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大多数细胞都很微小，其直径也许只有十分之一或百分之一毫米。人的身体包含大约10万亿个这类细胞83。它们共同努力，以使你能够成为你；但是，像细菌那样的单细胞生物自己也能过得很好。细胞最重要的特征，就是细胞膜包裹住了内部的水状流体，后者称为细胞质。生命的化学反应都发生在细胞质中。这种与外部世界的屏障只有千万分之几毫米厚，并允许某些分子进入（基本上是“食物”），并允许某些分子出来（废物）。膜根据这些分子的大小和形状进行甄别。为了使不同的分子能够按不同的方向通过，细胞膜的结构就不能像一道带有窟窿的砖墙那样，而是要有特定的“内”和“外”。最简单的单细胞有机体，其细胞内部结构最简单，而且人们会很自然地假设，它们代表了单细胞物种原始的生命形式。化石证据表明，直到大约6亿年前，复杂的多细胞有机体才出现在地球上，这距离单细胞生命出现已经过去了大约3万亿年。像我们人类这样的生物要到更晚的时候才进化产生。但是这里，我们只对生命的起源感兴趣，因此我们要集中讨论这些原始的单细胞生命。它们总是被一种化学复合膜包围。这种膜是由被称为氨基糖的长链（聚合物）分子构成的。这些分子链由其他化学单位（称为多肽的短链氨基酸）连在一起，组成一个网状物，有点像日常使用的网兜。这里我们要强调的一点，从参与的化合物的名字即可顾名思义得出——构成细胞壁的亚单位是氨基酸和糖类，两者都很可能是存在于太阳系形成所依据的星云中，而且两者都可能是彗星尘埃的组成部分。
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20世纪90年代后期以及21世纪初，美国航天局的科学家和加州大学圣克鲁斯分校的研究人员进行的实验表明，这种膜结构的形成可能与巨分子云中存在的冰冷尘埃颗粒有关。他们将已知存在于巨分子云中的简单的化合物的气体混合物进行冰冻——包括水、甲烷、氨和一氧化碳，以及最简单的酒精、甲醇等——将这种混合气体凝结到小铝块上，冷却到-263℃，就像是寒冷的冬夜汽车挡风玻璃上凝结了一层霜一样。然后，使用紫外线辐射照射冰颗粒，模拟其受到年轻恒星的辐射的状态。结果所产生的最终物质，包含有更为复杂的醇、醛，以及较大的有机化合物，称为六亚甲基四胺（HMT）。但是，真正的戏剧性发现是在研究小组将这些物质放到温暖的液态水中时产生的。他们发现，一些组成物质自发形成了空心小球（称作“囊泡”），直径在百万分之10至40米左右——尺寸和血红细胞相似。
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一旦你理解了用紫外线照射冰所产生的一些复杂的有机分子的性质之后，就会发现这其中的解释很简单。这些特殊的分子被称为两亲物，它们的行为和洗涤剂分子的类似。这种分子有一个独特的“头”和“尾”结构，尾部受到水的斥力，而头部受到水的吸力。洗涤剂的效应是其分子的尾部埋在灰尘中，因此洗涤剂分子会包围尘埃颗粒（借助一点晃动），使它们从所洗的东西上被冲走。然而，在模拟太空环境的条件下，两亲物的尾部由于埋不到任何东西中，会形成双层，其尾部在内，头部在外。这些层会发生自然蜷缩，形成很小的空心球。此外，它们会吸收紫外线，因此囊泡的内部成了避风港，里面的化学反应可以在不受外来干涉的情况下进行下去。
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对于这些新发现的保守解释是，来自彗星尘埃的囊泡，曾经漂浮在年轻地球的水域中，周围还包裹着来自宇宙空间的其他有机物质，而且在一些温暖的小池塘里，像氨基酸和糖类等物质就会开始发生反应，启动了将导致生命产生的进程。而我所喜欢的更为激进的解释，是在彗星冰冷的团块内，由于超新星爆炸所产生的一些半衰期较短的同位素衰变而产生辐射可以起到加热的作用，在小水坑里可以形成囊泡，里面会充满复杂的有机分子，并最终会形成生命的分子。即使这种假说没有别的特别之处，它至少可以将非生物物质演化形成生命物质所用的时间，从地球表面的几亿年，延长到宇宙空间的几万亿年。即使后来彗星又冻结成固体，囊泡将耐心等待，准备好解冻；并在它们变成太阳系和其他类似星系内的彗星尘雨一部分的时候，把生命的种子送到某颗行星的表面。
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在21世纪的第一个十年里，这一想法仍然被看作是非常大胆的猜想。但值得注意的是，第一个提出这种设想的人，是天体物理学家弗雷德·霍伊尔。而且他是在20世纪70年代提出来的。那时，霍伊尔的这一想法基本上是被人一笑了之，这不仅是因为这一想法有点离经叛道，而且他和他的同事钱德拉·维克拉马辛一起甚至提出，像流感这样的疾病也可能是被彗星尘埃带到地球的。不过现在看来，霍伊尔的假说倒是合理性多于谬误，虽然他有点儿离谱。84细胞最先产生，其次是酶，然后才出现基因这一想法的历史更为悠久，可以追溯到奥巴林（A.l.OParin）在20世纪20年代的研究工作，虽然有关第一个细胞是在太空中产生的提法出现得要更晚一些。有人说，在科学上，新的想法总是首先被当作无稽之谈，然后变成革命性的新理论，并最终被看作是不言自明。85关于生命本身起源于深空并在后来由彗星带到地球的观点，我们目前可能处在新观念的第二阶段。
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这是正在被人们认真考虑的最极端的一种可能性。对于“生命来源自哪里？”这一问题，我个人的答案会是，“它来自巨分子云冰冷的物质中，来自构成行星和恒星的物质中。”但是，另外一种提法，即“在地球上一些温暖的小池塘中，由彗星带到地球的复杂的有机分子迈出了自我复制的关键的一步”，倒是显得有些“保守”了。无论生命如何起源，毫无疑问的是，所有的类地行星上，在其年轻的时候，都会带有相同类型的有机物质。这意味着，在整个宇宙空间，生命很可能是普遍存在，而且所有的生命都基于同样的基本组成部分，即氨基酸及糖类。当然，宇宙中其他地方的生命所使用的氨基酸和糖类可能与地球上的生命所使用的不同。然而，智能生命在其他地方是否有可能存在，则是另外一个问题了，已经超出了本书讨论的范围。我们这里所面临的最后的大问题是：“一切将如何结束？”
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宇宙传记 第十章 一切将如何结束？
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从地球上的生命证据——这是我们仅有的证据——判断，生命一旦扎根在行星上，就会有很强的适应力。人类自己的创造给人类文明的前景增添了许多不确定因素，这包括战争、人为气候变化以及环境的退化。86人类能否逃过这些劫数，不是科学需要辩论的题目，因为这完全取决于人类的政治意愿。例如，现在已经有令人信服的科学证据，表明人类活动正在以极高的速率使地球变暖，但我们究竟应否为此采取对策，却是一个政治决策。同样的，用我们已有的科学和技术知识，我们能够养活比地球上现有人口多得多的人，但是仍有大量的人由于政治决策的原因在挨饿。未来数百年（或未来数十万年），无论这样的决策结果如何，也无论发生什么情况，生命都将继续下去。毕竟，地球上最古老的生命形式——单细胞细菌——已经存在了近40亿年，不论生存环境发生了什么变化，它们都活了过来。
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对地球上生命最大的自然威胁，可能与让地球充满生机的是同一事件——来自太空的撞击。地质记录表明，多个物种的灭绝（不只是独立生命个体，而是整个物种），在我们的星球上已经发生了多次，其中一些事件必然与陨石或彗星撞击地球存在联系。其中最有名的物种大灭绝事件发生在6500万年前。在这场恐龙灭绝事件中，人们认为陨石发挥了一部分（或许占主导地位的一部分）作用。这是生命开始在地球上演变以来所发生的5次最大规模的生物灭绝事件中距今最近的一次。第一次发生在约4.4亿年前，第二次在3.6亿年前，第三次（最大的一次）在约2.5亿年前，第四次在2.15亿年前。虽然发生在6500万年前的大灭绝[称作白垩纪第三纪灭绝事件（Cretaceous-Tertiaryextinction event）]虽然不是最大的一次，但我们对这次灭绝事件了解得最多，因为它离我们最近。在白垩纪末期，地球上超过70%的物种灭绝了。类似的灾难如果发生在今天，人类以及许多其他的物种几乎肯定会灭绝。而前述的五大灭绝事件则更具破坏性。但是，这里我们所要强调的，并非是在地球的生命历史上已经发生过如此之多的物种灭绝事件，而是要说，尽管如此，生命仍在继续。每一场劫难之后，都会有新的物种进化产生，适应发生了变化的环境。这种情况已经持续了约40亿年。那么，什么样的事件才能让地球上的生命全部灭绝？
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惟一确定的答案是，似乎当太阳处于其生命的末期时会膨胀变成一颗红巨星，使我们这个星球将变得无法居住（即使是细菌也不行）。我们对这一过程了解得很多，使我们坚定地回到了我们认为我们“知道”，而不是我们“以为”我们知道的领域。
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顾名思义，红巨星之所以得名，是因为它们是红色的，而且很大。所有像太阳这样的恒星在核燃料用尽之后都会遭此劫难。只要在太阳的核心有足够的氢提供能源，通过转换质子（氢核）变成氦核使外层能够抵御自身的引力，太阳就能基本无恙，地球上的生命也就能基本无恙。87总体说来，太阳的燃料足够燃烧大约100亿年，而到目前其长时间的稳定期尚未过去一半。这无疑是好消息。
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当像太阳这样的恒星核心的氢燃料耗尽，它就无法再抵御自身的引力，因此会缩小。但是随着内核缩小，恒星会释放出引力能量，从而使核心温度升高，这种额外的热量会使得恒星的外层膨胀进入宇宙空间。由于恒星内核变热，更多的热会从其表面释放。但是，由于恒星不断扩大，其表面积也会增加，因此这两种变化的净效应是，虽然恒星表面总的热量增加了，但是每平方米表面释放的热量实际上却下降了，因为表面积增加得更快。因此，尽管有更多的能量释放到太空，其表面温度会下降。这就是为什么红巨星是红色的，而不是黄色或蓝色的——红色且热的物体的温度比蓝色热物体的温度低。但是，这个第一次的巨星经历很快就会过去。恒星内核中额外的热量会点燃氦燃烧，氦原子核融合在一起形成碳原子核。这一过程释放的能量可以使内核略有扩大，温度略有降低，而外层则会从其扩张状态退缩回来。
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当内核所有的氦用光后（这只需1亿年，远远比不上恒星生命过程中的氢燃烧阶段），同样的事情会再次发生。恒星内核再次缩小变热，而外层扩张得更厉害，使其成为超巨星。碳是像太阳这样的恒星核合成的终点，而且我们也已经看到，制造更重的元素的过程只能发生在更大的恒星中。不过，与太阳质量相当的恒星在一段时间内能保持在超巨星状态，其内核是碳核心，内核向外还有一层壳，其中的氢燃烧成氦。这使得其内核不断变得更大更致密，而恒星的外层则持续扩张，将许多材料抛入太空。最终，当所有的燃料耗尽，恒星将冷却收缩成白矮星。这时恒星燃烧的灰烬，质量与太阳一样，但体积却不大于地球。
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许多常见的说法（甚至一些教科书也这么说，按说其作者本应该了解得更全面）告诉我们，75亿年后，当太阳变成红色超巨星，地球就会被太阳吞没。按照这些情况估计，地球上的生命会在大约55亿年后灭绝，那时太阳会变得比现在明亮两倍，会将地球烤焦。但是，作出如此预测的人所犯的错误在于，在每一步计算中，他们使用的都是太阳目前的质量，而且当他们拿恒星（其中包括红巨星）的观测数据进行对比的时候，找的也是与现在的太阳质量相同的对象。他们没有考虑太阳的质量会随着年龄增加而减少，而且尤其是在扩张阶段，质量会丧失很快。目前质量和太阳相同的红巨星，其起始质量要比太阳大得多，而起始质量和太阳相同的恒星在变成红巨星的时候，质量则会减少很多。即使只是粗略地计算一下，也表明地球永远不会被太阳吞没。当然了，依照自然进程的发展，它有朝一日的确无法作为生命的家园继续存在，一些更有见识的预言家早已表明了这一点。但是现在我们可以做得更好。在英国萨塞克斯大学，我的一些同事对太阳和地球的命运进行了更准确的预测。他们的预测为我们提供了关于这颗星球长期命运最好的指南。88
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目前，地球轨道距离太阳约1.5亿千米。89他们的计算（以及对银河系中现在观测到的红巨星的对比）表明，当太阳第一次变成红巨星，即使在去除质量损失之后，其半径也会扩张到1.68亿千米，这似乎足以吞没地球。但是到那个时候，由于它已经失去很多的质量，其对行星的引力也会大幅度降低，地球将漂移到半径为1.85亿千米的轨道上。而在扩张的后一阶段，由于太阳外层的质量损失很多（当它变成红巨星时，会损失其初始质量的20%），驱动氢燃烧的燃料会减少很多，事实上，太阳自身永远不会变成“超巨星”——在第二个扩张阶段，其半径将增加至只有1.72亿千米，还比不上在第一个红巨星阶段扩张的幅度，仍不足以吞没地球。到那时，太阳损失的总质量将达到起始质量的大约30%，地球的轨道半径将扩大到2.2亿千米，比目前的轨道半径增加了几乎50%。这几乎完全就是目前火星的轨道，而届时火星会漂移到更远的轨道上。
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随着这一切次第发生，在第一个扩张阶段，太阳的亮度将增加至目前的2800倍，在第二阶段成为巨星时则会增加至4200倍。但是即使在其最明亮的时候，其表面温度却会下降一半以上，从目前的5800K下降到只有2700K。
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这一新的预测并没有给水星和金星这两颗内行星带来多少希望。水星是如此接近太阳，远在太阳达到其最大尺寸之前就会被吞噬了，而且虽然在太阳的第一个扩张阶段，金星的轨道半径将从目前的1.08亿千米扩大到1.34亿千米，但它仍然处于那时的太阳表面的3000万千米以下。一旦陷入太阳的大气中，金星将很快坠落到太阳内部，走向末日。
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地球需要多长时间会变得让人类这样的生命感到不适这样的问题有些不切实际，但我们可以利用这些计算，从宇宙的视角来考虑人类现在面临的一个问题。现在科学界公认，到21世纪末，人为的温室效应很可能会使地球的平均气温升高至少5摄氏度（实际上，这是一个相当保守的估计）。太阳逐渐变暖也会在8亿年的时间内产生同样的变暖效应。换句话说，人类活动将这一进程的速度加快了1000万倍。苏塞克斯大学的研究小组提出，如果我们把海洋开始沸腾视作地球不适宜像人类这样的生命形式居住的标志，那么假设我们停止干扰地球热平衡的活动，这一情况将在57亿年之后出现。90也许，对我们的后代或（更可能的情况下）地球上演化出现的任何新的智能物种来说，他们将有足够的时间在宇宙空间寻找到新的家园。但还有另一个局部的办法解决这一问题，也许我们无须认真对待它，但是这却表明不论多么小的效应，一旦放到天文时间背景下，也会累积产生巨大的效应。
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任何对使用无人驾驶空间探测器探索太阳系感兴趣的人都知道，这些探测器在飞往遥远的行星的时候，往往要借助其他行星轨道的引力加速效应——比如金星或木星——利用行星的引力来给探测器加速。由于在我们所处的宇宙中，没有任何东西可以“不劳而获”，一切皆须付出代价，这意味着，被利用的行星会失去相应数额的能量。但是，由于探测器的质量比起行星的质量来说非常微小，因此这一影响可以忽略不计。我们也可以反其道而行之，派遣一个探测器飞往一颗行星，利用行星引力的作用使探测器减速，从而给该行星增加一丁点能量。但是，这样做意义何在？如果“探测器”足够大，而且该行星是地球的话，这么做就有意义。
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21世纪初，一组美国研究人员只是为了好玩，计算了一下为了抵消太阳随着年龄的增长逐渐升温的效应，地球轨道需要远离太阳多远。他们发现，只需利用现有的技术，加上非常谨慎的长期规划，就能实现这一点。窍门是，找一颗直径约100千米的小行星（比导致恐龙毁灭的小行星大5倍），给它加装一个火箭发动机，调整它的轨道，使其以恰好合适的轨道与地球擦身而过。让这块太空岩石沿着很长的椭圆形轨道运行，越过木星和土星，并且每六千年左右从地球附近飞过一次，每次飞过，它都会给地球一点推力，使其轨道向外移几千米。而在其轨道的另一端，这颗小行星将从木星或土星获得能量，维持自己的轨道，并使木星或土星的轨道略有缩小。这么做的净效应，是地球从外行星获得能量，并不断悄悄地远离太阳。原则上，这有可能使我们这个星球维持在较为舒适的状态，直到太阳变成红巨星。
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当然这么做并非毫无危险——比如，那颗太空中的岩石会定期在距离地球15000千米的地方飞过，任何一个小错误都可能导致灾难性的撞击。但是，当我们考虑一下，到2007年，距离人类发射第一颗人造地球卫星才只有五十周年，我们就已经有了这样的技术，那么，如果我们能熬过下个世纪，或许我们的后代会实施一些更复杂的行星工程。
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不过，在更漫长的时期内，太阳本身会死亡，最终冷却成为白矮星。起始质量比太阳更大的恒星最终可能成为更加致密的中子星。在这种星上，比太阳质量还大的物质会压缩在像地球上的一座大山一样的空间内，甚至会成为黑洞。一切都会死亡。我们对于宇宙的最终命运比起对于它的开端知道得要少得多，但话说回来，即使对于宇宙的开端，我们可能也只是“以为”我们知道。对于如果宇宙永远扩张下去，物质最终会怎样，这里有一些有趣的猜测（虽然是猜测，但仍然是基于真正的科学所作出的）。不可避免的是，这些恐怕是本书中最靠不住的内容，但这些内容比起几十年前人们对宇宙起源的认识来说，倒还算不上那么不靠谱。
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当我们谈论起物质的命运，真正能讨论的是重子的命运，因为我们还不知道该宇宙中其余的物质是什么。如果宇宙的膨胀持续足够长的时间，随着所有的造星材料都用尽，最终恒星的形成过程将结束。这里所涉及的时间无比的漫长，因此几乎不值得为其生发杞人之忧。这一过程应该在距今几万亿（1012）年之后结束——也就是说，当宇宙比现在的年龄大一百倍之时。随着所有的恒星都变成白矮星（冷却黑暗）、中子星或黑洞，星系将消失。星系本身也将缩小，部分原因是它们会通过引力辐射失去能量，另一部分原因是在与其他恒星遭遇时，会出现能源交换（就像利用弹射轨道时的能量交换一样），这样一颗恒星获得能量，进入穿越星系的轨道，另一颗则失去能量，并进入离星系中心更近的轨道。大多数星系的中心已经存在黑洞，而上述过程将导致黑洞数量进一步增加，吞噬更多的物质。
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