宇宙有限论

半剑飘东半剑西

       爱因斯坦晚年曾多次公开发言讨论哲学与宗教相关议题，但其观点是清晰的、未偏离轨道的。
       例如，爱因斯坦提出，“没有宗教的科学是跛足的”，本义是：科学研究需要宗教提供的底层信念支撑——科学家相信宇宙是有规律、可理解的，这种信念本身就类似宗教的宇宙情怀，没有这份对秩序的敬畏，很难坚持长期的探索。
       所谓爱因斯坦研究的“神学”观点，其实是爱因斯坦对科学的“宗教视觉”、宗教“聚焦点”。
       ——请像某些人酷信上帝一般、像某些人热爱宗教一般，坚信宇宙是内在规律的，宇宙中客观存在的现象总能得到某种解释，即使暂时没有。

因此，必须如同牛顿、爱因斯坦那样，专注于宇宙规律；
必须相信宇宙的演化存在某种必然性，“存在就是合理”，即使暂时没有得到解释，也不要气馁；
必须有坚强的信念，等待宇宙存在现象的“未来科学诠释”。

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§33_3  原始生命演化中必不可少的16种元素

       总结前面自“§23    生命前传Ⅰ：从无机小分子到有机小分子”到“§31  宇宙间首个“严格意义”生命体之诞生”；
       从宇宙年龄t ≈ 10亿年，宇宙中已经出现了“摇篮地壳”系统,到宇宙年龄t ≈ 20~21亿年，某些行星上出现首个“严格意义”的生命体；
       宇宙生命的演化，由生命物质构建、演化催化、环境维持三大基石支撑，每个基石均需要某些化学元素。
       仔细检索，一共需要28种元素，即是：
       氢、硼、碳、氮、氧、氟、钠、镁、硅、磷、硫、氯、钾、钙、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、砷、硒、溴、钼、锡、碘。
       以演化第一局：无机小分子 → 有机小分子（合成生命基础原料）为例，生命物质构建需要碳、氢、氧、氮元素；
       驱动二氧化碳等无机物转化为有机分子，需要催化剂，包括：
       [1]铁氧化物催化剂；作为催化核心，降低二氧化碳还原反应的能量门槛，推动生成甲醇、有机酸等基础有机小分子；
       [2]氧化铬催化剂；辅助提升催化反应效率，加速小分子有机物的生成速率；
       [3]铜基催化剂；优化催化反应的选择性，促进目标有机分子的定向合成，减少无效副反应。
       故需要铁、铬、铜元素。

       这是第一基石生命物质构建、第二基石演化催化，对元素需要的范例。
       第三基石环境维持，可用演化第二局：有机小分子 → 生物大分子（聚合出蛋白质与核酸）为例；
       其需要黏土矿物如蒙脱石的环境，黏土矿物晶体依靠硅铝酸盐骨架形成特殊缺陷结构，能吸附浓缩氨基酸、核苷酸等有机小分子，为小分子聚合提供反应位点。
       故需要硅、铝元素以构成蒙脱石等黏土矿物。

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        但这化学元素总数28还能进一步缩减到17个，有11个元素的作用可由其他渠道用17个元素实现之。
        可移除的11种为：
        硼、氟、钒、砷、溴、锡、钴、镍、钼、硒、碘。
        下解释：

硼        功能可由硅替代，二者化学性质相近，都可稳定有机分子的结构；
氟        原始单细胞不需要氟维持牙齿/骨骼结构，无需求无需替代；
钒        钒的载氧/催化功能，可由铁替代完成基础代谢需求；
砷        仅少数耐砷微生物特殊利用，原始生命不需求，磷可完全覆盖核心功能；
溴        仅多细胞生物需要它合成信号分子，原始单细胞无需求无需替代；
锡        仅高等动物需要它参与酶调节，原始单细胞无核心需求无需替代；
钴        钴仅参与真核生物维生素B12合成，原核原始单细胞可由锌替代其催化功能；
镍        原始单细胞代谢中的催化功能，可由铜或铁替代完成；
钼        钼参与的固氮等催化反应，原始阶段可由铁替代完成基础功能；
硒        硒参与的抗氧化功能，原始单细胞可由锰替代完成基础防御；
碘        仅高等脊椎动物需要碘合成甲状腺激素，原始单细胞无需求无需替代；

        移除上述11种元素后，剩余核心元素依然能够支撑从无机小分子演化到原始单细胞生命的完整过程，仅催化效率、代谢稳定性略低于完整版本。

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      还能不能再移除？
      研究表明，还能再移除铬元素。
      铬在原始单细胞生命起源中的核心作用是催化无机小分子生成有机小分子，缺少铬会降低有机原料的合成效率，拉长演化进程，但不会完全阻断演化。

      注一、铬在演化中的加速作用。
      在第一局：无机小分子→有机小分子，此阶段铬作为氧化铬催化剂的核心组分，两个作用是其他元素无法完全替代的：
      其能精准调控反应的方向，降低副反应发生率，让更多无机碳定向转化为生命需要的有机酸、醇类等有机小分子；
      其能降低反应所需的活化能，让合成反应在原始地球常温常压的环境下就能稳定发生，大幅加快有机原料的积累速度。

      注二、缺少铬带来的低效变化。
      [1]催化效率大幅下降；没有铬，只能依靠铁氧化物单独催化，反应速率会降低到原来的1/10~1/5，有机小分子的积累速度变慢，会让生命起源的演化进程拉长数百万甚至数千万年。
      [2]副产物增多；缺少铬的定向调控，会生成大量无关的副产物，能用于后续合成大分子的有效有机原料占比降低，进一步拖慢演化。

      注三、删除铬不会阻断演化；即使完全没有铬，铁氧化物本身仍能完成基础催化，只是速度变慢、效率降低，最终仍能积累足够的有机原料完成后续演化，这也是极端极简版本依然可以成立的原因。

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       剩下的是精英元素16“员”，分为两大类别。
       第一类、核心生命构成元素（构建细胞结构和生命大分子）10种，名单为：
       氢、碳、氮、氧、镁、硅、磷、硫、钾、钙。

氢        和氧结合形成生命反应必需的水，同时是所有有机碳骨架的组成部分，参与所有生物分子的构建；
碳        生命的核心骨架元素，能形成稳定共价键连接成碳链，支撑蛋白质、核酸、糖类等所有生物大分子的结构；
氮        构成氨基酸（蛋白质单体）的氨基、核酸（DNA/RNA）的含氮碱基，是生命结构和遗传信息的物质基础；
氧        参与水和所有生物大分子的构成，也是有氧呼吸、能量代谢的必需原料，支撑原始细胞产能；
镁        是原始光合生物叶绿素的核心组成元素，同时稳定核酸、酶的空间结构，维持催化活性；
硅        是黏土矿物蒙脱石的核心组成，为有机小分子聚合生成大分子提供吸附反应位点，也可参与部分单细胞细胞壁构建；
磷        构成核酸的磷酸骨架，是能量分子ATP的核心组分，也是原始细胞膜磷脂的必需成分；
硫        构成蛋白质的二硫键稳定空间结构，也是深海热泉黄铁矿催化剂（生命起源阶段）的核心组分；
钾        维持细胞内渗透压稳定，帮助原始细胞维持内部环境稳定，还能辅助激活部分酶活性；
钙        参与维持原始细胞结构稳定，作为细胞内信号信使调节基础生命活动，缺钙会引发细胞结构紊乱；

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       第二类、催化反应必需元素（驱动各演化阶段化学反应）6种，名单为：钠、氯、锰、铁、铜、锌。

钠        配合氯维持细胞外渗透压，参与细胞内外物质交换的电化学调节，保障代谢物质运输；
氯        和钠共同维持体液酸碱平衡与渗透压，也是原始代谢中部分酶的辅助激活因子；
铬        无机小分子合成有机小分子阶段，作为氧化铬催化剂的核心，加速有机原料生成；
锰        参与抗氧化防御清除代谢自由基，替代硒完成抗氧化功能，同时可激活部分代谢酶；
铁        覆盖多重催化需求：
           [1]无机合成阶段是铁氧化物催化剂核心；
           [2]大分子聚合阶段是黄铁矿催化剂核心；
           [3]代谢阶段是血红蛋白、酶的辅因子，还能替代钼、镍完成固氮等催化功能；
铜        无机小分子合成阶段是铜基催化剂核心，定向促进有机小分子生成，后续也参与细胞呼吸酶的构成；
锌        作为酶的激活剂，替代钴完成催化功能，稳定蛋白质空间结构，支撑原始细胞代谢反应正常进行；

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§33_4  维持人体（智慧生命）所需的29种元素

      为了促成最原始生命的诞生，至少需要16种元素，但为例维持地球上智慧生命——人的生存，却需要29种元素。
      从原始生命到智慧生命，中间需要N个进化过程。根本不一样，而且忽略了进化的两个基石——演化催化、环境维持所需元素。
      这29种元素，也分为两大类。
      第一类、人体生存需要的11种宏量元素（常量元素），宏量得名于，此11种元素总质量占人体总质量99.95%以上。

氧（O）         细胞呼吸、水和有机物组成；       
碳（C）         所有有机物的骨架；       
氢（H）         水、有机分子基础；       
氮（N）         蛋白质、DNA关键成分；       
钙（Ca）        骨骼、牙齿结构，信号传导；
磷（P）            DNA、RNA、ATP核心；       
硫（S）            蛋白质二硫键、酶活性；       
钠（Na）        神经传导、体液平衡；       
钾（K）            细胞膜电位、酶激活；       
氯（Cl）            体液渗透压调节；       
镁（Mg）        叶绿素中心、ATP酶辅因子。       

       注意，按照宇宙丰度排名，氢为第1，氧为第3，碳为第4，氮为第7，镁为第9，硫为第10，钙为第12，钠为第14，氯为第16，钾为第17，磷为第20。

       其中包含“§33_4”中16种元素之——
       氢、碳、氮、氧、镁、磷、硫、钾、钙。钠、氯。

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       第二类、人体生存需要的18种微量元素，微量得名于，此17种元素总质量占人体总质量0.05%弱，但功能关键，不可或缺。

铁（Fe）        血红蛋白、电子传递链；       
锌（Zn）        酶活性、免疫系统；
铜（Cu）        铁代谢、抗氧化；
锰（Mn）        光合作用、解毒酶；
铬（Cr）        胰岛素增强；
钴（Co）        维生素B12唯一来源；       
钼（Mo）        固氮酶、嘌呤代谢；       
硒（Se）        抗氧化酶核心；       
碘（I）          甲状腺激素合成；       
氟（F）            牙釉质强化；       
镍（Ni）        某些酶激活剂；       
钒（V）          可能参与代谢调节；       
锡（Sn）        生长相关酶辅因子；       
硅（Si）         结缔组织、骨骼形成；       
硼（B）         植物细胞壁稳定；
锶（Sr）         骨替代钙；
铷（Rb）        可能影响神经功能；
砷（As）        极微量参与代谢；

       注意，按照宇宙丰度排名，铁为第6，硅为第8，镍为第15，铬为第18，锰为第19，钴为第21，氟为第22，钒为第23，锌为第24，铜为第25，硼为第26，砷为第29，硒为第30，铷为第31，锶为第32，钼为第36，锡为第42，碘为第45。

      其中包含“§33_4”中16种元素之——锰、铁、铜、锌、硅。
      即人体需要的29种元素中，包含“§33_4”中进化到原始生命需要的16种元素。

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§33_5  多出来的氦、氖、氩：氖之疑惑

       但是，如果对照宇宙丰度排名，排第2的氦、第5的氖、第11的氩、第13的铝、第15的镍，没有在其中。

       宇宙的元素占比，氢（73.9%）、氦（23.96%），剩下仅约1.4%。
       维持人体生存基本需要的的元素，没有氦。

       宇宙的元素丰度中，扣除“氢（73.9%）、氦（23.96%）”后当成一个整体，其中的元素占比分别为：
       氧（O）占63.74%，碳（C）占21.25%，氖（Ne）占7.08%，铁（Fe）占3.04%，氮（N）占2.12%，硅（Si）占1.42%，镁（Mg）占0.71%，硫（S）占0.35%，氩（Ar）占0.21%。

       如果像牛顿、爱因斯坦那样思考，便要反问，假如宇宙中有个“造物主”，它为什么要这样做?
       存在就是合理，必须有“宗教信仰”一般的信念，认为其背后必然有个支撑机制、必然有某种你我他暂时看不到的“存在”。
      扣除“氢（73.9%）、氦（23.96%）”后的宇宙总质量，其中氖排第三，居于对生命至关重要的氧（第一）、碳（第二）之后；
      但氖既不是宇宙进化到首个生命所必需元素，也不是维持高级生命（人）所必需元素。
      对于出生生命、高级生命至关重要的铁，还在氖之后；

      如果真的有个“造物主”，假如宇宙是公平的：
      那么“造物主”造出“氖”干什么？
      ——这就是“氖之疑惑”！

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§34  像牛顿那样思考：巨型文明——氖之妙用

§34_1  “造物主”为何让氢丰度占宇宙之74%

       按照宇宙丰度，氢居第一，占比74%，为什么？

       “造物主”这是“三军未动、粮草先行”，占比74%的氢是为制造恒星准备的，制造恒星为为了所有的生物、所有可能进化的高级品种——智慧体，提供能源的。
       如同“§22”所言，宇宙最初充斥着中性的氢气体，在暗物质晕构成的势阱中下落，动能转化为热能，形成热气体晕，随后，气体作辐射冷却（主要依赖氢分子的转动跃迁），冷却后的气体密度迅速上升，形成高密度的分子云团，当分子云团的质量超过金斯质量，引力将彻底压倒热压力，引发不可逆的引力坍缩。
       坍缩使得氢气云团在角动量守恒下旋转并扁平化，形成吸积盘，物质沿盘面向中心坠落。坠落的结果是中心区域密度和温度持续升高，当原恒星核心温度达到约400万K，氢核获得足够能量克服库仑斥力，启动“质子-质子链反应”，将氢聚变为氦，释放巨大能量。
       与此同时，恒星也形成了，并不断向太空辐射出光和热。其“质子-质子链反应”一直在进行之中，产品“光和热”是进化原始生命，必不可少的因素。
       宇宙中所有生命需要的“能量”，本质上大部分都来源于恒星（化学反应完成释放的反应热、潮汐活动的转化能等除外）。
       自从在宇宙年龄t ≈ 1亿年，到现在的t ≈ 138亿年，恒星的“质子-质子链反应”一直在进行之中，因此的氢的占比自高到低，75%左右是数年前（t ≈ 138亿年）的估计值，73.9%是最新估计值，未来将平缓下降。
      具体到恒星中占比，氢约占70%-75%不等、氦约占24%-29%不等，剩余不足1%为碳、氧、铁等重元素。
     （“造物主”在造恒星过程中，也造出碳、氧、铁元素。）

       因此，造物主“初创”宇宙，氢丰度占宇宙之75%固然是为未来创造出生命预先提供 “能量”，但氦丰度占宇宙之约24%，不是造物主的“主观愿望”，而是提供 “能量”的附带产品，可理解为“吃进”氢元素、“排出”氦元素。