挑战40年权威理论，Science子刊：智慧生命诞生或是一种必然

地球上的人类究竟是宇宙的奇迹，还是某种必然？长期以来的主流观点认为，智慧生命的演化必须经历多个几乎不可能跨越的障碍，人类只是个幸运的例外。然而，最新发表在《科学进展》的研究挑战了这一观点，指出智慧生命的诞生或许不是一场概率上的奇迹，而是受环境变化驱动的必然结果。

编译 | 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，科学家们一直在争论一个问题：地球上的智慧生命是宇宙中的特殊例外，还是普遍现象？

1983年，物理学家布莱登·卡特（Brandon Carter）提出了“困难步骤模型”（Hard Steps Model），认为智慧生命进化并不是连续平稳的，而是必须跨越多个关键步骤。这些步骤不仅发生概率极低，而且通常需要极长的时间来完成。地球上的人类是幸运的特例，在进化过程中，所有关键的困难步骤都被“恰好”完成了，所用时间相对于太阳的总寿命而言就很短。但智慧生命进化所需的时间可能远超行星的宜居时间。因此，宇宙中的智慧生命是非常罕见的。

然而，最近发表在《科学进展》（Science Advances）上的一项研究，对这一模型提出了挑战。由Daniel B. Mills领衔的来自宾夕法尼亚州立大学、慕尼黑大学和罗彻斯特大学的天体物理学家和生物地理学家组成的跨学科团队认为，一些“困难步骤”可能并非极端罕见事件，而是由地球环境的逐步变化所驱动的。也就是说，在类似地球的环境中，智慧生命的出现可能是一种必然，而非奇迹。

什么是“困难步骤”模型？

卡特最初提出了两个关键“困难步骤”：遗传密码的起源——生命如何从无机物进化而来，和大脑发展的最后突破——使智人具备高级认知能力。随后，约翰·巴罗（John Barrow）和弗兰克·蒂普勒（Frank Tipler）等人扩展了该概念，并提出三个标准来识别这些步骤：

唯一性：该步骤在生命史上仅发生过一次，即“进化奇点（singularities）”；

多基因控制：若某种性状由多个基因决定，则其独特性更可靠，不易被错误归因；

智慧生命必需性：该步骤必须对智慧生命的出现至关重要。

基于这些标准，他们提出了数个潜在的“困难步骤”，比如，生命起源、放氧光合作用、真核细胞的出现、多细胞生物的进化、高等动物的出现等——每个步骤都像一道难以跨越的门槛，人类这样的智慧生命成为宇宙中的罕见现象。这也是费米悖论（Fermi Paradox）——“如果外星智慧生命存在，那他们都去哪了？”——背后的关键理论支持之一。

多年来，困难步骤模型主要由天体物理学家、经济学家和未来学家支持，而地球历史学家和进化生物学家对此回应较少。Mills等人的最新研究通过历史地球生物学的视角，提出了一个合理且可测试的替代模型，来考察地球表面环境和生命在地质时间尺度上的共同演化。

首先，Mills等人的研究肯定了困难步骤模型的某些合理性，比如：进化是阶段性的，一些关键步骤对智慧生命的形成至关重要；进化事件往往不可逆，一旦发生就会决定生物圈的长期演化方向，以及行星环境对生命的长期发展具有决定性影响。

不过，新研究重新评估了进化事件的唯一性，即进化奇点，提出了更符合生物学和生态学解释的环境门槛模型（Environmental Threshold Model），并解释了关键进化事件为何在某些时期发生，而不是依赖极端罕见的突变。另外，在搜寻地外生命（SETI）方面，新研究建议关注行星环境是否适合生命进化，而不仅仅是计算生命出现的概率。

新研究质疑进化奇点的合理性

在进化生物学中，进化奇点指的是那些在生命史上似乎独一无二、没有平行进化例子的创新。通常被解释为进化过程中的偶然性和不可预测性。这些奇点通常属于某个单系群，例如生命起源（LUCA）、蓝藻（放氧光合作用）、真核生物、后生动物和智人。根据困难步骤模型，关键“困难步骤”的进化创新可能性极低，使得它们成为进化时间轴上的“罕见奇点”。

新研究挑战了这一传统观点，认为这些奇点之所以看起来是独一无二的，可能是由于以下三种情况导致的：

地质时间尺度上的信息丢失——古生物学家G. Vermeij提出，进化创新的独特性可能是地质时间尺度上信息丢失的假象。独立进化出某些特征的小分支可能因灭绝或缺乏化石记录而未被发现，导致现代研究者误以为这些进化特征是独一无二的。例如，真核生物的光合作用细胞器（叶绿体）曾被视为奇点，但后来发现一种单细胞变形虫（Paulinella chromatophora）也独立获得了光合结构，只是其分支较小，且未进入化石记录。

进化优先效应和生态抑制——一旦一个创新确立，有限的资源竞争可能会阻止类似创新的后续起源。这种现象被称为“优先效应”或“生态位抢占”。例如，细菌至少两次独立进化出光养作用，但随后通过生态位划分和优先效应阻止了类似系统的重复起源。类似的，放氧光合作用的起源可能通过竞争抑制了其他潜在的氧气生产者。

“抽梯子”效应——进化奇点的独特性可能并非因为其起源的不可能性，而是因为其生态成功破坏了自身起源所需的条件。例如，放氧光合作用的起源导致大气氧化，从而破坏了还原性大气——其最初出现所需的条件。“抽梯子”效应属于生态位构建的一种形式。

因此，许多困难步骤的唯一性可能并非由其内在不可能性决定，而是由进化优先效应和信息丢失共同作用的结果。例如：生命可能多次独立起源，但只有一个分支的后代存活至今；放氧光合作用可能只进化了一次，但通过竞争抑制了其他潜在的氧气生产者；真核生物的起源可能存在多个类似但独立的细菌-古菌结合，但只有一个分支的后代存活；动物多细胞性可能并非独一无二，但迅速占据生态位空间的那一支抑制了其他类似事件的进化。

地球环境变化与生命进化的协同演化

卡特的困难步骤模型认为宇宙中智慧生命的出现是罕见的，这是基于对太阳总寿命为100亿年、地球年龄约为50亿年的解读。新研究指出，困难步骤模型以太阳的寿命为基础来预测是不妥当的，这忽略了地球系统对进化时间尺度的影响。地球的宏观进化时间尺度受到地球系统本身（大气和地貌变化）的影响，而非单纯的进化难度。

最初的困难步骤模型，假设环境条件在地质时间尺度上是相对稳定的。但是新研究的分析表明，地球历史上的生命进化并非均匀分布，而是随着环境的变化而加速或减缓。地表环境在过去46亿年中经历了根本性和不可逆的转变，尤其是大气中氧气含量经历了三个变化阶段：

1. 无氧时期（>24亿年前）：地球大气几乎没有氧气。

2. 大氧化事件（Great Oxidation Event，GOE，24-22亿年前）：大气氧气水平上升，但仍远低于现代水平——0.001%–10%现大气氧水平（Present Atmosphere Level，PAL）。

3. 古生代氧化事件（Paleozoic Oxygenation Event，POE，4.2–4亿年前）：氧气稳定上升至接近现代水平（21% PAL）。

那么，氧气水平如何影响关键进化步骤？

智人起源的最低氧气需求为53%至59% PAL，仅在约4.2亿至4亿年前的古生代氧化事件（POE）后稳定满足。动物多细胞性起源的最低氧气需求可能在元古代中期（25亿至5.4亿年前）已满足，但具体时间仍有待研究。真核细胞起源则需要0.001%至0.4% PAL的氧气，可能在大氧化事件后满足。

此外，生命起源和放氧光合作用起源发生在无氧环境下。研究指出，生命可能出现在约37亿年前的某个“窗口期”内，当时液态水已形成且地球免受大型陨石撞击的影响。一些研究认为，蓝藻的起源可能受到海洋温度的影响，如果海洋温度过高，可能限制光合生物的生存和扩展。这表明，即使在生命进化最早期，环境因素仍然是决定进化事件发生时间的重要变量。

除了氧气水平，新研究还讨论了其他可能影响生命进化时间的环境因素，比如海洋盐度的降低可能影响细胞的生理适应性，二氧化碳水平的变化影响气候和植物光合作用效率，板块构造的演化塑造地球表面环境，创造新的生态空间等。这些因素的相互作用可能共同决定了生物进化的时间表。随着生态位的逐步打开，多样的栖息地在地质时间尺度上不断增加，这比困难步骤模型更能解释生命进化的时间分布。

证据表明，在地球历史的大部分时间里，不利环境可能阻止了复杂生命的出现，而并非进化步骤的罕见概率导致它们的缺失。同时，生命的进化改变了地球环境。地球环境与生命的协同演化增加了地球栖息地多样性。

寻找其他智慧生命

新研究所提出的新模型不仅适用于地球，也适用于其他星球。

新模型显示，地球表面环境经历了单向变化，使栖息地多样性不断增加，但这一趋势依赖于星球的一系列物理化学条件是否允许——初始质量、成分、地幔氧化还原状态、轨道距离等。重要的是，地球的环境-生物进化速度可能是独特的，其他宜居行星的环境轨迹可能因起始条件的不同而显著差异。

在不同的宜居星球上，类似地球的大氧化事件可能发生得更慢，甚至完全不会发生，这将限制复杂生命的出现。即使放氧光合作用进化成功，如果氧气的产生无法超过消耗，可能也不会建立类似元古宙或显生宙的生物圈，从而阻碍智慧生命的进化。如果放氧光合作用不是一个困难步骤（即其进化并不罕见），那么大气氧气光合作用的变化轨迹可能也是可预测的，而非极低概率事件，一旦放氧光合作用出现，地球大气的氧气水平逐步上升便成为不可逆的过程，最终达到现代水平。在其他行星上，如果具备必要的起始条件，大气氧化等转变可能比地球发生得更快。

为了探索宇宙智慧生命是否罕见，未来的系外行星观测任务将非常重要。新研究提出可以通过分析行星大气成分和技术标志来验证这一新模型，同时为我们理解生命在宇宙中的普遍性和演化路径提供关键证据。

如果生命的进化并不依赖极端罕见的步骤，而是由环境门槛驱动，那么不同类型的地球生命阶段（如类似太古代、元古代和显生宙的生物圈）应该会在系外行星中普遍存在，并可能表现出不同的大气特征。比如，太古代（Archean-like）生物圈可能富含甲烷、二氧化碳和较低的氧气，类似于地球早期的情况。同样，智慧生命的技术特征技术标志（如无线电信号或大气污染物）应该在系外行星上被探测到，而不仅仅是极少数例外。

总之，这项最新研究为理解生命在宇宙中的普遍性提供了新的视角，也可能影响未来的天文学和地球生物学研究方向。

（本文审核专家：河南大学生命科学学院刘宇鹏教授）

参考文献

[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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