宇宙的奇迹(上)

有天空，有海洋，还有丰饶的大地，这就是地球，一颗栖息生命的行星。在我们这些生活在地球上的人类看来，这一切都是“理所当然”的。

可是，如果将目光转向宇宙，我们不得不庆幸身处一颗非常独特的行星。地球上能有生命是很多“奇迹”凑巧一同出现的结果。

假如地球上没有“液态水”

按照大多数科学家的观点，有稳定的液态水的存在，至少对于地球上的生命是必不可少的条件。

地球上几乎所有生命的体内60%以上是液态水。据推测，地球上最初的生命就是诞生自海洋（例如深海的热液喷口周围）。也就是说，没有液态水就不可能有生命的诞生。

那么，地球上的生命为什么需要液态水呢？首先，液态水的温度变化范围比较宽。如果生命活动利用的不是水，而是温度稍有变化就会冻结或蒸发的另一种物质，那么，生命活动所需求的温度条件就会非常苛刻。而且，构成水分子的是氧和氢这两种在宇宙中十分丰富的物质，这使得水具有非常优异的品质。

如果没有水，地球上的生命就无法维持。例如，构成生命细胞的那层“细胞膜”，多亏水分子具有“极性”才得以保持稳定的结构。如果没有水分子的这种性质，细胞就会立即解体。

此外，水能够溶解绝大多数的物质。生命活动所必须的那些物质只有溶解在水中才能够顺利地在生命体内移动。维持生命活动的那些复杂的化学反应差不多全都是在水中进行的。

条件之一：必须处在距离太阳合适的位置

那么，一个行星必须满足哪些条件，才有液态水存在呢？

要有液态水存在，地球表面的温度必须是在0~374℃这个范围之内。温度超过100℃，只要压力足够高，水也能够以液体状态存在。374℃是水的临界温度，在这个温度以上，即使增加压力，水也不可能以液体状态存在。

决定地球表面温度的一个重要因素是地球到太阳的距离。距离太阳过近，水会立即蒸发；距离过远，水又会冻结。地球只有正好位于不是太热也不是太冷的一段距离范围，在它的表面上才会有液态水存在。在行星科学中，这个距离范围被称为“宜居带”（有可能存在生命的距离范围）。

不过，地球表面的温度并不是仅仅由它到太阳的距离这唯一的因素决定的。来到地球的太阳光，其中约有30%会被反射，只有70%被吸收。如果云量和冰雪增多，由于白色面积增大导致反射率上升，地球会变得十分寒冷。

地球的大气对表面温度也有很大的影响。大气就像是盖在地球表面的一张毛毯（温室效应），具有保暖作用。据推测，如果没有大气，地球的平均气温会下降到-18℃。目前，地球的实际平均气温为15℃。多亏有大气，地球才得以保持这样的舒适温度。

条件之二：必须是岩石型行星

有液态水存在的第二个基本条件是，行星的类型必须是岩石型。

太阳系内属于岩石型的行星，除了地球之外，还有水星、金星和火星。太阳系不仅有属于岩石型的行星，还有叫做“巨型气体行星”和“冰行星”的另外两种类型的行星。

岩石型行星都像地球这样具有接纳雨水的大地，因而能够有蓄积液态水的表面。在巨型气体行星上却不可能有蓄积液态水的表面。

巨型气体行星，如其名称所暗示的，是体积巨大的行星。比如木星，其直径是地球直径的11倍。巨型气体行星的表层有大气。在这层大气中有一部分区域满足存在液态水的条件。然而这种区域毕竟只是极小的一部分，而且，大气的上层温度很低，下层的温度又非常高，这会引起大气的激烈对流，液态水根本不可能稳定地停留在某个固定的场所。即使有降雨，也会在大气中蒸发掉。

冰行星的表层也有大气。它们的大气中也有一部分区域满足存在液态水的条件。与巨型气体行星一样，在冰行星的大气中也不能有稳定的液态水存在。

根据以上的分析，结论是：只有岩石型行星上才有可能存在稳定的液态水。

条件之三：地球作为一颗行星，大小正好合适

火星虽然也位于太阳系的宜居带内，但是，至少在它的表面没有液态水存在。这是因为火星的大气十分稀薄的缘故。火星的大气稀薄，则是由于它作为一颗行星，体积太小（火星半径只有地球半径的一半）。

一般来说，行星越大，引力（重力）也越大。引力大，行星的大气被强大的吸引力束缚才不容易逃逸到宇宙空间。反之，行星如果很小，引力也会很小。火星表面的引力只有地球表面引力的40%左右，因而火星大气的压力还不到地球大气压力的1%。大气压力低，行星上即使有液态水，也会很快蒸发。

液态水蒸发所形成的水蒸气，受到来自太阳的紫外线照射，会分解为氧和氢。氢是非常轻的元素，更容易逃逸到宇宙空间。失去氢这种构成水的材料，行星上原来的水自然也就随之消失。

体积小的行星，即使原来有水也会消失。不仅如此，小体积的行星还不可能有长时间的火山活动，这也是难有液态水存在的一个原因。

条件之四：太阳的寿命不能太短

前面介绍了行星上面有液态水存在必须满足的三个条件，接下来我们再来介绍具有生命的行星必须要满足的另外两个条件。这两个条件是为了保证行星本身能够存在足够长的时间。

我们知道，恒星也有寿命。中心恒星寿命终结，行星便会随恒星死亡而消失。即使侥幸没有消失，这样的行星紧接着也会完全冻结。显然，行星只有在恒星的寿命期内才会有生命产生。

太阳自诞生以来已经过了46亿年。这样长的时间，足够生命的诞生和进化。地球上存在着生命就是证明。今后大约50亿年里，太阳还能够继续稳定发光。

恒星的寿命取决于它的质量。质量比太阳小的恒星，寿命比太阳长。质量比太阳大的恒星，寿命则比太阳短。比如说质量为太阳质量8倍或更大的恒星，寿命只有数百万年到数千万年。这样的恒星，其一生非常短暂，很快就会发生“超新星爆发”而毁灭。在这一类恒星周围的行星上自然不会有足够的时间诞生出生命。

比太阳质量稍微大一些的恒星，比如质量为太阳2倍的恒星，寿命大概是10亿年左右。在这样的寿命期内或许能够诞生出某种形式的生命，但是，按照地球上生命进化的速度来看，大概很难进化出有智慧的生物。

条件之五：地球的公转轨道必须保持稳定

一颗行星能够存在足够长时间的第二个条件是它的公转轨道必须保持稳定。太阳系内各个行星的公转轨道都近似为正圆，天文学家曾经以为凡行星都应该是这样。

然而，近十几年来，在太阳系外已经发现了不少行星（系外行星），它们当中有的公转轨道完全出乎天文学家的意料。例如有一颗巨大的行星，它的公转轨道是扁长的椭圆，简直就像太阳系里哈雷彗星的轨道。

行星受到的最大引力来自中心恒星。但是，各个行星之间也会互相施加一定的引力。行星之间施加引力的效应是扰乱行星的公转轨道。太阳系里这些行星的公转轨道最终也会变得混乱而不稳定。不过，这将会是一万亿年以后的事情。

行星越大，它们扰乱公转轨道的效应就越大。在计算机上进行的模拟实验表明，一个行星系统中如果只有一个或两个巨型行星，其他行星的轨道还不至于很快被扰乱。但是，如果有三个或三个以上的巨型行星，那么，经过很短的时间，行星的轨道就会变得混乱不堪。行星轨道变乱的时间和程度同行星的大小和行星轨道之间的距离有关。以太阳系为例，假如木星、土星和天王星各自的大小是木星实际大小的2倍的话，那么只需经过1000万年，太阳系里行星的轨道就会变得十分混乱。

先是巨型行星之间互相影响，轨道变乱。于是，它们有可能来到太阳系的内侧，比如说从地球的近旁通过，从而扰乱地球的轨道。根据通过地球近旁的不同情况，这种干扰便有可能将地球推向太阳系的外侧。换句话说，在那种条件下，不待诞生出生命，地球早就被移动到了宜居带之外。

前面介绍的这五个条件还只是行星具有生命必须具备的最基本的条件。下期，我们再来介绍除了这五个基本条件之外，地球诞生生命的其他原因。

（阿凡摘编自《科学世界》）