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毋庸置疑,生命必须从自然所给予我们的东西开始,而且有一个所谓“自下而上的方法”,就是你用物理学原理去追问,我们视作无生命的物质是什么时候受到一个适合的环境影响,其中有任意能量的自由供给,这些物质又是怎么组合起来从而可能开启了“活”的过程。
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现在,我们自己就是这个“活”的过程里的一个成功的案例,但是这未必就是唯一的案例,生命也并非一定是我们身上的组成部分的集合。大约在10年前,瑞士一位很聪明的合成化学家阿尔贝特·埃申莫瑟(Albert Eschenmoser)设计出了一组很有名的实验,证明了为什么自然不得不选择DNA。这组实验花了大量瑞士人独有的技术和人力,他让学生利用不同的糖分去制造类似于DNA的分子,本以为每一个例子他都会失败。但实际上他成功了,并且他还发现,在很多案例中那些糖分都优于DNA。这些糖分有更强大的稳定性,它们在复制中的困难也更少。所以,对我而言,DNA大概就是在进化中被偶然发现的分子,而且它是在缓慢的试错过程中产生的最简单的事物,它会创造出可以被蛋白质复制的分子,那就是它产生的过程。现在,对我而言,要做的事情,一开始是做想象力实验,但是最后还是要在实验室里进行实验,也就是从简单的化学物质和能量开始,看看你还能走到其他怎样不同的进化方向上去。
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迪米特尔·萨塞洛夫:我也会以同样的方式开始谈谈我的想法,先介绍一下我的背景:我是一名物理学家,与戴森和劳埃德的背景一样,但是我的专长是天体物理学,说得详细一些,就是行星的天体物理学。所以我在这里会告诉大家这个大图景里的一点新东西,同时也警示大家,我的背景基本上就意味着我在寻找普遍的关系,也就是对于我们今天在这里讨论的问题的概括性的答案,而非具体的答案。
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所以比如说,我个人对生命的各种起源更感兴趣,而非某种生命的起源。我这样说的意思是,我试图去理解我们所能从生命的各种路径中学到的东西,或者说,我们视为生命的复杂化学物质的路径。与之相反的就是,用狭隘的方式回答地球上的生命起源是什么这个问题。这不是说,哪一个问题更有价值,只是说,像我这种背景的人很自然地就会喜欢用这种思维方式,并且这种方式也需要做更多的研究工作,它也预示了某种前景。
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其中一个理由就是,有很多有趣的新事物来自这个视角,也就是说,来自宇宙视角,或者说行星视角。这是因为比起几年前,我们现在已经在宇宙中获得了大量事物的证据。所以,在某种程度上,我想要告诉你们的是其中的一些新事物,以及它们之所以如此有趣的原因,而且对于我们在这讨论的问题来说,它们可以很好地启发我们。
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首先,我想要让你们信服三件事,它们对于我的方法很重要。第一件就是我们在自然界中寻找的就是重子那样的东西。我相信,我并不需要让你们信服我这样说的意思,但是你们要把它记在心里,因为这是我们所观察的宇宙的一个特征。重子就是构成原子和所有围绕我们的分子,包括我们自身。但它未必是宇宙中最常见的实体,我肯定你们知道暗物质和暗能量。我想我们必须同意,我们寻找并称之为生命的东西,就是自然界中的重子,也有很好的理由让我们相信,在这个宇宙中,暗物质和暗能量并不能拥有那种层次的复杂性,一点也不能。
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第二点我想让你们信服的,或者说用来作为我接下来要说的背景知识的,那就是我们应该认同,那些我们所寻找的、称之为“生命”的事物是一个复杂的化学过程:基本上就是那些原子以不寻常的方式组合的能力,这就是我的出发点。我更多地是从纯粹热力学的角度开始观察生命的,也就是说,从夏皮罗所描述的视角,生物物理学家哈罗德·莫罗维茨(Harold Morowitz)已经对它做出了准确的定义,并且还做了一些研究。他研究了那个参数空间是什么,你可以在其中获得足够复杂的化学复杂性,来引导出一个质量方面的新现象,一个我们在宇宙中其他地方看不到的新现象。这是一个很重要的点。
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对于我们充分感觉良好的那个参数空间的宇宙,我们已经知道得足够多了吗?很明显,对于这个可观测的宇宙的很大部分,还有很多细节知识我们并不知道,但是在过去50年里我们看到,这个领域里发生了一场革命。从我们有能力去诊断大量非常遥远的对象的意义上,我们可以这样说。直到几年以前,天文学里的数据库要比生物学的数据库大得多。直到现在生物学的数据库才超过天文学数据库。但是通过那些数据,你很少能看到不寻常的、未经解释的现象。尽管大家都希望在新闻的头版头条写东西,但是天文学里有大量很枯燥的、烦人的数据,那些不过就是数十万、数百万颗恒星的信息,根据理论预测,它们拥有完全一致的同位素和化学模式,这个理论已经发展得很完善了,并被称作恒星的进化理论,尽管它与生物学里对进化这个术语的应用几乎没什么关系。
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但是,我们现在把其中一个步骤理解为我们的世界的发展,也就是我们的宇宙的发展:从物质简单的重子结构开始,它慢慢地会变得越来越复杂。恒星进化是其中一种现象,在宇宙的第一个5亿年里并不存在。而且我们都知道这并不是一个假设。实际上我们可以对它进行大量观察,而且我们知道,在重组时代并没有恒星,这种重组是宇宙的微波背景,包括所有我们在其中看到的结构,然后才有了恒星。之后恒星开始了一个新的过程,就是重元素的合成。这也就是说,重子组合起来成为基础粒子,并建造出一个结构(门捷列夫元素周期表),然后就有了化学。
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我们看到的微波背景的辐射是137亿年前的,所以那是我们最早进行充分研究的一条证据。然后大约是50亿年前,恒星首次在气体中形成,那些气体主要是由氢和氦构成的。然后它们经过了一段时期,在50亿年里,它们创造出了足够多的碳、氮、氧气和所有重元素,这样你才能开始有效地创造行星。然后我们来到了45亿年前,那就是我们自己的太阳系和地球的起源。差不多就是在那50亿年里,我们现在看到的一些复杂的化学物质覆盖了这颗星球,并且共同选择了的地球上的物理循环。以上就是一个简洁的时间范围的观念。
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在那个意义上,生命是我们所看到的构成整体发展的一个必需部分。尽管我们只知道这样一个例子,当我们把这个过程理解为宇宙中重子所引发的复杂进程时,它并没有显得多么异乎寻常。所以接下来的问题就是,这如何有利于理解生命的各种起源或可能路径呢?甚至更一般地说,我们是否能够设计实验,让我们去发现所有那些可能的重子的路径是否融合为一个路径?也就是创造出地球上的生命的那个路径?或者说,是否还有很多种其他路径?即使你可以回答这个问题,这也会十分令人振奋,因为这将告诉我们,重子的化学结构能够引发的普遍规则。
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我想要说服你们的第三个方面是,我们对这个宇宙的了解只是冰山一角,在宇宙中也只有少数几个地方可以让复杂的化学物质在充分长的一段时间内存活下来,而真空并不在其中,从生命起源能存活下来的意义的角度来说的话,从更小的分子开始,这样就有足够的时间产生更复杂的分子。说到真空,我并不是说一颗彗星的表面,而是说星际间的介质,它的密度很低。
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我可以想象,生命从某些表面上开始,然后移居到星际间的介质里。但是作为一名天体物理学家,我不能想象,有这么一种足够稳定的环境,能在一定时间范围内,一定会使化学物质产生。所以在那个意义上,我有点偏向于将行星和行星系统当作我们现在所知的、唯一的环境,就我们目前对宇宙的认知而言,行星系统具有所有那些要素:长时期的稳定性,以及足够低或适中的温度。恒星在数十亿年内都是稳定的,但是它们都有着相当高的温度。一般来说,莫罗维茨所说的总体热力学窗口(overall thermodynamic window)使得产生复杂的化学物质成为可能。比起仅仅拥有水而言,这是一个丰富得多的条件。
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当人们谈论宜居环境时,有时他们会把那等同于水的存在,或者说水以液体形态存在的能力。但是不论你怎么看待宜居性,这个底线就是,在可观测的宇宙里没有那么多物体或地方有能力使其成为可能。事实上,我们可以肯定,行星系统不仅是最好的,而且可能是唯一的能够出现复杂化学物质的地方。
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接下的问题是,我们对行星系统有多少了解?直到1995年,我们才知道一个信息:我们的太阳系是一个行星系统。那种了解程度就类似于我们对生命的了解,因为我们只有太阳系一个例子。从很多角度来看,情况很不乐观,而天文学家很艰难地才认识到这一点。因为事实证明,我们对行星的理论化是相当以太阳系为中心的,而且我们错过了很多本不应该错过的东西。但是,当你想研究某个事物却手头仅有一个例子时,发生这种事情总是在所难免的。
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我们现在知道了有多少种不同类型的行星,这些行星能为我们追寻的目标提供一个很好的评估。从中我们所学会的一件事情就是,我们并不需要寻找一个像地球一样的行星。在我们的太阳系里有各种行星,比如,木星,它比地球要大得多,在体积上大10倍,质量上大300倍;海王星和天王星,它们都是巨型行星,都是由气体构成的;然后还有很小的行星,像地球、金星、火星、水星,还有彗星和其他小行星。在质量上,一个地球的质量与一个海王星或天王星的质量(相当于14个地球)相去甚远。就像我们在物理学中会说的那样,这种差距超过了一个量级。这引发了很多现象,而我们却在那个量级的层面上忽略了它们。从我们现在所理解的事实来看,不管是从理论上,还是从最近两年对这些系统的观察上,我们的太阳系里还没有哪个行星像地球这样幸运。它就这样发生了,行星就是以这种方式形成的,没有在那个质量范围内的行星最终成为了我们太阳系的一员。大多数在那个质量范围内的行星会成为像地球这样的行星,但是由于缺少更好的术语,我们称它们为“超级地球”(Super Earth)。
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由于引入了这个术语,我遭受了很多谴责,但是这来自我作为天文学家的命名方式。我们将比巨星还大的恒星称为“超巨星”(super giant);我们将比新星能量更大的恒星爆炸称为“超新星”(supernovae)。所以,使用超级地球这一名字是有意义的,如果你有一颗比地球还大的,但在其他方面与地球相似的行星,按照我们的命名方式,你就会称之为“超级地球”。
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那么,它为什么有趣?如果你把自己限制在比金星和地球都大,但是没有比地球大太多的行星范围内,那么在作为一个整体的星系里只剩下数量很少的行星可供你选择,在我们所在的这个作为一个整体的太阳系里,符合你条件的行星数目也很小。但是,如果把超级地球算作可利用的编目的一部分,那么你会获得的数目就会增加两个量级。
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塞思·劳埃德:更小的行星的浓度是多少?太阳系或恒星系统里拥有“亚地球”的行星(Sub-Earth planet)的数量有多少?
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迪米特尔·萨塞洛夫:这是一个很难的问题,因为它们很难被观测到。我们有一些估算,大概会是地球的质量的一部分。我们并没有技术上的证明,那些小行星的质量少于一个地球的质量。顺便说一句,这种技术被称为微引力透镜(microlensing)。这个证据的一部分是统计学的,但那是在通常的情况下,也就是你观察到很多物体,然后你构建出统计上的情况。
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另一方面,目前我们已经监测到了5个超级地球。尽管要监测到更小的行星有难度,但在你所观察的行星系统里,仍可以监测到数目不断递增的更小的行星。换句话说,随着你监测行星的质量越来越小,低于大约12~15个地球质量的行星数目确实在增长,尽管从统计偏差上来说,这个数目会更小。随着我们的技术不断改进,这种改进速度是以月为基础的,我们会发现越来越多的更小的行星。
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微引力透镜对行星的整体质量范围很敏感,敏感度会到一个地球质量,但事实上比一个地球质量还要小一点。这种技术可以毫无偏见地扫描大量恒星,实际在这点上,它们已经监测到了更多的超级地球和更小的行星,比监测到的更大的行星数量还要多。目前我们已经很好地把统计数目计算出来了,因为我们经过12年的研究,已经观测到大量更大的行星,这就是说,如果你利用目前的统计数据,实际上就可以估算出更小的行星的数量。
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还有第三条证据。作为理论家,我不能推演得太多,但是从理论上说,如果你建构出大行星,你也能建构出小行星,这并是什么特殊的理论偏见。你将在某种程度上创造出太阳系里这种质量差距,既有相当小的行星,又有大行星。所以,最后的问题是,那些超级地球是否对我们感兴趣的东西有什么好处?
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克雷格·文特尔:在宇宙中,超级地球的数量有多少?
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迪米特尔·萨塞洛夫:让我们以银河系为例,而不是以整个宇宙为例。银河系里大约有2 000亿~3 000亿颗恒星,其中90%的恒星存在的时间足够长,长到可以产生我们想象中那种复杂的化学物质,这需要5亿年或更长的时间。但是,其中有只有1/10的恒星拥有足够重的元素,可以在其周围形成行星;否则,行星要么不会形成,要么就会有显著的缺陷,我们对此有确凿的证据。那么问题就是,我们对超级地球的数量了解多少?基本上,我们所知的遗留下来的超级地球有100亿颗左右,根据我提供给你们的那些证据,你们可以说这个数目只是总量的10%~50%。
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