為什麼生命只能誕生在水裡,並且靠氧氣呼吸?

2020-12-06 木木聊科學

要明白一個星球上地表的物質不是隨機出現的。所有的地表物質本質都是宇宙中游離的元素,然後被引力聚集在一個星球上,然後合成各種物質,這個和各個元素在宇宙中的豐度有關。拿地球為例,地球上原始的元素非常普通,基本全都是宇宙中豐度最大的元素:氫,碳,氮,氧。於是這些元素開始組合,形成了甲烷,氨氣,水。由於氫的豐度遠大於其他,所以還有大量的氫氣在原始地球大氣中。同理,假如有一個星球很奇怪聚集了大量的氯,那大氣中就會有氯化氫。

鋪墊完了,我們首先分析為什麼生命一定誕生在水裡。其實可能誕生生命的液體候選人就不多,只有水,液氨,液甲烷。其他的,氯化氫氟化氫硫化氫元素豐度太低,並且會和巖石反應結合,後面會有解釋。甲醇,氯仿這類的不要想,自然界生成不了那麼複雜的東西。液氫也不可能,溫度太低了。

第一個原因是水能穩定行星上的溫度,進而保證水能維持在液態。由於氫鍵存在,水的比熱容非常大,自然界的小分子物質中比熱容比水大的寥寥可數。如果一個星球富含水,那麼海洋就是一個熱量存儲器。白天把恆星的能量存儲起來,晚上再釋放出,使星球的的晝夜溫差不至於特別大,生命才能得以產生。沒有水的星球,晝夜溫差可達幾百度,非常不適合生命誕生。就算有其他液體存在,這幾百度的溫差很可能已經超出了液體的沸點或者熔點,在固液氣中轉換,這是原始生命無法承受的。最簡單的例子就是月球。

還有一種情況,如果一個星球上氣壓很大,氣體的液態溫度範圍可以擴大。在常溫下加壓,會進入超臨界態,超臨界態應該也有誕生生命的條件。但是宇宙中大概率沒有能夠誕生文明的超臨界態環境,如果展開分析篇幅還會擴大。這裡只說結論:固體行星質量有上限,不能大到使甲烷和氨氣進入超臨界態。氣體行星可以進去超臨界態,但是沒有陸地,卻缺少進入文明的條件。

當然,如果環境比較巧合,星球上也可能有穩定的其他液體穩定存在。比如土衛六,眾人熟知的滅霸老家泰坦星,雖然離太陽很遠,但是靠近土星這個大氣體行星,靠著土星釋放的溫度,竟然也能維持溫度相對穩定,以至於土衛六上出現了甲烷的湖泊海洋河流雲層,還會下甲烷雨。那既然土衛六有了穩定的液體,為什麼還是不能誕生生命呢?這就要說到第二個原因了。

第二個原因,誕生生命的液體是原始生命各種化學反應的中間產物和原料。原始的生命要自我複製,必然需要很多反應物的,那這些原料從哪裡來?理所當然的從自己誕生這片海洋裡取。然後自此發展出的高等生命所有的生化反應還是在同樣的環境中進行,反應物也不會變化。我們人類誕生自水中,所以身體70%是水,所有的生命活動都在細胞內的水中完成,水也參與幾乎所有重要生命活動。

說回土衛六,為什麼甲烷海洋無法誕生生命。前面我們已經分析了,碳基生命幾乎是唯一可能的生命。我們假設土衛六上出現了一個非常耐低溫的碳基生命,那麼甲烷一定參與了他們的生命活動。甲烷要參加反應,就要把甲烷中的碳氫鍵斷開,組合到其他分子上。那麼問題來了,甲烷分子沒有極性和氫鍵,甲烷上的碳氫鍵相比生命大分子的碳氫鍵並不特殊。那麼為什麼斷碳氫鍵的時候只會斷甲烷的,而不會斷碳基大分子的碳氫鍵呢?化學可不會分辨敵我,只要滿足條件,該斷的鍵統統會斷掉。如此一來,這種甲烷裡誕生的生命基本很難維持穩定。

第三個原因,誕生生命的液體,應該是有「氧」呼吸的產物。第二個原因否定了甲烷,那如果一個星球巧合出現了液氨海洋,可能出現高等文明嗎?我認為是不會的。首先,我們來看一下一個星球上出現液氨海洋的條件。

眾所周知,氮元素在宇宙中豐度相對碳氧很低。一個星球上甲烷和水的量肯定大於氨。如果要出現液氨海洋,甲烷和水都必須以固態或者氣態形式存在。我們來看一下氨的一些性質,熔點-77℃,沸點-33℃。甲烷熔點-178℃,水熔點0℃。恰好如果一個行星距離適中,比如我們的火星,溫度能維持在-5℃到-80℃之間。這時候,甲烷是氣體,水是固體。只有氨可能是液體,一個可能存在液氨海洋的星球就準備好了。

但是,氨的比熱容只有水的三分之一,而液態溫度區間只有30℃。拿地球為例,如果我們的海洋全是液氨的話(當然這是不可能的,沒有哪個星球上氨的比重會那麼大),我們的晝夜溫差會比現在高3倍,遠超出了氨的液態溫度區間。也就是說大概率液氨海洋無法穩定存在,白天是海,晚上凝固了,或者晚上是海,白天就全氣化了。

出現液氨海洋的可能性雖然很低,但也並非全無可能,如果星球上氣壓比較高,有可能拉長液態的溫度區間(這裡我記錯了三相圖,只有增大壓強才能延長液態溫度區間)。我們就假設有一個星球有這麼一片海洋吧,雖然沒人見過。

我們來假設一下這片海洋裡出現了碳基生命,並且在進化,看看出現高等生命的可能性有多大。這些生命進化歷程中肯定也會面臨一個問題,就是無氧呼吸效率太低,要進行有氧呼吸才能加快進化速度。那麼他們的「氧氣」是什麼呢?

氧氣肯定不行了,呼吸的產物是水,在這種生命體內就結冰了。別忘了他們可是生活在-77℃到-33℃的環境裡。除了氧,還是有什麼可以當「氧氣」呢?供選擇的元素真的不多。

碳肯定不行,沒有氣體單質;

氮氣好像不錯,呼吸的產物之一是氨,正好是生命最需要的,可問題在於氮氣化學鍵鍵能非常大,打開氮氮鍵需要太多能量,靠氮氣給生命供能,根本入不敷出啊。那還有什么元素可以選?

氟?不好意思,豐度低的可憐,而且氟化氫已經和星球的矽酸鹽結合成螢石了(固態星球的最基本成分就是矽酸鹽,這點是共識,不要槓)。

氯?不好意思,豐度低的可憐,而且氯化氫已經和星球的矽酸鹽結合成氯化物了。

找了一圈,根本沒有可以呼吸的氣體啊!得了,還是繼續無氧呼吸吧。而無氧呼吸的生命,能發展出高等生物的可能性太低了。現在地球上無氧呼吸的生物都是細菌。而對於氧氣的分析同樣適用於誕生在甲烷中的生物。

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