个威胁——我们才刚开始意识到它的严重性——就是空气中的二氧化碳溶于海水后形成碳酸导致的海洋酸化。海洋酸化最明显的危害就是溶解了珊瑚礁,但酸性的海水还会侵蚀许多海洋生物的外壳,包括食物链最底端的浮游生物。极端的酸化会导致海洋的“荒漠化”,对地球上其他区域的生物有着难以估量的影响,海洋生物大规模死去还会大量释放二氧化碳,让温度飙升。

  即使达不到灭绝恐龙那次的规模,陨石撞击也会对我们产生很大的危害,更不要说达到触发雪球状态的规模。而这样规模的撞击并不罕见。问题主要在于小行星带的天体并不会安分地待在火星和木星之间。我们目前发现了数千颗小行星,也通过计算得出了它们过去和未来的轨道,天文学家们发现导致白垩纪生物大灭绝的那次撞击,源头是1亿年之前两颗大型小行星发生的碰撞。这两颗碰撞的小行星直径分别为170千米和60千米,以11000千米/秒的速度迎面撞上,产生了约15万块碎片,这些碎片进入了新的轨道,并在木星的引力作用下像霰弹枪的弹片一样袭击了太阳系内侧,几颗行星和月球都受到了影响,恐龙被全部灭绝,还在早期的月球上留下了第谷陨石坑。

  视线年的夏天,一颗陨石进入了地球的大气层,燃烧发光后,在西伯利亚地区的通古斯上空爆炸。这次爆炸影响了约2000平方千米的区域,让8000万棵树像火柴棍一样倒下,树冠指向爆炸中心外侧。科学家通过计算估计出陨石的撞击速度约为15千米/秒(超过50000千米/时),温度达到了25000摄氏度,然后在约10千米的高空解体。释放出的能量相当于1000万吨TNT。但这颗陨石的直径只有30米。而且这次爆炸刚好发生在地球上最荒凉、几乎无人居住的区域。如果通古斯陨石再晚几个小时到,地球会多自转一会儿,爆炸就差不多会发生在圣彼得堡正上方,让城市及其居民全部毁灭。

  在两次极端事件——通古斯大爆炸和恐龙灭绝之间,即大约13000年前,哺乳动物也经历了一次灾难。那时,地球部分区域的温度在短时间内降低了15摄氏度,至少35种哺乳动物,包括猛犸象,都灭绝了。这次灾难也影响到了人类:北美洲的克洛维斯人也随着猛犸象一起灭绝了。这次灾难最可能的起因就是一颗比通古斯陨石大得多的天体在北美洲上方的大气层爆炸,碎片撞击了下方的大陆,引起了火灾,因此释放的烟雾也覆盖了地球,让地球降温,原理与白垩纪晚期那次撞击相同,只不过规模小了很多。专家在北美洲及欧洲的地层中发现了用显微镜几乎都看不清的微小钻石,并认为这是那次撞击的有力证据。这些“纳米钻石”只有在陨石撞击那样的极高温、高压状态下才可能产生。引发这次灾难的彗星直径应该约有5千米,但在撞击地球之前应该已经解体了,就像1994年的苏梅克-列维彗星一样,在撞击木星之前就解体了。

  已经有证据表明陨石撞击很常见,而且迟早会再发生,我们唯一的希望是大规模的撞击会晚一点,而且已经在努力打造天文望远镜,识别、监测成千上万颗有可能离地球过近的天体(即近地天体,简称NEO)。美国航空航天局于2009年末发射了WISE卫星(Wide-field Infrared Survey Explorer,广域红外线巡天探测卫星),三个月内,每天都能发现数百颗“新的”陨石,包括5颗NEO。但识别NEO是一回事,尝试阻止其撞向地球则是另一回事。我们通过计算得出的正式结果是50年内,地球有1%的概率会受到一颗直径140米的陨石撞击,这次撞击足以给美国全境,或是欧洲西海岸造成重创。而以目前的状态,我们根本无力阻止。来自太空的撞击是文明面临的最大自然威胁,也能合理地解释我们为什么如此孤单,因为类似的撞击应该也会在其他天体系统内发生。

  火山喷发的危害虽然无法用定量的方法衡量,却一样切实存在。以地理学的时间尺度衡量,最近就发生过数次超级火山喷发,包括约7万年前印度尼西亚多巴湖的那次。那是过去2500万年来已知规模最大的火山喷发。整片印度尼西亚大陆上都覆盖了约15厘米厚的火山灰,由此可见那次喷发的规模。有科研人员认为,这次火山喷发对环境造成的影响,几乎让中东亚及印度地区的人类灭绝。现在,我们已经确定美国黄石公园下方的整片区域都属于一座超级火山,目前虽然还在休眠,但随时会没有任何先兆地喷发。而把时间尺度再放大,产生了德干地盾那样的火山喷发一定还会再发生。无论怎么看,我们这个文明都被内外夹击,注定灭亡,而最实际的问题就是什么时候会灭亡。地球上有过一段没有灾难的时间,让科技文明萌芽发展,但没人能保证银河系其他地方也会发生类似的情况。即便是地球,也可能只是刚好有这么一段时间适宜生命生存。

  地球最终的命运,就是在太阳寿命将尽,膨胀为红巨星时,被燃烧为灰烬。末日究竟什么时候会到来,还要靠一些猜测的成分。太阳在老化过程中,会向太空中释放物质,因此太阳的引力作用会减弱,地球以及太阳系其他行星的轨道都会变远,可以一定程度上推迟末日的到来。但太阳老化后,大气层也会扩张,稀薄的大气可能会通过摩擦力拉住地球,甚至让地球向内运动,导致末日提前到来。不过无论是哪种情况,约50亿年后,地球都会走向终结,因为现在太阳已经在主序星的路上走了一半。

  对于想在银河系其他地方找到科技文明的人来说,这似乎是好消息。地球上似乎有机会第二次出现这样的文明,即便是从零开始进化发展,因此其他类日恒星周围的类地行星应该也会这样。出现我们这样科技文明的概率似乎翻倍了。但是再想想,即使地球上的复杂生物明天全部灭亡,地球的大环境也与前寒武纪时期不同了。地球很可能会损失大部分大气和水,在被太阳吞没之前成为一颗火热的沙漠星球。顶层的大气不断在流失,但只有达到第二宇宙速度(逃离地球的速度,约11千米/秒)才会真的离开地球。现在很少有气体分子能获得这样的速度;但还是会有星星点点的氢原子——由顶层大气中的水分子分解产生——能够逃离。再过10亿年,就会有大量的氢原子逃离,因为太阳在老化过程中,每10亿年亮度都会增加10%。更明亮的太阳会让地球升温,蒸发掉更多的海水,让顶层大气有更多的水分子,也能够释放更多的氢原子。30亿年后,地球上所有的水都会消失。

  但这是从天文学层面进行的计算,并未考虑到地球上环境的变化,否则地球生命灭绝的那一天可能会来得更早一点。太阳在老化过程中会逐渐升温,因此太阳的年龄越小,温度越低。除此之外,年轻的地球在大气中二氧化碳等气体产生的温室效应作用下,温度刚好允许液态水存在。但随着太阳的升温,盖娅机制会减少大气中的温室气体,好将地球的温度继续维持在液态水可以存在的范围内。洛夫拉克指出,这一机制很快就无法发挥效用了,因为现在的大气中二氧化碳含量已经很低了。即使我们忽略人类活动造成的影响——假设我们这个科技文明从未出现,地球还是会温度过高,失去所有水分,只不过是在几亿年内,而不是几十亿年内。

  不过,几亿年也很久了,比恐龙灭绝至今的时间还要久。就算我们这个文明消亡了,其他文明也有足够的时间发展。但不幸的是,100万年后,地球很可能就不适宜生命存在了。

  芝加哥大学的大卫·劳普在他的书《灭绝》里,对地球历史上数次大规模生物灭绝事件进行了研究。他的研究成果之一就是,我们可以将不同规模灭绝事件发生的频率量化,并借此计算下一次指定规模的灭绝事件会在什么时候发生。劳普出于好奇心,还将自己的计算方法推到了极致,计算了一下足以毁灭所有地球生命的事件多久后会发生。他对自己得出的结果似乎还很乐观。

  我试过在计算生物灭绝的频率时,将参数取到极限值,即“地球上所有生物灭绝事件的频率是多少”,我得出的结果并不一定准确,但至少足够让我们宽心。能导致所有生物灭绝的事件,至少每20亿年才会发生一次。

  宽心了吗?如果20亿年是从现在算起,那还算不错。但要知道,地球上的生命已经存在了近40亿年。这样算来,我们的末日早该到来了。

  有句话说得好,“有的话是谎言,有的是该死的谎言,还有的是统计数据”。大家似乎都没太在意劳普的计算结果。而2010年,值得我们注意的数据还是出现了。

  俄罗斯圣彼得堡普尔科夫天文台的瓦蒂姆·鲍比列夫在分析欧盟依巴谷卫星传回的数据时,发现附近的一颗恒星——格利泽710的轨道会与太阳系发生碰撞。格利泽710的质量约为太阳的一半,目前在巨蛇座方向,离我们63光年。这颗恒星正以约50000千米∕时的速度朝我们飞来,在150万年之内一定会穿过太阳系边缘的奥尔特彗星云,甚至可能到达柯伊伯带这样靠内的地方。这颗恒星对奥尔特彗星云产生的扰动,会将彗星云中的天体送入太阳系内侧,引发自晚期大轰炸后规模最大的陨石撞击。而且格利泽710很可能还有自己的彗星云,这样陨石撞击只会更剧烈。这毫无疑问会毁灭地球上的所有生物,让地球回到月球刚刚诞生的状态。地球的确险些与科技文明失之交臂,进化了40亿年后,再过100万年就会消亡。

  不过,我们还是有100万年的时间。虽然我们的文明可能会消亡,其他物种可能也来不及进化,但如果有人类幸存下来,一定能够再建立一个新的科技文明吧?不幸的是,幸存的人类也许有足够的时间,但不会有足够的资源。

  从地球上的生命来看,科技文明的大规模发展,与地壳中大量的化石燃料有着很大的关系。我们的文明最初发展起来,是在一片地表很容易发现煤,还能用鹿角做的镐头轻松挖出铁和铜等金属矿的地区,这并不是巧合。但这些矿藏是几十亿年的板块重构累积下来的,还要再扰动地层让矿藏上升至接近地表的位置,最后等待地表被侵蚀,矿藏才会逐渐露出来。即使是我们的文明赖以生存的煤矿资源,也几乎都是在2.8亿~3.6亿年前凉爽、多沼泽的石炭纪形成的。如果这样的环境条件没有维持几千万年,地球上还会出现科技文明吗?石炭纪后期,地球还积累了重要的石油矿藏。20世纪飞速发展的科技,完全是由易开采的石油驱动的。

  但这些资源都被我们大量消耗掉了。我们现在还可以大量开采矿石、煤和石油,但要依靠科技以及金属和化石燃料。北海或墨西哥湾近海的钻井平台就是最好的例子。如果有灾难让人类一夜回到石器时代,或者人类被全部灭绝,而其他物种进化出了智慧,即使这些矿藏依然存在,新生的文明也无法造出开采矿藏的机器,没法得到驱动机器的燃料了。

  在地球这样的行星上,生物发展出科技只有一次机会——我们已经用光了容易得到的原材料,如果人类全部灭亡,接下来出现的智慧生物(如果有的话),是没法得到科技起步必需的原材料的。这次机会失去就不会再来。这也是解答费米悖论的最后一块拼图。外星人没有来到这里,因为没有外星人。我们能生活在地球上,是一系列概率极低的机缘巧合作用下的结果,根据这些概率,银河系其他地方存在科技文明的概率微乎其微。我们是唯一的智慧生命,这个结论我们要好好熟悉一下。