挑戰40年權威理論，Science子刊：智慧生命誕生或是一種必然_風聞
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編譯 | 李娟
在浩瀚的宇宙中，地球是已知唯一孕育了智能生命的星球。然而，科學家們一直在爭論一個問題：地球上的智慧生命是宇宙中的特殊例外，還是普遍現象？
1983年，物理學家布萊登·卡特（Brandon Carter）提出了“困難步驟模型”（Hard Steps Model），認為智慧生命進化並不是連續平穩的，而是必須跨越多個關鍵步驟。這些步驟不僅發生概率極低，而且通常需要極長的時間來完成。地球上的人類是幸運的特例，在進化過程中，所有關鍵的困難步驟都被“恰好”完成了，所用時間相對於太陽的總壽命而言就很短。但智慧生命進化所需的時間可能遠超行星的宜居時間。因此，宇宙中的智慧生命是非常罕見的。
然而，最近發表在《科學進展》（Science Advances）上的一項研究，對這一模型提出了挑戰。由Daniel B. Mills領銜的來自賓夕法尼亞州立大學、慕尼黑大學和羅徹斯特大學的天體物理學家和生物地理學家組成的跨學科團隊認為，一些“困難步驟”可能並非極端罕見事件，而是由地球環境的逐步變化所驅動的。也就是説，在類似地球的環境中，智慧生命的出現可能是一種必然，而非奇蹟。
卡特最初提出了兩個關鍵“困難步驟”：遺傳密碼的起源——生命如何從無機物進化而來，和大腦發展的最後突破——使智人具備高級認知能力。隨後，約翰·巴羅（John Barrow）和弗蘭克·蒂普勒（Frank Tipler）等人擴展了該概念，並提出三個標準來識別這些步驟：
唯一性：該步驟在生命史上僅發生過一次，即“進化奇點（singularities）”；
多基因控制：若某種性狀由多個基因決定，則其獨特性更可靠，不易被錯誤歸因；
智慧生命必需性：該步驟必須對智慧生命的出現至關重要。
基於這些標準，他們提出了數個潛在的“困難步驟”，比如，生命起源、放氧光合作用、真核細胞的出現、多細胞生物的進化、高等動物的出現等——每個步驟都像一道難以跨越的門檻，人類這樣的智慧生命成為宇宙中的罕見現象。這也是費米悖論（Fermi Paradox）——“如果外星智慧生命存在，那他們都去哪了？”——背後的關鍵理論支持之一。
首先，Mills等人的研究肯定了困難步驟模型的某些合理性，比如：進化是階段性的，一些關鍵步驟對智慧生命的形成至關重要；進化事件往往不可逆，一旦發生就會決定生物圈的長期演化方向，以及行星環境對生命的長期發展具有決定性影響。
不過，新研究重新評估了進化事件的唯一性，即進化奇點，提出了更符合生物學和生態學解釋的環境門檻模型（Environmental Threshold Model），並解釋了關鍵進化事件為何在某些時期發生，而不是依賴極端罕見的突變。另外，在搜尋地外生命（SETI）方面，新研究建議關注行星環境是否適合生命進化，而不僅僅是計算生命出現的概率。
新研究質疑進化奇點的合理性
在進化生物學中，進化奇點指的是那些在生命史上似乎獨一無二、沒有平行進化例子的創新。通常被解釋為進化過程中的偶然性和不可預測性。這些奇點通常屬於某個單系羣，例如生命起源（LUCA）、藍藻（放氧光合作用）、真核生物、後生動物和智人。根據困難步驟模型，關鍵“困難步驟”的進化創新可能性極低，使得它們成為進化時間軸上的“罕見奇點”。
新研究挑戰了這一傳統觀點，認為這些奇點之所以看起來是獨一無二的，可能是由於以下三種情況導致的：
地質時間尺度上的信息丟失——古生物學家G. Vermeij提出，進化創新的獨特性可能是地質時間尺度上信息丟失的假象。獨立進化出某些特徵的小分支可能因滅絕或缺乏化石記錄而未被發現，導致現代研究者誤以為這些進化特徵是獨一無二的。例如，真核生物的光合作用細胞器（葉綠體）曾被視為奇點，但後來發現一種單細胞變形蟲（Paulinella chromatophora）也獨立獲得了光合結構，只是其分支較小，且未進入化石記錄。
進化優先效應和生態抑制——一旦一個創新確立，有限的資源競爭可能會阻止類似創新的後續起源。這種現象被稱為“優先效應”或“生態位搶佔”。例如，細菌至少兩次獨立進化出光養作用，但隨後通過生態位劃分和優先效應阻止了類似系統的重複起源。類似的，放氧光合作用的起源可能通過競爭抑制了其他潛在的氧氣生產者。
“抽梯子”效應——進化奇點的獨特性可能並非因為其起源的不可能性，而是因為其生態成功破壞了自身起源所需的條件。例如，放氧光合作用的起源導致大氣氧化，從而破壞了還原性大氣——其最初出現所需的條件。“抽梯子”效應屬於生態位構建的一種形式。
因此，許多困難步驟的唯一性可能並非由其內在不可能性決定，而是由進化優先效應和信息丟失共同作用的結果。例如：生命可能多次獨立起源，但只有一個分支的後代存活至今；放氧光合作用可能只進化了一次，但通過競爭抑制了其他潛在的氧氣生產者；真核生物的起源可能存在多個類似但獨立的細菌-古菌結合，但只有一個分支的後代存活；動物多細胞性可能並非獨一無二，但迅速佔據生態位空間的那一支抑制了其他類似事件的進化。
地球環境變化與生命進化的協同演化
卡特的困難步驟模型認為宇宙中智慧生命的出現是罕見的，這是基於對太陽總壽命為100億年、地球年齡約為50億年的解讀。新研究指出，困難步驟模型以太陽的壽命為基礎來預測是不妥當的，這忽略了地球系統對進化時間尺度的影響。地球的宏觀進化時間尺度受到地球系統本身（大氣和地貌變化）的影響，而非單純的進化難度。
最初的困難步驟模型，假設環境條件在地質時間尺度上是相對穩定的。但是新研究的分析表明，地球歷史上的生命進化並非均勻分佈，而是隨着環境的變化而加速或減緩。地表環境在過去46億年中經歷了根本性和不可逆的轉變，尤其是大氣中氧氣含量經歷了三個變化階段：
1. 無氧時期（>24億年前）：地球大氣幾乎沒有氧氣。
2. 大氧化事件（Great Oxidation Event，GOE，24-22億年前）：大氣氧氣水平上升，但仍遠低於現代水平——0.001%–10%現大氣氧水平（Present Atmosphere Level，PAL）。
3. 古生代氧化事件（Paleozoic Oxygenation Event，POE，4.2–4億年前）：氧氣穩定上升至接近現代水平（21% PAL）。
那麼，氧氣水平如何影響關鍵進化步驟？
智人起源的最低氧氣需求為53%至59% PAL，僅在約4.2億至4億年前的古生代氧化事件（POE）後穩定滿足。動物多細胞性起源的最低氧氣需求可能在元古代中期（25億至5.4億年前）已滿足，但具體時間仍有待研究。真核細胞起源則需要0.001%至0.4% PAL的氧氣，可能在大氧化事件後滿足。
此外，生命起源和放氧光合作用起源發生在無氧環境下。研究指出，生命可能出現在約37億年前的某個“窗口期”內，當時液態水已形成且地球免受大型隕石撞擊的影響。一些研究認為，藍藻的起源可能受到海洋温度的影響，如果海洋温度過高，可能限制光合生物的生存和擴展。這表明，即使在生命進化最早期，環境因素仍然是決定進化事件發生時間的重要變量。
除了氧氣水平，新研究還討論了其他可能影響生命進化時間的環境因素，比如海洋鹽度的降低可能影響細胞的生理適應性，二氧化碳水平的變化影響氣候和植物光合作用效率，板塊構造的演化塑造地球表面環境，創造新的生態空間等。這些因素的相互作用可能共同決定了生物進化的時間表。隨着生態位的逐步打開，多樣的棲息地在地質時間尺度上不斷增加，這比困難步驟模型更能解釋生命進化的時間分佈。
證據表明，在地球歷史的大部分時間裏，不利環境可能阻止了複雜生命的出現，而並非進化步驟的罕見概率導致它們的缺失。同時，生命的進化改變了地球環境。地球環境與生命的協同演化增加了地球棲息地多樣性。
尋找其他智慧生命
新研究所提出的新模型不僅適用於地球，也適用於其他星球。
新模型顯示，地球表面環境經歷了單向變化，使棲息地多樣性不斷增加，但這一趨勢依賴於星球的一系列物理化學條件是否允許——初始質量、成分、地幔氧化還原狀態、軌道距離等。重要的是，地球的環境-生物進化速度可能是獨特的，其他宜居行星的環境軌跡可能因起始條件的不同而顯著差異。
在不同的宜居星球上，類似地球的大氧化事件可能發生得更慢，甚至完全不會發生，這將限制複雜生命的出現。即使放氧光合作用進化成功，如果氧氣的產生無法超過消耗，可能也不會建立類似元古宙或顯生宙的生物圈，從而阻礙智慧生命的進化。如果放氧光合作用不是一個困難步驟（即其進化並不罕見），那麼大氣氧氣光合作用的變化軌跡可能也是可預測的，而非極低概率事件，一旦放氧光合作用出現，地球大氣的氧氣水平逐步上升便成為不可逆的過程，最終達到現代水平。在其他行星上，如果具備必要的起始條件，大氣氧化等轉變可能比地球發生得更快。
為了探索宇宙智慧生命是否罕見，未來的系外行星觀測任務將非常重要。新研究提出可以通過分析行星大氣成分和技術標誌來驗證這一新模型，同時為我們理解生命在宇宙中的普遍性和演化路徑提供關鍵證據。
如果生命的進化並不依賴極端罕見的步驟，而是由環境門檻驅動，那麼不同類型的地球生命階段（如類似太古代、元古代和顯生宙的生物圈）應該會在系外行星中普遍存在，並可能表現出不同的大氣特徵。比如，太古代（Archean-like）生物圈可能富含甲烷、二氧化碳和較低的氧氣，類似於地球早期的情況。同樣，智慧生命的技術特徵技術標誌（如無線電信號或大氣污染物）應該在系外行星上被探測到，而不僅僅是極少數例外。
總之，這項最新研究為理解生命在宇宙中的普遍性提供了新的視角，也可能影響未來的天文學和地球生物學研究方向。
（本文審核專家：河南大學生命科學學院劉宇鵬教授）
參考文獻
[1] Daniel B. Mills et al.,A reassessment of the “hard-steps” model for the evolution of intelligent life.Sci. Adv.11,eads5698(2025).DOI:10.1126/sciadv.ads5698
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