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仅仅在过去10年中,天文学家甚至业余天文学家就已经发现了总共超过400颗新行星,在未来岁月里这个数字肯定会继续猛增。一些天文学家乐观地预测,找到地外生命(地球之外的生命,也称外星生命)存在的证据或许指日可待。但是,就算发现外星生命是指日可待的事,可问题是:当我们看见外星生命时,我们真的能够认出它们吗?
外星鱼地球鱼大同小异
旨在寻找地外生命的多项太空观测任务已经展开。就在2009年,美国宇航局发射了“开普勒号”太空望远镜,它与法国的“科洛特号”太空望远镜一起搜寻银河系中可供生命居住的行星。与此同时,许多地面望远镜也正在加紧探寻地外生命存在的迹象。
天文学家预计,在未来几年中将发现大批可能支持生命存在的行星,而在其后20年进行的跟踪观测,则有望证实其中一个世界不仅是可居住的,而且真的有生命在那里栖居(参见相关链接:喜欢阳光)。可是,这些地外动植物究竟是什么模样呢?一些天文学家指出,智能的外星人不可能与科幻作品中描述的外星人长得一样,甚至一点都不一样。例如,美国科幻电视连续剧中最典型的两个“外星人”——楚巴卡和史波克先生,老实说它们的形象太不具有想象力,不过是套在毛茸茸外套里或把橡皮泥粘在耳朵上的怪人而已,诸如此类的“外星人”其实更适合待在化妆品专卖店里,而完全不是基于科学理念。
那么,在人类的星际探险家最终登陆一个新世界之前,我们应该怎样预测外星生命的进化历程呢?恐怕还是得立足于研究地球上的演化生物学,尤其是“趋同性”和“偶然性”这两个基本原则。
所谓“趋同性”是指不同的生物在相同或相似的环境条件下逐渐形成相似特征的现象。一些天文学家相信,外星动植物的演化应该也脱离不了“趋同性”和“偶然性”这两个基本原则。尽管进化是由随机的变异推动的,但事实上自然选择远非看起来那样杂乱无章,基本上,最适应自己所在的特定环境的个体总会占上风。在银河系另一侧的一个世界上生发的外星动植物,其面临的物理学定律和生物学法则应该与地球上的生命是一样的。例如一个密度和形状都像砖头的外星鱼种在生存竞赛中不可能跑得太远,随着时间推移,这个物种应该会进化出流线形的体形和用于推进自己的鱼鳍或鱼尾,其最终模样会令人难以置信地变得像地球上的鲑鱼。
这就是生物学中的趋同原则:对于一个特定的生存难题,或许只有区区几个好的解决办法,于是生命的进化过程会一次又一次地碰到同样的设计。例如,人所拥有的照相机镜头型眼睛在地球上就独立进化了多次,以至于从鱿鱼到鸟类的多种动物都拥有镜头型眼睛。科学家指出,既然“由于趋同性而多次独立出现的设计特征”被认为主宰了地球生命的演化过程,那么同样的情况也应该发生在外星人和外星生命身上。
当然,偶然事件也可能对一颗行星的进化轨道产生很大的影响。例如,科学界普遍相信,6500万年前的一次巨型小行星撞击地球事件导致了恐龙灭绝,为像人这样的哺乳动物最终雄霸地球提供了进化环境。可是,就算如此大动荡之后的进化也仍然是普遍能够预测的。例如,身为哺乳动物的鲸鱼和海豚最终演化出的体形像极了早已灭绝的海洋动物浮龙,蝙蝠的体形则与早己退出历史舞台的飞龙的空气动力体形很相似。既然趋同进化在地球上常见得不得了,所以有科学家认为,从许多方面来看,外星生命的进化也应该遵循这个原则,即对相似的生存问题给出惊人相似的解决方法。
外星上可能有气球植物
另一方面,生命所拥有的某些特征并不是对任何生存问题的最佳解决办法,它们仅仅是偶然性结果,也就是说,它们是冻结在了时间长河里的历史性“事故”。例如,我们的五个手指头或脚趾头其实并未提供给我们任何真正的优势。如果拥有六个手指头或脚趾头,我们不是照样能轻而易举地端正站立或抓住东西吗?
为什么是五个而不是六个呢?这是因为所有陆地脊椎动物,包括两栖类、爬行类、哺乳类和鸟类——都从我们那爬上干燥陆地的鱼类祖先那里继承了五根骨头。科学家指出,像这样的偶然性结果应该只存在于地球上,而不会重复于外星生命或外星人的演化历史中。
于是,尽管趋同进化告诉我们外星生命的许多统一特征都将是可以预测的,但它们的部分特征却仍将取决于它们所特有的进化史中的一些怪异行为。当然,假如外星生命的进化环境与地球千差万别,那么外星生命就完全有可能呈现出截然不同的新奇设计特征。一些科学家对这些潜在的不同环境很感兴趣,他们运用电脑模型来探究植物设计的演化过程。事实上,任何陆地植物为了生存都必须同时满足四个基本要求:必须拦截尽可能多的阳光来进行光合作用,必须能够将自己的花粉或种子传播到尽可能远的地方,必须确保自己不会倒塌,必须确保自己不会丧失太多水分。例如,植物为了收集到最多的阳光,就可能在顶部长出很宽的叶子,但这样的植物就像阳伞似的,在疾风中容易被连根拔起,也就是容易倒塌。
在不同环境中的最佳植物设计,总会是对上述四个要求的妥协和综合。因此,生长在外星森林中的树木,其外形很可能与地球上可比环境中的树木没有太大不同。生长在外星沙漠环境中的植物,应该也需要长得像地球上的仙人掌那样矮壮而不分枝;生长在外星湿润土壤中的树木,同样应该像地球上的橡树那样拥有宽阔的树冠,以便完成必需的光合作用。
那么,外星树叶是什么颜色的呢?在地球上,植物之所以大多看起来呈绿色,是因为它们都包含一种叫做叶绿素的色素,而叶绿素在阳光光谱中对蓝光(能量最强)和红光(数量最多)的吸收要比对绿光的吸收强得多。事实上,要是我们的眼睛对稍稍宽_点的波长范围的光线敏感的话,植物看上去就不会是绿色的,而是一种略显苍翠的近红外光颜色。这是由于陆地植物非常明亮地反射红外波长,很可能是以此避免自己在阳光下变得过热。
科学家指出,植物对光的吸收性与太阳光的光谱密切相关。总体上,地球植物利用很宽泛的可见光(赤橙黄绿青蓝紫),但对绿光的反射性稍强。因此,生长在不同恒星(比太阳更蓝或者更红)光线下的外星森林,就需要适应不同光谱的光合作用色素。“葛里斯581c”是一颗M类矮(恒)星,有四颗行星环绕它运行。在2009年的“来自地球的问候”研究计划中,“葛里斯581c”星是主要探索目标。这颗恒星比太阳暗淡得多,光线更红。假如环绕这种红矮星的行星上生长着植物,那么这些植物就需要吸收尽可能多的红光,以获取生长所需的能量。于是,这些外星植物在我们的眼睛看来可能就是黑色的,因为黑色最能吸收光线。当然,在这些外星上演化的任何动物的眼睛也必须适应这种更冷的光谱,因此在它们的眼睛看来,它们星球上的植物也会是带着苍翠的近红外光颜色。 有一类恒星比太阳燃烧得更炽热也更明亮,这就是F类恒星。虽然其光谱移向蓝光,但就像在地球上一样,环绕F类恒星的行星上也有大量的可见光,所以这些行星上的植物看上去或许与地球植物没什么两样。然而,由于强力蓝光可能很密集,因此这些外星植物就需要进化出保护层来反射掉更多的蓝光。
除了奇异的颜色外,在非常不同的外星环境下,植物或许还将找到一种全新方式来收集其所环绕的恒星的星光,以进行繁殖和得到水。在一颗超级地球(比地球大得多的行星)上,增加的引力将使得长出矮胖的树干和树枝不能成为植物很成功的生存策略。或许,外星植物不会像高耸的柱子那样去力争拔高自己,而是简单地随空气上浮。在地球上,飞艇之所以能在空中飘浮,是因为其内部充入了氢气,而氢气的密度不如周围的大气密度高。在地球上,进行光合作用的植物都通过收集阳光的能量来分解水分子,利用氢来制造食物,同时将氧作为废气排出。而外星植物所需做的,就是将氢释放在一个可充气的囊中,气囊能飞到空中,通过一条藤蔓式的“拴绳”与地面固定。事实上,在地球海洋中,巨藻林就是通过在无数小浮囊中灌满氧或二氧化碳来固定自己。为了获得更多的升力,外星气球型植物甚至还可能在自己的氢囊顶部长出暗色素,吸收恒星的热量来加热囊内的气体,从而创造额外的浮力。
外星气球型植物还可能拥有一种非常有效的繁殖策略——它们可能与自己的拴绳分开,随风飘飞,将种子播撤到下面的陆地上。飞翔的气球型植物之所以还没有在地球上演化出来,唯一的理由或许就是没有这方面的需要。
外星动物的血液不一定是红色的
科学家认为,动物的演化也应该遵循“好设计原则”,即便在外星上也是如此。在地球上,不论何种环境,一些特征常见于整个动物王国。例如,从食物中提取养分是通过消化道来实现的,消化道就像一根前面有开口、末端有废物排出口的直通管道。包括人体在内,所有脊椎动物的身体基本上就是一根精细的肠管,另有一些体内升级,由脊椎支撑,外加感应器官和四肢等配件。
动物还有一个共同的需要,就是在长到一定的身体大小后能得到足够的氧。因此,动物必须长出像鳃和肺这样的结构,并且拥有很宽的表面积。科学家很有理由地预计,外星动物也应该能像地球动物那样享有满肺或满鳃的氧,毕竟燃烧有机氧燃料是能量最丰的呼吸形式,能够满足活跃的动物生命所需的巨大能量需求。
如何将这些养分和气体输送至庞大身体的所有细胞,同样有一个分配问题,于是由血管和抽吸的心脏组成的内循环系统就变得很具优势。外星动物的血液不一定是红色的,我们的血液之所以呈红色是因为血液中有携带铁的血红蛋白(也叫血色素),而马蹄蟹的血液因为铜的缘故是蓝色的。总之,血液是什么颜色并无统一的标准,只要能输送氧就行。
为了发现美味佳肴,或者为了避免自己成为掠食者的美味佳肴,动物感知环境的能力显得非常关键。地球上的动物发展出了一系列的感知能力,其中视觉能够对环境进行非常有效的勘察,几乎所有的陆地较高级动物都拥有视觉,而且最佳策略是把眼睛放在身体的前面部分。
获取的所有信息都必须进行处理,并且运用一大簇神经细胞来作出反应,这些神经细胞靠近能作出快速反应的感应器官,而这些感应器官都在一个“硬壳”内得到保护,这个“硬壳”就是头颅。大型陆地动物还需要身体架构——骨架来支撑身体抵御引力和“放置”肌肉,这个骨架既可以是“内置式”的(就像人类),也可以是“外置式”的(就像甲壳纲动物)。
上述所有例子和推测都是基于一个事实,就是每种动物都需要采集能量、保护自己、感知环境并且对环境作出反应。科学家信心十足地指出,外星动物在这些方面应该与地球动物有着惊人的相似。不过,外星动物也可能拥有一些很怪异的特征,这些特征是它们祖先的怪异特性的演变结果。
外星鲸鱼或许能飞天
地球上偶然性进化的一个主要例子,就是一切陆地脊椎动物都拥有四肢,这是因为我们的鱼类祖先很凑巧地拥有两对叶状鳍。说到外星陆地动物,它们当然有可能是源自自己有鳍的游泳祖先,因此也就有可能向我们炫耀它们的三对肢,所以它们就可能是六肢动物而不是像我们这样的四肢动物。科学家说,我们最终有可能发现用六条腿腾跃的外星小羚羊,还可能发现像地球上的昆虫那样的外星六脚节足动物。
同时我们或许还将发现,外星大型六腿动物在奔跑时无需前面一对肢,因而进化过程有可能赋予这对前肢新的功能。比如,外形像马的外星六腿掠食动物有可能用自己的前肢来撕裂猎物,或者夹着甚至拿着武器攻击对手。事实上,这样的攻击形式已被地球上的螳螂和蟹等动物采用。
上述假设已经显得很大胆了,然而,我们对于外星生命奇异性的想象仍然不够。真正的外星动物与地球动物相比究竟有什么不同?我们熟识的地球动物,包括鸟类、爬行类、鱼和昆虫等,都是基于双边对称的身体形式:左右两边各为另一边的映射形式。或许外星动物是基于另一种完全不同的身体形式,例如放射状对称,即身体不分左右两边,而是只有顶部和底部,就像水母(海蜇)。地球上的放射状对称动物之所以停止进化,是因为它们显然无法发展出更多的肢体复杂性、感觉或神经控制系统。但是在外星上,由于有了新的机会,放射状对称动物就有可能兴旺发达。
地球河流和海洋中的进化历程制造了大批成功的游泳健将。鲑鱼、鲸鱼、海豚和划蝽(一种昆虫)虽然来自很不相同的谱系,却都独立而又趋同地进化出了一样的身体布局:要想在水中推动身体前进,看来除了让身体保持流线形之外没有其他更多解决方案。因此,外星鱼类恐怕也有着优美的子弹形身体,也可能通过交替拍打鳍状肢来游泳,就像地球上早已灭绝了的蛇颈龙一样。
可是,有没有更富有创新性的式样呢?尽管这里的关键特征是两对长长的、像翅膀一样的鳍状肢,它们互不同步地拍水,但是其他结构也可能有变化。有科学家想象,外星鱼或许并无像颚一样的嘴巴,而是用可以张得很大的四向孔口来吞噬猎物。也可能有管状鲨鱼,以持续的喷射推进方式迅速穿越外星海洋。地球上的鱿鱼通过不断收缩外腔,向后脉冲式地蹒跚而行。而外星管鲨则可能有一根中空的管道通过全身,身体前方有张开的大口,肌肉收缩产生压力,将管内的水喷溅出来,由此推动外星鲨鱼向前飞奔。
飞翔对于觅食或躲避掠食者来说是一种绝妙手段,已被地球上的昆虫、鸟类、哺乳动物和已灭绝的蜥蜴亚目所采用。地球上的飞行动物都趋同进化出了空气动力型体形和宽大的翅膀,这一点也不奇怪。如此来看,外星生态系统中出现类似的趋同进化也是理所当然的。
不过,如果外星鸟类都是进化自六足祖先的,那么就绝对不能把它们同地 球鸟类混为一谈。外星鸟类可能会用两对翅膀来飞翔,若真如此,它们看上去就会像地球上的复翼飞机。这种身体机构尤其适宜于在空中一边捕猎一边飞行。将一对翅膀保持固定,在长距离飞行时也很省力。
更惊人的是,巨兽也可能在超级地球的上空飞翔。与一般人的想当然恰好相反,在引力比地球引力强大的行星上起飞更容易。尽管体重增加了,空气密度却更大,因而翅膀能产生更大的升力。于是,像大象一般体重的外星动物也可能在外星天空中翱翔,而外星天鲸则依赖巨大的翼展和上升暖气流飞天。如此巨大的飞行者永远也不可能着陆,因此天鲸必须在飞行中睡觉与繁殖,就跟地球上的褐雨燕一样。天鲸吃什么呢?或许,外星那汤一般稠密的大气中多的是浮游生物,天鲸根本不愁吃。
尽管上面对外星生命形式的揣测看似异想天开,但实际上并不是凭空乱猜。在探索地外生物圈方面,关键的一点就是,既要考虑到外星生命可能与地球生命共享的物质与过程,也要考虑到两者可能存在的本质不同。
如果走运,像“开普勒号”和“科洛特号”这样的空间望远镜就将在足够近距离发现类地行星,科学家就能在这些行星上检视生命迹象。而天体生物学家则尤其希望能在地球附近的行星上找到光合作用的迹象。可是,外星植物的迹象与地球植物到底会有什么不同呢?为了找到答案,就需要考虑外星进化历史会怎样塑造外星生命形式来适应它们自己所处的环境。
天体生物学家对于在自己的有生之年发现令人信服的外星生物圈证据充满乐观。然而,想象一下这种可能性:我们发现了有着明显生命迹象的“第二个地球”,但它实在太遥远,以至于我们在几百年之内都无法前去实地看一看这些外星生命究竟是什么模样,这岂不是科学史上令人沮丧的一大发现!
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生命家园
就目前科学家所知,复杂的动植物生命在像地球这样的行星(类地行星)上最有可能存在,类地行星就是拥有大洲、海洋和稠密大气层的行星。不过,生命也可能有不像地球这么“高级”的栖息地,就算在太阳系里也可能有这样的生命家园。
首先来看火星和土星最大的卫星泰坦(土卫六),几乎可以肯定它们不可能存在比微生物更高级的生命形式。再来看木星的冰质卫星欧罗巴(木卫二),在其表面下有可能存在较高级的生命形式。由于欧罗巴的地下海洋被一层厚厚的冰壳包裹,阳光无法透入,所以在这个地下海洋中应该不会存在光合作用,但有可能支撑像小型水母和蝌蚪之类的动物生命,这是因为氧可能通过冰壳的辐射作用而进入欧罗巴的地下海洋中。
在那些与地球很不相似的外星世界上,可能存在很奇异的生命。地球上的生命都是由含碳材料构筑的,以液态水作为溶剂。不能排除外星生命以硅而非碳为根基的可能性,硅元素是碳元素的近亲。充盈外星生物细胞的也许并非液态水,而是液态的氨、甲烷或甲酰胺,后者是从甲酸中衍生的一种有机化合物。
尽管上述种种可能性都存在,但也必须承认,今天科学家甚至还未开始理清如何用这些材料来构建生命的细节。然而,前文中提到的许多有关生命设计的论点,都是基于物理学和工程学法则的制约,而不管背后的生物化学是什么。例如,一条以硅为生命根基的蛇仍然需要通过一个直通的消化道来从它自己的食物中汲取养分,而不论它的食物究竟是什么;一条外星鱼也仍然需要流线形的体形,哪怕它是在一个由液态甲烷组成的外星海洋中游弋。
喜欢阳光
在一种叫做叶绿素的色素帮助下,地球植物以及蓝藻细菌(能进行光合作用的微生物)能捕捉阳光的能量。这些吸收的能量被用来分解水,得到的氢被植物用来构建食物分子,比如从二氧化碳中构筑糖,同时作为废弃的副产品而释放氧。使得植物能“固定”二氧化碳的酶—一二磷酸核酮糖羧化酶,是地球上最丰富的蛋白质,而光合作用有机物的生产能力支撑了地球表面几乎所有的生命。
科学家认为,进行光合作用的外星生命可能也需要使用叶绿素。叶绿素的分子核心,以及人体血液中的铁结合成分,都是一类叫做卟啉的有机分子家族的成员,而卟啉被认为在任何温暖、潮湿的行星上都存在。
天体生物学家已经在想办法探察外星光合作用的证据,这些外星是指迄今发现的有可能存在生命的太阳系外的行星。过去20亿年来地球上存在的持续的光合作用,加之利用阳光来分解水分子并释放副产品一氧,最终造就了地球大气层中高浓度的氧。除非通过生命本身的作用,否则在行星大气层中长久维持高浓度的氧是不可能的。因此,假如发现某颗太阳系外的行星大气中富含氧,就意味着这颗行星上可能存在“生物圈”。
氧和甲烷是一对极容易发生反应的组合,如果在外星上同时探察到氧和甲烷,就进一步支持了外星生命存在的可能性。科学家还希望能捕捉到外星植物发出的近红外光的明亮反射信号。
外星鱼地球鱼大同小异
旨在寻找地外生命的多项太空观测任务已经展开。就在2009年,美国宇航局发射了“开普勒号”太空望远镜,它与法国的“科洛特号”太空望远镜一起搜寻银河系中可供生命居住的行星。与此同时,许多地面望远镜也正在加紧探寻地外生命存在的迹象。
天文学家预计,在未来几年中将发现大批可能支持生命存在的行星,而在其后20年进行的跟踪观测,则有望证实其中一个世界不仅是可居住的,而且真的有生命在那里栖居(参见相关链接:喜欢阳光)。可是,这些地外动植物究竟是什么模样呢?一些天文学家指出,智能的外星人不可能与科幻作品中描述的外星人长得一样,甚至一点都不一样。例如,美国科幻电视连续剧中最典型的两个“外星人”——楚巴卡和史波克先生,老实说它们的形象太不具有想象力,不过是套在毛茸茸外套里或把橡皮泥粘在耳朵上的怪人而已,诸如此类的“外星人”其实更适合待在化妆品专卖店里,而完全不是基于科学理念。
那么,在人类的星际探险家最终登陆一个新世界之前,我们应该怎样预测外星生命的进化历程呢?恐怕还是得立足于研究地球上的演化生物学,尤其是“趋同性”和“偶然性”这两个基本原则。
所谓“趋同性”是指不同的生物在相同或相似的环境条件下逐渐形成相似特征的现象。一些天文学家相信,外星动植物的演化应该也脱离不了“趋同性”和“偶然性”这两个基本原则。尽管进化是由随机的变异推动的,但事实上自然选择远非看起来那样杂乱无章,基本上,最适应自己所在的特定环境的个体总会占上风。在银河系另一侧的一个世界上生发的外星动植物,其面临的物理学定律和生物学法则应该与地球上的生命是一样的。例如一个密度和形状都像砖头的外星鱼种在生存竞赛中不可能跑得太远,随着时间推移,这个物种应该会进化出流线形的体形和用于推进自己的鱼鳍或鱼尾,其最终模样会令人难以置信地变得像地球上的鲑鱼。
这就是生物学中的趋同原则:对于一个特定的生存难题,或许只有区区几个好的解决办法,于是生命的进化过程会一次又一次地碰到同样的设计。例如,人所拥有的照相机镜头型眼睛在地球上就独立进化了多次,以至于从鱿鱼到鸟类的多种动物都拥有镜头型眼睛。科学家指出,既然“由于趋同性而多次独立出现的设计特征”被认为主宰了地球生命的演化过程,那么同样的情况也应该发生在外星人和外星生命身上。
当然,偶然事件也可能对一颗行星的进化轨道产生很大的影响。例如,科学界普遍相信,6500万年前的一次巨型小行星撞击地球事件导致了恐龙灭绝,为像人这样的哺乳动物最终雄霸地球提供了进化环境。可是,就算如此大动荡之后的进化也仍然是普遍能够预测的。例如,身为哺乳动物的鲸鱼和海豚最终演化出的体形像极了早已灭绝的海洋动物浮龙,蝙蝠的体形则与早己退出历史舞台的飞龙的空气动力体形很相似。既然趋同进化在地球上常见得不得了,所以有科学家认为,从许多方面来看,外星生命的进化也应该遵循这个原则,即对相似的生存问题给出惊人相似的解决方法。
外星上可能有气球植物
另一方面,生命所拥有的某些特征并不是对任何生存问题的最佳解决办法,它们仅仅是偶然性结果,也就是说,它们是冻结在了时间长河里的历史性“事故”。例如,我们的五个手指头或脚趾头其实并未提供给我们任何真正的优势。如果拥有六个手指头或脚趾头,我们不是照样能轻而易举地端正站立或抓住东西吗?
为什么是五个而不是六个呢?这是因为所有陆地脊椎动物,包括两栖类、爬行类、哺乳类和鸟类——都从我们那爬上干燥陆地的鱼类祖先那里继承了五根骨头。科学家指出,像这样的偶然性结果应该只存在于地球上,而不会重复于外星生命或外星人的演化历史中。
于是,尽管趋同进化告诉我们外星生命的许多统一特征都将是可以预测的,但它们的部分特征却仍将取决于它们所特有的进化史中的一些怪异行为。当然,假如外星生命的进化环境与地球千差万别,那么外星生命就完全有可能呈现出截然不同的新奇设计特征。一些科学家对这些潜在的不同环境很感兴趣,他们运用电脑模型来探究植物设计的演化过程。事实上,任何陆地植物为了生存都必须同时满足四个基本要求:必须拦截尽可能多的阳光来进行光合作用,必须能够将自己的花粉或种子传播到尽可能远的地方,必须确保自己不会倒塌,必须确保自己不会丧失太多水分。例如,植物为了收集到最多的阳光,就可能在顶部长出很宽的叶子,但这样的植物就像阳伞似的,在疾风中容易被连根拔起,也就是容易倒塌。
在不同环境中的最佳植物设计,总会是对上述四个要求的妥协和综合。因此,生长在外星森林中的树木,其外形很可能与地球上可比环境中的树木没有太大不同。生长在外星沙漠环境中的植物,应该也需要长得像地球上的仙人掌那样矮壮而不分枝;生长在外星湿润土壤中的树木,同样应该像地球上的橡树那样拥有宽阔的树冠,以便完成必需的光合作用。
那么,外星树叶是什么颜色的呢?在地球上,植物之所以大多看起来呈绿色,是因为它们都包含一种叫做叶绿素的色素,而叶绿素在阳光光谱中对蓝光(能量最强)和红光(数量最多)的吸收要比对绿光的吸收强得多。事实上,要是我们的眼睛对稍稍宽_点的波长范围的光线敏感的话,植物看上去就不会是绿色的,而是一种略显苍翠的近红外光颜色。这是由于陆地植物非常明亮地反射红外波长,很可能是以此避免自己在阳光下变得过热。
科学家指出,植物对光的吸收性与太阳光的光谱密切相关。总体上,地球植物利用很宽泛的可见光(赤橙黄绿青蓝紫),但对绿光的反射性稍强。因此,生长在不同恒星(比太阳更蓝或者更红)光线下的外星森林,就需要适应不同光谱的光合作用色素。“葛里斯581c”是一颗M类矮(恒)星,有四颗行星环绕它运行。在2009年的“来自地球的问候”研究计划中,“葛里斯581c”星是主要探索目标。这颗恒星比太阳暗淡得多,光线更红。假如环绕这种红矮星的行星上生长着植物,那么这些植物就需要吸收尽可能多的红光,以获取生长所需的能量。于是,这些外星植物在我们的眼睛看来可能就是黑色的,因为黑色最能吸收光线。当然,在这些外星上演化的任何动物的眼睛也必须适应这种更冷的光谱,因此在它们的眼睛看来,它们星球上的植物也会是带着苍翠的近红外光颜色。 有一类恒星比太阳燃烧得更炽热也更明亮,这就是F类恒星。虽然其光谱移向蓝光,但就像在地球上一样,环绕F类恒星的行星上也有大量的可见光,所以这些行星上的植物看上去或许与地球植物没什么两样。然而,由于强力蓝光可能很密集,因此这些外星植物就需要进化出保护层来反射掉更多的蓝光。
除了奇异的颜色外,在非常不同的外星环境下,植物或许还将找到一种全新方式来收集其所环绕的恒星的星光,以进行繁殖和得到水。在一颗超级地球(比地球大得多的行星)上,增加的引力将使得长出矮胖的树干和树枝不能成为植物很成功的生存策略。或许,外星植物不会像高耸的柱子那样去力争拔高自己,而是简单地随空气上浮。在地球上,飞艇之所以能在空中飘浮,是因为其内部充入了氢气,而氢气的密度不如周围的大气密度高。在地球上,进行光合作用的植物都通过收集阳光的能量来分解水分子,利用氢来制造食物,同时将氧作为废气排出。而外星植物所需做的,就是将氢释放在一个可充气的囊中,气囊能飞到空中,通过一条藤蔓式的“拴绳”与地面固定。事实上,在地球海洋中,巨藻林就是通过在无数小浮囊中灌满氧或二氧化碳来固定自己。为了获得更多的升力,外星气球型植物甚至还可能在自己的氢囊顶部长出暗色素,吸收恒星的热量来加热囊内的气体,从而创造额外的浮力。
外星气球型植物还可能拥有一种非常有效的繁殖策略——它们可能与自己的拴绳分开,随风飘飞,将种子播撤到下面的陆地上。飞翔的气球型植物之所以还没有在地球上演化出来,唯一的理由或许就是没有这方面的需要。
外星动物的血液不一定是红色的
科学家认为,动物的演化也应该遵循“好设计原则”,即便在外星上也是如此。在地球上,不论何种环境,一些特征常见于整个动物王国。例如,从食物中提取养分是通过消化道来实现的,消化道就像一根前面有开口、末端有废物排出口的直通管道。包括人体在内,所有脊椎动物的身体基本上就是一根精细的肠管,另有一些体内升级,由脊椎支撑,外加感应器官和四肢等配件。
动物还有一个共同的需要,就是在长到一定的身体大小后能得到足够的氧。因此,动物必须长出像鳃和肺这样的结构,并且拥有很宽的表面积。科学家很有理由地预计,外星动物也应该能像地球动物那样享有满肺或满鳃的氧,毕竟燃烧有机氧燃料是能量最丰的呼吸形式,能够满足活跃的动物生命所需的巨大能量需求。
如何将这些养分和气体输送至庞大身体的所有细胞,同样有一个分配问题,于是由血管和抽吸的心脏组成的内循环系统就变得很具优势。外星动物的血液不一定是红色的,我们的血液之所以呈红色是因为血液中有携带铁的血红蛋白(也叫血色素),而马蹄蟹的血液因为铜的缘故是蓝色的。总之,血液是什么颜色并无统一的标准,只要能输送氧就行。
为了发现美味佳肴,或者为了避免自己成为掠食者的美味佳肴,动物感知环境的能力显得非常关键。地球上的动物发展出了一系列的感知能力,其中视觉能够对环境进行非常有效的勘察,几乎所有的陆地较高级动物都拥有视觉,而且最佳策略是把眼睛放在身体的前面部分。
获取的所有信息都必须进行处理,并且运用一大簇神经细胞来作出反应,这些神经细胞靠近能作出快速反应的感应器官,而这些感应器官都在一个“硬壳”内得到保护,这个“硬壳”就是头颅。大型陆地动物还需要身体架构——骨架来支撑身体抵御引力和“放置”肌肉,这个骨架既可以是“内置式”的(就像人类),也可以是“外置式”的(就像甲壳纲动物)。
上述所有例子和推测都是基于一个事实,就是每种动物都需要采集能量、保护自己、感知环境并且对环境作出反应。科学家信心十足地指出,外星动物在这些方面应该与地球动物有着惊人的相似。不过,外星动物也可能拥有一些很怪异的特征,这些特征是它们祖先的怪异特性的演变结果。
外星鲸鱼或许能飞天
地球上偶然性进化的一个主要例子,就是一切陆地脊椎动物都拥有四肢,这是因为我们的鱼类祖先很凑巧地拥有两对叶状鳍。说到外星陆地动物,它们当然有可能是源自自己有鳍的游泳祖先,因此也就有可能向我们炫耀它们的三对肢,所以它们就可能是六肢动物而不是像我们这样的四肢动物。科学家说,我们最终有可能发现用六条腿腾跃的外星小羚羊,还可能发现像地球上的昆虫那样的外星六脚节足动物。
同时我们或许还将发现,外星大型六腿动物在奔跑时无需前面一对肢,因而进化过程有可能赋予这对前肢新的功能。比如,外形像马的外星六腿掠食动物有可能用自己的前肢来撕裂猎物,或者夹着甚至拿着武器攻击对手。事实上,这样的攻击形式已被地球上的螳螂和蟹等动物采用。
上述假设已经显得很大胆了,然而,我们对于外星生命奇异性的想象仍然不够。真正的外星动物与地球动物相比究竟有什么不同?我们熟识的地球动物,包括鸟类、爬行类、鱼和昆虫等,都是基于双边对称的身体形式:左右两边各为另一边的映射形式。或许外星动物是基于另一种完全不同的身体形式,例如放射状对称,即身体不分左右两边,而是只有顶部和底部,就像水母(海蜇)。地球上的放射状对称动物之所以停止进化,是因为它们显然无法发展出更多的肢体复杂性、感觉或神经控制系统。但是在外星上,由于有了新的机会,放射状对称动物就有可能兴旺发达。
地球河流和海洋中的进化历程制造了大批成功的游泳健将。鲑鱼、鲸鱼、海豚和划蝽(一种昆虫)虽然来自很不相同的谱系,却都独立而又趋同地进化出了一样的身体布局:要想在水中推动身体前进,看来除了让身体保持流线形之外没有其他更多解决方案。因此,外星鱼类恐怕也有着优美的子弹形身体,也可能通过交替拍打鳍状肢来游泳,就像地球上早已灭绝了的蛇颈龙一样。
可是,有没有更富有创新性的式样呢?尽管这里的关键特征是两对长长的、像翅膀一样的鳍状肢,它们互不同步地拍水,但是其他结构也可能有变化。有科学家想象,外星鱼或许并无像颚一样的嘴巴,而是用可以张得很大的四向孔口来吞噬猎物。也可能有管状鲨鱼,以持续的喷射推进方式迅速穿越外星海洋。地球上的鱿鱼通过不断收缩外腔,向后脉冲式地蹒跚而行。而外星管鲨则可能有一根中空的管道通过全身,身体前方有张开的大口,肌肉收缩产生压力,将管内的水喷溅出来,由此推动外星鲨鱼向前飞奔。
飞翔对于觅食或躲避掠食者来说是一种绝妙手段,已被地球上的昆虫、鸟类、哺乳动物和已灭绝的蜥蜴亚目所采用。地球上的飞行动物都趋同进化出了空气动力型体形和宽大的翅膀,这一点也不奇怪。如此来看,外星生态系统中出现类似的趋同进化也是理所当然的。
不过,如果外星鸟类都是进化自六足祖先的,那么就绝对不能把它们同地 球鸟类混为一谈。外星鸟类可能会用两对翅膀来飞翔,若真如此,它们看上去就会像地球上的复翼飞机。这种身体机构尤其适宜于在空中一边捕猎一边飞行。将一对翅膀保持固定,在长距离飞行时也很省力。
更惊人的是,巨兽也可能在超级地球的上空飞翔。与一般人的想当然恰好相反,在引力比地球引力强大的行星上起飞更容易。尽管体重增加了,空气密度却更大,因而翅膀能产生更大的升力。于是,像大象一般体重的外星动物也可能在外星天空中翱翔,而外星天鲸则依赖巨大的翼展和上升暖气流飞天。如此巨大的飞行者永远也不可能着陆,因此天鲸必须在飞行中睡觉与繁殖,就跟地球上的褐雨燕一样。天鲸吃什么呢?或许,外星那汤一般稠密的大气中多的是浮游生物,天鲸根本不愁吃。
尽管上面对外星生命形式的揣测看似异想天开,但实际上并不是凭空乱猜。在探索地外生物圈方面,关键的一点就是,既要考虑到外星生命可能与地球生命共享的物质与过程,也要考虑到两者可能存在的本质不同。
如果走运,像“开普勒号”和“科洛特号”这样的空间望远镜就将在足够近距离发现类地行星,科学家就能在这些行星上检视生命迹象。而天体生物学家则尤其希望能在地球附近的行星上找到光合作用的迹象。可是,外星植物的迹象与地球植物到底会有什么不同呢?为了找到答案,就需要考虑外星进化历史会怎样塑造外星生命形式来适应它们自己所处的环境。
天体生物学家对于在自己的有生之年发现令人信服的外星生物圈证据充满乐观。然而,想象一下这种可能性:我们发现了有着明显生命迹象的“第二个地球”,但它实在太遥远,以至于我们在几百年之内都无法前去实地看一看这些外星生命究竟是什么模样,这岂不是科学史上令人沮丧的一大发现!
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生命家园
就目前科学家所知,复杂的动植物生命在像地球这样的行星(类地行星)上最有可能存在,类地行星就是拥有大洲、海洋和稠密大气层的行星。不过,生命也可能有不像地球这么“高级”的栖息地,就算在太阳系里也可能有这样的生命家园。
首先来看火星和土星最大的卫星泰坦(土卫六),几乎可以肯定它们不可能存在比微生物更高级的生命形式。再来看木星的冰质卫星欧罗巴(木卫二),在其表面下有可能存在较高级的生命形式。由于欧罗巴的地下海洋被一层厚厚的冰壳包裹,阳光无法透入,所以在这个地下海洋中应该不会存在光合作用,但有可能支撑像小型水母和蝌蚪之类的动物生命,这是因为氧可能通过冰壳的辐射作用而进入欧罗巴的地下海洋中。
在那些与地球很不相似的外星世界上,可能存在很奇异的生命。地球上的生命都是由含碳材料构筑的,以液态水作为溶剂。不能排除外星生命以硅而非碳为根基的可能性,硅元素是碳元素的近亲。充盈外星生物细胞的也许并非液态水,而是液态的氨、甲烷或甲酰胺,后者是从甲酸中衍生的一种有机化合物。
尽管上述种种可能性都存在,但也必须承认,今天科学家甚至还未开始理清如何用这些材料来构建生命的细节。然而,前文中提到的许多有关生命设计的论点,都是基于物理学和工程学法则的制约,而不管背后的生物化学是什么。例如,一条以硅为生命根基的蛇仍然需要通过一个直通的消化道来从它自己的食物中汲取养分,而不论它的食物究竟是什么;一条外星鱼也仍然需要流线形的体形,哪怕它是在一个由液态甲烷组成的外星海洋中游弋。
喜欢阳光
在一种叫做叶绿素的色素帮助下,地球植物以及蓝藻细菌(能进行光合作用的微生物)能捕捉阳光的能量。这些吸收的能量被用来分解水,得到的氢被植物用来构建食物分子,比如从二氧化碳中构筑糖,同时作为废弃的副产品而释放氧。使得植物能“固定”二氧化碳的酶—一二磷酸核酮糖羧化酶,是地球上最丰富的蛋白质,而光合作用有机物的生产能力支撑了地球表面几乎所有的生命。
科学家认为,进行光合作用的外星生命可能也需要使用叶绿素。叶绿素的分子核心,以及人体血液中的铁结合成分,都是一类叫做卟啉的有机分子家族的成员,而卟啉被认为在任何温暖、潮湿的行星上都存在。
天体生物学家已经在想办法探察外星光合作用的证据,这些外星是指迄今发现的有可能存在生命的太阳系外的行星。过去20亿年来地球上存在的持续的光合作用,加之利用阳光来分解水分子并释放副产品一氧,最终造就了地球大气层中高浓度的氧。除非通过生命本身的作用,否则在行星大气层中长久维持高浓度的氧是不可能的。因此,假如发现某颗太阳系外的行星大气中富含氧,就意味着这颗行星上可能存在“生物圈”。
氧和甲烷是一对极容易发生反应的组合,如果在外星上同时探察到氧和甲烷,就进一步支持了外星生命存在的可能性。科学家还希望能捕捉到外星植物发出的近红外光的明亮反射信号。