从外星生命角度看地球演化史

2019-11-21戴铭珏

科学24小时 2019年10期

戴铭珏

太阳系外的行星上是否存在外星生命？这是天文学家也是大众非常感兴趣的问题。自寻找太阳系以外的行星这项工作启动以来，天文学家在30年前才找到第一个日外行星。经过这30多年的努力，迄今天文学家已经找到3000多颗日外行星。在研究它们的过程中，天文学家抛弃了像木星那样的气体巨行星，开始关注像地球这样的岩石行星，因为生命只能在岩石行星上生存。现在不仅找到了很多类似地球的岩石行星，还利用它们运行到恒星面前的时机，观测行星上的光谱。通过观测行星上的光谱，就可以判断出行星上的大气结构和大气成分，进而判断出这颗行星上是否适合生命生存。

是否适合生命生存，仅仅只是最初级的判断。天文学家利用光谱技术，还能进行更多、更细致的工作。比如，我们可以判断出那里是否存在文明，以及文明的程度。对于一颗可能存在生命的行星来说，我们最关注的是那里是否有氧气、二氧化碳以及甲烷。

同样，这一套技术也适用于外星生命研究地球。假设外星生命在研究地球，那么它们就会发现，地球在长期演化的不同阶段，具有不同的光谱特征，也就能判断出地球上生命的进化程度。

让我们经历一个地球演化的时间旅行，看看地球在外星天文学家眼中是如何度过不同演化阶段的。

早期的地球就像朦胧的土卫六

地球在大约46亿年前诞生，那时候太阳周围很多细小的尘埃颗粒聚集在一起，逐渐凝聚成一个个物质团块，形成了大行星，地球就是其中之一。年轻的地球是一个高温的世界。如果外星生命用望远镜观察地球，就会发现它在红外波段比较明显，在此后长达7～8亿年的时间里，地球一直处在红外波段的笼罩下，这也是地球年轻化的标志。

十几亿年之后，地球的环境出现了改变。单细胞的藻类产生了，它们从海水中吸收化合物分子，并进化出光合作用的能力，但这不是一般的光合作用。它们使用的原料不是太阳光，而是太阳光中的红外线。太阳中的红外线被一些藻类吸收，进行光合作用。但这种光合作用也不产生氧气，产生的是二氧化碳和氮气。

还有另外一些微生物能够在新陈代谢中产生甲烷，越来越多的甲烷逐渐改变了地球的空气成分。只要甲烷的含量达到二氧化碳的1/10，就会在地球的大气层中形成淡淡的薄雾，被薄雾笼罩着的地球就像探测器拍摄的土卫六那样。那时，地球上的太阳光度并没有像现在这么猛烈，大概只有现在的70%～80%，因而地球上还比较寒冷。这些甲烷能维持地球表面的温度，它们充斥着星球的表面，让这颗星球被朦朦胧胧的光雾笼罩着。

这时候的地球大气层虽然富含二氧化碳、水蒸气和氮气，但甲烷占据了主导地位。当地球运转到太阳前面的时候，从地球大气的光谱中，就可以发现这几种气体成分。就像我们对土卫六的判断一样，外星生命因而也可以含糊地判断出，地球上可能有低等的生命存在。

早期冰封的地球

生命初现的地球只见植物的痕迹

虽然某些藻类具有了更高的能力，它们可以产生出氧气——这是高等生物需要的氧气，但那时的地球上仅有低等生物，吸收不了氧气，氧气几乎就是一种废物气体。

发生在地球上很重要的一件事情是氧气的大量增加，这将带来生命的“大跃进”。在地球20亿岁的时候，氧气突然增多，大气中的氧气含量可能相当于现在氧气含量的1%～50%。虽然这远远达不到现在的氧气含量，但它刺激产生了耐氧微生物。耐氧微生物的产生进一步刺激了动植物的进化，让之后的生物进化呈现多样性。

但是，海洋中还是缺乏游离态的氧，因而海洋生物还没有出现。即使出现了，也仅仅是低等生物。它们不可能被外星生命发现，因为其的存在对地球大气层一点改变都没有。而且，这时候的云系较多，覆盖地球表面6成以上的面积，海洋反射的阳光无法使外星生命看到地球上的情况。

这时，外星生命会发现，植物覆盖了一部分地区，并且改变了土地的颜色，从地球大气层的光谱中，就可以发现它们的存在。在这时期的地球光谱中，除了发现甲烷、二氧化碳之外，氧气渐渐增多，它们在不同的波长上会有所显示，并且可以判断出含量多寡。

冰封的地球像木卫二

地球在向着生命星球演化的时候，与太阳的演化历程相一致。太阳在地球刚诞生的早期，光芒并不是那么强烈，仅有今日光芒的70%。之后，光芒越来越强，大概在20亿年后，光度达到了今天光度的90%。虽然太阳的光芒越来越强，但也不排除特殊事情的出现。从地质考古可以发现，地球曾经出现过被冰雪覆盖的时代。这一寒冷的时期就是在氧气出现不久之后，冰川覆盖了地球大部分地区，甚至推进到赤道地带，冰川反射了阳光，让温度进一步下降，从而让整个地球都被冰雪覆盖。

冰川期的地球就像木卫二那样，到处被冰雪覆盖，表面没有生命，但是海底可能会有生命存在。在遥远的外太空眺望地球，看不到其他特征，地球只是一个大冰球。这种情况一旦出现，就会持续上百万年，直到火山喷发产生二氧化碳，二氧化碳越聚越多，导致温度升高，融化冰雪，地球才重新开始生命演化。

地球上曾经出现过3次冰川期，其他2次分别出现在距今8亿年和距今近6亿年的时候。这期间的地球就像是木卫二，光谱中看到的是较多的水分子。同时，红外波段显示，这颗蓝色星球的温度很低，可能没有生命存在。

寒武纪地球场景

寒武纪的地球氧气丰富

氧气十分丰富的时代出现在寒武纪，也正是因为氧气的丰富，发生了寒武纪“生命大爆发”，大规模的动物种类开始出现。大部分现代物种的祖先都是距今6亿年前出现的。

但是，在外星生命看来，那里却是一个无趣的世界，看不出有什么太大的变化，这是因为大部分生物都生活在海水里，陆地生物很少，它们不能给陆地带来变化。即使有变化，也无法在光谱中显示出来，外星生命只能看到地球上氧气增多了，而对于动植物的变化，在光谱中则很难发现。

又过了2亿多年，在距今4亿年的时候，植物越来越多，大规模地登上陆地。广阔的森林开始产生巨量的氧气，大气中的氧气含量跟现在差不多，含量最高时超过现在的20%。这时的地球能让外星生命产生一丝兴奋，从光谱中可以发现，地球不仅有大规模的氧气，而且这些氧气在大气层中形成臭氧层，能够抵御阳光中的紫外线，保护生命。此外，大气层中还富含二氧化碳和水蒸气，这些气体在地球大气层中能够产生很明显的作用。大气层中的这些变化都告诉外星生命，地球是一个生机勃勃的星球。