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地(de)球(qiú)上(shàng)的(de)人(rén)类(lèi)究(jiū)竟(jìng)是(shì)宇(yǔ)宙(zhòu)的(de)奇(qí)迹(jī)，还(hái)是(shì)某(mǒu)种(zhǒng)必(bì)然(rán)？长(zhǎng)期(qī)以(yǐ)来(lái)的(de)主流(liú)观(guān)点(diǎn)认(rèn)为(wèi)，智(zhì)慧(huì)生(shēng)命(mìng)的(de)演(yǎn)化(huà)必(bì)须(xū)经(jīng)历(lì)多(duō)个(gè)几(jǐ)乎(hu)不(bù)可(kě)能(néng)跨(kuà)越(yuè)的(de)障(zhàng)碍(ài)，人(rén)类(lèi)只(zhǐ)是(shì)个(gè)幸(xìng)运(yùn)的(de)例(lì)外(wài)。然(rán)而(ér)，最(zuì)新(xīn)发(fā)表(biǎo)在(zài)《科(kē)学(xué)进(jìn)展(zhǎn)》的(de)研(yán)究(jiū)挑(tiāo)战(zhàn)了(le)这(zhè)一(yī)观(guān)点(diǎn)，指(zhǐ)出(chū)智(zhì)慧(huì)生(shēng)命(mìng)的(de)诞(dàn)生(shēng)或(huò)许(xǔ)不(bù)是(shì)一(yī)场(chǎng)概(gài)率(lǜ)上(shàng)的(de)奇(qí)迹(jī)，而(ér)是(shì)受(shòu)环(huán)境(jìng)变(biàn)化(huà)驱(qū)动(dòng)的(de)必(bì)然(rán)结(jié)果(guǒ)。

编(biān)译(yì) | 李(li)娟(juān)

在(zài)浩(hào)瀚(hàn)的(de)宇(yǔ)宙(zhòu)中(zhōng)，地(de)球(qiú)是(shì)已(yǐ)知(zhī)唯(wéi)一(yī)孕(yùn)育(yù)了(le)智(zhì)能(néng)生(shēng)命(mìng)的(de)星(xīng)球(qiú)。然(rán)而(ér)，科(kē)学(xué)家(jiā)们(men)一(yī)直(zhí)在(zài)争(zhēng)论(lùn)一(yī)个(gè)问(wèn)题(tí)：地(de)球(qiú)上(shàng)的(de)智(zhì)慧(huì)生(shēng)命(mìng)是(shì)宇(yǔ)宙(zhòu)中(zhōng)的(de)特(tè)殊(shū)例(lì)外(wài)，还(hái)是(shì)普(pǔ)遍(biàn)现(xiàn)象(xiàng)？

1983年(nián)，物(wù)理(lǐ)学(xué)家(jiā)布(bù)莱(lái)登(dēng)·卡(kǎ)特(tè)（Brandon Carter）提(tí)出(chū)了(le)“困(kùn)难(nán)步(bù)骤(zhòu)模(mó)型(xíng)”（Hard Steps Model），认(rèn)为(wèi)**智(zhì)慧(huì)生(shēng)命(mìng)进(jìn)化(huà)并(bìng)不(bù)是(shì)连(lián)续(xù)平(píng)稳(wěn)的(de)，而(ér)是(shì)必(bì)须(xū)跨(kuà)越(yuè)多(duō)个(gè)关键步(bù)骤(zhòu)。**这(zhè)些(xiē)步(bù)骤(zhòu)不(bù)仅(jǐn)发(fā)生(shēng)概(gài)率(lǜ)极(jí)低(dī)，而(ér)且(qiě)通(tōng)常(cháng)需(xū)要(yào)极(jí)长(zhǎng)的(de)时(shí)间(jiān)来(lái)完(wán)成(chéng)。地(de)球(qiú)上(shàng)的(de)人(rén)类(lèi)是(shì)幸(xìng)运(yùn)的(de)特(tè)例(lì)，在(zài)进(jìn)化(huà)过(guò)程(chéng)中(zhōng)，所(suǒ)有(yǒu)关键的(de)困(kùn)难(nán)步(bù)骤(zhòu)都(dōu)被(bèi)“恰(qià)好(hǎo)”完(wán)成(chéng)了(le)，所(suǒ)用(yòng)时(shí)间(jiān)相(xiāng)对于太(tài)阳(yáng)的(de)总(zǒng)寿(shòu)命(mìng)而(ér)言(yán)就(jiù)很(hěn)短(duǎn)。但(dàn)智(zhì)慧(huì)生(shēng)命(mìng)进(jìn)化(huà)所(suǒ)需(xū)的(de)时(shí)间(jiān)可(kě)能(néng)远(yuǎn)超(chāo)行(xíng)星(xīng)的(de)宜(yi)居(jū)时(shí)间(jiān)。因(yīn)此(cǐ)，宇(yǔ)宙(zhòu)中(zhōng)的(de)智(zhì)慧(huì)生(shēng)命(mìng)是(shì)非(fēi)常(cháng)罕(hǎn)见(jiàn)的(de)。

然(rán)而(ér)，最(zuì)近(jìn)发(fā)表(biǎo)在(zài)《科(kē)学(xué)进(jìn)展》（Science Advances）上的一项研究(jiū)，对(duì)这(zhè)一(yī)模(mó)型(xíng)提(tí)出(chū)了(le)挑(tiāo)战(zhàn)。由(yóu)Daniel B. Mills领(lǐng)衔(xián)的(de)来(lái)自(zì)宾(bīn)夕(xī)法(fǎ)尼(ní)亚(yà)州(zhōu)立(lì)大(dà)学(xué)、慕(mù)尼(ní)黑(hēi)大(dà)学(xué)和(hé)罗(luō)彻(chè)斯(sī)特(tè)大(dà)学(xué)的(de)天(tiān)体(tǐ)物(wù)理(lǐ)学(xué)家(jiā)和(hé)生(shēng)物(wù)地(de)理(lǐ)学(xué)家(jiā)组(zǔ)成(chéng)的(de)跨(kuà)学(xué)科(kē)团(tuán)队(duì)认(rèn)为(wèi)，一(yī)些(xiē)**“困(kùn)难(nán)步(bù)骤(zhòu)**”可(kě)能(néng)并(bìng)非(fēi)极(jí)端(duān)罕(hǎn)见(jiàn)事(shì)件(jiàn)，而(ér)是(shì)由(yóu)地(de)球(qiú)环(huán)境(jìng)的(de)逐(zhú)步(bù)变(biàn)化(huà)所(suǒ)驱(qū)动(dòng)的(de)。也(yě)就(jiù)是(shì)说(shuō)，在(zài)类(lèi)似(shì)地(de)球(qiú)的(de)环(huán)境(jìng)中(zhōng)，智(zhì)慧(huì)生(shēng)命(mìng)的(de)出(chū)现(xiàn)可(kě)能(néng)是(shì)一(yī)种(zhǒng)必(bì)然(rán)，而(ér)非(fēi)奇(qí)迹(jī)。

什(shén)么(me)是(shì)“困(kùn)难(nán)步(bù)骤(zhòu)”模(mó)型(xíng)？

卡(kǎ)特(tè)最(zuì)初(chū)提(tí)出(chū)了(le)两(liǎng)个(gè)关键“困(kùn)难(nán)步(bù)骤(zhòu)”：遗(yí)传(chuán)密(mì)码(mǎ)的(de)起(qǐ)源(yuán)——生(shēng)命(mìng)如(rú)何(hé)从(cóng)无(wú)机(jī)物(wù)进(jìn)化(huà)而(ér)来(lái)，和(hé)大(dà)脑(nǎo)发(fā)展(zhǎn)的(de)最(zuì)后(hòu)突(tū)破(pò)——使(shǐ)智(zhì)人(rén)具(jù)备(bèi)高(gāo)级(jí)认(rèn)知(zhī)能(néng)力(lì)。随(suí)后(hòu)，约(yuē)翰(hàn)·巴(ba)罗(luō)（John Barrow）和(hé)弗(fú)兰(lán)克(kè)·蒂(dì)普(pǔ)勒(lēi)（Frank Tipler）等(děng)人(rén)扩(kuò)展(zhǎn)了(le)该(gāi)概(gài)念(niàn)，并(bìng)提(tí)出(chū)三(sān)个(gè)标(biāo)准(zhǔn)来(lái)识(shi)别(bié)这(zhè)些(xiē)步(bù)骤(zhòu)：

唯(wéi)一(yī)性(xìng)：该(gāi)步(bù)骤(zhòu)在(zài)生(shēng)命(mìng)史(shǐ)上(shàng)仅(jǐn)发(fā)生(shēng)过(guò)一(yī)次(cì)，即(jí)“进(jìn)化(huà)奇(qí)点(diǎn)（singularities）”；

多(duō)基(jī)因(yīn)控(kòng)制(zhì)：若(ruò)某(mǒu)种(zhǒng)性(xìng)状(zhuàng)由(yóu)多(duō)个(gè)基(jī)因(yīn)决(jué)定(dìng)，则(zé)其(qí)独(dú)特(tè)性(xìng)更(gèng)可(kě)靠(kào)，不(bù)易(yì)被(bèi)错(cuò)误(wù)归(guī)因(yīn)；

智(zhì)慧(huì)生(shēng)命(mìng)必(bì)需(xū)性(xìng)：该步骤必须对智慧生命的出现至关重要。

基于这些标准，他们提出了数个潜在的“困难步骤”，比如，生命起源、放氧光合作用、真核细胞的出现、多细胞生物的进化、高等动物的出现等——每个步骤都像一道难以跨越的门槛，人类这样的智慧生命成为宇宙中的罕见现象。这也是费米悖论（Fermi Paradox）——“如果外星智慧生命存在，那他们都去哪了？”——背后的关键理论支持之一。

多年来，困难步骤模型主要由天体物理学家、经济学家和未来学家支持，而地球历史学家和进化生物学家对此回应较少。Mills等人的最新研究通过历史地球生物学的视角，提出了一个合理且可测试的替代模型，来考察地球表面环境和生命在地质时间尺度上的共同演化。

首先，Mills等人的研究肯定了困难步骤模型的某些合理性，比如：进化是阶段性的，一些关键步骤对智慧生命的形成至关重要；进化事件往往不可逆，一旦发生就会决定生物圈的长期演化方向，以及行星环境对生命的长期发展具有决定性影响。

不过，新研究重新评估了进化事件的唯一性，即进化奇点，提出了更符合生物学和生态学解释的环境门槛模型（Environmental Threshold Model），并解释了关键进化事件为何在某些时期发生，而不是依赖极端罕见的突变。另外，在搜寻地外生命（SETI）方面，新研究建议关注行星环境是否适合(hé)生(shēng)命(mìng)进(jìn)化，而不仅仅是计算生命出现的概率。

新研究质疑进化奇点的合理性

在进化生物学中，进化奇点指的是那些在生命史上似乎独一无二、没有平行进化例子的创新。通常被解释为进化过程中的偶然性和不可预测性。这些奇点通常属于某个单系群，例如生命起源（LUCA）、蓝藻（放氧光合作用）、真核生物、后生动物和智人。根据(jù)困(kùn)难(nán)步(bù)骤(zhòu)模(mó)型(xíng)，关键“困(kùn)难(nán)步(bù)骤(zhòu)”的(de)进(jìn)化(huà)创(chuàng)新(xīn)可(kě)能(néng)性(xìng)极(jí)低(dī)，使(shǐ)得(de)它(tā)们(men)成(chéng)为(wèi)进(jìn)化(huà)时(shí)间(jiān)轴(zhóu)上(shàng)的(de)“罕(hǎn)见(jiàn)奇(qí)点(diǎn)”。

新(xīn)研(yán)究挑战了这一传统观点，认为这些奇点之所以看起来是独一无二的，可能是由于以下三种情况导致的：

地质时间尺度上的信息丢失——古生(shēng)物(wù)学(xué)家(jiā)G. Vermeij提(tí)出(chū)，进(jìn)化(huà)创(chuàng)新(xīn)的(de)独(dú)特(tè)性(xìng)可(kě)能(néng)是(shì)地(de)质(zhì)时(shí)间(jiān)尺(chǐ)度(dù)上(shàng)信(xìn)息(xi)丢(diū)失(shī)的(de)假(jiǎ)象(xiàng)。独(dú)立(lì)进(jìn)化(huà)出(chū)某(mǒu)些(xiē)特(tè)征(zhēng)的(de)小(xiǎo)分(fēn)支(zhī)可(kě)能(néng)因(yīn)灭(miè)绝(jué)或(huò)缺(quē)乏(fá)化(huà)石(shí)记(jì)录(lù)而(ér)未(wèi)被(bèi)发(fā)现(xiàn)，导(dǎo)致(zhì)现(xiàn)代(dài)研(yán)究(jiū)者(zhě)误(wù)以(yǐ)为(wèi)这(zhè)些(xiē)进(jìn)化(huà)特(tè)征(zhēng)是(shì)独(dú)一(yī)无(wú)二(èr)的(de)。例(lì)如(rú)，真(zhēn)核生物的光合作用细胞器（叶绿体）曾被视为奇点，但后来发现一种单细胞变形虫（Paulinella chromatophora）也独立获得了光合结构，只是其分支较小，且未进入化石记录。

进化优先效应和生态抑制——一旦一个创新确立，有限的资源竞争可能会阻止类似创新的后续起源。这种现象被称为“优先效应”或“生态位抢占”。例如，细菌至少两次独立进化出光养作用，但随后通过生态位划分和优先效应阻止了类似系统的重复起源。类似的，放氧光合作用的起源可能通过竞争抑制了其他潜在的氧气生产者。

“抽梯子”效应——进化奇点的独特性可能并非因为其起源的不可能性，而是因为其生态成功破坏了自身起源所需的条件。例如，放氧光合作用的起源导致大气氧化，从而破坏了还原性大气——其最初出现所需的条件。“抽梯子”效应属于生态位构建的一种形式。

因此，许多困难步骤的唯一性可能并非由其内在不可能性决定，而是由进化优先效应和信息丢失共同作用的结果。例如：生命可能多次独立起源，但只有一个分支的后代存活至今；放氧光合作用可能只进化了一次，但通过竞争抑制了其他潜在的氧气生产者；真核生物的起源可能存在多个类似但独立的细菌-古菌结合，但只有一个分支的后代存活；动物多细胞(bāo)性(xìng)可(kě)能(néng)并(bìng)非独一无二，但迅速占据生态位空间的那一支抑制了其他类似事件的进化。

地球环境变化与生命进化的协同演化

卡特的困难步骤模型认为宇宙中智慧生命的出现是罕见的，这是基于对太阳总寿命为100亿年、地球年龄约为50亿年的解读。新研究指出，困难步骤模型以太阳的寿命为基础来预测是不妥当的，这忽略了地球系统对进化时间尺度的影响。地球的宏观进化时间尺度受到地球系统本身（大气和地貌变化）的影响，而非单纯的进化难度。

最初的困难步骤模型，假设环境条件在地质时间尺度上是相对稳定的。但是新研究的分析表明，地球历史上的生命进化并非均匀分布，而是随着环境的变化而加速或减缓。地表环境在过去46亿年中经历了根本性和不可逆的转变，尤其是大气中氧气含量经历了三个变化阶段：

1. 无氧时期（>24亿年前）：地球大气几乎没有氧气。

2. 大氧化事件（Great Oxidation Event，GOE，24-22亿年前）：大气氧气水平上升，但仍远低于现代水平——0.001%–10%现大气氧水平（Present Atmosphere Level，PAL）。

3. 古(gǔ)生(shēng)代(dài)氧(yǎng)化(huà)事(shì)件(jiàn)（Paleozoic Oxygenation Event，POE，4.2–4亿(yì)年(nián)前(qián)）：氧(yǎng)气(qì)稳(wěn)定(dìng)上(shàng)升(shēng)至(zhì)接(jiē)近(jìn)现(xiàn)代(dài)水(shuǐ)平(píng)（21% PAL）。

那(nà)么(me)，氧(yǎng)气(qì)水(shuǐ)平(píng)如(rú)何(hé)影(yǐng)响(xiǎng)关键进(jìn)化(huà)步(bù)骤(zhòu)？

智(zhì)人(rén)起(qǐ)源(yuán)的(de)最(zuì)低(dī)氧(yǎng)气(qì)需(xū)求(qiú)为(wèi)53%至(zhì)59% PAL，仅(jǐn)在(zài)约(yuē)4.2亿(yì)至(zhì)4亿(yì)年(nián)前(qián)的(de)古(gǔ)生(shēng)代(dài)氧(yǎng)化(huà)事(shì)件(jiàn)（POE）后(hòu)稳(wěn)定(dìng)满(mǎn)足(zú)。动(dòng)物(wù)多(duō)细(xì)胞(bāo)性(xìng)起(qǐ)源(yuán)的(de)最(zuì)低(dī)氧(yǎng)气(qì)需(xū)求(qiú)可(kě)能(néng)在(zài)元(yuán)古(gǔ)代(dài)中(zhōng)期(qī)（25亿(yì)至(zhì)5.4亿(yì)年(nián)前(qián)）已(yǐ)满(mǎn)足(zú)，但(dàn)具(jù)体(tǐ)时(shí)间(jiān)仍(réng)有(yǒu)待(dài)研(yán)究(jiū)。真(zhēn)核(hé)细(xì)胞(bāo)起(qǐ)源(yuán)则(zé)需(xū)要(yào)0.001%至(zhì)0.4% PAL的(de)氧(yǎng)气(qì)，可(kě)能(néng)在(zài)大(dà)氧(yǎng)化(huà)事(shì)件(jiàn)后(hòu)满(mǎn)足(zú)。

此(cǐ)外(wài)，生(shēng)命(mìng)起(qǐ)源(yuán)和(hé)放(fàng)氧(yǎng)光(guāng)合(hé)作(zuò)用(yòng)起(qǐ)源(yuán)发(fā)生(shēng)在(zài)无(wú)氧(yǎng)环(huán)境(jìng)下(xià)。研(yán)究(jiū)指(zhǐ)出(chū)，生(shēng)命(mìng)可(kě)能(néng)出(chū)现(xiàn)在(zài)约(yuē)37亿(yì)年(nián)前(qián)的(de)某(mǒu)个(gè)“窗(chuāng)口(kǒu)期(qī)”内(nèi)，当(dāng)时(shí)液(yè)态(tài)水(shuǐ)已(yǐ)形(xíng)成(chéng)且(qiě)地(de)球(qiú)免(miǎn)受(shòu)大(dà)型(xíng)陨(yǔn)石(shí)撞(zhuàng)击(jī)的(de)影(yǐng)响(xiǎng)。一(yī)些(xiē)研(yán)究(jiū)认(rèn)为(wèi)，蓝(lán)藻(zǎo)的(de)起(qǐ)源(yuán)可(kě)能(néng)受(shòu)到(dào)海(hǎi)洋(yáng)温(wēn)度(dù)的(de)影(yǐng)响(xiǎng)，如(rú)果(guǒ)海(hǎi)洋(yáng)温(wēn)度(dù)过(guò)高(gāo)，可(kě)能(néng)限(xiàn)制(zhì)光(guāng)合(hé)生(shēng)物(wù)的(de)生(shēng)存(cún)和(hé)扩(kuò)展(zhǎn)。这(zhè)表(biǎo)明(míng)，即(jí)使(shǐ)在(zài)生(shēng)命(mìng)进(jìn)化(huà)最(zuì)早(zǎo)期(qī)，环(huán)境(jìng)因(yīn)素(sù)仍(réng)然(rán)是(shì)决(jué)定(dìng)进(jìn)化(huà)事(shì)件(jiàn)发(fā)生(shēng)时(shí)间(jiān)的(de)重(zhòng)要(yào)变(biàn)量(liàng)。

除(chú)了(le)氧(yǎng)气(qì)水(shuǐ)平(píng)，新(xīn)研(yán)究(jiū)还(hái)讨(tǎo)论(lùn)了(le)其(qí)他(tā)可(kě)能(néng)影(yǐng)响(xiǎng)生(shēng)命(mìng)进(jìn)化(huà)时(shí)间(jiān)的(de)环(huán)境(jìng)因(yīn)素(sù)，比(bǐ)如(rú)海(hǎi)洋(yáng)盐(yán)度(dù)的(de)降(jiàng)低(dī)可(kě)能(néng)影(yǐng)响(xiǎng)细(xì)胞(bāo)的(de)生(shēng)理(lǐ)适(shì)应(yīng)性(xìng)，二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)水(shuǐ)平(píng)的(de)变(biàn)化(huà)影(yǐng)响(xiǎng)气(qì)候(hou)和(hé)植(zhí)物(wù)光(guāng)合(hé)作(zuò)用(yòng)效(xiào)率(lǜ)，板(bǎn)块(kuài)构(gòu)造(zào)的(de)演(yǎn)化(huà)塑(sù)造(zào)地(de)球(qiú)表(biǎo)面(miàn)环(huán)境(jìng)，创(chuàng)造(zào)新(xīn)的(de)生(shēng)态(tài)空(kōng)间(jiān)等(děng)。这(zhè)些(xiē)因(yīn)素(sù)的(de)相互作(zuò)用(yòng)可(kě)能(néng)共(gòng)同(tóng)决(jué)定(dìng)了(le)生(shēng)物(wù)进(jìn)化(huà)的(de)时(shí)间(jiān)表(biǎo)。随(suí)着(zhe)生(shēng)态(tài)位(wèi)的(de)逐(zhú)步(bù)打(dǎ)开(kāi)，多(duō)样(yàng)的(de)栖息地在地质时间尺度上不断增加，这比困难步骤模型更能解释生命进化的时间分布。

证据表明，在地球历史的大部分时间里，不利环境可能阻止了复杂生命的出现，而并非进化步骤的罕见概率导致它们的缺失。同时，生命的进化改变了地球环境。地球环境与生命的协同演化增加了地球栖息地多样性。

寻找其他智慧生命

新研究所提出的新模型不仅适用于地球，也适用于其他星球。

新模型显示，地球表面环境经历了单向变化，使栖息地多样性不断增加，但这一趋势依赖于星球的一系列物理化学条件是否允许——初始质量、成分、地幔氧化还原状态、轨道距离等。重要的是，地球的环境-生物进化速度可能是独特的，其他宜居行星的环境轨迹可能因起始条件的不同而显著差异。

在不同的宜居星球上，类似地球的大氧化事件可能发生得更慢，甚至完全不会发生，这将限制复杂生命的出现。即使放氧光合作用进化成功，如果氧气的产生无法超过消耗，可能也不会建立类似元古宙或显生宙的生物圈，从而阻碍智慧生命的进化。如果放氧光合作用不是一个困难步骤（即其进化并不罕见），那么大气氧气光合作用的变化轨迹可能也是可预测的，而非极低概率事件，一旦放氧光合作用出现，地球大气的氧气水平逐步上升便成为不可逆的过程，最终达到现代水平。在其他行星上，如果具备必要的起始条件，大气氧化等转变可能比地球发生得更快。

为了探索宇宙智慧生命是否罕见，未来的系外行星观测任务将非常重要。新研究提出可以通过分析行星大气成分和技术标志来验证这一新模型，同时为我们理解生命在宇宙中的普遍性和演化路径提供关键证据。

如果生命的进化并不依赖极端罕见的步骤，而是由(yóu)环(huán)境(jìng)门(mén)槛(kǎn)驱(qū)动(dòng)，那(nà)么(me)不同类型的地球生命阶段（如类似太古代、元古代和显生宙的生物圈）应该会在系外行星中普遍存在，并可能表现出不同的大气特征。比如，太古代（Archean-like）生物圈可能富含甲烷、二氧化碳和较低的氧气，类似于地球早期的情况。同样，智慧生命的技术特征技术标志（如无线电信号或大气污染物）应该在系外行星上被探测到，而不仅仅是极少数例外。

总之，这项最新研究为理解生命在宇宙中的普遍性提供了新的视角，也可能影响未来的天文学和地球生物学研究方向。

（本文审核专家：河南大学生命科学学院刘宇鹏教授）

参考文献

[1] Daniel B. Mills et al.,A reassessment of the “hard-steps” model for the evolution of intelligent life.*Sci. Adv.*11,eads5698(2025).DOI:10.1126/sciadv.ads5698

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