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1、寻找地外生命探索 科技论文【背景】我们是宇宙中唯一的生命群体吗？这个问题千百年来一直困扰着人类。虽然迄今为止尚无人能提供有利的证据，但存在地外生命的想法，正在被人们慢慢接受。人类为了寻找地外生命，付出了艰辛的努力。我们也希望通过这次研究，积极探索地外生命。 一、 地外生命概观现代科学研究表明，地球在宇宙中并不是唯一的。像地球一样的行星有许许多多，几乎遍布宇宙。因此，生命存在的可能性，正在被越来越多的人们所接受。人们认为地外生命存在的原因有三：一是宇宙中适于生命生存的区域数量很大；二是在地球和太阳系中找到的元素，如C、H、O、N等构成生命的基本元素同样遍布宇宙；三是有机化合反应在许多环境条件下都
2、能进行。科学家们在暗黑星际云中发现了普通有机分子，更加支持了地外生命存在的学说。目前，限于科学水平的发展，科学家们对地外生命的研究途径尚比较有限。其中之一是将实验仪器送入其它行星，但这种方法有局限，无法大量开展。还有一种想法是，假设宇宙中存在具备相同或超过我们这样水平的智能生物，通过电波与其联系。可是由于可能的文明距离我们至少也有几十光年，若能收到回复，也已是百年以后，这是很不现实的。因此，我们不能单纯通过通讯手段，而应借助于实验手段。我们虽没有一个切实的实验方法说明生命是物质演化的必然结果，但如果物理和化学规律是宇宙中的规律，而且我们在实验中精确回溯了生命在地球上存在的途径，就可以使人更有理
3、由相信宇宙中也存在生命。 二、 顽强的生命 众所周知，生物都是由复杂的有机物构成的。科学研究表明，有机物存活的温度范围是-10摄氏度到96摄氏度之间。超出这个范围，大多数的生物都难以生存。然而，种种观察资料表明，自然界中，有些生物的生命力很顽强。在北冰洋中，生长着一种白血鱼，它们长年生活在彻骨寒冷的冰水中。白血鱼是最耐寒的生物吗？不。科学家发现有一种北尼日利亚蝇，它的幼虫能在-190摄氏度的液态氧里生存四十七个小时；甚至在-270摄氏度的液态氦中，也能经历五分钟而不死。这个温度，只比绝对零度高了三摄氏度而已！可是还有比这更耐寒的。酵母菌、无细胞子细菌和干燥的线虫，都能在绝对零度下生存相当长的时
4、间。那么，生命又能耐多高的热度呢？一般说来，蛋白质在50摄氏度就开始凝固，因此，普通的生物很难在50度以上的环境中生存。但是，也还有一些细菌或病毒，能够在沸水中活上半个多钟点。一种生长在斯拉夫热辐射矿泉里的鞭毛虫，更具有惊人的耐热能力，它耐得住沸水的高温和杀伤生物的大量X射线。说到耐射线的能力，鞭毛虫还不是最强的。其中的佼佼者当推线虫的幼虫，它能承受致一百八十人于死命的射线而泰然无损。除了温度外，生命可以存活的大气压力范围也是非常宽的。有一种杆菌能在10-11大气压这样低的条件下存活。沙漠土壤中的微生物在10-9到10-11大气压的真空中，仍能存活五年之久。在离地几百里的高空，还有着微生物的行
5、踪，而那里的空气稀薄到几乎没有。在太平洋马里亚纳海沟中生活着大量有机物，在那里深度超过104米，压力超过103大气压！生命是如此的顽强，在很多恶劣的环境下也能生存。因此，不少科学家认为，地外生命的存在，并不一定需要具备地球上的种种有利条件，即使在完全不同于地球条件的其它星球上，也有可能存在着生命。三、 银河系其他地方存在智能生命的可能性由费兰克德雷克（Frank Drake）所提出的如下公式是一种估计银河系中目前存在智能文明数目的一个方法：N=R*fpneflfifcL。这个方程式将很不清楚的庞大数据压缩成一个简单的表达式，虽然每个因子我们并不知其准确数值，但这里所提供的式子却是迄今人们所提的
6、一个最好的估计。R*表示银河系中恒星形成的平均速率，这是可以观测并相当精确地知道的。因为银河系中大约有1011恒星，而银河系的寿命大约为1010年，所以恒星形成的平均速率约为每年10颗。恒星形成越快，在一定时期内银河系有生命的行星就越多。fp是带有行星系的那部分恒星的分数，这个因子我们只能对之加以合理的猜测。太阳系起源的理论表明行星是与它们的母体恒星一起产生的。因此我们的结论是fp大致等于1，也就是说几乎所成恒星都带有行星。Ne是任意一颗恒星周围的行星或卫星上有生命的标准个数。ne的数值根本不知道。在我们的太阳系中，目前除了地球外，尚未发现其它星球存在生命。所以我们暂时认为nc 是1。它也许是
7、2或3，这取决于人们在木星或土卫六上的发现。fl是那部分适合生命生存的星球中，实际上有生命繁衍的行星的分数。迄今为止已有很有力的证据表明在顺利条件下，生命就能发展。所以我们选定fl大致等于1。fi是那部分有生命发生的星球中，能演化为智能生命的行星分数。智能生命有能力选择，又有智力可使，因此比它的竞争者们具有优越得多的适应性。但是，通向智能生命的道路很曲折。因此我们取fi值使之比1小的不太多。fc是具有智能生命的星球中，达到通讯能力的那部分行星的分数。这是这个方程式中最不清楚的因子。因为智能文明社会并不是非要发展成为科学技术社会，科学技术社会也并不是非得发展出星际通讯的方法。但是，科学家们有一个
8、一致的估计认为这个方程式中flfifc的乘积应该是0.01。也就是说，适合生命居住的行星数目之中，只有百分之一能够达到通讯的规格。 L表示每个典型文明社会持续的时间。这是所有因子中最难确定的一个。由于没有可用的资料，我们甚至不知道人类能生存多长时间。因此，L的估计纯粹是主观的。综上所述，银河系中的智能和通讯文明社会的个数N =0.1L。由于不确定因素太多，说它是N=10-5 L也可以。以下是到达最近文明社会大致距离的列表： 表3.1 到达最近文明的大致距离（光年）假设L（年）N=0.1LN=0.01LN=0.001LN=0.0001L1038,00025,00080,000250,000104
9、2,5008,00025,00080,0001058002,5008,00025,0001062508002,5008,000107902508002,500乐观说来，只要平均寿命L是典型的几百万年或更大，而flfifc不太小，如L为107 年，flfifc为0.1时，最近的文明距离我们则有90光年。为了与他们通讯，我们发送的信号过了90年才传到他们那里，而他们把信号发送回来则又需90年。通讯一次需上百年，又有谁会愿意做呢？悲观地说，若取L为103 年，flfifc为0.0001，则最近的文明距离我们至少有250，000光年。距离这么遥远，想探察它的存在几乎是不可能的。由此可见，探索地外生命的
10、路还很漫长，需要我们继续为之付出努力。“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。”同学们努力吧！参阅资料：1.美G.B.菲尔德,G.L.弗舒尔，C.波纳佩鲁马宇宙演化 2.徐世延动物身上的钟表地外生命大搜寻-非碳基生命 地外生命（extraterrestriallife） 地外生命是指地球以外的宇宙空间可能存在的任何生命形式。多年来，科学家推测地外生命存在的可能性，并进行了搜索，但仍没有探测到地外生命的存在。科学家假定，地外生命的化学特性必须具备：1、适合于化学反应的介质；2、原子物质在宇宙中普遍存在并有不稳定结构。地外生物学或地外生命的研究，就是在银河系的行星及卫星中调查生命存在的可能性。长期以来人
11、们想象火星为有生命的行星，但经过几次人类探测器登陆火星，这个想象被打破了。从20世纪60年代初，天文学家就尽力向被假定技术先进的文明世界发射探索信号。如波多黎各的阿雷西沃天文台的305米的阿瑞斯波射电望远镜（见下图），功率大到可使距离1000光年的远处接收到发射信号。同样，哈勃望远镜可以观测到太阳系外的恒星及行星的电磁谱线。通过光谱分析，天文学家可以测定大气分子的温度、类型和丰度，并可依据地球上所知推测某些天体上生命所必需的元素。最广泛的正在进行的计划是美国地外智能的探索（SETI），它集中接收并分析来自宇宙空间的信号。 目前，按照人类已掌握的知识来认识地外生命，是一种科学的探索。我们不能抛开
12、知识体系去任意想象。比如，我们不能说有一种生物可以在太阳上生活。现有的知识告诉我们： 生命不可能在恒星上形成，但生命的诞生、存在和发展又绝对离不开由恒星的光和热所提供的能源。因此，生命出现的第一个条件必然是在恒星周围要有行星存在。通常认为恒星是由气体尘埃云坍缩而形成的。如果密度很低的原始星云在自身引力作用下收缩，逐渐变为一个自转着的扁平圆盘，那么中央主要部分因密度增大、温度升高发生热核反应而形成恒星，周围的薄盘就有可能形成行星系统。 生命的进化是一个极其缓慢的过程，其进程之慢完全可以同恒星演化的时间尺度相比。一种称为蓝-绿藻类的比较高级的单细胞生物早在35亿年前就已经出现了，人类这种智慧生命是
13、在太阳形成后经过45至50亿年漫长时间出现的。因此，年轻的恒星，即使它周围存在行星，也不可能存在较高级的生命形式。另外，大质量恒星的发光发热寿命只有几百万年，对于生命进化所需要的时间来说也是远远不够的。只有类似太阳或更小一些的恒星才是合适的候选者。在我们的银河系中符合这一条件的恒星约有1000亿颗。 并非所有恒星在形成时都会伴随有一个行星系统。在银河系内，双星约占恒星总数的一半。有一种观点认为，对于双星系统来说，即使已有行星形成，那也要不了多久，这些行星不是落到其中一颗恒星上，就是会被抛入星际空间而远离双星系统。于是，只有单星才是可能的第二轮候选者。如果乐观地假定所有单星都拥有数量不等的行星，
14、那么，银河系内大约可以有400亿颗带有行星的恒星。 生命不可能在任何一颗行星上诞生，行星离开恒星的距离必须恰到好处。同时特别假定液态水的存在是生命存在的前提，那么，这两个条件是十分苛刻的。如果地球离开太阳的距离比现在靠近百分之5，生命就不可能存在；再远百分之1，地球会彻底冻结。恒星周围具有能维持生命所必需的气象条件的行星是极为罕见的。计算表明，能满足这一条件的第三轮候选者充其量也只有100万颗恒星。 100万虽然还是一个不小的数目，但只有能同他们进行某种形式的接触才能最后证实外地生命的存在。目前地球上最强有力的联系手段当推无线电通讯。毫无疑问，不要说几十亿年前的蓝藻，就是人类本身，在100多年
15、前也还没有能力发播无线电讯号。如果再次乐观地假定，有高度文明的外星人在和平繁荣的环境中生活了100万年，科学技术十分发达，财力充足，有能力不停止地向空间发送强大的无线电讯号。那么，进化成智慧生命需要40亿年，100万年只占其中的万分之二点五。因此，100万个第三轮候选者中能做到这一点的就只有250颗了。250颗恒星平均分布在银河系中的话，离我们最近的也有4600光年。就地球上目前的技术水平，根本无法与之联系。唯一的可能是他们比我们先进，我们来接收他们的讯号。 我们人类生活在自以为宽广的地球上，而地球在太阳系中犹如沧海一粟。如果将太阳系大小比做万步，人类努力探索太空至今，也还只走出一步而已。而太
16、阳系于银河系来说，则更是微乎其微。银河系浩翰10万光年，但比起目前我们观测到的宇宙120亿光年范围来说，又只是恒河一粒沙。而120光年以外是怎么样呢，我们还无法知道。 但是我们相信，在宇宙中生命甚至智慧生命绝不只是地球独有的现象，虽然是罕见的，我们并不孤单。从哲学意义上说，宇宙的无限注定了天体数量的无限，从而也可以注定存在生命的天体数量同样无限。问题只有一个，就是无法发现。地球上的全部生命都是以碳和水为基础，而且很可能宇宙中大部分的生命形态也都是以碳和水为基础。但是也有很多人相信碳以外的其他元素以及水以外的其他介质也可以为生命提供基础，早在1885年，爱尔兰出生的天文学家兼数学家罗伯特斯德威尔
17、鲍尔(Robert Stawell Ball)就曾在他的天堂的故事(Story of the Heavens)中提到地外生命可能和地球上的完全不同，他写道：“倘若我们能够得到机会去近距离观察一些天体，我们可能会发现它们也充满了生命，但却是特化适应于环境的生命。以奇特而怪异的形态出现的生命”一、硅基生命说到碳基生命以外的生命形态，对这方面稍有点了解的人首先想到的就是硅基生命。不过硅基生命这个概念到底什么时候有的，大概没几个人了解，说出来可以让人吃一惊，原来这个概念早在19世纪就出现了。1891年，波茨坦大学的天体物理学家儒略申纳尔(Julius Sheiner)在他的一篇文章中就探讨了以硅为基础
18、的生命存在的可能性，他大概是提及硅基生命的第一个人。这个概念被英国化学家詹姆士爱默生雷诺兹(James Emerson Reynolds)所接受，1893年，他在英国科学促进协会的一次演讲中指出，硅化合物的热稳定性使得以其为基础的生命可以在高温下生存。著名英国科幻作家赫伯特乔治韦尔斯(Herbert George Wells)吸收了雷诺兹和鲍尔的观念，他写道：“人们会为这种设想所带来的奇异想象所震惊：既然有硅铝生命体，为什么不会立刻想到硅铝的人？让我们说，他们在硫磺气组成的大气中漫步，徜徉在温度比熔炉更高的，数千度的融化的钢铁海洋旁。”三十年后，英国遗传学家约翰波顿桑德森霍尔丹(John Bu
19、rdon Sanderson Haldane)提出在一个行星的深处可能发现基于半融化状态硅酸盐的生命，而铁元素的氧化作用则向它们提供能量。粗看起来，硅的确是一种作为碳替代物构成生命体的很有前途的元素。它在宇宙中分布广泛，而在元素周期表中，它就在碳的下方，所以和碳元素的许多基本性质都相似。举例而言，正如同碳能和四个氢原子化合形成甲烷(CH4)，硅也能同样地形成硅烷(SiH4)，硅酸盐是碳酸盐的类似物，三氯硅烷(HSiCl3)则是三氯甲烷(CHCl3)的类似物，以此类推。而且，两种元素都能组成长链，或聚合物，它们并在其中同氧交替排列，最简单的情形是，碳氧链形成聚缩醛，它经常用于合成纤维，而用硅和氧
20、搭成骨架则产生聚合硅酮。基于上述情况，一些特异的生命形态就有可能以类似硅酮的物质构成。硅基动物很可能看起来象是些会活动的晶体，就如同迪金森和斯凯勒尔(Dickinson and Schaller)所绘制的如下想象图一样。这是一只徜徉在硅基植物丛中的硅基动物，这种生物体的结构件可能是被类似玻璃纤维的丝线串在一起，中间连接以张肌件以形成灵活、精巧甚至薄而且透明的结构。看上去这些结晶体似的生物非常漂亮，如果它们可以在常温下生存的话，大概许多地球人都愿意在家里养几只作为装饰，养这种宠物的一个明显好处是不会传播细菌和寄生虫，因为作为碳基生命的细菌和寄生虫对这种完全不同的生命是无能为力的。但是，但硅基生命
21、的存在的可能性却受到许多缺陷的威胁。一个很大的缺陷就是硅同氧的结合力非常强。当碳在地球生物的呼吸过程中被氧化时，会形成二氧化碳气体，这是种很容易从生物体中移除的废弃物质；但是，硅的氧化会形成固体，因为在二氧化硅刚形成的时候就会形成晶格，使得每个硅原子都被四个氧原子包围，而不是象二氧化碳那样每个分子都是单独游离的，处置这样的固体物质会给硅基生命的呼吸过程带来很大挑战。只要是生命形态，就必须从外界环境中收集、储存和利用能量。在碳基生物这里，储存能量的最基本的化合物是碳水化合物。在碳水化合物中，碳原子由单键连接成一条链，而利用酶控制的对碳水化合物的一系列氧化步骤会释放能量，废弃物产生水和二氧化碳。这
22、些酶是些大而复杂的分子，它们依照分子的形状和左旋右旋对特定的反应进行催化，这里说的左旋右旋是因分子含有的碳的不对称使得分子出现左旋或者右旋，而多数碳基生物体内的物质都显示这个特征，正是这个特点使得酶能够识别和规范碳基生物体内的大量不同新陈代谢进程。然而，硅没能象碳这样产生众多的具有左旋右旋特征的化合物，这也让它难以成为生命所需要大量相互联系的链式反应的支持元素。此外，硅链在水中不稳定，容易断掉，不象碳链这样在干湿环境下都保持稳定。虽然这点不会因此排除硅基生命存在的可能，但存在大量液态水的星球肯定是排斥硅基生命的。存在硅基生命，甚至存在硅基生命出现前的早期生命化学演化的低可能性也被天文观测所验证
23、。不管天文学家向哪里搜寻陨星、彗星、巨行星的大气、星际物质、冷却恒星的外层他们都只能找到氧化的硅(二氧化硅和硅酸盐)，而找不到类似硅烷和硅酮这样的作为硅生物化学存在预兆的物质。相反，当我们寻找碳基生命的迹象时会发现，在陨星中不难找到氨基酸这样的碳基有机分子，至于甲烷，不仅在太阳系的众多行星和卫星中很容易找到，而且在星际物质和星云中也能找到，甚至连甲基乙炔和氰基癸五炔这样的复杂分子都能从星际物质中找到。即使如此，也有必要指出，硅可能曾在地球生命的起源过程中扮演过一定的角色。有一个奇怪的现象是，地球生命特别喜欢利用右旋的糖和左旋的氨基酸。对此的一个理论解释是，生命演化初期的第一批碳化合物在一片有着
24、特定旋性(旋光性)硅石表面上的“原始汤”内形成，而这种硅化合物的旋性决定了我们现在从地球生命体内找到的碳化合物的旋性。尽管从生化角度看，找到硅基生命的可能性很渺茫。但硅基生命在科幻小说中则很兴盛，而且科幻作家的许多描述会提出不少有关硅基生命的有益构想。在斯坦利维斯鲍姆(Stanley Weisbaum)的火星奥德赛(A Martian Odyssey)中，该生命体有1百万岁，每十分钟会沉淀下一块砖石，而这正是维斯鲍姆对硅基生命所面临的一个重大问题的回答，文中进行观察的科学家中的一位观察到：“那些砖石是它的废弃物我们是碳组成，我们的废弃物是二氧化碳，而这个东西是硅组成，它的废弃物是二氧化硅硅石。
25、但硅石是固体，从而是砖石。这样它就把自己覆盖进去，当它被盖住，就移动到一个新的地方重新开始。”在星际旅行系列片的“黑暗中的恶魔”中，Janus IV的矿工发现了一种硅基生命形态Horta。每过5万年，所有的Horta就都死去，只剩下一个个体活着照看将会孵化下一代的那些蛋。看来，人们对硅基生命的一个重要设想是长寿，这大概来自人类从自然界岩石的恒久得到的印象。而另外一个通常的看法是，硅基生命很可能出现于温度比较高的星球上，比如说一个到处都是火山的星球上，因为许多硅基化合物比碳基更稳定，比如硅-氧键可以承受大约600K的温度，而硅-铝键能承受将近900K的温度，所以耐高温的性能要好，而且同样是由于相
26、对稳定，在高温下活性更好。对于硅基生命来说，200度甚至到400度才能让它们感到舒适，而在我们觉得舒适的室温下它们很可能会被冻死，这就是我在前面提到饲养硅基宠物的时候，特意提到“如果它们可以在常温下生存”这句的缘故。 二、氨基生命这是一幅非常有趣的漫画，一艘飞碟坠毁在某星球的荒漠中，一个外星人在荒漠中艰难跋涉后扑倒在地，嘴因干渴而大张着，下面注解的文字是他在焦渴中的呼喊：“氨！氨！”看来，这是一种需要依靠喝氨来生存的外星人，正如同我们人类需要靠喝水来生存一样。1954年，同样是本文前面提到过的那位英国科学家霍尔丹，在一次座谈会上讨论生命起源时，提出被我们人类这种生命形态利用的水这种溶剂，在某些
27、生命形态下可以由液态氨来代替。他提出的理由之一是水的一些特性和氨是类似的，比如，以水为基础可以形成甲醇(CH3OH)，而以氨为基础可以形成甲胺(CH3NH2)，甲醇和甲胺这两种化合物正是类似物。霍尔丹由此从理论上提出，有可能以氨为基础建立其一系列复杂化合物的对应体系，比如蛋白质和核酸的对应物质，利用这个体系，整套有机化合物、肽，能够在氨基体系下同样存在。这些作为普通氨基酸替代物的氨基分子能够聚合形成多肽，这些以氨为基础的多肽能够同从地球生命形态中找到的对应物一致。这个假说得到了英国天文学家V阿克塞尔弗瑟夫(V. Axel Firsoff)的进一步发展，他特别考虑到那些含氨丰富的世界，比如太阳系
28、内(现在还应该包括我们这十几年在太阳系外发现的)那些气态的巨行星和它们的卫星，认为这种生命在那里的发展和进化将是一个非常有趣的课题。同水相比，液态氨的确有许多显著的化学相似性。利用含氨的的溶解而不是水的溶解，可以同样提供整个有机和非有机化学反应，液态氨在溶解方面和水一样好甚至更强。同水比，它溶解许多金属元素的能力超好，包括钠、镁、铝等碱金属，可以直接溶解；此外，一些其他的元素比如碘、硫、硒、磷都在液态氨中有一定的溶解度，并几乎不怎么同液态氨发生反应。以上各种元素在生命化学方面都具有重要作用，而且铺就通往生命早期演化的道路。液态氨的沸点在一个大气压下是零下34摄氏度，所以这样的生命可能需要在温度
29、比较低的世界里生存，这样的世界并不少，所以这并不是其缺点。但有人认为真正的缺点是液态氨保持液体形态的温区太小，由于凝固点在一个大气压下是零下75摄氏度，所以液态温区的范围仅仅有41摄氏度，还不到水的100摄氏度液态温区的一半。不过，如同水一样，星球表面的大气压提高后将增加液态温区，比如在60个大气压下(这比木星和金星的地表气压低好多)，液态氨的沸点变成98摄氏度而不再是-34度，液态温区也扩大到175摄氏度。氨基生命完全可能是在高压下生存的生命。不过，氨基生命的出现也遇到一些疑难之处。尽管氨的熔解热比水高，但汽化热却只有水的一半，表面张力只有水的1/3。这都是和生命有关的性质，汽化热同比热容一同决定了一种溶剂在调节生物体内温度的能力，水是两者都高，从而对生命有利；表面张力则是液体在表面和表面以下的分子聚合力不平衡的表现，水的表面张力相当高，氨分子之间的氢键要比水之间的弱很多，从而液态氨通过憎水效应(疏水效应)聚集极性分子的能力要低得多。生命演化早期需要把大量的有机分子聚合到一起，直到出现能够自我复制的早期生命，水在这方面是胜任的，但液态氨的能力则让人怀疑。