從外星生命角度看地球演化史

戴銘玨

太陽系外的行星上是否存在外星生命？這是天文學家也是大眾非常感興趣的問題。自尋找太陽系以外的行星這項工作啟動以來，天文學家在30年前才找到第一個日外行星。經(jīng)過這30多年的努力，迄今天文學家已經(jīng)找到3000多顆日外行星。在研究它們的過程中，天文學家拋棄了像木星那樣的氣體巨行星，開始關(guān)注像地球這樣的巖石行星，因為生命只能在巖石行星上生存?，F(xiàn)在不僅找到了很多類似地球的巖石行星，還利用它們運行到恒星面前的時機，觀測行星上的光譜。通過觀測行星上的光譜，就可以判斷出行星上的大氣結(jié)構(gòu)和大氣成分，進而判斷出這顆行星上是否適合生命生存。

是否適合生命生存，僅僅只是最初級的判斷。天文學家利用光譜技術(shù)，還能進行更多、更細致的工作。比如，我們可以判斷出那里是否存在文明，以及文明的程度。對于一顆可能存在生命的行星來說，我們最關(guān)注的是那里是否有氧氣、二氧化碳以及甲烷。

同樣，這一套技術(shù)也適用于外星生命研究地球。假設(shè)外星生命在研究地球，那么它們就會發(fā)現(xiàn)，地球在長期演化的不同階段，具有不同的光譜特征，也就能判斷出地球上生命的進化程度。

讓我們經(jīng)歷一個地球演化的時間旅行，看看地球在外星天文學家眼中是如何度過不同演化階段的。

早期的地球就像朦朧的土衛(wèi)六

地球在大約46億年前誕生，那時候太陽周圍很多細小的塵埃顆粒聚集在一起，逐漸凝聚成一個個物質(zhì)團塊，形成了大行星，地球就是其中之一。年輕的地球是一個高溫的世界。如果外星生命用望遠鏡觀察地球，就會發(fā)現(xiàn)它在紅外波段比較明顯，在此后長達7～8億年的時間里，地球一直處在紅外波段的籠罩下，這也是地球年輕化的標志。

十幾億年之后，地球的環(huán)境出現(xiàn)了改變。單細胞的藻類產(chǎn)生了，它們從海水中吸收化合物分子，并進化出光合作用的能力，但這不是一般的光合作用。它們使用的原料不是太陽光，而是太陽光中的紅外線。太陽中的紅外線被一些藻類吸收，進行光合作用。但這種光合作用也不產(chǎn)生氧氣，產(chǎn)生的是二氧化碳和氮氣。

還有另外一些微生物能夠在新陳代謝中產(chǎn)生甲烷，越來越多的甲烷逐漸改變了地球的空氣成分。只要甲烷的含量達到二氧化碳的1/10，就會在地球的大氣層中形成淡淡的薄霧，被薄霧籠罩著的地球就像探測器拍攝的土衛(wèi)六那樣。那時，地球上的太陽光度并沒有像現(xiàn)在這么猛烈，大概只有現(xiàn)在的70%～80%，因而地球上還比較寒冷。這些甲烷能維持地球表面的溫度，它們充斥著星球的表面，讓這顆星球被朦朦朧朧的光霧籠罩著。

這時候的地球大氣層雖然富含二氧化碳、水蒸氣和氮氣，但甲烷占據(jù)了主導(dǎo)地位。當?shù)厍蜻\轉(zhuǎn)到太陽前面的時候，從地球大氣的光譜中，就可以發(fā)現(xiàn)這幾種氣體成分。就像我們對土衛(wèi)六的判斷一樣，外星生命因而也可以含糊地判斷出，地球上可能有低等的生命存在。

早期冰封的地球

生命初現(xiàn)的地球只見植物的痕跡

雖然某些藻類具有了更高的能力，它們可以產(chǎn)生出氧氣——這是高等生物需要的氧氣，但那時的地球上僅有低等生物，吸收不了氧氣，氧氣幾乎就是一種廢物氣體。

發(fā)生在地球上很重要的一件事情是氧氣的大量增加，這將帶來生命的“大躍進”。在地球20億歲的時候，氧氣突然增多，大氣中的氧氣含量可能相當于現(xiàn)在氧氣含量的1%～50%。雖然這遠遠達不到現(xiàn)在的氧氣含量，但它刺激產(chǎn)生了耐氧微生物。耐氧微生物的產(chǎn)生進一步刺激了動植物的進化，讓之后的生物進化呈現(xiàn)多樣性。

但是，海洋中還是缺乏游離態(tài)的氧，因而海洋生物還沒有出現(xiàn)。即使出現(xiàn)了，也僅僅是低等生物。它們不可能被外星生命發(fā)現(xiàn)，因為其的存在對地球大氣層一點改變都沒有。而且，這時候的云系較多，覆蓋地球表面6成以上的面積，海洋反射的陽光無法使外星生命看到地球上的情況。

這時，外星生命會發(fā)現(xiàn)，植物覆蓋了一部分地區(qū)，并且改變了土地的顏色，從地球大氣層的光譜中，就可以發(fā)現(xiàn)它們的存在。在這時期的地球光譜中，除了發(fā)現(xiàn)甲烷、二氧化碳之外，氧氣漸漸增多，它們在不同的波長上會有所顯示，并且可以判斷出含量多寡。

冰封的地球像木衛(wèi)二

地球在向著生命星球演化的時候，與太陽的演化歷程相一致。太陽在地球剛誕生的早期，光芒并不是那么強烈，僅有今日光芒的70%。之后，光芒越來越強，大概在20億年后，光度達到了今天光度的90%。雖然太陽的光芒越來越強，但也不排除特殊事情的出現(xiàn)。從地質(zhì)考古可以發(fā)現(xiàn)，地球曾經(jīng)出現(xiàn)過被冰雪覆蓋的時代。這一寒冷的時期就是在氧氣出現(xiàn)不久之后，冰川覆蓋了地球大部分地區(qū)，甚至推進到赤道地帶，冰川反射了陽光，讓溫度進一步下降，從而讓整個地球都被冰雪覆蓋。

冰川期的地球就像木衛(wèi)二那樣，到處被冰雪覆蓋，表面沒有生命，但是海底可能會有生命存在。在遙遠的外太空眺望地球，看不到其他特征，地球只是一個大冰球。這種情況一旦出現(xiàn)，就會持續(xù)上百萬年，直到火山噴發(fā)產(chǎn)生二氧化碳，二氧化碳越聚越多，導(dǎo)致溫度升高，融化冰雪，地球才重新開始生命演化。

地球上曾經(jīng)出現(xiàn)過3次冰川期，其他2次分別出現(xiàn)在距今8億年和距今近6億年的時候。這期間的地球就像是木衛(wèi)二，光譜中看到的是較多的水分子。同時，紅外波段顯示，這顆藍色星球的溫度很低，可能沒有生命存在。

寒武紀地球場景

寒武紀的地球氧氣豐富

氧氣十分豐富的時代出現(xiàn)在寒武紀，也正是因為氧氣的豐富，發(fā)生了寒武紀“生命大爆發(fā)”，大規(guī)模的動物種類開始出現(xiàn)。大部分現(xiàn)代物種的祖先都是距今6億年前出現(xiàn)的。

但是，在外星生命看來，那里卻是一個無趣的世界，看不出有什么太大的變化，這是因為大部分生物都生活在海水里，陸地生物很少，它們不能給陸地帶來變化。即使有變化，也無法在光譜中顯示出來，外星生命只能看到地球上氧氣增多了，而對于動植物的變化，在光譜中則很難發(fā)現(xiàn)。

又過了2億多年，在距今4億年的時候，植物越來越多，大規(guī)模地登上陸地。廣闊的森林開始產(chǎn)生巨量的氧氣，大氣中的氧氣含量跟現(xiàn)在差不多，含量最高時超過現(xiàn)在的20%。這時的地球能讓外星生命產(chǎn)生一絲興奮，從光譜中可以發(fā)現(xiàn)，地球不僅有大規(guī)模的氧氣，而且這些氧氣在大氣層中形成臭氧層，能夠抵御陽光中的紫外線，保護生命。此外，大氣層中還富含二氧化碳和水蒸氣，這些氣體在地球大氣層中能夠產(chǎn)生很明顯的作用。大氣層中的這些變化都告訴外星生命，地球是一個生機勃勃的星球。

文明的地球有無線電

如果把地球漫長的演化史看作是一天的話，在這一天的最后一秒才出現(xiàn)擁有智慧的人類。人類一出現(xiàn)就快速地改變著地球的面貌，最大的變化莫過于地球上空出現(xiàn)了氟利昂，這不是自然界產(chǎn)生的，而是智慧生命合成的化合物。外星生命依據(jù)這一點，就可以斷定地球上有智慧生命存在。

當然，還有更直接的證據(jù)可以斷定地球上存在智慧生命，那就是我們的無線電廣播和激光信號，還有雷達在測量天體距離時產(chǎn)生的射電波，這些信號也能夠被外星生命的射電望遠鏡接收到。

事實上，早在19世紀，人們就在想辦法和外星文明聯(lián)系上。在20世紀的四分之一的時間中，科學家已在不停地用無線電波轟擊太空，目前無線電波在所有方向上已經(jīng)傳播了70光年，覆蓋了數(shù)千個恒星系統(tǒng)?？茖W家曾設(shè)想，某個星球上的智慧生命，現(xiàn)在已經(jīng)打開收音機，正在收聽地球上的一些流行歌曲。