前言

我们最执着的疑问之一是：宇宙中存在其它生命吗？我们现在知道，天空中充满了行星，但它们是空洞、无菌的世界，还是只孕育着简单、原始生命的世界，或是很有可能存在着会思考、会说话、会制造机器的生物，让我们可以与之对话？科学正开始为回答这个问题提供工具。在本书中，我们将讨论我们所知道的从地球生命起源到我们自己所经历的步骤，通过这种方法，我们可以提出这样的问题：人类是否是银河系的一个怪胎，或者从地球表面的海洋凝结到它们被不断增加的太阳辐射蒸发的 100 亿年时间里，复杂、聪明和可能具有技术的生命是否极有可能在类似地球的行星上进化。

本书是我们对事实和观点的综合，也是我们对为什么我们认为复杂生命可能很常见的解释。在这里，我们阐述了我们是如何理解从生命起源到我们人类的进化路径，以及我们认为生命在宇宙的其他地方存在对生命意味着什么，以及为什么我们认为其他世界，也许是多个其他世界，可能会出现聪明的、会制造工具的生物。在通往生物复杂性的阶梯上，我们对某些步骤比对其他步骤更有信心。我们将在讨论时指出那些较弱的步骤，但总体而言，我们认为这个论点是令人信服的。

我们感谢弗朗西斯·韦斯特尔（Frances Westall）、查尔斯·科克尔（Charles Cockell）和一位匿名审稿人提出的建设性意见，感谢路易斯·欧文（Louis Irwin）经常进行的富有成效的讨论，这些讨论极大地改进了本书，感谢我们的编辑克里斯蒂安·卡隆（Christian Caron）在本书的写作过程中给予的指导。我们还要感谢我们的家人，特别是我们的妻子乔安娜·舒尔茨·马库赫和简·贝恩斯，在我们写这本书的时候，她们不得不忍受我们比平时更忙碌。

 德克·舒尔茨·马库赫（Dirk Schulze-Makuch）于德国·柏林

 威廉·贝恩斯（William Bains）于英国·罗伊斯顿·梅尔本

简介

宇宙中除了人类之外还有智慧生命吗？ 这是一个古老的问题。 我们仍然无法回答这个问题，但根据新的科学见解，我们可以推测答案可能是什么。 本书基于我们对地球生命的了解，以及它可以告诉我们复杂、活跃、使用工具的生命在其他地方进化的可能性有多大。

与许多关于宇宙生命的书籍不同，我们不太关心细菌或藻类，只是它们照亮了我们的道路。 我们高兴地承认这是一种高度以人类为中心的方法，但我们有意这样做，因为我们对复杂、智能有机体的进化感兴趣。 我们仰望夜空，看不到外星人，所以我们和恩里科·费米一起问：“如果生命如此普遍，那么它们在哪里？”这是一个悖论。 人们普遍认为生命会在任何合适的星球上出现（尽管我们将在第二部分对此提出质疑）。 然而，我们在天空中没有看到智能、无线电传输、制造宇宙飞船的生命的例子。 因此，在行星的存在和技术文明的出现之间必定存在罗宾汉森所说的“大过滤器”。 原则上，这个过滤器可以是大约过去 40 亿年来导致现代人类的众多步骤中的任何一个。 那么，哪些主要步骤或转变很有可能发生，哪些不太可能发生？ 这对生命的可能频率，特别是复杂和技术先进的生命有什么影响？

为了回答这个问题，我们可以识别当前生物学的特征，这些特征对我们的存在和本质至关重要，例如拥有骨骼或大脑，以及那些外围的特征，例如拥有耳垂，并寻求在我们的进化中找到点，获得了关键特征。 我们并不是在争论外表的相似性，或者我们在这里戏仿的《星际迷航》谬论——复杂、聪明的外星人不可避免地都会拥有五肢、圆形虹膜和男性独有的面部毛发。 与斯蒂芬·J·古尔德一样，我们同意倒回并重放地球上生命的磁带（或在类似的行星上再次播放）不会产生人类。 在这里，我们关心的是产生功能的过程，而不是具体的解剖结构。 例如，脊椎动物的眼睛是特定的，也许是独一无二的，但视觉已经进化了很多次，产生了与昆虫、蜘蛛、软体动物、头足类动物、三叶虫，当然还有哺乳动物完全不同的眼睛。 我们不太关心一个生物如何聪明，而更关心它是否聪明。

生命从最早的形式到我们现在的进化过程通常被描述为一系列主要步骤、转变或关键创新，每一个都为新进化的有机体提供了更原始形式所缺乏的重要新能力。 进化并不是在有目标的情况下线性发生的（没有“头脑”！）。 每一个进化步骤都会增加一套新的工具集，以解决每种生命形式在现有的解剖、生化和遗传能力的基础上遇到的环境挑战。 那么从最后的共同祖先到人类的道路上有哪些关键步骤或创新？它们发生在哪里？ 从生命起源到像我们这样技术先进的社会，哪些重大关键创新极有可能发生，哪些不太可能发生？ “大过滤器”在哪里？

本书试图提供一些答案。 标题给出了我们的答案——我们认为，一旦生命在一个世界上出现，复杂的生命就极有可能进化出来。 如果生命是普遍的，我们相信我们生活在一个宇宙动物园里。

第一部分 宇宙动物园假说 

1.宇宙动物园假说和进化工具集

在本书中，我们将论证，一旦生命起源于行星体，在任何稳定、足够广阔的环境中，复合生命的进化都是极有可能的。

地球上的复杂生命是真正的（专性）多细胞生命形式，尤其是植物界（植物）、真菌界（酵母和真菌）和动物界（动物）的成员（专栏1.1）。由许多专业细胞组成是这类高级复杂生命的标志。如果稳定宜居的岩石行星很少见，那么复杂生命在宇宙中也很罕见。如果这些行星上的生命起源极其罕见，那么生命就非常罕见，我们就生活在一个相当空虚的宇宙中。然而，如果生命起源很普遍，宜居的岩质行星很多，那么生命就很普遍，我们就生活在宇宙动物园中。最近在探测系外行星方面取得的研究成果似乎有力地表明，岩质行星很常见。但并非所有行星都适合复杂生命的生存。有些根本无法孕育生命。有些可能只能支持简单的生命；复杂的生命需要较大的宜居体积，行星上必须有大量的生命（从技术上讲，总生物量要大）。环境必须稳定（尽管对于复杂生命来说，温度等环境参数可能不必像我们在地球上观察到的那样受到严格限制）。但在这些宇宙限制下，我们的假设是，只要有足够的时间，生命向更高复杂性的所有重大转变或关键创新都将通过半稳定栖息地中足够大的生物圈来实现。我们对只有两种转变知之甚少，却有很多猜测——生命本身的起源和科技智能的起源（或生存）。其中任何一个都可以解释费米悖论——为什么我们（至今）还没有在宇宙中发现任何技术先进的生命迹象。当我们的太空飞行和遥感能力使我们能够探索太阳系外的其他行星和卫星，并探测到它们上面可能存在的生物圈时，我们的假设将得到最终验证，这将是我们人类最伟大的成就之一。

1.1 生命转变模型

经过大约 40 亿年的进化，地球出现了一种具有智慧并使用技术的物种（我们人类）。 地球上复杂动物生命的进化是生命获得新能力的许多重大步骤的结果，并且其中一些步骤或主要转变已经被确定。 这些重大转变发生在不同的地质年代，与生命体所处的特定环境条件有关。 我们的目标是探索这些关键创新的可能性有多大，从而探索同样的转变在其他世界发生的可能性有多大。

为此，我们有一个简单的方法。 我们认为，仅根据生命史上的重大转变或关键创新的发生方式，可以将其分为三类解释：

1. 关键路径模型。 每一次转变都需要先决条件，而这些先决条件需要时间来发展。 然而，时间（至少大部分）是由转变和行星的基本性质决定的，因此一旦行星上存在必要的先决条件，那么转变就会在明确的时间尺度内发生。 这就像注满浴缸一样； 一旦你打开水龙头，浴缸就会注满水。 只是需要时间。

2. 随机游走模型。 每个转变在特定时间步中发生的可能性极小，并且可能性不会随时间（显着）变化。 这可能是因为该事件需要极不可能的事件发生，或者需要许多极不可能的步骤。 因此，在转变偶然发生之前必须经过相当长的时间。 一旦行星上存在生命，最终就会发生关键的创新，但它何时发生取决于机会，并且是否会在行星耗尽宜居环境时间之前发生尚不得而知。 这就像必须用骰子连续掷出一定数量的 6； 它可能会也可能不会在允许的时间内发生。 

3.多重路径模型。 每个转变或关键创新都需要许多随机事件来创建复杂的新功能，但这些的许多组合可以产生相同的功能输出，即使不同输出的遗传或解剖细节并不相同。 因此，一旦生命存在，在给定时间段内发生转变的可能性就很高，但确切的时间尚不清楚。 这就像打牌时有一手好牌一样； 获得某一手牌的机会很小，但有许多不同的“好牌”，您可以确信自己会时不时地获得一手好牌。

每一种创新都可能属于第四类，我们将其命名为 “揠苗助长”事件。在这一类解释中，创新是可能发生的（因为它是一个关键路径或许多路径过程），但创新的结果破坏了创新发生的先决条件。新的有机体“自作自受”。我们认为，生命的重大转变在很大程度上可以用这套工具来解释。

关键路径模型的一个例子可能是对大约 5.41 亿年前地球上出现多种多样的硬壳动物（通常称为寒武纪大爆发）的解释之一。这个论点（我们将在第 9 章中再次讨论）指出，动物需要氧气来帮助它们进行高能量的新陈代谢。在动物出现之前的十多亿年里，植物的细菌前身一直在制造氧气。但是所有的氧气都被地球表面的岩石和通过火山从内部排出的火山气体消耗掉了。只有当这些岩石被完全氧化，无法再吸收氧气时，大气中才会开始积聚氧气。因此，从产生氧气的光合作用进化到动物生命的出现，中间必须经过很长的时间。有氧光合作用一旦出现，动物就极有可能出现，但这需要经过漫长的延迟。

随机游走模型的一个例子是，有人认为哺乳动物之所以成为地球上占主导地位的大型动物，是由于两个先决条件：早期小型哺乳动物的进化，以及它们可以进化成为我们今天看到的大型、多样化动物的生态位。早在三叠纪时期，地球上就已经出现了早期哺乳动物（专栏1.2），但是大型食草动物和以它们为食的大型食肉动物的生态位已经被恐龙填补了。哺乳动物仍然是小型的夜行动物。白垩纪末期，一颗彗星或小行星在今天墨西哥的希克苏鲁伯镇附近与地球相撞，再加上之前的气候变化，恐龙灭绝了，为哺乳动物的进化开辟了生态位。那次撞击可能发生在侏罗纪末期，也可能发生在始新世，也可能还没有发生。如果它根本没有发生，那么哺乳动物今天可能仍然是 7000 万年前的稀有、小型、夜行动物。

多重路径模型的一个例子是成像视觉的进化。在昆虫、头足类动物、脊椎动物以及三叶虫等已灭绝的类群中，能够对世界进行成像（而不仅仅是探测明暗）的眼睛已经进化了很多次。它们是独立进化的，6.1宇宙动物园假说和进化工具集都具有不同的结构，只要比较一下昆虫和人类的眼睛就会发现这一点。但是，所有这些不同的、独立进化的眼睛都具有相同的功能。

我们以这种方式对创新进行分类，是因为这可以告诉我们一些关于时间和概率的信息，而这正是我们想要知道的，我们不必担心机制问题（例如，究竟哪些基因参与了昆虫或脊椎动物眼睛的构建，以及它们是如何进化的）。请记住，我们在这里关注的是一种功能（例如成像视觉）的进化，而不是一种结构（例如像我们的眼睛一样有晶状体和视网膜的眼睛）。
1. 关键路径模型。为此，只需一组先决条件为真。一旦这些先决条件就位，创新就会在规定的时间内产生，并在先决条件发生的所有场合出现。先决条件只需要时间，偶然性的作用并不大。时间可能会很长（如上文提出的氧气与动物生命之间的联系），但如果你对地球及其生物圈有足够的了解，时间是可以预测的。如果一项创新不止一次地出现在 "关键路径 "过程中，那么在不同的例子中，它很可能会遵循相似的进化路径，因此该功能的独立进化将来自相似的机制或结构。
2. 随机游走模型。除了存在能够实现创新的生命之外，不需要任何特定的、具体的先决条件（例如，视觉不太可能在没有光的环境中进化）。因此，创新会随机发生。因为根据定义，这种创新出现的可能性很小——如果可能，它会很容易发生，而不会成为关键创新或重大转变——那么它就不可能发生两次。
3. 多重路径模式。多重路径过程没有特定的先决条件，只有事先存在能够实现创新的生命。然而，一旦满足了任何适当的先决条件，创新就会在一段时间后（以世代为单位）相当可靠地发生。因此，创新最终会发生几乎是不可避免的。但是，由于创新有很多种方式，因此每次创新都会通过不同的机制来实现。
多重路径过程与随机游走过程不同。在随机游走过程中，许多事件必须发生，但何时发生是随机的——结果就是整个事件的发生时间是随机的。相比之下，在多重路径过程中，许多随机事件的组合可以导致一个事件或创新。数学的一个奇特结果是，整体事件的发生时间比其任何组成部分、单个（随机）事件的发生时间更容易预测。这在日常生活中屡见不鲜。快餐店的老板无法预测某位顾客何时会进店点汉堡，但他可以在一天结束时预测卖出汉堡的数量，从而提前适当进货。多重路径模型认为，如果一个事件可以由许多随机事件的组合引起，那么它将不可避免地发生，而且在一个确定的时间段内发生的概率很高。

因此，我们可以区分图 1.1 所示的三种模式。如果重大创新只发生过一次，我们可能倾向于随机游走模型。如果它在进化过程中多次出现，我们可能更倾向于 多重路径模型。如果创新发生了多次，而且机制多种多样，那么我们就更有信心认为 多重路径模型 是描述关键创新是如何实现的适当方法。如果它在地质记录中发生了很多次，但时间非常接近，我们可能会认为这是一个关键路径过程。即使我们不知道它是什么时候进化的，但看到一种功能独立地进化了好几次，而且每次都使用相同的机制（例如同一组基因或相同的基本解剖结构），那么我们也可能会倾向于关键路径模式。

我们提出了这三种类型的解释，以便我们可以尝试回答我们原来的问题。 显然，人类是独一无二的。 我们只进化了一次，进化出像人类一样的东西的机会微乎其微，而人类的进化之路非常复杂，而且大多是未知的。 但我们并不关心人类是否在其他地方进化。 我们想知道使用工具的、智能的、动态的有机体是否在其他地方进化，这是关于功能的进化而不是解剖学。 我们的模型使我们能够将某项功能进化的可能性与它进化的具体路径以及最终生物体的解剖学或生物化学性质区分开来。 我们可以问“视觉多久进化一次？” 并且不会迷失在构成人类或昆虫眼睛的特定基因和细胞的迷宫中。

结构与功能之间的这种区别非常重要，因此我们只想再举一个例子。 胎盘（胎衣）被认为是哺乳动物所独有的。 它允许母亲在子宫里喂养婴儿，让胎儿成长到相当成熟的状态，同时受到母亲的保护，免受从病毒到老虎等一切侵害。 哺乳动物的胎盘确实是独一无二的。 它具有其他动物群中所没有的特殊解剖结构。 但它的功能并不是独一无二的。 胎盘的功能是使母亲的组织和胎儿的血液供应足够接近，以便营养物质能够轻松地从母亲传递到母亲体内的胎儿。 如果我们问其他动物是否进化出了专门的组织或器官来执行这种功能，那么答案肯定是肯定的； 蝎子、某些种类的蟑螂、某些蜥蜴、鲨鱼和蛇的母体组织和胚胎组织排列在特定的组织中，以便生长中的胎儿从母亲那里获取氧气和营养。 其中一些胎生动物（例如胎盘爬行动物）允许胎儿组织直接接触母亲的血液，直到最近这还被认为是哺乳动物的独特特征。 胎生动物已经独立进化了很多次，每次都有不同的解剖结构，赋予相同的功能。 胎生进化绝不是哺乳动物独特的、不可能的、随机游走的特征，而是一个在广泛的动物群体中发生的多重路径过程。

因此，如果我们有一些例子可以研究，我们就可以把一种功能出现的可能性与该功能如何发生的细节区分开来。

在本书中，我们关注的是进化的主要步骤，以及由此产生的根本性的、改变生物圈的功能。 在本书的第二部分中，我们将分析生命的重大转变或关键创新，探讨它们是遵循关键路径模型、随机漫步模型还是多重路径模型。 基于这些分析，我们可以判断生命如何轻松地征服每次重大转变（图 1.1）。 地球是否像彼得·沃德和唐纳德·布朗利在他们的《稀有地球（Rare Earth）》一书中所说的那样，是宇宙中一个特殊且不寻常的生命之地？ 或者，我们的结果是否意味着我们生活在宇宙动物园里？ 但在讨论这个问题之前，为了能使复杂的宏观生命得以进化，我们必须先了解一下行星的条件必须是什么样的。

延伸阅读

1.Archibald, J. D. (2011). Extinction andradiation: How the fall of the dinosaurs led to the rise of the mammals. Baltimore: The Johns Hopkins University Press.

2.Bains, W., & Schulze-Makuch, D. (2015). Mechanisms of evolutionary innovation point to genetic control logic as the key difference between prokaryotes and eukaryotes. Journal of Molecular Evolution, 81, 34–53.

3.Conway Morris, S. (2003). Life’s solutions: Inevitable humans in a lonely Universe. Cambridge: Cambridge University Press.

4.Gould, S. J. (1989). Wonderful life: The burgess shales and the nature of history. New York: W. W. Norton.

5.Smith, J. M., & Szathmary, E. (1995). The major transitions in evolution. Oxford: W. H. Freeman.

6.Ward, P. D., & Brownlee, D. (2000). Rareearth: Why complex life is uncommon in the Universe. New York: Springer.