要明白一个星球上地表的物质不是随机出现的。所有的地表物质本质都是宇宙中游离的元素,然后被引力聚集在一个星球上,然后合成各种物质,这个和各个元素在宇宙中的丰度有关。拿地球为例,地球上原始的元素非常普通,基本全都是宇宙中丰度最大的元素:氢,碳,氮,氧。于是这些元素开始组合,形成了甲烷,氨气,水。由于氢的丰度远大于其他,所以还有大量的氢气在原始地球大气中。同理,假如有一个星球很奇怪聚集了大量的氯,那大气中就会有氯化氢。
铺垫完了,我们首先分析为什么生命一定诞生在水里。其实可能诞生生命的液体候选人就不多,只有水,液氨,液甲烷。其他的,氯化氢氟化氢硫化氢元素丰度太低,并且会和岩石反应结合,后面会有解释。甲醇,氯仿这类的不要想,自然界生成不了那么复杂的东西。液氢也不可能,温度太低了。
第一个原因是水能稳定行星上的温度,进而保证水能维持在液态。由于氢键存在,水的比热容非常大,自然界的小分子物质中比热容比水大的寥寥可数。如果一个星球富含水,那么海洋就是一个热量存储器。白天把恒星的能量存储起来,晚上再释放出,使星球的的昼夜温差不至于特别大,生命才能得以产生。没有水的星球,昼夜温差可达几百度,非常不适合生命诞生。就算有其他液体存在,这几百度的温差很可能已经超出了液体的沸点或者熔点,在固液气中转换,这是原始生命无法承受的。最简单的例子就是月球。
还有一种情况,如果一个星球上气压很大,气体的液态温度范围可以扩大。在常温下加压,会进入超临界态,超临界态应该也有诞生生命的条件。但是宇宙中大概率没有能够诞生文明的超临界态环境,如果展开分析篇幅还会扩大。这里只说结论:固体行星质量有上限,不能大到使甲烷和氨气进入超临界态。气体行星可以进去超临界态,但是没有陆地,却缺少进入文明的条件。
当然,如果环境比较巧合,星球上也可能有稳定的其他液体稳定存在。比如土卫六,众人熟知的灭霸老家泰坦星,虽然离太阳很远,但是靠近土星这个大气体行星,靠着土星释放的温度,竟然也能维持温度相对稳定,以至于土卫六上出现了甲烷的湖泊海洋河流云层,还会下甲烷雨。那既然土卫六有了稳定的液体,为什么还是不能诞生生命呢?这就要说到第二个原因了。
第二个原因,诞生生命的液体是原始生命各种化学反应的中间产物和原料。原始的生命要自我复制,必然需要很多反应物的,那这些原料从哪里来?理所当然的从自己诞生这片海洋里取。然后自此发展出的高等生命所有的生化反应还是在同样的环境中进行,反应物也不会变化。我们人类诞生自水中,所以身体70%是水,所有的生命活动都在细胞内的水中完成,水也参与几乎所有重要生命活动。
说回土卫六,为什么甲烷海洋无法诞生生命。前面我们已经分析了,碳基生命几乎是唯一可能的生命。我们假设土卫六上出现了一个非常耐低温的碳基生命,那么甲烷一定参与了他们的生命活动。甲烷要参加反应,就要把甲烷中的碳氢键断开,组合到其他分子上。那么问题来了,甲烷分子没有极性和氢键,甲烷上的碳氢键相比生命大分子的碳氢键并不特殊。那么为什么断碳氢键的时候只会断甲烷的,而不会断碳基大分子的碳氢键呢?化学可不会分辨敌我,只要满足条件,该断的键统统会断掉。如此一来,这种甲烷里诞生的生命基本很难维持稳定。
第三个原因,诞生生命的液体,应该是有“氧”呼吸的产物。第二个原因否定了甲烷,那如果一个星球巧合出现了液氨海洋,可能出现高等文明吗?我认为是不会的。首先,我们来看一下一个星球上出现液氨海洋的条件。
众所周知,氮元素在宇宙中丰度相对碳氧很低。一个星球上甲烷和水的量肯定大于氨。如果要出现液氨海洋,甲烷和水都必须以固态或者气态形式存在。我们来看一下氨的一些性质,熔点-77℃,沸点-33℃。甲烷熔点-℃,水熔点0℃。恰好如果一个行星距离适中,比如我们的火星,温度能维持在-5℃到-80℃之间。这时候,甲烷是气体,水是固体。只有氨可能是液体,一个可能存在液氨海洋的星球就准备好了。
但是,氨的比热容只有水的三分之一,而液态温度区间只有30℃。拿地球为例,如果我们的海洋全是液氨的话(当然这是不可能的,没有哪个星球上氨的比重会那么大),我们的昼夜温差会比现在高3倍,远超出了氨的液态温度区间。也就是说大概率液氨海洋无法稳定存在,白天是海,晚上凝固了,或者晚上是海,白天就全气化了。
出现液氨海洋的可能性虽然很低,但也并非全无可能,如果星球上气压比较高,有可能拉长液态的温度区间(这里我记错了三相图,只有增大压强才能延长液态温度区间)。我们就假设有一个星球有这么一片海洋吧,虽然没人见过。
我们来假设一下这片海洋里出现了碳基生命,并且在进化,看看出现高等生命的可能性有多大。这些生命进化历程中肯定也会面临一个问题,就是无氧呼吸效率太低,要进行有氧呼吸才能加快进化速度。那么他们的“氧气”是什么呢?
氧气肯定不行了,呼吸的产物是水,在这种生命体内就结冰了。别忘了他们可是生活在-77℃到-33℃的环境里。除了氧,还是有什么可以当“氧气”呢?供选择的元素真的不多。
碳肯定不行,没有气体单质;
氮气好像不错,呼吸的产物之一是氨,正好是生命最需要的,可问题在于氮气化学键键能非常大,打开氮氮键需要太多能量,靠氮气给生命供能,根本入不敷出啊。那还有什么元素可以选?
氟?不好意思,丰度低的可怜,而且氟化氢已经和星球的硅酸盐结合成萤石了(固态星球的最基本成分就是硅酸盐,这点是共识,不要杠)。
氯?不好意思,丰度低的可怜,而且氯化氢已经和星球的硅酸盐结合成氯化物了。
找了一圈,根本没有可以呼吸的气体啊!得了,还是继续无氧呼吸吧。而无氧呼吸的生命,能发展出高等生物的可能性太低了。现在地球上无氧呼吸的生物都是细菌。而对于氧气的分析同样适用于诞生在甲烷中的生物。