太阳可能只能在其寿命的一部分时间里维持行星的宜居性——当其寿命达到 100 亿年时，它将变得过热。（图片来源：NASA/JPL-Caltech）
一个广为流传的进化模型认为，人类在地球上的进化几乎是不可能的，外星智慧生命的存在更是微乎其微。
但作为研究生命与地球表面环境纠缠历史的专家，我们提出，生命与地球表面环境的共同进化可能遵循了一种模式，使得类人智慧的演化比通常认为的更可预测，甚至更可能发生。
“hard-steps”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人智慧的可能性。
这一观点牢固地植根于生物学，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（Brandon Carter）发表了一篇有影响力的论文。
1983 年，卡特试图解释一个他认为“极其巧合”的现象：太阳的预计寿命——100 亿年，与地球孕育人类所需的时间——50 亿年（四舍五入）非常接近。
他设想了三种可能性。一种是，类人智慧生命通常在地质时间尺度上迅速出现，也许仅需数百万年。另一种是，它通常在地球所经历的时间范围内演化出现。最后一种可能性是，地球是个幸运的例外，通常这种生命形式需要更长时间，比如数万亿年，才能形成。
卡特否定了第一种可能性，因为地球生命的进化花费了远超数百万年的时间。他也否定了第二种可能性，认为它只是一个巧合，因为太阳的寿命由核聚变决定，与生物进化的时间尺度没有必然联系。
因此，卡特得出了第三种解释：类人生命的进化通常需要远超恒星寿命的时间。
为了说明为什么类人生命的进化如此漫长，卡特提出，它一定依赖于一些极其罕见的进化步骤，而地球只是极度幸运地经历了所有这些步骤。
他将这些进化步骤称为 “hard steps” ，并为其设定了两个主要标准：
这些 hard steps 必须是人类存在所必需的——如果它们没有发生，人类就不会存在。这些 hard steps 在可用时间范围内发生的概率极低，通常需要接近 100 亿年的时间才能完成。Hard steps 真的存在吗？物理学家弗兰克·蒂普勒（Frank Tipler）和约翰·巴罗（John Barrow）预测，hard steps 在生命历史上只可能发生一次，这一逻辑源自进化生物学。
如果某种进化创新对于人类存在来说是极不可能发生的，那么它可能只发生过一次，尽管它必须至少发生一次，因为我们确实存在。
例如，真核细胞的起源（即拥有细胞核的细胞）是科学家提出的最有可能的困难步骤之一。因为人类是真核生物，如果真核细胞从未出现，人类就不会存在。
在生命的进化树上，所有的真核生物都位于同一条分支上。这表明，真核细胞可能只起源过一次，这与其进化概率极低的假设相符。
其他最受欢迎的困难步骤候选者——生命的起源、能够产生氧气的光合作用、多细胞动物的进化，以及类人智慧的形成——都表现出相同的模式。它们都只出现在生命树的一个分支上。
然而，进化生物学家和古生物学家 Geerat Vermeij 认为，还有其他方式可以解释为什么这些进化事件似乎只发生过一次。
Hard steps可能只是进化的错觉？追溯人类的进化谱系，可以回溯数十亿年。
这些进化创新的“唯一性”可能源于信息丢失，例如物种灭绝和化石记录的不完整性。或许这些创新曾多次演化，但最终只有一个幸存了下来。也许那些灭绝的例子从未形成化石，或者古生物学家尚未在化石记录中识别出它们。
或者，可能这些创新确实只发生过一次，但那是因为它们只能发生一次。例如，最早出现这些创新的生命体可能迅速在资源竞争中胜出，淘汰了其他类似的生命形式。或者，这些创新可能改变了全球环境，使得其他生命形式无法再进化出相同的特性。换句话说，一旦某一进化步骤发生，就可能改变了化学或生态条件，使其他生命体无法以相同的方式演化。
如果这些替代性机制能够解释这些所谓的 “ hard steps ”，那么它们实际上就不符合 “ hard steps ” 的定义。
但是，如果这些步骤都不是困难的，那么为什么类人智慧没有在生命历史上更早地进化出现呢？
环境演化的作用地球古环境的研究提供了一个合理的解释。
例如，地球历史的 90% 时间里，大气中的氧气含量不足以支持人类生存。同样，在地球历史的前 50% 时间里，大气中的氧气水平甚至不足以支持现代真核细胞的生存。
所有被认为是 “ hard steps” 的进化事件都有其特定的环境需求。而在地球形成之初，这些条件并不存在，而是随着时间的推移，由地球表面环境的变化逐渐形成。
我们认为，随着地球的物理和化学环境不断变化，其表面条件为生命提供了更多样化的栖息地。这些变化发生在地质时间尺度上——数十亿年——这解释了为什么这些所谓的困难步骤会在特定时间出现，而不是更早。
在这个观点下，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 年的分析并未考虑这些因素。
未来研究方向那么，科学家如何验证 hard steps 是否真实存在？
地球和生命科学家可以合作，确定地球表面环境首次支持每个被认为的困难步骤的时间点。他们还可以预测地球的宜居期还能持续多久，以支持人类、动物和真核细胞等不同类型的生命。
进化生物学家和古生物学家可以更精确地研究每个困难步骤发生的次数，并探究它们是否真的罕见，或者只是受到环境因素的限制。
天文学家可以利用太阳系外行星的数据，研究类地行星的普遍性，以及它们是否具备某些困难步骤的条件，例如氧气产生的光合作用或智慧生命的演化。
如果我们的观点正确，那么地球和生命的共同进化方式可能更具代表性，而不是“困难步骤”模型所预测的罕见现象。类人智慧或许是地球进化的一个更自然的结果，而非宇宙中的奇迹。
如果类人智慧生命的进化比“困难步骤”模型预测的更可能发生，那么未来科学家发现外星智慧生命的可能性也会大大增加。
