从分子到文明
天体生物学家西莉亚·布兰科谈生命如何开始、文明如何延续，以及一个沉默的银河系为何未必空无一物
引言
1950年，在洛斯阿拉莫斯的一次午餐中，恩里科·费米（Enrico Fermi）提出了一个至今仍未得到回答的问题：如果银河系如此古老而辽阔，那么其他文明究竟在哪里？
几十年来，人们的解释大致指向两种可能：要么智慧生命极其罕见，要么技术文明很难长久存在。后一种可能通常被浓缩为一个数字，也就是弗兰克·德雷克（Frank Drake）著名方程式最后的 L，代表一个技术文明能够持续存在并被外界探测到的时间。在这种设想中，文明出现，向宇宙发出一段时间的信号，随后消失，从此归于沉寂。
西莉亚·布兰科近期的研究提出了另一种可能：如果文明并不是只经历一次从兴起到消亡的过程呢？人类历史上的文明曾经兴盛、衰落，也曾在危机之后重新发展。布兰科与 Blue Marble Space 的 Jacob Haqq-Misra 和 George Profitiliotis 以我们自己的文明为对象，模拟了十种可能的未来。每种情景重复运行200次，将时间向前推演一千年。
研究关注的一个重要指标是“占空比”（duty cycle），也就是一个文明在整个生命周期中保持技术活跃状态的时间比例。在不同情景下，这一比例从约0.38到1不等。有些未来始终保持稳定，没有发生崩溃；另一些则反复经历衰退、崩溃与恢复。
对于寻找地外文明来说，这个结果既令人警醒，也带来一种意想不到的可能。如果技术文明并非持续发出信号，而是经历活跃与沉寂的周期，那么寂静的天空并不一定意味着那里什么都没有。我们也许只是没有在合适的时刻看见它们。
同样的逻辑也指向我们自己。此刻的人类文明或许正处于一个能够被远方观察者探测到的阶段，但我们并不知道自己位于这个周期的什么位置。我们是在开端，处于漫长的中段，还是已经接近下一次低谷？
布兰科从一个不同寻常的方向走向这个问题。她接受的是理论物理学训练，但职业生涯的大部分时间都在研究生命起源：生命分子如何形成统一的手性，化学如何跨越某个临界点成为生物学，以及遗传密码如何逐渐形成今天的结构。
在这场对话中，她解释了为什么在她看来，最初的生命分子与技术文明的命运并不是两个毫无关联的问题，而是同一个问题在不同尺度上的表现。从分子到文明，一个系统能否延续下去，最终或许取决于两个基本条件：一个循环能否真正闭合，以及这个系统能否持续以足够快的速度补充自身，赶在消耗将它拖垮之前。
对话
占空比：文明的生命体征
西莉亚·布兰科： 我曾在一篇文章中读到，剑桥大学的 Luke Kemp 梳理了地球历史上一系列文明，并计算出一个文明的平均持续时间为336年。这并不令人意外。我们知道，地球历史上的文明不断兴起，也不断衰落。
但这让我开始思考，这种模式如果转移到技术文明上会是什么样，尤其是那些我们尚未经历过的未来。显然，我们无法直接前往未来观察，因为我们不能进行时间旅行，很遗憾！但我们可以模拟。
模拟的美妙之处就在于，你真的可以窥见所有我们能够合理设想的未来。
十种未来
西莉亚·布兰科： 最令我不安的是反复崩溃的情景，也就是“衔尾蛇”（Ouroboros）：它不断崩溃，又不断恢复。从数据上看，这似乎是一个相当成功的情景，因为除了崩溃发生的时间窗口，文明大部分时间都在持续运转，因此占空比看起来还不错。
但对于生活其中的人来说，这是一个每隔几代人便会经历严重苦难的世界，人们一次次失去前几代人建立起来的基础设施。这比陨石撞击之类的戏剧性情景更令我不安，因为它根本不需要一场巨大的灾难。没有什么真正终结这个文明，但它也始终无法领先于自身的消耗，创造出能够跨越世代、长久延续的成果。
将文明崩溃视为一个采样问题
西莉亚·布兰科： 是的。对我们而言，最重要的信息就是：沉默并不意味着不存在。我们或许只是在“错误”的时间观察。实际上，问题比听起来更严重，因为这种效应会相乘。如果发出信号的文明只有部分时间可以被探测，而另一个文明也只有部分时间在监听，那么两者重叠的概率是这两个比例的乘积，而不是平均值。比如，如果两个文明各自只有40%的时间处于活跃状态，那么它们能够彼此发现的概率大约只有六分之一。
换句话说，从我们所在的位置看，一个充满间歇性文明的银河系，可能与一个真正空无一物的银河系完全一样。对于生命探测而言，这是一个令人谦卑的结论；但对于其他地方存在生命的可能性而言，它又给了我们更多希望。
分子与文明
西莉亚·布兰科： 这的确是一个令人眩晕的尺度跨度。但如果暂时把尺度放在一边，这两个主题其实有几个共同点。首先，我们目前只知道一种生命，也只知道一个技术文明。我觉得，思考生命可能通过多少种方式出现，以及文明可能走向多少种不同的道路，是一件非常有趣的事。
其次，这两个系统都以各自的方式面对同一个问题：如何在时间中持续存在。我认为，前生物化学与早期演化中最困难的问题之一，与其说是生命如何开始，不如说是它如何持续下去。一个能够自我组织的化学系统必须不断运转，也必须不断消耗，才能维持自身的组织状态。技术圈也是如此，只不过发生在完全不同的尺度上。只有当能量和资源不断流经其中，它的结构才能保持有序。
这两个主题之间还有一种诗意：一个关于我们的开始，一个关于我们的终点。能够同时研究这两个端点，我觉得自己极其幸运。
手性与左右之谜
西莉亚·布兰科： 我认为，如何实现放大本身并不是一个大问题。从20世纪50年代起，我们就知道，自催化加上相互抑制可以使单体系统趋向某一种手性。此后，我们又发现了多种可行的途径，包括聚合、结晶、磨蚀等。所以问题并不在于我们没有解释，事实上，我们的解释可能太多了。这个领域的不确定性来自另一个事实：我们无法判断，在地球生命的历史中，究竟是哪一种机制真正发生过。这与“缺少机制”或“某一步骤无法解释”所造成的不确定性不同，从某种意义上说，它反而更加令人沮丧。
在我看来（而且我觉得这一点被强调得还不够），打破对称与在所有地方都打破对称是两回事。现有模型通常描述的是充分混合的系统：一个容器，一个结果。但早期地球由大量彼此部分隔离的环境组成。如果每个环境都各自独立地打破对称，那么可以预期，大约一半会落在左手性，一半会落在右手性。因此，这些局部结果需要以某种方式相互沟通，要么通过物质的迁移，要么由某一个环境胜出，并把它的化学输出到其他地方。换句话说，让一个池塘形成单一手性的机制，并不是让整个行星形成单一手性的机制，而我们通常没有像应该的那样把这两个问题区分开来。
化学如何成为生物学
西莉亚·布兰科： 作为一名物理学家，我会说，两者都是。许多系统在某些底层参数上平滑变化，但另一些性质却会突然改变，就像相变一样。水可以逐渐变冷，但它不会逐渐变得“更固态”。我认为，从化学到生物学的转变可能也是如此。
我们可以合理地认为，分子的多样性和反应的种类是逐渐增加，但我想象中的“闭合”却是突然发生。随着可能存在的分子和反应不断增加，系统会在某个时刻达到相互作用的临界密度。到了那个节点，网络中的某个子集开始能够制造维持自身持续运行所需要的一切。正是在那一刻，它不再只是一组彼此无关的反应，而开始成为一个能够自我维持的系统。
也就是说，这个转变未必伴随着什么特别或戏剧性的事件，没有火花，也没有某个清晰可见的瞬间。只是那个循环闭合了。
适应度景观与早期遗传密码
西莉亚·布兰科： 我认为，“冻结的偶然”实际上包含两个不同的主张。“冻结”有很充分的证据支持。一旦整个细胞都在使用一套遗传密码，任何重新赋值都会同时改变所有现存基因的含义，因此改变的代价极其巨大。即便如此，它也没有完全被冻结。我们知道存在几十种遗传密码变体，也知道后来又加入了两种氨基酸，一些实验室甚至人为扩展了遗传密码。所以它确实会变化，只是极少发生。
相比之下，“偶然”这一部分的论据要弱得多。遗传密码现在很难改变，并不能告诉我们它最初是如何走到今天这个位置的。用适应度景观的语言来说，“冻结的偶然”描述的是一个峰周围的谷有多深，却无法告诉我们究竟是一步步爬上这个峰，还是偶然落在了这里。我的看法是，它可能既不是纯粹的偶然，也不是纯粹的选择。
几年前，我们绘制了一类能够把氨基酸连接到自身的 RNA 分子的适应度景观。这只是一个模型系统，并非真正的祖先分子。我们发现，演化可以很容易地攀上最近的峰，但不同峰之间的谷太深，一旦跨越就会失去功能。因此，最终落在哪一个峰上，很大程度取决于从哪里出发，这可以看作“偶然”的部分。但在后续研究中，我们发现，彼此相关的 RNA 分子倾向于选择化学性质相似的氨基酸。如果遗传密码是通过重复利用已有分子来纳入新的氨基酸，那么它最终会自然而然地形成一定的容错能力，而这种容错性通常被认为是选择作用最有力的证据。
更近期的研究还发现，氨基酸进入遗传密码的顺序与它们的分子复杂程度相对应，结构简单的氨基酸处于更基础的位置。这反映的是“可获得性”，而不是偶然；它也不是针对翻译功能的选择，而后者恰恰是这一争论通常默认的前提。因此，看起来翻译系统继承了一种在它出现之前就已经形成的秩序。
理论研究者的位置
西莉亚·布兰科： 我认为，理论能够提供解释和预测，而这两者与测量本身同样重要。在天体生物学中尤其如此，因为我们只有一个已知的生命样本，而样本量为一时，无法进行统计。理论虽然不能解决这个问题，却能让我们探索各种可能性：地球上曾经可能发生什么，以及其他地方还可能发生什么。
理论的局限，恰恰也是手性研究目前面临的困境。提出模型远比通过实验检验模型容易。我可以提出三种解释同一现象的机制，却无法告诉你究竟哪一种真正发生在地球上。从某种意义上说，理论能够提出候选解释，却无法判断哪一种更接近事实，这需要测量。
但这也正是理论的价值所在。它可以告诉我们哪些实验值得做，并指出不同解释究竟在哪里产生分歧。所以我并不认为理论与观测之间存在某种等级关系，它们只是同一项工作的两个部分。
回到 CAB
西莉亚·布兰科： 我们都改变了。一切都改变了。我在职业生涯刚刚开始时离开 CAB，回来时已经带着一套完全不同的问题。在美国的十年间，我的研究从分子一路延伸到文明，而这在很大程度上要感谢在那里与我共事的人。
所以，这与其说是“回去”，不如说是完成了一个循环：回到同一个地方，却用不同的眼光重新看它。
所有问题之下的那个问题
西莉亚·布兰科： 最准确的回答是，在每一个尺度上，答案其实都是同一个，这也是为什么我同时研究这三个尺度。当一个循环闭合时，一个系统便开始形成；只要它能够持续领先于自身的消耗，就能够继续存在。无论对于化学网络还是文明，我认为都是如此。
如果这个判断正确，那么理解最初的分子如何持续下去，或许也能告诉我们，我们自己如何才能延续下去。
结语
西莉亚·布兰科的思考中，有一种微妙的对称。在她看来，一组分子成为生命，并非源于某个突如其来的火花。真正的转折发生在循环闭合之时，也就是一个网络开始能够产生维持自身所需的一切。文明的延续似乎也遵循相似的逻辑。关键不在于避开每一场灾难，而在于一个文明能否长期领先于自身的消耗，建立起能够超越单一世代的结构。
因此，她的模拟中最令人不安的未来，并不是一个毁于巨大灾难的世界，而是“衔尾蛇”：一个从数据上看似乎相当成功的文明，却每隔几代人便失去前人所建的一切。与此同时，她的研究也留下了一种更具希望的可能：沉默并不意味着不存在。银河系中或许存在许多此刻只是暂时暗淡的文明，而我们恰好在它们没有发出光芒时望向那里。
最终，布兰科留给我们的与其说是一项关于未来的预测，不如说是一个关于我们自身的问题。如果最初的生命必须找到一种持续下去的方式，那么我们面临的挑战或许并没有本质不同，只是尺度更大：让循环闭合，并始终领先于自身的消耗。
延伸探索
一个文明能够延续多久
西莉亚·布兰科的问题始于一个简单的统计。剑桥大学研究人员卢克·肯普（Luke Kemp）将文明定义为拥有农业、多个城市、在所在地区占据军事优势，并具有连续政治结构的社会。他考察了公元前3000年至公元600年间的文明，发现这些文明平均延续约336年，其中最长的超过一千年。
背景资料 卢克·肯普（Luke Kemp）， Are we on the road to civilisation collapse?， BBC Future（2019）
国家是否会随着时间推移而变得更加脆弱？
崩溃究竟主要源于偶然，还是与一个国家存在的时间有关，至今仍有争论。一项针对前现代国家的生存分析提出了一个问题：一个国家走向终结的风险是否始终保持不变，还是会随着国家日渐老化而发生变化。这一问题与文明兴起、衰落、再度兴起的构想密切相关。
进一步阅读 Scheffer、van Nes、Kemp 与 Xu， The vulnerability of aging states: A survival analysis across premodern societies， Proceedings of the National Academy of Sciences 120，e2218834120（2023）
打破镜像平衡
左手性与右手性分子之间一个极其微小的不平衡，可能逐渐被放大，直至其中一种手性占据主导。这一思想源自物理学家查尔斯·弗兰克（Charles Frank）1953年发表的一篇短文。他证明，自催化与相互抑制相结合，可以推动原本混合的体系最终趋向单一手性。这正是布兰科所说的自20世纪50年代以来便已为人所知的机制。
早期研究 F. C. Frank， On spontaneous asymmetric synthesis， Biochimica et Biophysica Acta 11，459（1953）
被冻结的偶然
1968年，弗朗西斯·克里克（Francis Crick）提出，遗传密码或许是一场“被冻结的偶然”：生命早期形成的某种编码安排一旦固定下来，此后的任何改变都会同时扰乱所有蛋白质，因此难以再发生根本变化。布兰科的回答将“冻结”与“偶然”这两层含义区分开来。此后数十年的争论，很大程度上也围绕同一个问题展开：遗传密码究竟有多少源于偶然，又有多少受到演化塑造。
早期研究 F. H. C. Crick， The origin of the genetic code， Journal of Molecular Biology 38，367（1968）
本文讨论的研究
Celia Blanco、Jacob Haqq-Misra 与 George Profitiliotis， Projections of Earth's Technosphere: Civilization Collapse-Recovery Dynamics and Detectability， arXiv:2604.13774（2026）
关于研究者
西莉亚·布兰科博士（Dr. Celia Blanco）是一位理论物理学家和天体生物学家，现为马德里天体生物学中心（Centro de Astrobiología，CAB，CSIC-INTA）的 Ramón y Cajal 研究员，从事分子演化研究，同时也隶属于西雅图的 Blue Marble Space。她的科研生涯始于 CAB，随后在美国工作十余年，先后任职于加州大学洛杉矶分校、加州大学圣塔芭芭拉分校以及 Blue Marble Space，之后返回马德里。她的研究位于生物物理学与生物分子演化的交汇处。通过理论与计算方法，她研究分子手性如何产生并被放大，化学如何跨越通往生物学的门槛，以及适应度景观如何塑造早期遗传密码。2024年，她获得 NASA SCoPE Seed Grant。