 同学们好，今天上课的内容是《现代生物科学导论》的第三个专题：地球生命的起源。生命从何而来，又驶向何方？这既是一个哲学问题，也是科学的终极困惑。我们说世界上复杂的事儿挺多，但生命的起源与进化，这个复杂性，就远远超出了一切自然科学所能驾驭的范畴。因此，对于生命起源的科学探索，有时候就不得不借助于哲学家们的深邃思辨。我们今天的课，与其说是人类已有成果的介绍，倒不如说是人类思考的起点。有太多问题，太多矛盾没有解决，甚至一个看似合理的解释都没有。在关于这个话题的探索历史上，人们也可能是时而接近真实，时而又偏离真实。 我们先来谈第一个问题。地球：人类在宇宙中的唯一家园。有时候我们会说，地球是平凡的，因为银河系中就有千万亿颗恒星，类似银河系的星系大于五百亿；而有时候我们又会说，地球是不平凡的，因为目前它是已知唯一有生命的星体。从20世纪60年代开始的地外文明探测工作，到目前还没有可靠的证据说明，是否存在地外文明。但是，不管生命的产生多么极端与罕见，在茫茫的宇宙中总是出现了，因为我们人类自己就是活生生的例子，正生活在这样一颗星球上。从现代地球环境来看，地球的确非常适合生命的生存。 由于我们没有更多的案例可参照，人们只能根据地球上生命生存的环境，来猜测出一个适合生命生存的条件，这就是所谓的宜居理论，该理论大意是说：生命的存在需要一种不冷不热，恰到好处的状态。那就是，行星需要位于距离恒星合适的位置，保证水既不会结冰也不会蒸发。 如果放眼宇宙，就会发现我们所处的宇宙其实是吞噬一切的黑暗，但宇航员从太空中看到的地球则是另外一番景象，一颗充满梦幻的蓝色星球，但这恰好掩盖了其真实的历史：满载冲突、创造与变化。当然啦，我们现在知道，正是地球上生命的存在，让这颗曾经伤痕累累的炽热岩石变成了适合生命生存与发展的温床。然后，地球在氧气的驱动下，生命几乎在所有可以想象的维度中爆发。 我们先来看看这张表，就能看出许多门道出来。一般来说，为了研究方便，人们总是将地球的相关参数定义为1，其他行星的参数与它相比。所以这里星球轨道离太阳的距离，质量、直径、密度和表面重力都是1。首先，依据距离太阳的远近，分别是水星、金星、地球和火星这四颗类地行星，类地行星是指由岩石组成的行星，相应地，距离太阳较远的木星、土星、天王星和海王星，是类木行星，它们由气体组成。可以想象，生命要存在，一定要有立足之地，所以在气态行星上的可能性比较小。那么我们这里，也只比较四颗类地行星的情况。 地球的密度在各大行星中名列第一，也就是说，在太阳系中，地球相对来说是最硬的，这是维持一个稳定环境的物质基础。再看地球的体积和质量，也是类地行星中最大的，逃逸速度为11.2 km/s，这就是说，在地球表面如果不借助航天火箭达到第二宇宙速度，任何物质都逃不脱地球引力，所以地球最外层可以保全一个大气圈。 水星的体积太小，质量只有地球的6%，逃逸速度为4.3 km/s，不可能保持真正的大气圈。金星的体积和质量与地球接近，逃逸速度为10.3 km/s，所以能保持浓密的大气圈。火星的体积只有地球的15%，质量为11%，它的逃逸速度约5.1 km/s，这样低是低了点儿，但仍能保持一个比较稀薄的大气圈，气压只有地球大气的0.74%。 另外，地球的自转周期与公转周期是比较适当的。相比起来，水星自转周期长达59天，也就是说，一天一夜相当于地球上的两个月呀。而金星更离奇了，自转周期超过公转周期，就是说金星上的一天比一年还长，所以星体不可能均匀地吸收太阳的热量。 地球与太阳的距离适中，能接收合适的太阳光和热。地球表面的平均温度为15℃，在这样的条件下，水可保持液态，形成了生命赖于存在的水圈。相比而言，水星和金星就离太阳太近了，接受太阳辐射能量分别是地球的6.7倍和1.9倍。金星表面存在温室效应，温度高达420－485℃，水星没有大气层，缺乏大气圈调节，向日面可高达350度，而背日面则只有-170℃，在这样的条件下，液态水圈是不可能存在的。木星、土星距太阳太远，所获太阳辐射的能量仅为地球的4%和1%，表面温度是-150℃和-180℃；更远的三颗行星的表面温度则都在-200℃以下，环境条件就更加严酷了。前面已经看到，地球的体积和质量适中，维持了一个稳定的大气圈，而这里所形成的大气圈，就带来了另外一个效应，就是避免其他流星的撞击，因为这些星体在到达地面之前，已经在大气圈中因为摩擦生热而燃烧殆尽了。 一般来说，类木行星是比较容易形成磁场的。在类地行星中，水星只有极微弱的磁场，金星和火星基本上未形成磁场，很可能是由于星体内部不存在液态金属核或其内部旋转作用太慢的原因。而地球具有坚硬的岩石圈外壳和重元素的液态内核，转速也不低，所以形成了足够的磁场。地球磁场借助太阳风作用所形成的磁层，可以阻挡来自太阳和其他宇宙天体的高能粒子，对于保护生物免受损害具有重要意义。而水星、金星和火星，星体表面处于紫外辐射和高能粒子的直接撞击之下，使生命的存在和发展受到威胁。
从这个数据比较来看，地球大气中氧含量达21%，这是地球高级动植物呼吸作用的物质基础。另外，高空氧在太阳紫外线作用下形成的臭氧层，吸收太阳紫外辐射，可以保护地球表面生物界不受侵害，这也是地球得天独厚的有利条件。
木星强大的引力会把原本可能撞击地球的彗星和小行星吸引过去或者撕碎，木星的存在是地球上能繁衍出生命的重要保障之一。根据计算，如果没有木星，地球受撞击的机率是现在的1000倍以上。
自人类进行太空探索以来，人们就一直在根据地球的模样去寻求生命的宜居带。比如，开普勒太空望远镜自2009年发射升空以来，就一直致力于在太阳系外寻找类地行星，有人戏称这样的行星为地球兄弟。
2016年8月25日，自然杂志报道，科学家在半人马座α星找到了类地行星。如果你看过刘慈欣的科幻小说《三体》，就知道这里α星的三颗恒星其实就是本部小说的原型。我看到这篇新闻的第一反应就是，刘慈欣在小说中的超级想象是否会成为现实呢？但是，这一切都还是假说。
在太阳系行星中，从质量、体积、运动等来看，地球是普通，但地球上存在智慧生命又使地球成为太阳系中特殊的一员。地球上生命存在的原因，我们这里仅仅从地球自身条件和行星际空间条件进行了分析，当然还有恒星际空间的条件，我们今天不展开了。地球与太阳的距离适中、地球的体积和质量适中，地球上具备了生命存在的温度、大气和安全的宇宙环境等条件。而且，我们可以猜测，其中无论是哪一项参数，只要稍有改变，对生物界和人类生存都会引起严重的甚至毁灭性的后果。 |
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