5.3 在持久的摇摇欲坠状态中保持平衡

三十年前,生物学家请NASA(美国国家航空和航天管理局)将两个无人操纵的探测器发射到最有可能找到地外生命的两个待选星球——火星和金星上,并用探针插入它们的土壤检测是否有生命迹象。

NASA的生命探测器是一个相当复杂、精密而且昂贵的精巧装置,一旦着陆,就能从洒落其上的尘土中找寻细菌生命的蛛丝马迹。说话温和的英国生物化学家詹姆斯·洛夫洛克是NASA聘请的顾问之一。他发现了一个能够更好检测行星生命的办法。这个办法不需要价值数百万美金的精巧玩意儿,甚至都不需要发射火箭。

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洛夫洛克是现代科学研究领域罕见的奇才。他在英格兰康沃尔郡乡下一个灌木篱笆墙围绕的石头库房内从事科学研究,仿佛一位独行侠。他保持着无可挑剔的科学声望,却不隶属于任何正规的科研机构,这在动辄就需要大笔资金的科学界实属罕见。他那鲜明的独立性滋养了自由思想,也离不开自由思想。二十世纪六十年代早期,洛夫洛克提出了一个颠覆性的建议,让NASA探索团队的其他成员都感到不痛快。他们是真想向外星发射探测器,而他却说不必找这个麻烦。

洛夫洛克告诉他们,只需通过一架天文望远镜进行观测,他就能确定某行星是否有生命。他可以通过测量该行星大气层的光谱来确定其气体的成分。包裹着行星的大气组成就能揭秘星球是否存在过生命体。因此,用不着投掷一个昂贵的罐罐穿越太阳系去查明真相。答案他早就知道了。

1967年,洛夫洛克写了两篇论文,预言说,根据他对星球大气光谱的解读,火星上面没有生命。十年后,NASA发射了环火星轨道航天器,再十年后的数次壮观的火星软着陆[1]探测终于明白地告诉世人,火星确实如洛夫洛克预测的那样死气沉沉。对金星进行的类似探测带回来同样的坏消息:太阳系里除地球之外一片贫瘠。

洛夫洛克是怎样知道的呢?

是通过对化学反应和共同进化的研究。火星大气和土壤中的成分被太阳射线赋予能量,被火星核心加热,再被火星引力吸附,历经数百万年进入动态平衡。懂得了化学反应的一般规则,科学家就可以将星球当作一个大烧瓶里的物质来对它们的复杂反应作计算。化学家得出火星、金星以及其他行星的近似反应方程式之后,等号两边基本持平:能量、吸入成分;能量、逸出成分。通过天文望远镜、以及后来的实地采样获得的结果都符合反应方程式的预测。

地球却不同。地球大气中气体混合的路数不循常。经洛夫洛克查明,它们的不循常,是共同进化累积形成的有趣效果。

以氧气为例,它占地球大气的21%,造成地球大气的不稳定。氧气是高活性气体,能在我们称之为火或燃烧的激烈化学反应中与许多元素化合。从热力学角度来看,由于大气氧化了固体表面,地球大气中氧气的高含量理应快速下降才对。其他活性示踪气体[2],如一氧化二氮、碘甲烷也处于异常爬升的水平。氧气虽与甲烷共存,却根本不相容,更确切地说,它们太融洽了,以致于会相互引爆。令人费解的是,二氧化碳理应像在其他行星那样成为大气的主要成分,却仅仅是一种示踪气体。除大气之外,地球表面的温度及碱度也处于异乎寻常的水平。整个地球表面似乎是一个巨大、不稳定的化学变异。

在洛夫洛克看来,似乎有一种看不见的能量,一只看不见的手,将互动的化学反应推至某个高点,似乎随时都会回落至平衡状态。火星和金星上的化学反应犹如元素周期表那般稳定,那般死气沉沉。以化学元素表来衡量,地球的化学性质是不正常的,完全失去了平衡,却充满活力。由此,洛夫洛克得出结论,任何有生命的星球,都会展现奇特的不稳定的化学性质。有益生命的大气层不一定富含氧气,但应该突破规范的平衡。

那只看不见的手就是共同进化的生命。

共同进化中的生命拥有非凡的生成稳定的非稳态的能力,将地球大气的化学循环推至一个洛夫洛克所称的「持久的非均衡态」。大气中的氧含量应该随时都会下降,但数百万年来它就是不降下来。既然绝大多数的微生物生命都需要高浓度的氧,既然微生物化石都已存在亿万年了,那么,这种奇特的不和谐的和谐状态算得上是相当持久而稳定的了。

地球大气寻求稳定的氧含量,与恒温器寻求稳定的温度非常相似。它碰巧使得氧气的平均浓度为20%,按一位科学家的说法「纯属偶然」。低于这个水平是贫氧,高于这个水平就易燃。多伦多大学的乔治·R·威廉斯这样写道:「20%左右的氧含量似乎能够保证某种平衡,在洋流近乎彻底循环的同时,又不会招致毒性物质或可燃性有机物的聚集而产生更大危害。」那么,地球的传感器和温控机制在哪儿呢?那个加热用的炉子又在哪儿呢?

无生命星球通过地质轮回来达到平衡。气体,如二氧化碳,溶入液体并经沉淀析出固体。溶入定量的气体之后达到自然饱和。固体在火山活动中经加热或加压,会将气体释放回大气层。沉降、风化、隆起——所有巨大的地质力量——也如强大的化学作用那样,打断或合成物质的分子链。热力学的熵变将所有化学反应拉到它们的最低能量值[3]。臆想的炉子垮塌了。无生命星球上的平衡不太象恒温控制下的平衡,它更像碗里的水,处在等高的水平;当不能降得更低时就干脆处在同一个水平上。

而地球则是一个恒温器。相互纠缠共同进化的生命提供了一个自主循环的回路,引导地球的化学物质趋向上升的势能。大概要等地球上所有的生命都寂灭之后,地球的大气才会回降至持久的平衡态,变得像火星和金星那样单调乏味。但是,只要生命的分布式之手仍占主导地位,它就能保持地球的化学物质脱离四平八稳的状态。

但失衡本身却是自主平衡的。共同进化的生命产生的持久失衡,自有其稳定之道。洛夫洛克一直致力于寻找这种持久失衡的存在。据我们所知,地球大气中20%左右的氧含量已保持了亿万年之久。大气层像一个高空悬索上摇摇摆摆的杂技演员,而且几百万年来一直保持着那个欲跌还休的姿势。她永不坠落,也永远摆脱不了坠落的趋势,始终处于摇摇欲坠的状态。

洛夫洛克认为这持久的摇摇欲坠状态是生命的显著特征。近来复杂性理论的研究人士也已意识到,任何活系统:经济体、自然生态系统、复杂的计算机模拟系统、免疫系统,以及共同进化系统,都具有摇摇欲坠的显著特征。当它们保持着埃舍尔式[4]的平衡态——处在总在下行却永远未曾降低过的状态时,都具有那种似是而非的最佳特性——在塌落中平衡。

戴维·雷泽尔[5]在他的科普性书籍《宇宙发生说》中辩称,「生命的核心价值不在于它繁殖的不变性,而在于它繁殖的不稳定性。」生命的密钥在于略微失调地繁衍,而不是中规中矩地繁衍。这种几近坠落乃至混沌的运行状态确保了生命的增殖。

少有人注意到活系统的核心特点是,这种似是而非的特质是具传染性的。活系统将它们的不稳定姿态传染给它们接触到的任何事物,而且无所不及。地球上,生命横冲直撞,把势力扩张到固体、液体和气体之中。就我们所知,没有哪块从未被生命触摸过的岩石。微小的海洋微生物将溶入海水的碳和氧固化,生产出一种散布在海床的盐。这些沉积物最终被沉淀性的重量压成岩石。微小的植物性微生物将碳从空气中吸入土壤乃至深入海底,在水下化为石油。生命生产出甲烷、氨气、氧气、氢气、二氧化碳以及其他气体。铁——还有金属富集细菌造出金属矿团。(铁是非生命的典型代表,它由生命产生!) 通过严格的观察,地质学家得出结论:所有露出地表的岩石(或许火山岩除外)都是再循环的沉淀物,因此,所有的岩石都具生物成因的实质,也就是说,在某些方面受生命影响。共同进化生命的无情推拉,最终将宇宙中的非生命物质带入它的游戏之中。它甚至将顽石也变成为映射其婆娑姿影的一部分。

火星登陆探测:在发射了「水手」号探测器的基础上,美国实施「海盗」号火星着陆探测计划,共研制了两个「海盗」号火星探测器。1975年8月20日发射「海盗」1号,1976年6月19日探测器进入了火星轨道,7月20日降落装置在火星表面软着陆成功,进行了大量拍照和考察,在火星上工作时间达6年,于1982年11月停止发回信息。1975年9月9日「海盗」2号发射上天,1976年8月7日进入火星轨道,9月3日降落装置在火星表面软着陆成功,在火星上的考察至1978年7月停止。这两个探测器专门对火星上有无生命存在进行了4次检查和重要的试验。

示踪气体:是在研究空气运动中,一种气体能与空气混合,而且本身不发生任何改变,并在很低的浓度时就能被测出的气体总称。其它示踪气体包括:氟仿、过氧乙酰硝酸酯、二氧化氯、氮氧化物、二氧化硫、氡、汞。由于示踪气体的总量非常小,因此它们的变化幅度可以非常大。目前空气成分变化最大的是二氧化碳,工业化开始后其浓度增加了约40%。

热力学的熵增定律:大多数自发化学反应趋向于系统混乱度增大的方向,即熵增方向。伴随着系统熵的增加,反应体内的能量相应减少。

埃舍尔(M.C.Escher, 1898~1972):荷兰著名艺术家,他以在画面上营造「一个不可能的世界」而著称。在他的作品里展示了深广的数学哲理。一些自相缠绕的怪圈、一段永远走不完的楼梯或者两个不同视角所看到的两种场景——产生出悖论、幻觉甚至哲学意义。

戴维·雷泽尔(David Layzer):哈佛大学天体物理学家。他在1970年代初期明确指出,根据热力学第二定律,在日益膨胀的宇宙中熵会增加,但是由于一些相空间细胞也不断增加,熵的最大极限其增长速度可能超过熵本身的增长。