寂寞的地球：宇宙唯一有複雜生命的行星

◆2017年經典重出全新增訂版，增齊參考資料與註釋 ◆古生物學家程延年博士推薦序〈我們是宇宙間的孤兒嗎？〉 ◆泰晤士報、紐約時報年度選書 ◆美國AMAZON讀者四顆半星推薦 ◆古生物學家程延年博士專文導讀 ◆建國中學地球科學教師曾世彬深刻推薦 ◆北一女中地球科學學習網站地球科學讀物推薦選書 我們是宇宙間的孤兒嗎？ 頂尖地質學家與天文學家共同探索，為何我們可以在地球上誕生？ 宇宙間是否處處有生命？ 哪些地質條件構成了高等生命演化的基礎？ 地球是否為宇宙間唯一的生命行星？ 宇宙間是否有其他複雜生命？ 亙古以來，我們仰望星空時，都會產生「這個宇宙到底有沒有其他複雜生命呢？」的好奇，而眾多的UFO目擊報告，也加深了我們對於自己是否為宇宙間唯一的文明的疑惑。華德與布朗李這兩位地質學與天文學的頂尖教授，將在這本書中展開一趟深度的科學探索，這也是第一次系統性地、科學性地回答這一個命題。 第一次以科學證據出發，全面檢視宇宙行星中生命誕生的條件 兩位作者從地球的各種地質證據開始，從最貼近我們的地球海床深處，擴及宇宙天文上的發現，遠至木星的衛星歐羅巴，逐一比較討論地球發展出生命的各種條件可能。他們認為，在宇宙中，微生物或等同微生物的生命型態應該非常普遍，但是複雜生命，尤其是動物和維管束植物，可能遠少於一般假設的數量，因為高等生物演化與生存所需的條件——DNA的形成、板塊運動和月球所扮演的角色等，非常複雜，是一連串偶然要素的相遇，才形成了地球上的複雜生物。兩位作者並結合簡單生命普遍和複雜生命稀少這兩種推測，形成所謂的「地球殊異假說」，同時深入解釋此種假說的根據，試著加以檢視，若此假說為真，對我們的文化到底有何意義。 為什麼複雜生命會在地球上誕生呢？ 宇宙中真的有其他複雜生命嗎？地球是宇宙間唯一的孤星嗎？複雜生命為什麼會在地球上誕生呢？其實，在本書作者所探討的這些亙古以來，不斷質問「為什麼」的研究中，其實也是我們人類對於自身為何存在、存在的意義是什麼的最深質問。

作者自序 中文版序 我們是宇宙間的孤兒嗎？ 程延年 導論 天體生物學革命和地球殊異假說 宇宙的死寂區 地球殊異要素 第一章 宇宙可能處處有生機 絕地生物 古菌 接觸火星 「適居區」的條件 第二章 宇宙的適居區 放逐至適居區外的行星 其他星球系統的適居區 星系之適居區 宇宙適居的地帶與時機 行星適居性的終了 結論 第三章 建造適居的地球 元素的創造 建構地球 完工 第四章 地球生命首次出現 生命如何開始？ 建構生命的祕方 建立遺傳密碼 形成生命所需的時間 生命形成之地點 行星的交會 生命之樹與嗜極生物之起源 第五章 動物之形成 古老之二分法 「核」之一族 真核生物演化的環境條件 氧革命 真核生物形式與功能之演化 動物門之兩大分化事件 動物演化：是生物突破抑或環境刺激？ 第六章 雪團地球 禁錮於冰中 逃脫 第二次全球冰川作用 行星表面溫度和生命出現 第七章 寒武紀大爆發之謎 寒武紀大爆發何時發生？ 寒武紀大爆發中出現何種動物？ 寒武紀大爆發是否無可避免？ 如果有原因，那是什麼原因引發了寒武紀大爆發？ 寒武紀大爆發是否只是人類對化石紀錄的穿鑿附會？ 寒武紀大爆發，寒武紀結束 多樣性與體軀變異性 寒武紀大爆發後：多樣性的演變 套用到其他行星上生命之頻率 第八章 大滅絕和地球殊異假說 為大滅絕下定義 行星災難的種類 大滅絕的頻率 大滅絕的影響 風險和複雜度 地球上大滅絕的歷史：十次事件 比較大滅絕的嚴重性 歷來的滅絕風險 複雜度的利弊得失：風險和多樣性 懸涯邊的行星 行星滅絕的模式 第九章 分外重要的板塊運動 板塊運動 板塊運動對生命的重要性 板塊運動停止的影響 板塊運動是全球恆溫器 板塊運動和磁場 為何板塊運動僅發生於地球？ 地球板塊運動開始的過程與時間 板塊運動是否抑制了地球動物生命的形成？ 地球殊異假說最重要的要素為何？ 第十章 月球、木星與地球生命 太陰星 木星 第十一章 檢視地球殊異假說 高等生命 太陽系中的微生物 第十二章 評估機會 假想實驗 爭取時間：維持海洋和適中的溫度 我們大月球的重要性和全憑機運的出現 他處動物生命和智慧的機率 有行星的恆星是否極不尋常？ 行星頻率和德雷克方程式 第十三章 來自星星的信差 觀看宇宙 從人類史看地球 我們稀有的地球 中英對照表

　　 　　每晚，許許多多的外星生物出現在世界各地的電視機和電影銀幕中，從「星際大戰」、「星艦迷航記」到「X檔案」所傳遞的訊息很清楚：宇宙中充滿了各式各樣的外星生命形式，其體軀藍圖、智能和慈悲程度都大不相同。很明顯的，我們的社會對外星生命充滿期待，不但認為在其他行星上有生物，且全宇宙中，智慧生物，甚至是文明，出現的頻率極高。 　　 　　這種對於他處智慧生命的偏見，半因希望（或說是害怕）實情即是如此，半因天文學家德雷克和沙根的知名著作；文中二人為估計銀河系中可能存在的先進文明數量，設計出「德雷克方程式」。此方程式是根據各項資料，推測銀河中行星的數量、可能育有生命的行星比率，和行星上生物不但能夠生存且進化到擁有文化的比例。德雷克和沙根從當時最佳的估算結果推出驚人的結論，亦即有智慧生物應該十分常見，遍布銀河。事實上，沙根在一九七四年推論，單就銀河系而言，就可能有一百萬種文明。我們的銀河系只是宇宙無數星系之一，因此智慧外星種族的數量必定極多。 　　 　　銀河系中有一百萬種智慧生物文明，這種想法令人驚嘆，但可信嗎？德雷克方程式的解中隱藏有許多假設，需要重新加以檢視。最重要的是，方程式假設生物一旦在行星上出現，就會進化成更複雜的生命，最後許多行星都會發展出文明；這正是發生在地球上的情形。生命在大約四十億年前出現，然後自單細胞有機體演化成具組織和器官的多細胞生物，最終形成動物和高等植物。這種生命歷史，即生物的複雜性不斷增加，最後演化出動物的情況，是否是演化的必然結果，或甚至是普遍發生的情形？還是，這事實上是非常特殊的例子？ 　　 　　在本書中，我們會討論到，在我們的銀河系和宇宙中，不只是智慧的生命、甚至連最簡單的動物生命形態都是極為稀有的。但這並非意味著生命是稀有的，只有動物生命是如此。我們認為微生物、或等同於微生物的生命形態，在宇宙中非常普遍，或許甚至比德雷克和沙根所想像的更為常見；然而複雜的生命，即動物和高等植物，可能遠少於一般假設的數量。我們結合簡單生命普遍和複雜生命稀少這兩種推測，形成所謂的地球殊異假說。接下來我們會解釋此種假說的根據，試著加以檢視，並說明若此假說為真，對我們的文化可能有何意義。 　　 　　我們才剛開始認真地搜尋外星生命，就已進入大發現的時代，這帶給我們的興奮和新知或許可與歐洲人乘坐木製帆船抵達新大陸相比擬。我們同樣抵達了新的世界，並以驚人的速度獲取知識。舊的觀念在崩潰，新的看法隨著每個新的衛星影像，或太空資料的出現而起起落落。無數關於宇宙生命的假設中，總有某些會因生物學或古生物學的新發現而得到支持或貶抑。這是個不可思議的時代，全新的學科正在形成：以宇宙生命條件為重心的天體生物學；踏入這個新領域的人有老有少，有著不同的科學背景。在揭曉新知的記者會中，如在火星探路者號實驗後、發現南極洲冰原上的火星隕石後，和取得木星衛星之新影像後所舉行的發表會中，這些科學界人士的臉龐迅速燃起熱情。在一般彬彬有禮的科學會議裡，因為科學理論以令人暈眩的速度發展或被拋棄，大家情緒激動，名聲隨時可能建立或敗壞，希望則如乘著雲霄飛車般忽起忽落。我們是一場科學革命的目擊者，就像其他任何一場革命，不論是在觀念或派別方面都會有贏家和輸家。就像一九五○年代早期發現去氧核糖核酸（DNA），或一九六○年代板塊運動和大陸漂移學說的建立，這些事件為科學帶來革命，不只重組了原來的領域、改變許多相關學科，也打破了科學的疆界，讓我們以全新的角度看待自己和世界。在這次最新的科學革命，亦即一九九○年代及其後的天體生物學革命中，也會有相同的情形出現。這次革命非常驚人，因為這並非僅發生在某一科學領域，如一九五○年代的生物學或一九六○年代的地質學，而是各式各樣不同科學學科都有改變，包括天文學、生物學、古生物學、海洋學、微生物學、地質學、遺傳學等等。 　　 　　天體生物學是生物學的一種，內容不只涵括地球上的生命，還有地球外的生命。這讓我們必須重新為自己定位，地球上的生命不過是生命產生的一個例子，而非唯一一例。天體生物學要我們斬斷傳統生物學的束縛，堅持大家應將每顆行星視為獨立的生態系統，並要所有人對化石歷史有所了解。因而人開始懂得從長遠的時間角度來思考，不再僅觀察此時此刻。更重要的是，人類的科學視野無論在時間或空間方面，都因此而拓展。 　　 　　天體生物學革命由於牽涉極多不同的科學領域，消除了許多學科間的界線。古生物學家在非洲於十億年前形成的岩石中所發現的新生命形式，對研究火星的行星地質學家十分重要。潛水艇探查海底找到的化學元素，會影響行星天文學者的研究估算。微生物學家排列一串基因序列，會左右海洋學家在行星地質學研究室中，對木星衛星木衛二上冰凍海洋的研究工作。最不可能的聯盟正在形成，摧毀了曾經令人畏懼、將科學鎖死在固定範疇內的障礙。多個領域的新發現被用來回答天體生物學的中心問題：宇宙中生命有多普遍？哪裡有生物生存？有留下化石紀錄嗎？形態有多複雜？有人樂觀，有人悲觀，電子郵件到處傳，會議匆忙召開，研究計畫則隨著發現的增加，迅速調整目標。興奮之情充斥所有人心中，震撼、讓人暈眩且持續許久。參與研究的人受到一個愈來愈強的信念所蠱惑─地球之外確有生命。 　　 　　天體生物學革命令人稱奇的地方在於，其死灰復燃於眾人對科學灰心、絕望之後。遠溯至一九五○年代，著名的米勒－猶瑞實驗顯示，有機物能在模擬地球初期環境的試管中輕易合成；科學家心想，自己正要發掘生命形成的祕密。之後不久，一顆新掉落的隕石中找到了胺基酸，顯示太空中有形成生命的元素。電波望遠鏡的觀察結果很快地確認了這一點，揭露星際雲中存在著有機物。生命的組成分子似乎遍布宇宙，地球之外當然極有可能有生命。 　　 　　海盜一號太空船在一九七六年接近火星時，很多人希望能找到第一個外星生命，或至少其曾經存活的跡象（圖1）；但海盜一號沒有發現生物。事實上，這艘太空船所發現的是不利於有機物生存的條件：酷寒、有毒的土壤和缺水。這種結果澆了大家一頭冷水，顯示太陽系中不會找到外星生命。這是初期天體生物學遭受的一次重擊。 　　 　　在大約同一個時期，發生了另一件令人失望的大事：第一次正式搜尋「太陽系外」行星的行動，得到完全否定的結果。雖然很多天文學家相信，其他的恆星旁可能有許多行星，但利用地球上的望遠鏡搜尋，在我們的太陽系外，卻找不到任何行星，因此他們的看法只能算是抽象的臆測。在一九八○年代初期以前，很少人認為這個領域會有什麼實質的進展，這是因為人類似乎完全無法探獲繞行其他恆星的行星世界。 　　 　　然而也就在這個時候，一項新發現為跨學科合作，也就是現在天體生物學家經常使用的研究方式打下基礎。一九八○年時科學家宣布，恐龍並非如長久以來大家所認為的因氣候逐漸變遷而消失，而是因六千五百萬年以前，一顆巨大的彗星撞擊地球並帶來浩劫而絕跡，這是科學界的一個轉捩點。天文學家、地質學家和生物學家第一次為了解決共同的科學問題，聚在一起認真討論。來自以往被視為分離領域的研究者，發現自己和陌生的科學家坐在一起，試著解答一個問題：小行星和彗星能造成大滅絕嗎？而現在，二十年之後，這批參與者中的部分人士面臨一項更大的挑戰：找出天外生命有多普遍。 　　 　　在火星上沒有發現生命，又找不到太陽系外的行星，這些結果讓那些開始自視為天體生物學家的人感到挫折沮喪，但是因為這個領域同時牽涉到地球上和太空中的生命，因此大家開始向內探查，檢視地球這顆行星；希望的火苗重新燃起。天體生物學再興的主因不是天文學研究，而是一九八○年代初期的一項新發現，當時科學家才開始明白，地球生命可在比以往所想更惡劣的環境中存活。有些微生物活在海底和地底下極高溫和高壓之處，這讓人領悟到，假如在地球上，生命能存在於這種環境條件之下，那麼在其他行星、我們太陽系中的其他星體、或遙遠恆星旁的行星和衛星上，或內部，為何生命無法生存？ 　　 　　然而僅知道生命能承受極為惡劣的環境條件，並不足以說服我們生命就在天外。生物除了要能活在火星、金星、木衛二或土衛六的嚴苛環境中，還必須先能在當地生成，或移動到那裡。除非有跡象顯示生命能形成並存活於艱困條件之下，否則即使是簡單的生命也不可能廣布宇宙。然而再一次的，革命性的新發現讓人樂觀。近來遺傳學的研究結果顯示，地球上最原始的生命形態，亦即公認或許最接近地球最初生物的生命形態，正是能忍受嚴酷環境而存活者。對部分生物學家而言，這表示地球上的生命在高溫、高壓和缺乏氧的情況下生成，而這正是可在太空中找到的環境條件。以上的發現讓我們相信，生命的確可能散布四處，即使其他的行星系統環境嚴苛，也可能出現生命。 　　 　　地球上生物的化石紀錄是相關資訊的另一個主要來源。化石紀錄提供許多有力證據，顯示在地球上，生命在環境條件許可之時便已出現。地表上大多古岩石中的化學痕跡證明，生命大約出現於四十億年前，也就是說，生命幾乎就在假設的可存活條件產生時就已出現。除非這完全是靠機運，此發現意味著初始生命本身成形，也就是自無生命物質合成，似乎頗為容易。或許生命能在任何行星上生成，只要行星的溫度冷卻至某個程度，讓胺基酸和蛋白質能形成，並透過穩定的化學鍵結合就可以。這麼一來，生命也許一點也不稀奇。 　　 　　天空也蘊藏有驚人的新線索，有利於解開宇宙生物生成和散布之謎。在一九九五年，天文學家第一次在太陽系外找到行星群，繞著距地球極遠的恆星運轉。此後又陸續發現許多新行星，且每年均發現更多。 　　 　　有段時間，有些人甚至以為找到了第一個外星生物紀錄。在南極洲寒凍冰原發現的小型隕石，似乎是來自火星的眾多隕石之一。這些火星隕石中，至少有一顆可能載有來自外星、如細菌般的生物化石遺骸。一九九六年的發現是個大震撼，美國總統在白宮宣布了這件事，人力物力因而蜂擁而至，決心找到天外生物；但說到證據，至少在這顆隕石上的證據，是十分值得商榷的。 　　 　　這些發現都導向相似的結論，即地球可能並非銀河系中，或甚至這個太陽系中，唯一蘊藏生命的地方。然而若在我們太陽系中的其他行星或衛星上，或是宇宙中環繞其他恆星的遙遠行星上，的確有他種生命生存，他們會是何種生物？比如「複雜的後生動物」，亦即有多細胞和完整器官系統的生物，比如具有某種行為的生物，也就是我們所謂的動物，出現的頻率會有多高？最近的許多發現又帶來新的看法。或許再次的，地球的化石紀錄能讓大家了解更多。 　　 　　由於地球化石紀錄研究中定年技術的進步以及發現新種類的化石，我們知道了其實地球上動物生命出現的時間較原本所預估的晚，且更為突然。這些研究結果顯示生命，至少地球上的生命，並非循序演化得更繁複，而是突然經歷數次躍進，或可說是跨過一連串的界限，而變為複雜的生命形態。細菌並非一步步演化成動物，而是經歷許多次天擇和重起、實驗和失敗。雖然生命可能幾乎在環境條件允許時就已出現，但動物生命要形成，是更為晚近並且費時更久的事。這些調查結果表明了，複雜生命出現要比生命本身形成來得困難許多，而且所需時間更久。 　　 　　過去許多人假設，演化出所謂的動物是最後且最重要的一步，一旦此步驟完成，生命就會緩慢進化為有智慧生物。然而天體生物學革命的另一項創見為，到達動物階段和維持此階段是完全不同的兩回事。新的地質證據顯示，複雜的生命一旦演化，就會面臨無止盡的連續全球災變，因而出現所謂的大滅絕事件。這些稀少但具毀滅性的事件能重設演化時程表，並且毀滅複雜的生命，較簡單的生物反而能夠存活。此類發現也彰顯出，有利複雜生命演化和生存的條件，要比生命形成的條件複雜許多。因此在某些行星上，生命可能曾經出現，最後演化成動物，但之後立即被全球災變所消滅。 　　 　　地球殊異假說一反常論，主張生命或許幾乎遍布各處，但複雜的生命可說各地皆無。想要檢視此說，可能最終得訴諸星際旅行。人類尚無法到達離地球很遠的地方，即使最近的恆星，距離地球也極為遙遠，以致我們無法探索地球以外的行星系統。或許這種想法太過悲觀，人最後總會找到方法，透過蟲洞或其他未知的星際旅行方式，讓太空船飛得更快，因而到達更遠的地方，探索整個銀河系和其他星系。 　　 　　假設人類能夠遨遊星際，且開始尋找其他世界的生物，那麼什麼樣的世界會孕育生命，而且是等同於地球動物的複雜生命呢？我們該找尋何種行星或衛星？因為地球上的生命如此豐富多樣，所以最好的方法或許是只尋找類似地球的行星。然而，必須找到和地球一模一樣的複製品才能發現動物生命嗎？人所在的太陽系和行星擁有什麼條件，讓複雜的生命得以產生，且孕育得極為多元？再來我們會闡釋這個主題，應有利於回答之前提出的其他問題。 　　 稀有的行星？ 　　 　　拋開對地球和太陽系的主觀想法，試著採取真正「全觀性」的角度，就能開始用全新的眼光觀察地球及其歷史的各個面相。地球已經繞著穩定釋放能源的恆星運轉了幾十億年，雖然生命可能生存在環境最嚴苛的行星和衛星上，但是動物，如地球上的動物，不只需要溫和許多的條件，而且這些條件必須穩定維持很長一段時間。正如我們所知，動物需要氧氣，但地球花了大約二十億年，才製造出足夠所有動物生存的氧。萬一在這麼長的發展時間裡（或甚至之後），太陽能量釋放變化太大，地球上動物進化的機會就會很渺茫。有的行星因為繞行能量釋放較不穩定之恆星，其上動物出現的機率極為渺小。行星若繞著變星運轉，或甚至繞行雙星或三星系統內的恆星，要產生動物生命是不太可能的。這是因為能量流動時，突然產生的熱或冷會增加初生生命毀滅的機率；而即使複雜生命的確在此類行星系統中生成，要存活一段相當的時間可能也非常困難。 　　 　　再者，地球的大小適中，化學組成和與太陽之間的距離都適宜生物生存。動物所居住的行星和此行星所繞行的恆星間，必須有適當的距離，因為這能決定行星上的水是否能維持液態。就我們所知，液態水是動物生存的必要條件。大多數行星距其恆星太近或太遠，以致液態水無法存在於星球表面；雖然許多此類行星可能孕有簡單的生命，但等同於地球複雜動物的生物，無法在缺乏液態水的情況下存活許久。 　　 　　地球上高等生物能夠出現和存活，很明顯地還與另一個因素相關，亦即地球較少有小行星或彗星撞擊。正如之前所提，小行星和彗星撞擊行星可能造成生物大滅絕。什麼因素能影響撞擊率？答案之一為行星形成後，殘留在行星系統中的物質數量：行星運轉軌道上愈多彗星和小行星，撞擊率會愈高，因撞擊而造成大滅絕的機率也就愈高。然而這或許並非唯一的因素。系統中行星的種類也能影響撞擊率，因而在動物的演化和存活中扮演重要、但不太受注意的角色。就地球而論，有證據顯示巨大的木星有如「彗星和小行星捕手」一般，重力大到掃除了太陽系中可能撞擊地球的宇宙垃圾，因而降低了大滅絕的機率，所以木星可能是地球上高等生物能形成並存活的主因。 　　 　　在我們的太陽系中，地球是唯一（除了冥王星外）擁有大小適中（與地球體積相比）之衛星的行星，而且是唯一有板塊運動造成大陸漂移的行星。這些都可能有利於動物的出現和存活，之後我們會加以解釋。 　　 　　或許甚至行星在星系中的特定位置也扮演著重要的角色。在星系內部恆星聚集之處，超新星爆炸和恆星間近距離接觸的頻率可能過高，無法產生動物發展所需要的長久且穩定之環境條件。星系外部區域所含的重元素比例可能太低，無法形成岩質行星，或增添行星內部的放射性熱能。彗星的出現機率也許會受到以下二者影響：我們所在星系的特性和太陽系在星系中的位置。我們的太陽和行星雖然運行於銀河系中，但大體上是在銀河系的平面移動，很少通過旋臂。因為星系的大小與所含之金屬量相關，所以星系的質量也可能影響複雜生命演化的命運；因而有些星系和其他星系相比，更有利於生命的出現和發展。太陽和太陽系有著異常高的金屬含量。或許我們這個星系的確與眾不同。 　　 　　最後，行星的歷史和環境條件可能也是生命能演化為動物的因素。有多少行星處於絕佳的位置，可以孕育豐富的動物生命，卻因為偶發事件而被剝奪了這個機會？小行星可能撞擊行星表面，帶來荒蕪和滅絕；或行星近處有恆星爆炸，變成破壞性的超新星；或偶然的大陸地形成形運動造成冰河時期，意外地令動物滅絕。或許機率扮演舉足輕重的角色。 　　 　　自從丹麥的天文學家哥白尼將地球拉出宇宙中心，放到環繞太陽的軌道上後，地球愈來愈受到小覷；從宇宙的中心變成一顆渺小的行星，繞著又小又不特別的恆星運轉，而且位於銀河系中一點都不重要的區域，這就是目前所謂「平庸律」所形成的看法；「平庸律」所指的是，我們並非是唯一孕有生命的行星，而是許多行星之一。之後，各式各樣估計其他智慧文明數量的數字出現，從零到十兆都有。 　　 　　但假如地球殊異假說是正確的，會扭轉地球非中心論的趨勢。萬一在銀河這個象限中，或者在一萬光年的距離內，蘊有許多先進動物的地球幾乎可說是獨一無二的，是最具多樣性的行星，那情況會是如何？若地球絕對與眾不同，是在這個星系或甚至可見的宇宙中，唯一有動物的行星，也是微生物橫行之世界中動物的唯一堡壘，情形又是如何？假如此假設為真，過去因人類疏失而造成的各種動物或植物的滅絕，對宇宙來說是多大的損失？ 　　 　　歡迎搭乘本船。

作者：華德(Peter D. Ward)、布朗李(Donald Brownlee) 譯者：方淑惠、余佳玲 出版社：貓頭鷹出版社 書系：貓頭鷹書房 出版日期：2017-01-23 ISBN：9789862623213 城邦書號：YK1208Y 規格：平裝 / 單色 / 352頁 / 14.8cm×21cm