慕尼黑大学土壤微生物学博士后研究员丹尼尔·布雷迪·米尔斯，宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学教授杰森·赖特，宾夕法尼亚州立大学地球科学教授詹妮弗·L·麦卡拉迪在对话网站上发表文章，围绕“困难步骤”模型（hard-steps model）展开，探讨类似人类智慧的生命是否极其罕见，还是更可能是进化的必然结果。

一种流行的进化模型认为，人类在地球上的进化是一种可能性极低的事件，因此，外星智慧生命的存在几乎可以忽略不计。

然而，作为研究生命与地球相互影响历史的专家，我们认为，生命与地球表面环境的共同进化可能以一种方式展开，使得类似人类智慧的进化起源比普遍认为的更加可预见，甚至是更可能的结果。

“困难步骤”模型

20世纪一些最伟大的进化生物学家，曾明确否定地球之外存在类似人类智慧生命的可能性。

这一观点扎根于生物学，并在1983年得到了物理学的独立支持。当时，理论物理学家布兰登·卡特发表了一篇影响深远的论文。

1983年，卡特试图解释他所称的一个“惊人的巧合”：太阳的预计寿命约为100亿年，而地球孕育出人类所花费的时间（约50亿年，四舍五入计算）与之相近。

他提出了三种可能性。一种是，像人类这样的智慧生命，在行星上通常会以地质时间尺度衡量的“极快”速度出现，可能仅需数百万年。

另一种是通常会在类似地球的时间尺度上进化。最后一种可能性是，地球是一个特例——通常情况下，这种生命形态的形成需要更长的时间，比如数万亿年。

卡特首先排除了第一种可能性，因为地球上的生命花费的时间远远超过了几百万年。他又排除了第二种可能性，认为这种巧合的概率极低，因为主导太阳寿命的过程——核聚变，与生物进化没有理由恰好具备相同的时间尺度。

因此，卡特得出了第三种解释：人类智慧生命的进化，通常需要远远超过一颗恒星寿命的时间。

为了解释为什么类似人类的生命花费了如此漫长的时间才出现，卡特提出，这一过程依赖于极其罕见的进化步骤，而地球只是极为幸运地完成了所有这些步骤。

他将这些进化步骤称为“困难步骤”（hard steps），并为其设定了两个主要标准：第一，这些困难步骤必须是人类存在的必要条件——也就是说，如果这些步骤未曾发生，人类就不会存在。第二，这些困难步骤在可用时间内发生的概率必须极低，通常需要接近100亿年的时间才能完成。

困难步骤是否存在？

物理学家弗兰克·蒂普勒和约翰·巴罗预测，困难步骤在生命历史上只能发生一次，这一逻辑来源于进化生物学。

如果某个对人类存在至关重要的进化创新，在可用时间内极不可能发生，那么可能只会发生一次。

然而，既然人类存在，至少发生了一次。

例如，真核细胞的起源是科学家提出的最著名的困难步骤之一。由于人类是由真核细胞构成的，如果真核细胞从未出现，人类就不会存在。

在生命的系统进化树上，所有真核生物都属于同一个分支。这表明，真核细胞的起源仅发生过一次，这与其极低的发生概率相吻合。

另一些被认为是“困难步骤”的候选事件——生命的起源、能够产生氧气的光合作用、多细胞动物的出现，以及类似人类的智慧——都表现出相同的模式：都仅限于生命进化树的单一分支。

然而，进化生物学家和古生物学家基拉特·弗梅伊认为，还有其他方式可以解释这些进化事件为何似乎只发生过一次。

这种表面上看似唯一性的模式可能源于信息丢失，而这可能是由于物种灭绝以及化石记录的不完整性。例如，这些创新或许曾多次独立演化，但最终只有一个实例存活至今。

那些已经灭绝的例子可能从未形成化石，或者古生物学家尚未在化石记录中识别出它们。

另一种可能性是，这些创新确实只发生过一次，但原因在于只能发生一次。例如，第一个实现这些进化创新的生物谱系，可能迅速在资源竞争中战胜了其他类似的生物，导致其他谱系失去生存机会。

或者，最先实现这些创新的生物可能极大地改变了全球环境，使得其他谱系无法再进化出相同的特征。

换句话说，一旦某个谱系出现了某个关键进化步骤，随之发生的化学或生态环境变化可能阻止了其他谱系在相同方向上的演化。

如果这些替代机制可以解释这些进化事件的唯一性，那么实际上就不属于“困难步骤”。

但如果这些步骤都不是“困难步骤”，那么为什么类似人类的智慧没有在生命历史的更早阶段出现呢？

环境演化

研究地球远古环境的地球生物学家可以轻松列出许多理由，解释为什么智慧生命没有在更早的地质历史中进化出现。

例如，在地球历史的90%时间里，大气中的氧气含量都不足以支持人类的生存。同样，在地球历史的50%时间里，大气中的氧气含量甚至不足以支持现代真核细胞的存在。

所有被认为是“困难步骤”的进化事件，都有其特定的环境要求。在地球刚形成时，这些条件并不存在，而是随着地球表面环境的变化才逐渐出现的。

我们认为，随着时间推移，地球在物理和化学层面发生变化，使得表面环境能够支持更多种类的生命栖息地。这些变化是在地质时间尺度上发生的——以数十亿年为单位。

因此，这些被认为是“困难步骤”的进化事件之所以发生在特定的时间点，而不是更早，就是因为地球的环境条件直到那时才满足了需求。

从这个角度来看，人类之所以在这个时间点出现，是因为地球直到最近才变得适合人类生存。卡特在1983年并未考虑这一因素。

未来研究方向

然而，真正的“困难步骤”仍然可能存在。那么，科学家如何验证它们的存在？

地球和生命科学家可以合作，确定地球表面环境在何时首次具备了支持每一个“困难步骤”的条件。此外，地球科学家还可以预测地球在未来能维持适合各类生命生存（如人类、动物和真核细胞）的环境多长时间。

进化生物学家和古生物学家，可以更精确地界定每个“困难步骤”在历史上究竟发生过多少次。如果某些步骤真的只发生过一次，他们可以进一步研究这种唯一性究竟是源自生物进化的极低概率，还是受到环境因素的影响。

最后，天文学家可以利用太阳系外行星的数据，来判断适合生命生存的行星在宇宙中有多常见，并研究这些行星上是否具备被认为是“困难步骤”的关键条件，例如能够产生氧气的光合作用和智慧生命的进化。

如果我们的观点是正确的，那么地球和生命的共同演化方式可能是生命宜居行星的典型模式，而不是像“困难步骤”模型所预测的那样罕见且难以重复。

这样一来，类似人类的智慧可能是地球进化的预期结果，而不是宇宙中的一个偶然现象。

来自不同学科的研究者——从古生物学家、生物学家到天文学家——可以携手合作，更深入地探索智慧生命在地球及宇宙中演化的概率。

如果类似人类的生命比“困难步骤”模型预测的更容易进化，那么科学家在未来发现外星智慧生命的可能性就会更高。