唯一不变的是变化：万物演化

生命是怎么来的？为什么有如此多的复杂性？其中蕴含哪些机制？这些问题需要进化学（evolution）来解释。大家耳熟能详的“进化”，其实翻译为“演化”更为贴切。英文“evolution”一词，起源于拉丁文“evolvere”，原意是将卷在一起的东西打开，就像大树从主干到分支的开枝散叶。它也指事物的生长、变化或发展，包括宇宙的发展、物质的演变、文化和观念的转变等。“进化”一词隐含着“前进”的意味，无意中加入了主观色彩，而“演化”则是更为客观的描述，无所谓“进退好坏”，自然的鬼斧神工还是不要加上人为的感情色彩更好。但考虑到两种翻译在中文作品中都已广泛使用，并被学术界认可，因此本书中的“进化”与“演化”表达的含义完全相同。与“evolution”非常接近的著名英文词汇是“revolution”，是指反复演化吗？其实它的拉丁词根是“revolutio”，原意为“a turn around”，这个意思与“敢教日月换新天”的革命含义比较相符。在学术上，既要有步步为营循序渐进的“evolution”，也要有打破藩篱不囿于权威的“revolution”。

演化是一个被动的过程，几乎没有生物能够主动选择自己的“变化方向”，自然选择执行了末位淘汰机制，不适合环境的生命个体很难将自己的设计方案传递给后代，而适应环境的个体则有机会将其成功案例复制扩散到后代群体中，假以时日，我们就看到了“存在即合理”的生物们。 流传甚广的表述模式“某生物为了适应某特定环境而演化出某器官或能力”，在本质上是具有误导性的，掩盖了生物演化并非主动的事实。如果仅是出于便于表述的目的，大家可以在听到上述表述时，脑补出本段中彩色字的内容，这些内容才更符合科学的真相。

生命的演化必须结合环境因素去理解。让我们溯源到万物演化的起点，简要回顾宇宙是怎样为生命起源创造了条件，并且不断推动了生命演化的。

宇宙物语

“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。”宇宙是由空间和时间及其内容组成的。宇宙为万物的演化提供了场所、时间以及物质。虽然宇宙的起源距今无比遥远，但科学家们凭借物理学工具和对宇宙的细致观察，依然详细地描绘出宇宙诞生的场景。这些细节甚至比人类对海底的认知都要详细。空间和时间是在（137.87±0.20）亿年前一起出现，从那以后宇宙一直在膨胀。目前可观测宇宙直径约为930亿光年，而整个宇宙的空间大小仍是未知。

上述数据是基于主流的 大爆炸理论 （Big Bang）而得出的，这一理论描述了宇宙如何从高密度和高温的初始状态膨胀成现今的模样，为广泛的观测现象提供了全面的解释（见图1-1）。在大爆炸理论的证据中， 哈勃定律 表明了宇宙正处于膨胀的过程，那么逆时间流而上的宇宙必然是极小的状态。此外，微缩宇宙才能使整个宇宙维持均匀，现今宇宙各处的物质元素分布相同、微波背景辐射几乎不存在差异等都是证据。大爆炸理论中的宇宙之初是一个体积无限小、温度无限高、能量无限大、没有空间、没有时间的奇怪的点。因此，宇宙起点被称为“奇（qí）点”。

奇点是如何开启宇宙历史的？“菩提本无树，明镜亦非台。本来无一物，何处惹尘埃！”（《菩提偈》，惠能）我国古代一些哲学家认为世界的本源是空，是无一物。而现有的物质理论也认为比夸克还小的物质单位有可能是一维振动的弦——弦理论可谓“玄之又玄、众妙之门”。由于未被证实，因此它和平行宇宙等理论成为许多科学幻想作品的灵感来源。爱因斯坦的质能转化方程（ E = mc ² ）将能量和物质关联了起来。核电站的放射性元素损失了质量而产生能量；反之，能量大于1.02 MeV的γ光子从原子核旁经过，受到库仑场作用转变成一对具有质量的正负电子。1.02 MeV即是正负电子的静止能量，其余能量成为正负电子的动能。因此，纯能可以产生物质；奇点拥有无穷能量，有创造万物的魄力！

奇点不明原因地发生了大爆炸，宇宙从此开始计时。宇宙爆炸与通常的物理爆炸不一样，它是宇宙自身结构的极速扩展。从10 ^-36 秒持续到大爆炸后10 ^-33 至10 ^-32 秒之间，宇宙处于暴涨（inflation）时期，宇宙从原子核大小膨胀到太阳系大小，但光传播的距离还仅仅是原子尺度。暴涨之后的宇宙继续膨胀，但速度低得多。物质和能量之间的相互转化一刻不停地发生，纯能量转变为数量相等的正反粒子，数量相等的正反粒子湮灭变成能量。一种尚未被解释的原因使得正粒子的数量略高于反粒子数量的三千万分之一，因此我们这个世界成了正物质的世界。

但随着温度的下降，使用纯能量转变为物质的过程逐渐减少，物质也能稳定存在。10 ^-6 秒，夸克和胶子结合形成了质子、中子，宇宙的温度无法支持新的正反质子、中子的形成，随着正反粒子的湮灭，宇宙中仅仅残留了正质子和正中子。1秒后，宇宙温度连质量为质子千分之一的电子都无法生成了，正电子消耗完所有的反电子，电子数量也稳定了下来。3分钟，宇宙温度降低到无法让质子、中子保持游离状态的程度，重氢原子核（包含一个质子和一个中子）和氦原子核（包含两个质子和1～2个中子）形成。这可以使用 原初元素丰度 的理论和观测来推断。

高温的宇宙使得电子能量巨大，它们自由自在地在空间中高速运动，无法安定地固定在原子核的周围。但这一状态终于进入人类可以触及的领域——等离子体。等离子体能够吸收光子，虽然吸收后又能很快地放出新的光子，但由于粒子众多，光的传播严重受到影响。宇宙成为一锅不透明的等离子汤。每个光子都能按照光速飞奔，但是他们的运行方向却不停地被粒子改向。这样的现象在太阳中也正在发生。

当宇宙继续膨胀到37.9万年，温度降低到终于令电子不再疯狂，安定地与原子核结合成了原子，光子也获得了在空间中穿行的自由，宇宙开始变透明。宇宙大爆炸以来的最后一抹光开始在广袤的宇宙中以光速奔走，但由于宇宙空间膨胀的速度大于光速，这将注定是一段没有终点的追逐。爆炸最后的辉光经过长时间的传播，能量逐渐降低成了2.7开的微波辐射。由于其在宇宙各处都存在，因此被称为 宇宙微波背景辐射 ，成为现今能够观察到的宇宙大爆炸残影。而且该辐射非常均一，温差最大仅约0.000 2开，因此，当《三体》中科学家看到了宇宙微波背景辐射在大幅度变化时，那确实是“整个宇宙为你闪烁”的旷世奇观！

在透明的宇宙中，除了创世的余晖再无其他光芒，这一黑暗时期持续到了宇宙诞生后的2亿年。引力使物质聚拢坍缩，强大的压力和高温将氢原子核无限挤压，最终超出了核与核之间的强相互作用力，“强扭”出了新的“瓜”——氦原子，释放光与热的核聚变开始了。物质在2亿年后将部分能量又还给了宇宙。随着第一颗恒星被点亮，宇宙开始再次有光，直到现在。恒星不仅带来了光，还为宇宙提供了丰富的化学元素，而这些元素的排列组合进一步让单调的宇宙变得更加繁盛。宇宙中恒星总数大约有20万亿亿～40万亿亿颗。经过138亿年的演化，宇宙中不仅有着恒河沙数的恒星，还有能够理解宇宙的智慧生命。当你仰望星空，可以和身边的朋友或爱人发出感慨：“在广袤的空间和无限的时间中，能与你共享同一颗行星和同一段时光是我的荣幸。”（《宇宙》，卡尔·萨根）

地球简历

相比于宇宙演化前期超高温、超高密度、超光速膨胀、能量物质转化等的波澜壮阔，地球演化更容易被人类所理解。在电影《流浪地球2》中，周老师给麦克看的“小白点”照片，是一艘真实的人类航天器——旅行者1号——在1990年拍摄的地球照片。这个放在太阳系中很不起眼的小点，是迄今为止知晓的唯一可供人类生存的星球。

像地球一样的固态行星的出现，暗示着至少有一颗恒星的死亡。恒星工厂通过原子核融合产生了巨大的能量，也构建出了重元素。随着死亡恒星的绝唱——超新星爆发，恒星将元素产品喷射到宇宙中。在恒星死亡的残骸中，引力重新汇聚了物质，点亮了新的恒星，而喷射出去的物质，则凝聚形成了行星、矮行星、卫星、小行星、彗星等。犹如贪食蛇的游戏，有竞争力的“大石块”收纳了轨道范围内的物质，将其变成自身或者成为自身的卫星，自己则成长为独霸一方的行星。

与其他行星的单调外观相比，地球更具魅力，它可以分为5种模式、6个颜色阶段，如图1-2所示。

● 炼狱模式（黑色与灰色）

地球诞生于46亿年前，早期的地球就像是传说中的炼狱：天空中不停地落下陨石，地面上都是烈火——准确地说那时地球都没有所谓的地面，天外来客的不停撞击把星际物质的动能转化为热能，地球成为熔融的岩浆海。这一时期是地球的黑暗时期，不可能有任何生命在这样恶劣的环境中产生。能产生的是地球的“小跟班”——月球。关于月球的起源有众多理论，如分裂理论、俘获理论、同源理论等，但主流观点碰撞理论认为曾有一颗火星大小的天体与地球相撞，肇事双方的物质混合后被抛出，再次聚集后分别形成地球和月球。这与地月组成成分相似的观测结果完美符合 ^[1] 。

经过冷却，熔融地球出现了硬化的地表，依然较高的温度令地球光秃秃的，没有海洋和大气覆盖，地球成了一颗灰色的星球。虽然地球表面死气沉沉，但它仍有一颗躁动的心，地球内部的运动依然没有停止，现今的地球还会时不时地发生火山喷发。然而月球作为地球的双胞胎弟弟，由于体积小、散热快，很快停止了内部的岩浆活动，这种通体冷却的状态可称为星球的“死亡”。嫦娥五号采集的样本展示：在19.6亿年前，月球上仍存在火山活动。这使得月球的地质活跃期比之前的报道延长了10亿年 ^[2] 。

● 水球模式（蓝色）

来自天外的彗星和陨石，以及来自地球深处的岩石成为海洋的源头活水 ^{[ 3 - 4 ]} 。水并非罕有之物，宇宙中含量第一和第三的元素形成的化合物，理应随处可见。人们不仅在月球上发现了冰，也在火星的两极发现了冰，甚至火星南极的冰层下面存在大量的液态水 ^[5] 。在太阳系中，木卫3上的水甚至比地球上的还多。

● 氧化模式（红色）

液态水的存在孕育了地球生命，随着光合作用的出现和普及，海洋中的氧气大量产生，这些氧化性强的氧气并没有直接进入大气，而是先在还原性的海洋中发生了大规模的氧化反应。其中最具代表性的就是把铁氧化成三价铁离子。红色的三价铁离子染红了整个地球上的海洋，“血之海”的壮观景象也被地层中红色的沉积岩所铭记（见图1-3）。在海水中的大规模氧化反应终结之后，氧气才有机会扩散到大气中，使大气中的氧含量上升。

通过观察一个星球的大气，科学家便可推断出该星球是否有生命存在。例如，在宜居的系外行星上同时检测到大量CH ₄ 和CO ₂ ，就是一个可信的生命存在的特征 ^[6] 。2020年，英美团队发现金星大气中有磷化氢（PH ₃ ）分子，从而推断出两种可能：① 金星上存在某种从未被了解的化学反应；② 金星大气中的生命造就了这些气体 ^[7] 。虽然后来这一激动人心的发现被证明是测量错误，但使用大气成分推断生命是否存在的方法是被大家认可的。

● 雪球模式（白色）

地球在成长的过程中也经历过低潮期——全球的低温，整个地球除了赤道外都被厚实的冰盖所覆盖，甚至有时连赤道地区都会出现厚达1千米的冰层。在这样极端的冰封状态下，生命几乎不能存活，这也是地球上的生物集群灭绝（又称大灭绝）时期。“雪球地球”产生的原因可能是光合作用大量消耗温室气体二氧化碳和甲烷，造成全球温度下降，随着冰雪覆盖大片陆地，阳光被冰雪大量反射，进一步加剧了气温下降的趋势，因此降温的恶性循环将地球完全冰封。但危机本身具有双重含义，“危险”之后紧跟着“机会”，在每次冰封结束之后，都会迎来物种的大爆发，“一代新种换旧种” ^[8] 。相对于地球所经历过的骤热骤冷、烈焰与寒冰的交替，如今的气候温和得简直就是天堂。现在我们所担心的全球变暖，在地球漫长的演化长河中，也许并非特别的事情。

● 植物模式（绿色）

5.4亿年前，植物开始登陆，荒凉的陆地上很快被绿色植物所覆盖，登上新大陆的植物们不仅接过海洋藻类的造氧接力棒，继续推高了大气中的氧含量，在石炭纪末期（约3亿年前）达到了35%的最大值；还通过自身对水土的调节能力，造就了一片片适合生命繁衍的新环境。植物对地球的改造，彰显了生命的顽强和多种可能性。

《三体》中有这样一段对话。“生命能存在的环境，各种物理参数都是很苛刻的……这不是表现出明显的智慧设计迹象吗？”反驳者说：“你是不是以为，生命只是地表一层薄薄、软软、脆弱的东西？那你忽略了时间的力量……生命也许不能造山，但能改变山脉的分布……如果没有生命，现在的大气成分……可能已经无法阻拦紫外线和太阳风……所以，现在的地球，是生命为自己建的家园，与上帝没什么关系。”这段非常精彩的描述展现了生命对地球改造的能力，但后面紧接着发问的一句话，才体现了这部雨果奖获奖作品的过人之处——“那宇宙呢？”