大爆炸到文明:10个惊人的起源事件

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大爆炸到文明:10个惊人的起源事件。宇宙|恒星---


罗杰·布里格斯是《文明之旅:我们如何到达这里的科学》 (柯林斯基金会出版社,2013年)的作者。在他的书中,他以科学证据和怀疑论为基础,提出了宇宙、地球、生命和人类的新创造故事。布里格斯为 LiveScience的专家之声:Op-Ed&Insights 发表了这篇文章。

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大爆炸到文明:10个惊人的起源事件

现代科学的一个无法预知的成就是,它现在可以为人类提供一个连贯的起源故事,这在几十年前是不可能的。随着天体物理学、进化生物学、分子遗传学、地质学和古人类学的新发现,从大爆炸开始出现了一个连续的故事。这既是人类所蕴含的新宇宙论,又是科学的盛大之旅。下面是按照时间顺序排列的10大起源故事。

一、大闪光:宇宙背景辐射的起源。

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当宇宙大约38万年时,它已经冷却到大约3000K,这足够冷却以使电子附着在原子核上并以高激发态形成原子物质。这在可见光范围(典型的激发原子)附近产生了大量光子,这些光子充满了早期的宇宙。随着宇宙和空间本身的扩展,这种光的波长被拉伸到微波范围内,成为Penzias和Wilson 1964年无意中发现的宇宙微波背景(CMB)。

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乔治·加莫曾预测,大爆炸应该产生这样的背景辐射,中巴成为支持宇宙爆炸理论的第一批证据之一。自那时以来,利用天基仪器如COBE,WMAP和现在的普朗克航天器对CMB进行的研究仍然是有关早期宇宙和最深结构的丰富信息源。

二、黑暗时代的终结:第一颗星诞生了。

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在宇宙大爆炸之后大约4亿年的扩张之后,宇宙足够凉爽,以便引力将氢气云聚集成恒星,首次点燃核聚变。来自第一批恒星的巨大辐射标志着黑暗时代的结束,并且电离了附近的氢气云。这种再电离是第一颗恒星的指纹,可以在类星体的光谱特征,CMB的极化和氢的21厘米发射线中看到。

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第一颗恒星的诞生标志着宇宙生命中的一个转折点:从这里起,宇宙呈现出我们今天看到的特征,星系中充满了被行星系统包围的恒星。明星在宇宙中执行一些最重要的工作:他们制造比氢更重的元素,他们创造行星作为他们自己编队的一部分,他们为这些行星提供能量,就像我们自己的太阳为我们做的那样。

三、太阳系形成:不寻常还是不合?

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像太阳这样的黄色,G级恒星在整个宇宙中都是一毛钱,但其中只有一小部分存在为单恒星,并包含像我们的太阳那样的所有92种自然发生的元素。天文学家现在有来自外行星研究的有力证据表明,几乎所有的恒星都将行星系统形成为自己地层的自然部分,这与目前恒星形成的理论是一致的。但到目前为止,观测到的大多数行星系统似乎都是古怪而不适合人类活动的 - 例如,木星的尺寸比水星绕太阳运行的距离要近得多,或者五个行星被装入比水星轨道更小的空间。天文学家还没有看到一个像我们自己一样整齐排列的太阳系,它拥有一个位于液态水和生命的甜蜜地点的岩石。

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地球的情况有多特别?当研究人员估计(PNAS,2013年11月26日),我们的星系中有80亿或90亿颗恒星与类地行星 - 约有5%的恒星 - 估计智慧生命的可能性非常高别处。然而,在地球之外没有发现任何生命或证据,因此陪审团对于地球如何罕见或共同以及独特的人类可能会或可能不会如此独特的问题仍然非常不满。

四、生命的开始。

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古代岩石中碳-12的存在表明,大约38亿年前,地球就开始在地球上生存。这意味着DNA或某种前体分子已经聚集并可能开始其无情的自我复制,推动了生命的进化。但是这样一个脆弱而复杂的分子如何组装?有机分子现在已经在整个宇宙中看到了。它们可以在恒星和气体云的光谱特征中找到,1969年落在地球上的默奇森陨石含有92种不同的氨基酸,大多数从未在地球上见过。然而,从氨基酸到具有提供能量的代谢系统的活生物体,以及存储信息的遗传系统,指导蛋白质的构建,调节生物体的各种功能并复制自身,这些都被封闭在膜中是一个巨大的飞跃。

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生命能从其他地方播种吗?或者,也许这只是偶然发生在某处的分子一起晃动的机会。或者宇宙中是否有一些基本的组织原则可以使事情变得复杂?我们不知道答案,生命的起源仍然是所有科学中最大的奥秘之一。

五、伟大的氧气灾难,雪球地球和真核生物的诞生。

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地球上的生命面临着大约25亿年前最大的生存危机,当时大气层从二氧化碳占优势变为富氧。到目前为止,生命是原核生物,或者像细菌一样,并且在二氧化碳中繁衍生息。但是,光合细菌消耗了二氧化碳并产生了最终充满大气的有毒的氧气。更糟糕的是,大气中二氧化碳的下降使地球陷入了一次巨大的深度冻结,后来被称为雪球地球事件。除赤道附近外,我们的星球完全覆盖着厚厚的冰层,而黑暗海洋中的生物几乎已经灭绝。然而,在这场双头危机中,出现了一种新的,更复杂的生活形式:Eukarya。

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1967年,Lynn Margulis第一次认识到一些原核生物能够通过合作安排合并在一起,她命名为内共生,帮助他们在危机中幸存下来。我们现在明白,动物细胞中的线粒体和植物细胞中的叶绿体曾经是个体生物,然后才被吞噬成为真核细胞器。他们仍然像原核生物一样携带原始基因组。真核生物的出现打开了所有更高生命形式的大门 - 包括我们!

六、为我们幸运:白垩纪 - 第三纪(KT)灭绝。

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近2亿年恐龙统治着地球。然后突然间,大约在6500万年前,它们消失了。这是路易斯和瓦尔特阿尔瓦雷斯的父子,他在1980年首先解释恐龙发生了什么事。他们在6500万年前的岩石中发现了铱薄层,由于铱自然在地球上非常罕见,他们提出它的来源是陨石,此时会撞击地球。他们的理论起初是有争议的,并且有许多怀疑者,但是其他研究人员开始在地球上其他地方的岩石中发现类似的铱层,表明这是一个全球性事件,最后在尤卡坦半岛附近发现了一个流星陨石坑,几乎相同年龄。

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在希克苏鲁伯流星一定是大小为10?15公里,在大约10,000英里行驶时,它的影响,引发了全球性的冬季这是毁灭性的几乎所有陆地植物和动物。但那些埋在地下的小毛茸茸的哺乳动物幸存下来。他们一直生活在恐龙的阴影中,但随着恐龙的消失,他们现在可以茁壮成长。他们成为地球的新统治者。最终,哺乳动物谱系演变为灵长类动物,然后是猿类,然后是原始人类,最后是产生人类的Homo谱系。如果不是因为在六千五百万年前偶然遇到流星,我们是否会来到这里是令人怀疑的。

七、石器工具:智人的出现。

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在大约500万年前,非洲的某些猿猴掌握了正直行走的艺术 - 这些是原始人类。在接下来的几百万年中,他们以非洲猿类走向非洲,至少有7种不同的成员。但是在大约250万年前的某个时候,一条新的血统从南方古猿分支出来。现在叫做Homo属。关于这种分歧如何发生以及何时发生,以及哪些原始种类参与,仍存在相当大的争议。但是最普遍的观点是,如果这个新的血统,以及大约200万年前我们称之为直立人的祖先在东非蓬勃发展并且很快就会开始聚集在欧亚大陆和亚洲,那么智人是第一个成员。

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大约250万年前,石器工具在化石纪录中首次出现在人类早期成员的化石遗迹附近。没有任何其他生命形式曾经制造和使用过石器,并且传承了许多世代的艺术。这是真正的文化的诞生和技术的出现。与工具开发并行的是大脑体积的迅速扩张,最终在约20万年前在尼安德特人和智人中增加了三倍。但是尼安德特人似乎在他们的技术发展中处于停滞状态,而智人继续发展技术,文化和意识,使我们成为地球上的近地质力量。最后,每一个人类的物种都灭绝了 - 除了一个。我们是最后也是唯一幸存的原始人。

八、朋友还是敌人:谁是尼安德特人?

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大概一百万年前,居住在非洲的原始人叫做真人(也称为直立人),开始演变成一种新物种。这是Homo heidelbergensis,可能是人类最直接的祖先。这个新物种的一些成员留在非洲,而其他一些成员退出非洲并进入欧洲,在那里他们出现在大约80万年前的化石记录中。适应更寒冷条件的欧洲海德堡种群在大约40万年前发展成为尼安德特人。

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尼安德特人大胆而聪明,遍布中亚和欧洲,而留在非洲的表兄弟则演变成现代人 - 智人。大约十万年前,人类首次开始离开非洲,并将它们与尼安德特人进行碰撞,首先在中亚和后来在欧洲。他们以尚未完全理解的方式神秘地互动。

最终,约3万年前,尼安德特人撤退到西班牙和葡萄牙,他们最终灭绝。没有真正的证据表明人类杀死了尼安德特人,他们的工具的相似性表明了文化的某些重叠。但最近由马克斯普朗克研究所的SvanteP??bo和他的同事发表的基因组研究表明,今天欧洲血统的一些人携带了4%的尼安德特人DNA,毫无疑问,这两个种群在某种程度上进行了杂交。

九、大跃进——“人类文化的大爆炸”。

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Jared Diamond在他的书The Third Chimpanzee(1992)中推广了这个描述符,Richard Klein在“人类文化黎明”(The Dawn of Human Culture,2002)中称这种现象为“人类文化的大爆炸”。考古学家从工具文化中获得了有力的证据,指出在大约10万年到6万年前人类智能的惊人飞跃。

奇怪的是,遗传学家也发现,大约在这个时候,地球上的总人口数量直线下降,也许只有几千人。目前尚不清楚造成这一人口瓶颈的原因是什么,但不可能忽视73,000年前在苏门答腊岛爆发的多巴山喷发。这是过去三千万年来最大的火山事件,在印度沉积了30英尺厚的灰烬层并引发了可能持续一千年的全球冬季。

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似乎生活在东非的人类在鸟羽事件中幸存下来,是一种新的更好的智人,可能具有口语和它赋予的合作文化的力量。这些新的人类,有时被称为行为上的现代人类,很快就能够离开非洲,并在相对较短的时间内传播到地球上每个可居住的大陆,推动尼安德特人和所有其他原始人类物种灭绝。自大跃进以来,没有其他生物能够与我们竞争。

十、文明的来临。

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200多万年前,我们的祖先是游牧的狩猎采集者。随着地球气候变暖和温和,这在大约11,500年前第一次发生了变化。

中东人开始尝试食用植物,从最好的植物中挑选种子,并将其种植在保护区内。这种称为园艺的园艺要求人们留在一个地方来种植庄稼,而游牧生活方式逐渐被更多久坐的永久性营地所取代。动物也被当作同伴,仆人或食物来源。大约一万年前,考古学记录中出现了像杰里科和卡塔霍伊克这样的大型永久性定居点。这些“原始城市”还不是真正的城市,但更像是混乱无序的村庄集合,几乎没有战争迹象,社会分层,财富,统治者或任何其他级别的地位。但是与大跃进相提并论的人类发展的另一个转变已经存在。

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大约5200年前,第一个城邦首先出现在整个中东的几个地方。考古学记录第一次显示了社会分层的明显证据,并且掌握了几乎所有财富和权力的统治精英。这是文明的到来。

随着写作人类知识的发明可以永久记录和控制。当今世界的大部分特征都出现了,包括中央集权的政府和权力,军事力量和战争,制度化的宗教,父权制,货币制度,贫穷,大规模农业,贸易网络和帝国。文明很快就在包括中国、印度、埃及、秘鲁、克里特岛和墨西哥在内的世界其他许多地方独立出现。在过去的5000年中,除了名称和地点之外,没有什么变化。但是,这种模式是否仍然为我们服务,或者人类正在为新事物做好准备,下一次大跃进?