是什么条件允许了生命的出现？

宜居带：热与冷之间的脆弱平衡

液态水，生命不可或缺的条件

我们的银河系约有2000亿颗恒星，统计告诉我们它包含2万亿颗行星。这似乎足以说明生命肯定在这些数十亿颗恒星的宜居带中的许多地方找到了发展的场所。然而，必须满足如此多的有利条件，这极大地限制了可能性。

第一个不可或缺的条件是液态水的存在。水在物质宇宙中很丰富，宇宙由74%的氢、24%的氦、1%的氧组成，所有其他元素加起来只占普通物质的1%。

液态水的生化作用

科学家认为液态水因其在生化反应中的作用而至关重要。它甚至被认为是可行生态系统不可或缺的元素，因为它极大地促进了生化活动所需的物质运输。

因此，行星必须拥有液态水并将其保持足够长的时间——数十亿年——才有机会保存生命。没有人知道生命是如何出现的；从无生命到有生命的过渡仍然是一个谜，但我们在我们星球上观察到的生命基于溶解在液态水中的碳化学。

水溶液中的碳化学

如果生命存在于其他地方，它必须基于碳化学。生命没有走硅的道路，硅在地球上比碳丰富得多。

专家们试图想象碳化学之外的生命，所有人都说这要复杂得多，因为碳（C）是有机化合物的基本成分。它是众多化合物的基础，并与其他原子结合得非常好，特别是与氢、氧、氮、磷和硫。

表面水的难以保存

由于在宇宙中水分子（H²O）无处不在，所有行星都必须有一些。困难在于将表面水以液态保持数十亿年，为此宜居行星必须满足非常多的有利于其稳定性的条件。

因此，行星必须保持在宜居带的轨道上。

宜居带有多大？

数值模型显示，如果我们将地球从太阳移开12%，它将只接收太阳热量的79%。在那个位置，气候失控，地球在几十年内很快被冰覆盖。然而，尽管太阳热量不断演化，地球一直适宜居住。

起初太阳比今天暗25%，然而地球表面一直有液态水，平均气候比今天更温暖。这就是暗弱年轻太阳悖论。

暗弱年轻太阳悖论

这个1972年的古老谜题由天文学家卡尔·萨根（1934-1996）和乔治·马伦提出。它发生在地球形成初期的地质层中发现液态水和细菌生命的证据时。萨根和马伦当时提出，由于铵和甲烷，一定存在比今天强3倍的温室效应。

由于这种原始温室效应，地球能够保留年轻太阳发出的微弱热量。随着太阳越来越亮，碳酸盐-硅酸盐循环接管了稳定地球气候的任务。

宜居带的界限和水的丧失

如果行星能够稳定其气候，宜居带的上限后退到1.6 AU。宜居带的内限由计算机模型计算为5%（0.95 AU）。在那个位置，离太阳更近，气候系统失控。温度升高，温室效应增强，海洋蒸发。水分子的键在大气中被破坏，非常轻的氢消失在太空中。渐渐地，行星失去了所有的水。

因此，地球只能在0.95到1.65 AU之间在其表面保持液态水。它需要在这个区域停留很长时间才能允许生命的进化。正是由于碳酸盐-硅酸盐循环和板块构造，地球才能保持其大气。

碳酸盐-硅酸盐循环与板块构造

碳酸盐-硅酸盐循环，地球的恒温器

碳酸盐-硅酸盐循环在长期调节地球气候中起着关键作用。这个循环始于大气中的CO2溶解在雨水中，形成碳酸（H2CO3）。这种风化的产物随后被输送到海洋，海洋生物用它们制造碳酸钙壳（CaCO3）。当它们死亡时，这些生物在海底积累。板块构造随后在俯冲带回收CO2，通过火山喷发以气态形式释放到大气中。没有这种火山释放，大气中的CO2将在约40万年内耗尽。当火山CO2再次被雨水溶解并输送到海洋深处时，循环继续。这个过程对地球"气候机器"的运作至关重要。

不可或缺的板块构造

总之，为了保持水的液态，需要一颗具有强烈地质活动的活行星。然而，板块构造现象在太阳系的其他行星上不存在。似乎如果行星太小如火星，它就不能有板块构造，但如果行星更大（超级地球），对流效率较低，只会有一个大板块。然而，与地球大小相同的金星并不受益于板块构造！

注：
恒星周围宜居带，也称为生态圈，是恒星周围圆管形状的理论区域，其中轨道行星的表面温度允许液态水的存在。虽然这个区域可能潜在地孕育生命，但生命发展所需的条件如此之多，以至于概率仍然非常低。

行星保持液态水的天文学条件

行星轨道的稳定性

保持水液态的另一个基本条件涉及行星绕其运行的恒星的天文学特征。这些特征受到60%的恒星是双星系统这一事实的限制，这不利于生命的出现，因为这些系统中行星的轨道往往不规则且混乱。要使行星宜居，其轨道偏心率必须低，接近0（圆形轨道）。地球的偏心率0.01是理想的。相比之下，系外行星的观测显示平均偏心率为0.29，这是相当大的。高偏心率使行星轨道不稳定，使行星暴露于其他行星的引力扰动（雅克·拉斯卡尔的研究），这也影响温度的稳定性。在观测到的太阳系中，很少有像我们太阳系那样近乎圆形的轨道。

恒星的质量，决定性标准

保存液态水的另一个关键条件是恒星的质量。恒星的质量从太阳的约1/100到100倍不等。比太阳质量更大的恒星，在1.2到1.5太阳质量之间，发射过多的紫外线，不利于生命的出现。此外，它们的寿命太短，无法允许生命的发展。

比太阳小的恒星发射大量对生命有害的X射线和粒子。约75%的恒星质量约为0.5太阳质量。这些恒星发出的光很少，使宜居带靠近恒星。由于这种接近，潜在宜居行星通过潮汐效应与恒星同步旋转，导致一面冰冻，另一面灼热。虽然在边界可能存在"温带区域"，但这种情况对于保持水的液态并不理想。此外，在这个距离上，这些行星没有磁场，因为同步阻止了行星核心的差动旋转，使它们更多地暴露于太阳辐射。

总之，0.9到1.2太阳质量的恒星最有利于生命的出现。计算机模拟并不令人惊讶，因为它们模拟了与我们太阳系对应的理想条件。然而，它们帮助研究人员更好地理解生命出现所需的复杂条件。

注：
偏心率定义了椭圆轨道的形状，它在0到1之间变化。圆形轨道为0。高偏心率减小最小轴（近日点）并增大最大轴（远日点），但不改变长轴。

水的状态或相变

纯水的相图

水仅在给定的压力-温度对下以单一形式存在。下面的相图总结了这些平衡，并突出了两个显著的点：三相点和临界点。

水的相

三相点和相变

纯水在特定的压力和温度下以单一相（固态、液态或气态）存在。然而，在三相点，三个相在精确的温度和压力下同时共存。压力-温度对可以对应于相变，即状态变化，如熔化（固态到液态）、凝固（液态到固态）、升华（固态到气态）、凝华（气态到固态）、汽化（液态到气态）或液化（气态到液态）。超过临界点，水进入流体相，在218个大气压和374°C的温度下，它既是气态又是液态。