陈鹏飞：生命在宇宙中穿行 艰难而顽强
【编者按】疫情之下，“复旦通识”组织“学人疫思”系列，复旦大学通识教育中心邀请不同学科的教师撰文，从各自的专业领域与学术兴趣出发，对疫情展开不同角度的讨论，进行跨学科的深入解读和分析。不仅止于复旦的教师，该系列也会向其他高校的教师、学者约稿。本文作者系南京大学天文与空间科学学院陈鹏飞教授。上世纪60年代，美国天文学家德雷克提出过一个著名的公式，用来估计宇宙中存在智慧生命的数目。按照他自己的估计，仅仅银河系中就应该有大约1万个孕育了高等生命的星球。要知道宇宙中存在几千亿个像银河系这样的星系，我相信绝大多数人会认为德雷克过于乐观。于是后人对这个公式不断改进，最保守的估计都预言宇宙中大约在1万5千个星球上存在能够跟外界通讯的高等生命。然而，经过几十年的努力，天文学家们却发现宇宙远远没有德雷克想象的那么热闹，迄今为止人类依然是我们认知范围内的唯一智慧生命。回顾一下生命的历程，我们就会知道高等生命的诞生远比我们想象的要困难得多。
在46亿年8千万年前，我们现在所在的太空疆域还没有太阳，也没有绕着太阳公转的八大行星，有的只是弥漫稀薄气体，主要是氢，还有小部分氦。就在距离这个位置1000光年附近，有两颗相互绕转的中子星越靠越近，并最终合二为一。在银河系里面，这个距离实在是太近了，要知道银河系的直径超过10万光年啊。这是一次惨烈的碰撞，在一秒中释放的能量相当于太阳在一万亿年里释放的总能量。这次电光火石般的碰撞就像一个炼金炉，产生了大量的金和银，还有其它我们体内必需的一些微量元素。当然，这些化学元素那时是以尘埃的形式混在弥漫的氢气里。
双中子星并合过程（Alan Stonebraker提供）
8千万年后，依然是在离我们不远的地方，太阳的母亲——一颗大质量恒星正在迅速结束她短暂的生命，以一次超新星爆炸的形式壮烈牺牲。爆炸产生的冲击波不断膨胀，挤压着四面八方数光年范围内的气体和尘埃。受挤压的气体逐渐坍缩成团，不断聚集，形成一个个恒星，太阳和她的兄弟姐妹就这样诞生了。在我们太阳系的位置，99.86%的气体和尘埃汇聚成了太阳，剩下的0.14%则形成了众多行星。不久，地球的前身和另外一颗火星大小的行星西娅发生了一次摧枯拉朽式的碰撞，西娅的大部分物质融入到地球，小部分便形成了月亮。而正是有了月亮的存在，我们地球的一年四季才得以维持稳定。那时候，地球上氧气和水都非常少，火山和地震频发。很可能是一些时不时撞击地球的彗星为我们带来了大量的水。27亿年前，地球上的蓝藻菌不知疲倦地进行光合作用，在空气中产生大量的氧气，这才有了24亿年前的寒武纪生命大爆发。待到2亿4千万年前，恐龙开始主宰地球。若不是6千5百万前一颗大约15公里大小的小行星撞击墨西哥湾，估计现在的地球依然是恐龙叱咤风云的疆场。正是恐龙的灭绝，几百万年前南方古猿才能在非洲出现。30万年前才演化出了智人。
人类的诞生实属不易，而诞生之后生命的维持更是举步维艰。和人类以及其它870万种生物一同生活在地球上的还有各种各样的病毒。我们常以为人类是地球的主人，但至少在数目上，我们就难以跟病毒相提并论。全世界70亿人手拉手串起来，总长度也不过百万分之一光年，而世界上所有的病毒首尾相连的话，其长度超过几亿光年。人类的文明一直在各种病毒和自然灾害中艰难前行。
十四世纪中叶鼠疫泛滥，几乎让欧洲人口减少一半。十六世纪从欧洲传到美洲的天花病毒让强大的阿兹特克帝国土崩瓦解。在我国古代也一样，“十年一大疫，三年一小疫”，病毒的侵害严重影响了人们的生活，甚至导致朝代的兴衰与更替。鼠疫不仅加剧了伟大的唐王朝由盛转衰，也加剧了明朝的灭亡。即便在过去的二十年里，非典、埃博拉和新冠病毒等等各种病毒相继来袭，给全球化日益加深的地球村带来了一波又一波的阴影，甚至成了国家之间相互攻讦的借口。
把眼光放远一点放大一些，人类面临的危险岂止是几十纳米大小的病毒啊！通过惨烈方式创造地球的宇宙依然充满了恶劣的环境。每一年都有大量陨石撞击地球，加起来重达上百吨。当然，这些陨石大多只有砂砾大小，越大的陨石撞击地球的几率越小（如下图所示）。即便如此，大约每两百万年就会有一次导致全球性灾难的撞击事件发生，而区域性的灾难则更为频繁。
不同大小的陨石撞击地球的几率分布
太阳为我们的存在和繁衍提供了恰到好处的光和热，为动植物的生长提供了源源不断的能量。然而，太阳大气中也存在各种爆发现象，强烈的太阳耀斑在几十分钟内释放出千亿颗原子弹的能量，它伴随的日冕物质抛射向太空抛射出数十亿吨的物质，以上千公里每秒的速度运动。一旦撞击地球，太阳爆发活动会对地球附近的空间环境产生严重干扰。虽然我们有地球大气和磁场的保护，扰动剧烈时人类的生活仍然会受到强烈冲击。最著名的例子便是1859年9月1日的卡林顿耀斑事件，它抛射的物质和冲击波17小时后就到达地球，地球磁场剧烈变化。极光本来只有在南北极区才出现，而那一晚在我国的华北地区都能看见，纽约市的极光明亮得足以在晚上看报纸。那时候没有太多高科技电子设备，长距离通讯以电报为主。强烈的地磁扰动导致通讯电线电流剧增，一些电报员甚至触电。即使他们把电源关闭后，电报机依旧可以发送电报。有学者估计，如果那次太阳爆发事件发生在现代高科技时代，互联网可能全部瘫痪，负责通讯、导航和遥感的很多卫星可能报废，人类的损失将高达数十万亿元。1989年3月一次弱不少的太阳爆发让加拿大魁北克省一座水电站的变压器烧毁，北美6百万人在严寒中度过了9小时。跟陨石一样，越强烈的太阳耀斑和日冕物质抛射发生的几率越小。通过开普勒望远镜对8万3千颗和太阳相似的恒星进行120天的观测，太阳物理研究人员在2012年得出结论，在太阳这样的恒星上每5千年可能会发生一次比1859年的卡林顿事件强1千倍的超级耀斑。倘若这种超级耀斑发生在太阳上，势必对人类带来重创。在更长的时间尺度上看，太阳的亮度也在逐渐升高，十亿年后将升高约10%，那时候除了南极以外地球上任何地方都不会有水，人类几乎无法在地球上生存了。
除了短时标的太阳爆发和长时标的太阳增亮外，高能宇宙射线无处不在，时时刻刻如暴风骤雨般轰击着宇宙的每一个角落。而曾经为地球提供金银等稀有金属的恒星死亡和中子星并合现象，将来也许会再次发生在距离太阳系不远的地方。无论是这些曾经为地球上生命的诞生提供了条件的天体爆发过程，还是为地球提供过水源的彗星撞击，都可能给人类带来灭顶之灾。
黑子数在1700-2014年期间的演化曲线，红点对应公认的流感爆发事件起始时间，蓝色菱形对应疑似流感爆发事件起始时间。（改自天津市疾控中心曲江文博士2016年发表在《医学病毒学综述》上的文章。）
非常有意思的是，同样是可能给人类带来致命危害，微观尺度的流感病毒和宏观尺度的天体爆发现象之间似乎还存在一些联系。英国研究人员奥普-辛普森在1978年撰文指出，1920年到1970年期间的流感大爆发大都发生在太阳黑子数最多的年份。之后陆续有研究表明流感大爆发有一个大约为11.3年的周期，这与太阳活动周期高度吻合。我国研究人员曲江文博士也于2016年在英文期刊《医学病毒学综述》上发表文章，指出流感大爆发一般发生在太阳黑子极大和极小年附近，如上图所示。有趣的是，这次新冠肺炎大爆发也正好发生在太阳黑子极小年。当然，相关性不一定意味着因果性。不过，倘若这种相关性确实来自于因果性，一些可能的生理和物理机制也是可以设想的：（1）太阳活动影响太阳光强度，从而改变人体皮肤合成维生素D的数量，进而调制人体免疫能力；（2）太阳爆发活动会产生高能粒子，而太阳活动减弱会让更多宇宙射线进入地球大气，这些都可能导致病毒发生基因突变；（3）太阳爆发扰动地球磁场，导致携带病毒的候鸟改变迁徙路径；（4）太阳爆发将太空中彗星遗迹残留的病毒带入地球大气。即使是属于有争议的话题，这些可能性都值得大胆设想，小心求证。
美国宇航局旅行者号飞船于1990年抵达土星附近时回望地球拍下的照片，其中白圈中心的淡蓝小点就是地球。
三十年前，旅行者号飞船到达土星附近时回望地球，透过土星环拍下上面这张让天文学家卡尔·萨根激动万分的照片。地球，我们全人类的家园，只不过是一个淡蓝小点，不同的肤色信仰都汇聚在这阳光下的一粒微尘之中，所有的权力和财富都不值得炫耀。何况太阳终究将消亡，如果找不到新的居住行星，地球上的人类也将消亡。然而，一切存在不会因为终将消亡而失去意义；让每一个存在的个体活得有尊严是政府、企业家和学者需要共同回答的问题。作为一个命运共同体，人类在历史长河中不得不面对来自微观病毒和宏观天体的威胁。信仰可以不同，制度可以不同，但人类的前进方向是相同的。我们需要再次打开潘多拉的盒子，把遗漏在盒子里的希望释放出来，把之前跑出来的灾难、瘟疫和仇恨关回到盒子中。
（“复旦通识”系列专题的内容由复旦大学通识教育中心组稿。）
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