考慮到宇宙的空間尺度，與地球有著相似條件的行星應該應有盡有，這些星球也可能孕育出生命；同時考慮宇宙存在的時間尺度，以及科技指數性爆發的事實，應該早有星際文明存在才是，至少應該存在著有能力對外發送電磁波的文明。

但是，事實如你所見，我們至今沒有遇見外星文明，甚至連任何外星文明發送的訊息都沒有收到。

大濾波器示意圖

一些聰明的大腦就此提出了「大過濾器」理論，認為生命的發展會像通過一個個過濾器一樣逐漸被淘汰，從而無法發展出星際文明，甚至連科技文明都無法到達。

人類非常幸運，我們發展出科技文明，我們可以向宇宙發射電磁波，如果存在和我們一樣幸運的文明，它們可能會在以後接收到我們的訊息。

最近發表在《自然天文學》雜誌上一篇​​文章指出，我們能夠發展出科技並發送電磁波的一個最關鍵的因素——地球氧氣水平足夠高。

這篇文章的作者羅馬托爾維加託大學的天文學家阿梅迪奧·巴爾比和羅徹斯特大學的亞當·弗蘭克把這個稱之為「氧氣瓶頸」。

他們認為，高氧氣水平可能是文明發展到技術文明的“大過濾器”，我們人類幸運地通過了這個大過濾器，而其它星球的早期文明可能並沒有那麼幸運，它們星球出於各種原因沒有足夠氧氣，所以它們永遠無法發展出能夠發送電磁波的技術。

那麼有趣的問題是，為什麼氧氣水平是科技文明的關鍵呢，其它化學物質難道沒辦法取代氧氣嗎？

為什麼氧氣是發展科技的關鍵？

其實這兩位作者的想法非常簡單，就是想要擁有製造先進設備的技術，你需要能夠提高用於製造該設備材料的溫度。

例如，你想建造射電望遠鏡之類的東西，你不僅需要從地下提取一堆鐵、鎳、銅和其他原料，然後你還必須加熱這些材料，冶煉它們、重塑它們。

一個年輕的智慧生命憑什麼了解要去加熱這些材料以改變它們呢？人類歷史給了答案──就是使用火或燃燒。

學會利用燃燒無疑是人類質的突破，這對我們智力的發展都有極大的影響，但更重要的是我們依賴火才攀登上技術複雜性的階梯。

人類祖先可能在200萬年前就開始普遍使用火，之後人類用火來熱處理燧石或黑曜石，讓石器變得更加實用，不過從火的使用到學會處理工具，人類花了很長時間。

人類之所以有機會玩火，當然是因為地球大氣層中有氧氣的存在。

但你可能會問，燃燒又不是必須要氧氣參與，憑什麼地球因為氧氣的燃燒有了人類的科技文明，其它星球也必須如此？

眾所周知，燃燒需要燃料和氧化劑，只要提供初始的熱量，燃燒反應就開始放出熱量，直到燃料或氧化劑耗盡。

燃燒本質其實是將電子快速從燃料轉移到氧化劑上，氧氣就是我們常規的燃燒中氧化劑，它的工作則是接受來自燃料的電子。

在元素週期表中，有許多元素可以取代氧氣的工作，但是很少有比氧氣更強的——或者說更能接收燃料的電子的，氧氣是強氧化劑。

然而，氧氣一切又剛剛好，它不會太猛烈。

那些比它強的氧化劑，例如氟，它們因為太過於強，幾乎可以充當一切燃料的氧化劑，只要給它一點初始能量輸入，它會燃燒一切包括你想要淬煉的材料，甚至不用初始能量的輸入，它都會有很強的腐蝕性。

這項研究的作者表示，沒有任何的氧化劑比氧氣更好的，它是元素週期表中能找到的最完美的氧化劑。

那麼，還有一個問題，多少氧氣濃度才有機會孕育出科技文明呢？

這篇文章給的答案是，如果與地球的大氣壓力相當，那麼18%是最低閾值，低於這個氧氣含量將無法孕育出科技文明。

至於為什麼是這個數值，其實兩個作者的理由也相當簡單，那就是低於18%的氧氣濃度時，生物材料就不會被自然點燃，只會像燒炭一樣悶悶發熱。

燃燒反應除了要考慮氧化劑接收電子的能力之外，還要考慮氧化劑的濃度，你高中的時候一定做過鐵在純氧中燃燒的實驗。

如果材料沒辦法被自然點燃的話，那麼文明就不可能學會使用火，自然就不會有事後的科技進步。

地球的氧氣怎麼來的？

在地球歷史上，其實大部分時間裡，地球大氣的氧氣含量都低於18%，甚至幾乎沒有氧氣，直到最近的4.2億年，氧氣水平才處於18%以上。

藍細菌

地球的氧氣是由生物自行生產的，大約在24億年前，藍細菌進化了，它們學會了光合作用，消耗大氣中的二氧化碳，並產生氧氣。

但是，地球大氣的氧氣水平並沒有因為生物學會光合作用就開始呈現不停上升的趨勢，它一直在波動，而且有時幅度相當大。

例如大約在7.5億年前，地球大氣中的氧氣濃度為12%，但在幾千萬年之內，它就驟降至只有0.3%。

至於是什麼原因？

這裡有一個奇葩的事實，那就是氧氣含量增加意味著二氧化碳被固定，而這些溫室氣體的減少會讓地球進入冰河時代，進而導致大量生產氧氣的生物滅絕，隨著排氣量的減少，氧氣在大氣中的含量自然也逐漸減少。

基於各種原因，地球的氧氣水平有機會維持在18%以上，但別的星球不一定有這樣的好運。

最後

兩位作者在受訪時也表示，「氧氣瓶頸」不代表全部，生物能夠尋找的出路是我們難以想像的，但是這個可以作為搜尋地外文明計劃（SETI）的一個重要標準，可以有目的的去選擇那些氧氣含量高的行星。

當然，現在的技術確實有能力判斷出一顆星球的大氣成分的，包括氧氣，但是要準確知道具體濃度，多少還是有點困難的。

另外，雖然人類已經到了科技文明的程度，通過了“氧氣瓶頸”，但這並不意味著之後就沒有所謂的“大過濾器”了，我們也可能出於其它原因最終無法發展到星際文明。

報導原文：https://www.supercluster.com/editorial/the-oxygen-bottleneck-technological-alien-worlds-need-fire

文獻：https://doi.org/10.1038/s41550-023-02112-8