一直以來，科學家都想知道在宇宙中，智慧生命究竟是普遍的還是罕見的。一種廣為流傳的進化模型認為，人類的起源是概率極低的時間，因為它必須成功地跨越一系列“艱難步驟”（hard steps）。該模型同樣預測，類似于人類這樣的智慧生命在宇宙中也應當極其罕見。

然而，一項最新發表在《科學進展》上的研究重新評估了這一理論。研究團隊從歷史地球生物學的角度出發，提出了一個新的模型，認為生命與地表環境的協同演化可能遵循比傳統觀點更具可預測性的模式。這意味著，人類或類似人類的進化或許并非純粹的偶然。

“艱難步驟”模型的起源

“艱難步驟”模型最早由理論物理學家布蘭登·卡特（Brandon Carter）于 1983 年提出。他試圖解釋一個看似驚人的巧合：太陽的預計壽命為100億年，而地球孕育出人類的時間約為50億年。??

卡特認為，地球從誕生到人類出現的時間，與太陽的壽命僅相差一個2倍因子，這種數量級上的接近是值得探討的。對此，他提出了三種可能性：

1、類人智慧生命在行星上出現的時間非常迅速，可能僅需數百萬年。

2、類人智慧生命出現的時間通常與在地球所經歷的時間尺度相似。

3、類人智慧生命的進化通常需要比太陽壽命更長的時間，甚至可能長達數萬億年，地球只是一個特例。

卡特首先排除了第一種可能性，因為地球上的生命演化明顯遠比這漫長。他認為第二種情況的概率也極低，因為太陽壽命由核聚變決定，而這一過程與生物進化并無直接聯系。因此，他支持第三種解釋，即類人智慧的進化通常比恒星的生命周期要長得多。

卡特進一步推測，智慧生命的出現依賴一系列極端罕見的進化步驟，而地球恰好幸運地完成了所有這些“艱難步驟”。

這些步驟必須滿足兩個條件：首先，它們對人類的出現是必不可少的；其次，它們發生的概率極低，以至于通常需要數十億年的時間尺度。

“艱難步驟”真的存在嗎？

1986 年，物理學家約翰·巴羅（John Barrow）和弗蘭克·蒂普勒（Frank Tipler）進一步闡述了“艱難步驟”理論，并指出，這些關鍵進化事件可能在生命演化史上僅發生過一次。

例如，真核細胞（具有細胞核的細胞）的起源是科學界公認的一個“艱難步驟”。人類屬于真核生物，如果沒有真核細胞的出現，人類就不可能存在。從生命進化樹來看，所有真核生物都源自同一祖先，這暗示著真核細胞的起源可能極其罕見。

其他被認為是“艱難步驟”的關鍵事件——如生命起源、產氧光合作用、多細胞動物的出現，以及類人智慧的進化——也表現出類似的單一起源模式。然而，這是否真正表明這些步驟極其罕見，仍然存疑。

2006 年，生物學家Geerat Vermeij提出，這種單一起源的模式可能由多個因素導致，而不一定意味著這些步驟本質上極其罕見。例如：

• 滅絕與化石記錄的缺失：某些關鍵進化事件可能曾多次發生，但只有一個譜系存活至今，而滅絕的譜系未能形成可供研究的化石記錄。

• 生態競爭優勢：一旦某種生物率先突破進化瓶頸，它可能在資源競爭中迅速占據主導地位，從而抑制了其他生物獨立演化出類似創新的機會。

• 環境變化的鎖定效應：最早實現某一關鍵進化突破的生命形式可能改變了地球環境，使得其他生物失去了獨立進化出相同創新的機會。例如，最早出現的光合作用生物大幅提升了地球大氣中的氧氣濃度，進而影響了后續生命的演化方向。

如果這些因素能夠解釋“艱難步驟”模型中的單一起源現象，那么這些進化步驟實際上可能并不罕見，而只是我們所觀察到的唯一存活案例。

環境演化

那么，智慧生命為何沒有更早出現？

根據以往的地球生物學研究，地球上的智慧生命之所以沒有更早進化，可能并非因為進化本身極端困難，而是因為環境條件限制了其發生的時間。例如：

• 氧氣的積累：在地球歷史的 90% 時間里，大氣中的氧氣濃度不足以支持復雜生命的生存。同樣，在適合支持現代真核細胞的氧氣水平出現之前，地球上已經過去了 50% 的歷史。

• 關鍵生態條件的成熟：所有被認為是“艱難步驟”的事件都需要特定的環境條件，而這些條件在地球早期尚未具備，而是隨著時間推移逐步形成。

因此，智慧生命的演化可能并非由于其進化步驟本質上極端罕見，而是受到地球環境變化的限制。

新研究提出，隨著時間推移，地球在物理和化學層面不斷演化，其表面條件逐漸提供了更豐富的生命棲息地。正是這些環境變化，決定了“艱難步驟”發生的時間，而非更早發生。換句話說，智慧生命的出現受到了行星宜居性的時間窗口限制，而不僅僅是進化本身的難度。

這種觀點表明，人類之所以在這個時間點出現，是因為地球直到相對最近的時期，才具備適合人類生存的環境條件。然而，卡特在1983年提出“艱難步驟”模型時，并未考慮到環境演化對生命進化的深遠影響。

新研究正是通過這一視角，挑戰了“艱難步驟”模型的核心假設。它表明，地球和生命的協同進化模式并非罕見現象，而是一種更具普遍性的行星演化過程。換言之，類人智慧的進化可能并非宇宙中的偶然奇跡，而是某些宜居行星上較為自然的演化結果。

未來研究的方向

不過，研究人員也強調，他們并非主張人類的進化是“必然發生的”，而是相較于傳統理論所認為的更具可能性。同時，“艱難步驟”理論仍可能在一定程度上成立，因此需要進一步的科學驗證。

未來，科學家可以通過 跨學科合作 來深入檢驗這些假設的有效性。例如：

• 地球科學與生命科學的結合：研究地球表面環境如何逐步演化，以支持關鍵的生命進化步驟，探討宜居環境形成的時間與機制。

• 進化生物學與古生物學的分析：進一步限制“艱難步驟”發生的頻率，并分析其罕見性究竟源自生物學限制，還是環境因素。

• 系外行星研究：利用系外行星數據評估生命存在的可能性，并尋找可能具備類似關鍵進化條件的行星。

通過多學科協作，科學家們將能更深入地理解生命的演化過程，并更準確地預測地外智慧生命的可能性。這不僅是對地球生命起源的重新審視，也將影響我們對宇宙生命分布的整體認知。

#參考來源：

https://theconversation.com/evolving-intelligent-life-took-billions-of-years-but-it-may-not-have-been-as-unlikely-as-many-scientists-predicted-249114

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads5698

https://www.psu.edu/news/research/story/does-planetary-evolution-favor-human-life-study-ups-odds-were-not-alone

#圖片來源：

封面圖&首圖：ELG21/Pixabayc