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漫谈宇宙文明进化史 太阳系形成或为"特殊存在"

http://www.kexue.com 2014-01-02 09:28:38 凤凰科技  发表评论


小行星撞地球假想图

  作家罗杰-布里格斯(Roger Briggs)在他的新书《文明之旅:我们任何到达那里的科学》中展示了基于科学证据和怀疑的宇宙、地球、生命和人类新的创造历史。现代科学未预料的成就之一便是它提供了人性起源的线索。天体物理学、进化生物学、分子遗传学和古人类学的发现产生了从宇宙大爆炸起的连贯故事线。这既是人性嵌入的新宇宙学,也是科学的伟大旅程。以下盘点了人类起源故事里最酷的10大科学。

  大闪光:宇宙背景辐射的起源

  当宇宙还是38万年历史时,它冷却至3000K,这种温度足以让电子在高度活跃的状态下依附在原子核内形成原子物质。这产生了可见范围附近大量的光子流,充满了早期宇宙。随着宇宙和太空自我膨胀,这些光的波长被拉伸至微波范围,从而变成宇宙微波背景辐射(CMB),也就是彭齐亚斯(Penzias)和威尔逊(Wilson)在1964年意外发现的。

  乔治-伽莫夫(George Gamow)曾经预测宇宙大爆炸应该会产生这样的背景辐射,CMB变成支持宇宙大爆炸理论的首批证据之一。自那时起,利用基于太空的设备,例如宇宙背景探测器(COBE)、威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器(WMAP)和现在的普朗克宇宙飞船对CMB的研究持续成为有关早期宇宙和它最深结构的丰富的信息源。

  黑暗时期的终结:第一批恒星的产生

  大约宇宙大爆炸后4亿年,整个宇宙足够冷却使得引力足以合并氢气云形成恒星,并首次点燃了核聚变。首批恒星产生的惊人的辐射标志着黑暗时期的终结,同时电离了临近氢气云。这种再次电离是首批恒星的印记,且能够从类星体的光谱特征、CMB的两极分化以及氢气的21厘米发射谱线中观测到。

  首批恒星的出生标志着宇宙生命的转折点:从那时起宇宙就获得了我们现在观测到的特征,星系内充满了恒星,后者被行星系统所包围。恒星在宇宙中执行某些非常重要的工作:它们制造比氢更重的元素,在自身形成过程中同时也创造了行星并为这些行星提供能量,正如太阳为我们地球提供能量一样。

  太阳系的形成:独一无二?

  像太阳这样的G级恒星在宇宙随处可见,但只有少数像太阳一样以单一恒星的形式存在并包含92种自然产生的元素。对系外行星的研究使得天文学家获得证据表明几乎所有的恒星在自身形成过程中都会产生行星系统,这与目前的恒星形成理论是相一致的。但目前为止观测到的大部分行星系统看起来非常怪异且不适合生命存在——木星大小的行星环绕自身恒星的距离比水星环绕太阳的距离都要近,或者五颗行星聚集在一起形成比水星轨道还要小的空间。天文学家目前还未观测到一个像太阳系内整齐排列的恒星系统,里面包含位于宜居带的多岩石行星。

  那么问题是,地球的处境到底有多特殊?

  当研究人员估计银河系内大约有80亿或者90亿颗恒星——这大概是恒星总数的5%——拥有类似地球的行星时——这使得别处存在智能生命的概率变得非常大。然而截止目前,在地球以外并未发现任何生命或者生命的迹象,因此问题变为地球究竟有多罕见或者常见,以及人类究竟有多独特?

  生命的开始

  古代岩石里碳12的存在暗示着地球上的生命开始于38亿年前。这意味着DNA或者某些先驱分子已经组合甚至可能开始了流水般的自我复制以驱动生命的进化。但这样脆弱且复杂的分子是如何组合而成的?

  有机分子现存在于整个宇宙,它们被发现于恒星、气体云和1969年坠落地球的默奇森陨石的光谱特征里,默奇森陨石包含92种不同的氨基酸,大多数从未在地球上见过。然而,从氨基酸分子到具有能够提供能量的新陈代谢系统的生物体是一个巨大的飞跃,而一个基因系统能够存储信息、指导蛋白质的建造、调节有机体的每个功能并自我复制,所有的一切都包含在细胞膜里。

  生命是否可能起源于它处?或者它是某些分子意外结合在一起的结果。或者宇宙存在某些基本的组织原则驱动物质向复杂性发展?我们并不知道答案,生命的起源仍是科学界最大的谜题之一。

  大氧化事件(Great Oxygenation Event)、雪球地球(Snowball Earth)和真核生物的产生

  25亿年前地球上的生命面临了最大的生存危机,当时地球大气层从以二氧化碳为主转变为富含氧气。当时的生命主要是原核生物,或者类似细菌的生物,它们以二氧化碳为生。但光合细菌消耗了二氧化碳并产生了有毒的氧气,后者最终充满了大气层。更糟糕的是,大气中二氧化碳量的减少导致地球变成一个巨大的冰冻星球,从而形成名为雪球地球的事件。除了赤道地区,整个地球被厚厚的冰层覆盖,生活在深海的生命几乎灭绝。然而,在这次危机中一个新的更复杂的生命形式出现了:真核生物。

  1967年琳恩-马古利斯(Lynn Margulis)首次提出某些原核有机物能够在她称之为内共生的合作关系里相互结合,从而帮助它们度过这场危机。我们现在理解了动物细胞里的线粒体和植物细胞里的叶绿体在被吞没形成真核细胞器之前,曾经都是单独的有机物。它们仍然携带有作为原核生物时的原始基因。真核生物的出现打开了更高级的生命形式——包括我们人类出现的大门。

  幸运的我们:白垩-第三纪灭绝事件

  恐龙统治了地球长达2亿年,然后在6500万年前它们忽然消失了。1980年路易斯-阿尔瓦雷斯(Luis Alvarez)和沃特-阿尔瓦雷斯(Walter Alvarez)这对父子首次解释了恐龙的命运。他们发现追溯到6500万年前的岩石里存在铱层,由于铱在地球上是非常罕见的,因此他们提出它们的来源是当时撞击地球的一颗陨石。他们的理论最初颇受争议,很多人对此表示怀疑,但其他研究人员开始在地球其它地区的岩石里发现相似的铱,这暗示着这是一场全球性事件,最终在尤卡坦半岛附近发现了一个年代相似的陨石坑。

  希克苏鲁伯陨石大小约为10-15千米,当时它以10000英里每小时的速度撞击地球,引发了全球变冷,这对大部分陆地植物和动物来说是摧毁性打击。但小型的多毛哺乳动物挖洞生活在地下从而存活下来。它们一直生活在恐龙的阴影下,但随着恐龙的消失,它们茁壮成长体积也日渐增大,继而成为地球的新统治者。最终哺乳动物的血系进化成为灵长类动物、类人猿、直立人以及最终的人类血系,后者最终产生了现代人类。如果不是6500万年前的流星撞击,人类是否能够出现都是个问题。

  工具时代:人类的出现

  大约500万年前,非洲某些类人猿掌握了直立行走的艺术——它们是原始人类。在接下来的几百万年间,他们作为南方古猿与至少7个不同的人类物种共同生活在非洲。但大约250万年后,一个新的血系从南方古猿物种中分离出来,就是现在所谓的人类类属。至于这次分支是如何以及何时发生的,以及涉及了哪些人类物种,现在仍备受争议。但最普遍的观点是能人是这个新血系的第一名成员,200万年前我们称之为直立人的祖先生活在东非,并很快移民至欧亚大陆和亚洲。

  大约250万年前石器工具也首次出现在化石记录里,它位于早期人类的化石残骸附近。没有任何其他的生命形式曾经制造并使用过石器工具并将这门艺术传递给下一代。这便是真正的文化产生和科技的到来。与工具的发展并行的是大脑容量的快速扩张,最终在20万年前,尼安德特人和智人的脑容量已经翻了三倍。然而,尼安德特人似乎并没有跟上科技的发展,而智人持续的发展科技、文化和意识性,最终所有原始人类物种都灭绝了,除了我们——最后也是唯一存活的原始人类。

  朋友还是敌人:尼安德特人是谁?

  100万年前,生活在非洲的匠人(也被称为直立人)开始进化成一个新的物种海德堡直立人,他们可能是人类最直接的祖先。这个新物种的某些成员仍留在非洲,而其他人离开非洲前往欧洲,在那里他们留下了追溯到80万年前的化石记录。欧洲的海德堡直立人群适应了更加寒冷的环境并在40万年前进化成尼安德特人。

  尼安德特人具有非常大的大脑且非常智能,存在于整个亚洲中部和欧洲,而他们留在非洲的近亲则进化成为现代人类——智人。大约10万年前,智人首次离开非洲,与尼安德特人的生活轨迹发生了冲突,他们先是来到亚洲中部随后前往非洲。科学家目前尚未完全理解智人和尼安德特人之间神秘的交互方式。

  最终,大约3万年前,尼安德特人撤退至西班牙和葡萄牙,就是在那里他们最终灭绝了。目前并没有真实的证据表明人类杀死了尼安德特人,他们使用的工具的相似性暗示着文化的重叠。但近期马克思普朗克研究所的斯万特-帕博(Svante Pääbo)和同事发表的基因研究表明,某些欧洲后裔仍然携带4%的尼安德特人的DNA,这暗示着毫无疑问这两个物种某种程度上曾经杂交过。

  向前的大飞跃

  美国加州大学洛杉矶分校的教授贾雷德-戴蒙德(Jared Diamond)在1992年的书籍《第三种黑猩猩—人类的进化及未来》(The Third Chimpanzee: The Evolution and Future of the Human Animal)中曾描述过这一现象,理查德-克莱因(Richard Klein)在2002年的书籍《人类文化的黎明》中将之称为“人类文明的大爆炸”。考古学家获得了有关石器文化的强有力的证据指向了人类智能在10万年至6万年前曾发生令人震惊的大飞跃。

  令人好奇的是,基因学家也发现了在那个时期,地球上全部人类的数量骤然下降至几千人。究竟是什么导致人口数量的瓶颈现在无从得知,但忽略7.3万年前在苏门答腊岛上发生的托巴火山喷发也是不现实的。这是在过去的3000万年间发生的最大的火山事件,导致在印度沉积了30英尺厚的火山灰层,并引发了持续上千年的全球冬天。

  似乎生活在东非并在托巴火山喷发事件中存活下来的人类是一个更新更好的智人物种,它们能够使用口语并会借助合作文化所带来的力量。这些新人类,有时候被称为现代人类,很快离开了非洲并在相对短的时间内传播至地球上每一块可以居住的大陆上,推动了尼安德特人和其他残余人类物种的灭亡。自大飞跃事件后,没有什么活着的生物能够与我们竞争。

  文明的到来

  在过去的200万年,我们的祖先都是游牧的采集狩猎者。1.15万年前,随着地球气候变得越来越温和,人类行为也逐渐发生了改变。生活在中东的人们开始实验可食植物,从最好的植物里选择种子并将它们种植在受保护的地区。这种园艺需要人们停留在一个地方照顾他们的庄稼,逐渐的游牧生活方式被更定栖更持久的安营扎寨所取代。动物也被家养成为伙伴、仆人或者食物的来源。大约1万年前,大型永久的居所,例如杰利科和恰塔霍裕克,开始出现在考古记录里。这种“原始城市”并非真正的城市,而是类似于无组织的乡村,具有福利、财富分化以及等级迹象。但另一个可以与大飞跃相媲美的人类发展的转移即将发生。

  大约5200年前,第一批城市-州首次出现在中东好几处地点。首次考古记录显示了清晰的证据表明社会层理和几乎持有所有财务和权力的统治精英的存在,暗示了文明的到来。

  随着书写的发明,人类的文明可以被永久的记录和控制,现代社会的大多数特征开始出现,包括中央集权政府和权力,军队和福利,有组织的宗教,父系社会,货币制度,贫困,大规模农业,贸易网络和帝国。很快在全世界各个不同地点独立出现了文明,包括中国、印度、埃及、秘鲁、克里特岛和墨西哥。在过去的5000年间这些几乎没有太大的改变,除了名字和地点。这究竟是表明一切进行的都很好,还是暗示着人类已经准备好新的一次大飞跃?

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