赵泠 | 科普问答（三）

1、未来，会出现硅碳基结合的生命吗？

大众所称的“硅基生物”往往是“文艺作品里那种有好有坏的人工智能”，呈现“芯片是硅，所以人工智能可以算硅基生物”的不严谨格式。在这种条件下，使用电脑或智能手机的你，就是所谓“硅碳基结合的生命”的简单示例了：未来早就来了，可能性百分之百。

脑袋上佩戴着人工耳蜗之类侵入式脑机接口设备的人，那就更明显了。

人工耳蜗的工作原理是“对位于耳蜗内、功能尚完好的听神经施加脉冲电刺激”。

将一堆生物神经细胞当做湿件接到电路里也是早就做过的事，但效果比机器学习差不少。

2005年，研究人员让“泡在营养液里、与电极接触的数万到数十万个老鼠神经细胞”驾驶X-Plane飞行模拟器中的F-22。三个月后，该湿件计算机就可以在模拟器里驾驶F-22保持直线平飞穿越相当于极端天气的模拟风速了。最终版本包含25000个细胞和60个电极^[1]。

如果觉得只能直线平飞不算是控制，2008年使用30万个老鼠神经元的计算设备操作的机器人表现出更多的能力：

Architecture for Neuronal Cell Control of a Mobile Robot

与“自然选择产生的碳基生物”对等的“自然选择产生的硅基生物”是另一回事：采用“以硅为骨架的大分子”构成生物学身体的生物。那不是人工智能，不是地球生命。我们目前没有见过这样的生物，只是在理论上知道一些替代生物化学（特定温度下的氟化硅酮之类）能支持一些复杂的反应，但那比碳基大分子差得远。“以碳为骨架的大分子和以硅为骨架的大分子共同构成身体的生物”就更别提了。

硅藻、海绵、禾本科植物等地球生物体内有二氧化硅。海绵的二氧化硅骨针作为生物硅有着光纤性质，相当有意思，但那不是什么“硅碳基结合”。

这方面可以参照：

如果这个世界上真的存在硅基生物，那么它们的生存条件是什么？www.zhihu.com

题目在这里突然冒出“人类存在的意义”，大概是最近一百多年间有不少人会去想的“当有一天机器智能可以代替人做一切任务时，人还有什么用”之类老生常谈的问题。这问题其实不太重要。

往好听了说，人可以与机器一起前进，即使走得慢一点也没什么关系。

在打算教给人工智能来防止它们将来毁灭人类的各种概念里，人类的追求被Elierzer Yudkowsky表述为连贯的外推意志，其内容是这样的：

我们的连贯外推意志是我们想要知道更多，思考得更快，变成比我们所希望的更好之人，能一起更远地成长。外推是汇集的而不是发散的，我们的愿望是连贯的而不是被干扰的；我们想要外推的被外推，我们想要解读的被解读。

这里面可没有“我们希望我们有这样那样独特的存在意义”。

往难听了说，你觉得在那之前“人类的存在”就有什么特别的意义了么。

这方面可以参照：

为什么我们需要强调意义，即活得更好？www.zhihu.com

参考

1.^https://research.ufl.edu/publications/explore/v10n1/extract2.html

---

2、遇到下一次物种大灭绝的时候，人类能存活下来吗？

如果题目所称的“下一次物种大灭绝”对标的是地球历史上可能发生过的所谓“五次大灭绝”之类，人类能存活下来的概率极高。其实，现在人类就在主导全新世大灭绝或曰人类世大灭绝，而且正在想办法避免搞死自己。

“五次生物大灭绝”，或曰“五大生物集群灭绝事件”，是大卫·骆普和杰克·塞科斯基1982年发布的论文所认定的：

一、奥陶纪-志留纪灭绝事件

发生在4.45亿年前至4.43亿年前，约27%的科与57%的属灭绝。灭绝的属的数量在五者中排名第三。直接原因是冈瓦纳大陆进入南极地区，影响全球大气环流，导致全球变冷、海平面大幅度下降。

二、泥盆纪后期灭绝事件

发生在3.75亿年前至3.60亿年前，主要影响海洋生物，约19%的科与50%的属灭绝。此事持续时间很长，最近三十年认为可能的生物学原因是陆生植物大量繁育导致地球大气中氧含量增加、二氧化碳大幅减少而进入冰河时期。陆生植物发达的根系深入地表土下数米，加速陆地岩石土壤的风化，将大量的铁等元素释放到地表水，让水系富营养化大爆发，造成海底缺氧。赤潮的大规模沉降进一步将大气层内的二氧化碳批量送入海底沉积层，加强了全球变冷。

三、二叠纪-三叠纪灭绝事件

发生在2.5亿年前，是五者中灭绝的属最多的。许多动物的整个目或亚目全数灭绝。约57%的科、83%的属（包括53%的海洋生物的科、84%的海洋生物的属、约96%的海洋生物的种、约70%的陆地生物的种）灭绝，也是唯一一次对昆虫造成一定损害的。对植物的影响较小，但舌羊齿几乎灭绝，新植物类群开始占优势。可能成因是西伯利亚大规模火山喷发造成附近浅海的可燃冰批量释放甲烷，还有盘古大陆形成对全球大气环流与洋流系统的改变。

四、三叠纪-侏罗纪灭绝事件

发生在2.0亿年前，约23%的科与48%的属（包括20%的海生生物科与55%的海生生物属）灭绝。一般认为是大规模火山爆发引起可燃冰以下略所致。

五、白垩纪-古近纪灭绝事件

发生在6600万年前到6500万年前，约17%的科、50%的属灭绝，灭绝的属的数量在五者中排第四，但由于完全毁灭了非鸟恐龙而名声大噪。一般认为是发生在墨西哥尤卡坦半岛的希克苏鲁伯陨石撞击所致。

我们可以看到五次大灭绝的共性：

通过遮光或低温来压制光合作用，打击光合生态系，让营养级高的物种崩盘。

对化能生态系的效果很弱。

对昆虫的效果有限。

现代人平均营养级2.21，比一般顶级捕食者的5.5低多了。维持人类物种延续不需要多少人口，完全可以在有限数量的掩蔽所里搞点化能合成生产者或人工光照下的光合生产者来吃，靠水·风·潮汐·核·化石燃料·新死生物质·挂在平流层顶的光电之类供能培养或在黑暗中让它们自己玩，整点催化剂、适宜浓度的电解质之类帮忙。一些蓝菌在光照下和黑暗中都可以生产有机物，每天都能收获。以上五次大灭绝的机制看起来都不足以消灭人类。

如果和上面五个大灭绝同等的灾难同时发生，来势最快的还是陨石撞击，巨大火山喷发有数十年的预警期，直径10千米程度的小行星最不利的场合预警期就一个月，人类只能做少量准备、在偏转成功或撞击发生后继续施工准备迎接火山。按照最近几十年对大灭绝最夸张的描述，和上面五个大灭绝同等的灾难同时发生，可以让全球基本黑夜的状况持续四十万年，但即使如此赤道·两极仍有允许低水平光合作用的光照。不那么夸张的推断会缩短到两万年以内。

一部分火山如果位置距离海面较近，可以尝试将海水灌进其内部为它降温来阻止喷发。当然这有可能当场引起小规模喷发。

蓝菌和植物在大灭绝里发挥的影响可以被人类选择性抵消。而且既然白蚁之类已经在地球上了，植物没什么道理再引起全球变冷。实际上，有学者认为第四纪冰川的威力不亚于上面提到的全球变冷，但地球生物圈并未再蒙受历史上那样大的损失。

“第六次物种大灭绝”，全新世大灭绝，通常从人类文明诞生开始算起，也有科学家提倡从第四纪灭绝事件开始算起，还有科学家提议改从1950年进入人类世算起、称为人类世大灭绝。一些科学家估计在20世纪有200万个物种实际灭绝，根据物种面积曲线估计，峰值速度是每年14万个物种灭绝^[1]。一些研究认为，自人类文明诞生以来，83%的野生动物生物量、50%的野生植物生物量已经被人类摧毁。

但是，即使用每年14万个物种灭绝来计算，一些学者提倡的“目前的物种灭绝速度是地球历史上最快的”也明显是假命题——我们搞灭绝的大部分物种是雨林特有种，这能快得过希克苏鲁伯陨石击中尤卡坦半岛么。

在远古时的雨林里发生的大规模生态崩溃，往往留不下多少化石记录的。

本次大灭绝“可能造成的影响”目前只能模糊地预测：

E.O. Wilson认为，按照现在人类破坏环境的速度，在公元2100年之前，地球上现有的一半物种会灭绝。

关于地球上新物种的形成速度，不同学者的观点有很大差异，有的认为每年约2~3种，有的认为每次大规模灭绝事件都会引起更大规模的种化、增加物种多样性，人类掀起的灭绝速度如果有每年2万到14万种，地球生物的种化速度将逐渐加快到每年4万到18万种以上。100年后，人类可能会被自己创造的数百万个新物种簇拥，这是地球历史上最快的物种形成速度——你可以称之为“人类世大爆发”。

无论如何，学者们已经肉眼观看了北美苹果蝇、意大利麻雀、黄花约克麦草等新物种在他们身边自然诞生，欧洲杜鹃和北美杜鹃的杂种在荒地上蓬勃生长，北美野牛和家牛的杂种、马鹿和梅花鹿的杂种都可以产生可育后代。在一部分脊椎动物中观察到在仅仅3代内出现生殖隔离的现象。珊瑚礁大面积白化、死亡，海藻林逐步后退，而水母、栉水母、海绵在增加，大海呈现梦回寒武纪的趋势。看起来，不但人类可以存活下来，而且会有许多物种集结在人类周围。

参考

1.^S.L. Pimm, G.J. Russell, J.L. Gittleman and T.M. Brooks. The Future of Biodiversity. Science. 1995, 269: 347–50.

---

3、假如海洋中的藻类因为人为因素被杀死，对人类有什么影响？

在氧气方面没有影响。“氧气罐会成为刚需、制造氧气的原料会成为战略物资”的情景只能在梦里见到。

地球大气里现存的氧气相当之多，按照 Walker, J. C. G. 的估计有1.4E18千克，这是14后面有17个零的数字；每年，地球生物圈和大气圈·水圈·岩石圈交换约3E14千克氧气；在地球生物圈完全不进行产氧光合作用且维持现有呼吸作用率的情况下，大气里现存的氧要等五千年^[1]到两万五千年才会耗尽。将比较敏感的人憋死至少要将大气氧浓度从现在的21%降到18%以下，起码七百一十四年。

“海洋藻类全灭”无法停止所有产氧光合作用，而又减少了地球生物的总呼吸作用率，你实在无法期待它在这方面有什么效果。

不过，海洋藻类的环境耐性远远超过动物，大海的规模也过于巨大，现实中你这所谓“人为因素”必须连人类都消灭干净许多次才能指望干掉海洋藻类。更糟糕的是，就算费了这么大力气，你也无法阻止光合细菌接替藻类空出来的生态位——当然，由于动物已经提前死光了，你可以期待大气含氧量上升。

地球大气里的氧气主要来自浮游光合生物中的色藻和蓝菌。蓝菌是细菌，不是藻类。

光合色藻现在分类到色藻界和古虫界，硅藻和双鞭毛虫门（甲藻）提供了色藻主要的光合作用氧生产量，随季节变化占全球光合作用氧生产量的20%^[2]到50%。

蓝菌 Prochlorococcus 每年的活细胞数量随季节变化在2.8E27~3.4E27个^[3]，约1.71亿吨碳。此物种随季节变化提供全球光合作用氧生产量的13%到48%^[4]，与另一种蓝菌 Synechococcus 提供了约一半的海洋碳固定量。

如果要求人类只靠技术产生氧气，将人类文明的总功率拿出约十分之一来制造氧气，效果就会超越地球生物圈的光合作用氧生产量，而且这个工程并不会很花时间去准备。人类文明的总功率还在成长，将今后新兴建太阳光发电、氢能源、裂变核能之类产业的生产路径改动一下就能产生巨大的氧气生成量，无需专门改动现有产业。

“制造氧气的原料”是水和包括太阳辐射在内的能源，并不是什么需要“囤积”的物资。当然，你可以期待中国工业的一部分过剩钢铁加入聚光结构。

总之，由于人类在这方面的能力强于地球生物圈的其余部分，无论经过多久，这件事都不能导致人类被“憋死”，但这件事的存在本身将产生逻辑矛盾。

参考

1.^Walker, J. C. G. (1980) The oxygen cycle in the natural environment and the biogeochemical cycles, Springer-Verlag, Berlin, Federal Republic of Germany (DEU)

2.^https://www.livescience.com/46250-teasing-apart-the-diatom-genome.html

3.^https://doi.org/10.1073%2Fpnas.1307701110

4.^https://doi.org/10.1126%2Fscience.1118052

---

4、人类未来可以进化到在太空环境中生活吗？

不需要“如果有一天，地球环境不适合人类生活了”这样的前提，我们知道现在就有多种地球微生物能在太空中生存，可以视为“太空生物”。

目前看来，人类与地球微生物有共同起源。既然兄弟物种做得到，就没有绝对的界限阻止人类去做。不过，你很难期待“地球环境不适合人类生活”的时候产生的选择压是“让人类靠肉身飞上太空”而不是“比那早很多年，人类制造的机器就可以抵御太空环境”。

人类可以改造自己的基因来人工进化，或是将身体机械化之类的。那就和环境适不适合没有太大的关系。

卡门线以外的稀薄大气中仍然存在来自地球的微生物。卡门线是公认的外太空与地球大气层的分界线，海拔100千米。一些微生物长期漂浮在48千米到77千米高度的大气中繁衍生息，大气运动可以偶然将其带到卡门线以外。

俄罗斯宇航员发现国际空间站外壳上有来自地球的海洋微生物。运载该舱段的俄罗斯火箭从未在海洋上方低空飞行。宇航员估计，这些微生物是被偶发的气流带到太空并附着到空间站上、在真空中扩增的。

日本科学家将耐辐射奇异球菌放置在国际空间站日本实验舱外3年，实验结果显示，厚度超过0.5毫米的凝结块中的细菌存活了下来。研究人员指出，位于凝结块外表面的细菌死亡，其尸体为下方的活细菌提供了保护。研究人员估计，直径大于1毫米的细菌团可能在太空存活8年，更厚的凝结块可能在太空存活15到45年。这时间跨度允许天体撞击产生的飞溅岩石夹带着微生物在太阳系内传播——而且不需要大块岩石保护微生物。

国际空间站上进行的更多实验证明，比上面那些家伙平凡得多的细菌在聚集成团的情况下可以暴露在太空中长时间生存，例如枯草芽孢杆菌、大肠杆菌。

以光合作用生产有机物的嗜热蓝菌物种 Chroococcidiopsis 可以暴露在太空生存，或许能帮助人类在太空中长期居住。

“从水生生物角度看来，陆地不能呼吸、没有水、充斥着各种尘埃和危险”是主观臆断。现代蓝菌在澳大利亚西海岸上制造的叠层石与有着35亿年历史的化石叠层石形貌如出一辙，显示出蓝菌35亿年来都能在水下、潮间带和空气中生活。

相比之下，动物界的历史很可能不到7.2亿年。

By Didier Descouens - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15944367

2018年，一项研究基于分子钟将地球生命的最后共同祖先（LUCA）生活的年代定到了45亿年前，那时地球的大海还没有形成。你可以预期，那时就是这样的情景：

地球生物的生活区域，一开始就是从地下一直延伸到近地轨道的。

也许一些地球生物已经跟随忒伊亚撞击、后期重轰炸时期飞溅的碎片前往太空，乃至飞出太阳系。

---

5、大爆炸起始于一个奇点，奇点势能被打破，导致能量不断转化为物质演变为宇宙。是什么导致了奇点平衡被打破？

“大爆炸起始于一个奇点”是过时的理论。最近几十年的理论推导和实验倾向于认为，并没有存在过“大爆炸奇点”这样的东西。

大爆炸奇点，或曰初始奇点，无视了量子力学对极早期宇宙的深刻影响，过于依赖无法准确推测奇点之性质的广义相对论。背景辐射的温度波动约三万分之一，比采用奇点的热大爆炸模型预测的要少两到三个数量级。

二十世纪六十年代，霍金和罗杰·彭罗斯证明，当时空的弯曲足够陡峭，时空会不可避免地坍缩，爱因斯坦方程将会不起作用，需要新的量子引力理论才能解释。彭罗斯-霍金奇点定理表明，时空无法从一个点中平滑而稳定地展开。

大爆炸宇宙论的核心观点是度规膨胀、早期高温态、太初核合成、星系形成，这些是从独立于任何宇宙学模型的实际观测中推导而来，包括而不限于轻元素的丰度、宇宙微波背景辐射、大尺度结构、Ia型超新星的哈勃图。“大爆炸起始于什么”“暴胀存在与否”则是可以被各种替代性理论阐述的。

霍金将费曼的总和历史方法应用于研究宇宙起源，这涉及总和在时空的每一条世界线可能发生的事件，意味着必须考虑宇宙的边界条件，而最特殊的边界条件就是没有边界。1981年，霍金发表了论文《宇宙边界条件》，提议宇宙可能没有边界，即没有起源或终结。1983年，霍金与詹姆斯·哈特尔合作提出宇宙无边界模型：在普朗克时期之前，由于量子力学的不确定性原理，宇宙没有时空边界；在极早期宇宙里只有空间、没有时间，宇宙起源的概念毫无意义。

那之后，霍金多次谈到，宇宙可以通过量子机制整个涌现于虚无之中。

我们可以构建这样的模型：宇宙的总能量是零。
在宇宙的总能量是零的情况下，要平衡恒星的能量，简单有效的方法是抬出引力：引力是吸引的，引力能是负的，你必须做功才能把引力束缚的系统（例如地球和月球）分离开。
但是，地球的引力能不到构成地球的物质粒子的不变质量所对应之能量的十亿分之一。恒星这样的物体会有更负的引力能，恒星的尺寸越小（它的不同部分相互靠得越近），引力能就越负，可是在引力能足以抵消自身的不变质量之前，该恒星就足够坍缩成黑洞了，而黑洞具有正的能量。这导致真空的相对稳定，避免在你脸上随机涌现恒星或黑洞^[1]。
而整个宇宙却能自发涌现。因为引力赋形于时空，允许时空局部稳定且全体不稳定。在全宇宙的尺度下，物质的能量可以被引力能的负能量抵消到零。由此，宇宙可以从无之中自我创生，而不需要一个非常特殊的奇点，或是任何类型的创世者。

过去几十年里，人们已经建立了许多不需要大爆炸奇点的宇宙学理论。

参考

1.^但这并不影响涌现总能量零的东西。已经有人在数学上构建出质量零的虫洞、白洞之类东西。