易逸度：地球就是孕育生命的優等生

編者按

本專欄決心打破以往只由劉某個人書寫的慣例，以更開放的姿態歡迎天文專業圈、愛好者圈人士的賜稿，以期從更多元的角度審視我們所熱愛的宇宙。本文是劉某對朋友們作此表示以來，首次付諸行動的一篇。投稿者是劉某好友，一位高能天體物理博士 @易逸度大王，學養紮實，熱衷科學普及寫作。本文是他一篇帶有思想探索性質的科學小品文，作者認為文章內容超出了他自己的研究領域，因害怕貽笑大方或者被詬病誤導讀者，特意要求使用筆名。雖說是一家之言，也都處處有據，請讀者自行判斷真偽。作者寄望，能通過本文，吸引對此問題同樣感興趣的、有相關專業背景的人士，共同就此問題進一步深入討論。

兩年前我為《環球科學》翻譯了一篇文章，題目叫《比地球更美好的家園》[1]。這篇文章的作者勒內·埃萊爾說，其實地球在孕育生命的方面遠不算「優等生」。他心目中優等生是那些紅矮星（M型星）附近的行星。因為紅矮星的壽命比太陽更長，所以可以給生命提供一個長期穩定的發展環境。而且宇宙中這種低質量的恆星更多，所以我們尋找地外家園的目光應該轉向這類地方。

在這篇文章中他提道：雖然 M 型恆星的溫度比太陽溫度低，但是行星可以離恆星更近一點來獲得與地球同樣的溫暖。所謂溫暖，就是指溫度既不會熱得讓水蒸發，也不會冷得讓水結冰。換句話說，在行星上可以保有液態水。

在我開始反駁這個說法之前，這裡先順便提一下為什麼科學家那麼執著於液態水。這是因為科學家們相信宇宙里的生命應該有一個基本點和地球上的生命相同，即都是依靠化學反應過活的。既然是化學反應，那麼在溶劑中的化學反應的效率就遠遠高於以固體或氣體進行的化學反應。這是因為在固體中分子不能自由運動，而氣體中的分子密度又太小。只有在溶劑中，分子之間接觸頻繁，因此是最適合發生化學反應的地方。

這就解釋了「液態」的好處。不過為什麼一定是水呢？液態的其他溶劑不可以嗎？這是因為水的化學結構非常簡單：兩個氫原子一個氧原子。氫原子在宇宙中無處不在，是大爆炸早期原初核合成的第一批原子。氧原子是恆星核反應中的常見產物。另一方面，水是極性分子，因此具有包容很多離子的美德，是理想的溶劑。因此，尋找液態水是尋找地外生命的重中之重。

在每一個恆星周圍，都存在一個合適的距離，在那裡行星表面的溫度可以在0～100攝氏度之間，也就是可以允許液體水的存在。這個合適的距離範圍就叫「宜居帶」。

太陽系有宜居帶，地球就在其中；M型星也有宜居帶，只不過離恆星更近而已。因此地球位於太陽系的宜居帶這件事並沒有什麼了不起。

不過有另外一件事情很少有人提及，就是 M 型星的光子能量要比太陽低很多。這會給生命造成多大的影響呢？

在我們地球上，一切生命活動的能源幾乎都來自太陽（除了少量生活在海底火山口裡的細菌）。無論你處於食物鏈的哪個層級，你的能量最終都會追溯到植物的光合作用。在光合作用中，葉綠素吸收了太陽光中能量大於1.8 eV 的光子[2]，而發生後續的化學反應。低能量的光子並不會被植物利用，因而也對地球上的生物圈沒有幫助。我們知道太陽表面的溫度大約6000 K左右，因此太陽光中最多的是1.5 eV 附近的光子。1.8 eV 以上的光子雖然數量開始下降了，但還剩下不少。

而 M 型星的表面溫度大約3000 K左右，也就是平均來說，它的光子能量只有太陽的一半。即最多的光子能量是在0.7 eV左右。這樣一來，如果地球上的植物到了M型星系的行星上，根本無法進行光合作用。所以地球上的生物圈在這樣的行星上是難以生存的。

有人可能問了，為什麼要以地球上的植物的光合作用作為標準呢？沒準兒 M 型星周圍會進化出一種植物，可以利用更低能量的光子進行光合作用也未可知呢？也許如此，不過光合作用就如同光電反應一樣，永遠是向下兼容的。也就是說，更高能量的光子可以解鎖更多的化學反應。如果你只有低能量的光子，即使有很多，你這個星球上能開展的化學反應種類也很有限。由於我們認為生命的基礎是化學反應，所以可以想見，這種星球上即便有生命，恐怕也玩不出什麼花樣來。

在這裡我還想從另一個角度做一個討論：

記得本科上《統計力學》這門課的時候，有一個課堂習題是這樣的：告訴你一個恆星的表面溫度，然後告訴你一個行星到這顆恆星的距離，叫你來計算這顆行星的表面溫度。這道題並不算難，訣竅是要注意到：在每一刻，行星從恆星那裡吸收的輻射能量，要等於行星從自己表面輻射出去的能量。這樣你就可以把兩個黑體輻射的公式畫上等號，然後求出行星表面的溫度了。

不過當我做完這道題之後，卻陷入了沉思。「在每一刻，行星從恆星那裡吸收的輻射能量，要等於行星從自己表面輻射出去的能量。」這意味著行星實際上從恆星獲取的凈能量為零！那恆星到底提供了什麼給行星呢？答案是負熵。行星從恆星那裡吸收低熵的光子，轉換成高熵的光子輻射出去，本質上獲取了負熵。薛定諤認為生命就是一種源源不斷從外界吸取負熵，從而抵禦熱力學第二定律的存在[3]。一顆位於M型星宜居帶的行星，和位於太陽系宜居帶的地球區別何在呢？它們從各自恆星獲取負熵的效率是不同的。由於來自太陽的光子更「優質」，因此地球生物圈獲得負熵的速度要超過位於M型星宜居帶的行星。

我們不妨從一個更高的視角思考這個問題。生命的最大特徵就是可以自我複製。比如你有一個1G的影片，你拷給了你們宿舍6個人。那麼你們寢室所有硬碟作為一個系統，增加的信息量就是5G。類似的，地球上從出現第一段DNA，到現在的萬類生靈，信息量的增加是十分驚人的。這些信息量是從哪裡來的？大家可能知道，信息量的本質就是「負熵」，所以是太陽提供了這些生命複製所需要的信息量。地球從太陽獲得負熵的速度要比一個表面溫度3000K的M型星宜居帶里的行星從它的恆星輻射得到的負熵的速率快大約5%[4]. 因此假如生物的增殖速度也要快一些。鑒於生物的大量增殖是進化的先決條件，地球上的生命進化的速度應該比M型星更快。

那是不是表面溫度越高的恆星周圍，越有可能進化出高級生命呢？這也不一定。就拿O型星為例，它們的溫度可以達到30,000K。可是它們的壽命太短暫了，只有幾百萬年。這留給它們周圍行星上生命的進化時間也太短了。而地球從最初的生命到我們人類已經經歷了42億年的時間，而恐龍滅絕也已經是6500萬年前的事情了。

所以，地球不僅溫暖，而且依靠著太陽這樣一個優質而穩定的光子源，這才孕育出了我們人類。它實際上並沒有我們想像得那麼普通。?

[1]《比地球更好的家園》 勒內·埃萊爾，《環球科學》2015年1月刊 （或見其公眾號文章：地球並非最宜居星球？）

[2] http://book.bionumbers.org/how-much-energy-is-carried-by-photons-used-in-photosynthesis/

[3]《生命是什麼？》埃爾溫·薛定諤，1948，劍橋大學出版社

[4] 在能流密度相同的情況下，黑體輻射的熵與溫度成反比。因此單位時間單位面積所接收到的負熵正比於1/T*-1/T_p. 其中T*是恆星，T_p是行星表面的溫度。假設行星表面溫度是300 K，那麼地球接收太陽的信息量流速大約比一個3000K的M型星宜居帶里的行星大 5%.

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