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地球早期与生命诞生有关的关键地质证据,在地球上或许已经支离破碎很难找到了。图片来源:dslauretta.com

地球早期与生命诞生有关的关键地质证据,在地球上或许已经支离破碎很难找到了。图片来源:dslauretta.com

银河系的某个角落里,一颗普通的恒星正在向它的八颗行星散播着光与热。放在浩繁的宇宙里,这样的场面或许太过平常;但这颗恒星,却有着几段不太一样的故事:它诞生于46亿年前,此后不久,其第三颗行星上出现了一种名为生命的物质。这种物质有点复杂,对环境的要求也不是一般地苛刻,然而自打出现时起,它们的存在之路便从未中断过一天。几十亿年生命们的“深耕”,让这颗行星从一个荒凉的石块,变成了一个有些喧嚣,但好歹生机勃勃的世界。熙熙攘攘的亿万生命里,也不乏一些雄心勃勃的群体。他们一方面规划着自己的未来,试图把自己的脚步迈向前所未至的星海;另一方面,却也在不断回溯着历史,试图弄明白自己的起源、自己的来龙去脉。

这颗恒星名为太阳,它的第三颗行星名为地球,而地球上生命中那些雄心勃勃的群体,便是我们人类。

然而,历史二字从来不是一厢情愿的代名词。尽管人类已经掌握了原子核的奥秘,并把一个描述原子核行为的定律[1]用到了地质学里,用它来测定岩石的年龄。但最终,除了把最早生命出现的记录推到38亿年前,再塞进几个略显晦涩的词汇,比如“古海洋环境”、“碳同位素异常”、“生物来源有机质”之外,就没有更多细节了。

原因很简单:越古老的信息,在地球上保留的丰富程度就越差。要知道,从38亿年前一路演化至今的,可不只有生命,我们脚下的地质作用也同样没有停歇过一天。当年生动丰富的太初环境,随着斗转星移,化作了坚硬的磐石;而坚硬的磐石,则随着斗转星移,一点点抹灭在地质运动的翻覆中。据粗略估算,38亿年左右的岩石残片,只有十万分之一(0.00001)保留到了现在。就算是这些好不容易留下来的残片,也经历过多期变质作用的叠加,信息失真度很大。让学者们在这些“地球残卷”里重建生命诞生的细节,说实话,是挺强人所难的。

但好在人类是一个不乏想象力的物种。如果大地注定要掩盖自己的过往,那么就飞出它的引力圈好了。说来令人咂舌:生命起源的详细档案可能并不在地球,而在我们的邻居——火星。

去火星

2018年年初,来自香港大学的约瑟夫‧米哈尔斯基(Joseph R. Michalski)教授及同事在《Nature》地学子刊《Nature Geoscience》上撰文[2]表示:火星在回溯地球早期环境中可能有着不可替代的关键作用。他们呼吁:与其在火星上艰难寻找地外生命存在的痕迹,倒不如去寻找一些有助于我们认识自身起源的环境细节。

地球生命起源的环境证据,怎么会出现在火星呢?原因很简单:火星,其实可以看做是一个“未曾演化过的地球”。它犹如一个平行世界,孤零零地悬在离我们咫尺之遥的地方,静静等待着怀古之士的到来。

46亿年前,所有行星都产生于围绕太阳旋转的尘埃盘里。行星吸积过程中储存在星体内部的能量,维持着它们早期活跃的地质运动,然后是冰质小天体的密集陨击,为两颗行星带来海洋。在早期太阳系这些“无差别事件”面前,火星和地球大致遵循着一样的演化轨迹。这段时间,两颗行星都有着活跃的内部化学反应、混沌的原始大气、甚至可能都有遍布海洋的热液喷口…… 这些要素,恰恰就是为地球生命演化创造契机的基本环境条件。只不过,由于两颗行星有着不容小觑的体积差异,它们的演化之路,终究还是“星命殊途”了。

地球是太阳系四大岩质行星里个头最大的。最可能的原因是:它当年跟另一颗原行星融合过,不仅撞出了一颗月亮,也大大地加成了自身的体积(具推测,这颗原行星的大小跟火星差不多,所以可以大致认为:现今地球的体积=原始地球+火星-月亮)。在维持环境演化这件事上,巨大的身躯可谓是先天优势。巨大的体积可以保存更多的内热;而更多的内热,则能长时间维持一个熔融态的外核、以及一个会对流的地幔。熔融外核的作用是为星球提供磁场,保护星球表面的大气层不至于被太阳风吹散;而一个会对流的地幔,则是板块运动、火山和地震的直接推手,让内动力地质作用也可以源源不竭。

但是火星就不一样了:它体积很小,冷得很快。从诞生不过几亿年,它就早早地失去了磁场,也失去了地幔的对流。磁场的消失意味着火星表面彻底暴露在太阳风面前,电磁粒子的疯狂扫荡很快把火星大气席卷一空。而对流地幔的消失,则意味着它的内部自此无法孕育活跃的地质运动。大气消失了,大地也冷了,一言以蔽之,在地球上生命诞生的那个时间节点,火星“死了”。

地球和火星有着不容小觑的体积差异,正是这一差异,导致两颗行星走上了不同的演化道路。图片来源:维基百科

地球和火星有着不容小觑的体积差异,正是这一差异,导致两颗行星走上了不同的演化道路。图片来源:维基百科

活着的难题

可这死了的火星,恰恰就是人们要苦苦追寻的“圣杯”。地表演化停滞,意味着它能够把那个时间节点的环境,凝固成一张固态的“快照”。后世再无任何活跃的地质演化过程能够覆写这个凝固的环境。对人类来说,这张异星的快照,便是补完我们自己早期历史那张最关键的拼图。

而我们可爱的地球——这活着的地球,却早把自己的记忆抹除得支离破碎了。沾了体积巨大的光,它维持着长达46亿年的内动力地质作用,比如板块运动、造山作用、变质作用等。不隔多久,这些地质过程就会把先前形成的地壳搞得乱七八糟:重融的重融、破碎的破碎、变质的变质。而活跃的外动力地质作用,诸如风化、搬运、蚀变,则会把地表的环境信息磨蚀成毫无意义的碎片。更让人觉得讽刺的是:对古老环境的改造中,最后推波助澜的一环不是别人,而恰恰就是我们生命自己。

万物生长靠资源,第一资源则是能量。生命诞生于38亿年,这个时间节点是人们划分冥古宙和太古宙的界碑。跨过了天地混沌的冥古宙,随即而至的太古宙里,早期生命熙熙攘攘地挤在大洋深处的热液口。热液口是地球内部环境和外部环境联通的关卡,也是冰冷黑暗的太古海洋里唯一温暖的“热岛”。在这里,地表与地下两个世界的物质,通过化学反应的方式,频繁地交换着能量。哪儿有“交易”,哪儿就有“人气”。于是,热液口就成了原始生命趋之若鹜的场所。

可生命并不是千秋万代都甘于围在“暖炉”边上取暖的窝囊存在。野心勃勃的它们,在诞生不过8亿年的时间,便盯上了整个恒星系的最终极能源——太阳。距今30亿年左右,生命朝着日光张开了怀抱,光合作用出现了。几乎立刻,光合作用就在地球掀起了一场有史以来最为翻天覆地的变革。

要知道,“仅仅只用沐浴日光便能生存一辈子”,这种活法太先进了。而历史的经验往往是:每当先进与落后并行而立,变革之声也就近在咫尺了。

光合作用的产物之一,是氧气。随着光合生物的增多,地表氧气的含量也在逐渐增大。氧气越来越多,大气层的化学特质就慢慢从还原态转变为氧化态。距今25亿年左右,光合生物们把充斥着甲烷、氨气等还原气体的原始大气,彻底改造成了一片能够反射蔚蓝色泽的氮氧大气。

虽然对于生命演化来说,这事的意义不亚于一场变革,但对于此前几十亿年的太古宙环境,却无疑是一场翻天覆地的灾难:氧气是一种非常活跃的氧化剂,是“氧化作用”之所以得名的气体。当它充盈地表,充盈大气、充盈海洋时,任何一块地球表面的岩石,都要接受它的覆盖、它的拷问、它的洗礼。不是成为斑斑的铁锈,就是成为腐朽的粘土[3],整个地表环境的更新速率几乎骤升了一个数量级。

氧气要做的还有更多:它们让大气层的顶端凭空诞生一个新的单元——臭氧层。有了臭氧层的保护,生命再也不用窝在海里拼命躲避紫外辐射了。它们向大陆板块吹响了进军的号角,尽管宏观生物的登陆要到很久以后的显生宙才会发生,但微生物中的先驱者,已然于此时开始“感染”进了大陆岩石的热液系统,从而让生物风化作用也登上了地质历史的舞台。就这样,活着的我们,成为了追寻自身记忆的最大阻碍者。

火星或许有一天会重新变成一颗温暖湿润的蓝色星球,不过在这之前,我们很可能会在那里找到地球上生命起源的详细地质档案。图片来源:wired.com

火星或许有一天会重新变成一颗温暖湿润的蓝色星球,不过在这之前,我们很可能会在那里找到地球上生命起源的详细地质档案。图片来源:wired.com

活着带来的难题,自然要用活着来解决。大氧化时代的蓝菌不会知道,20亿年后直角石的游弋是何等地壮观[4]。同样,奥陶纪这些长着巨角的海螺也不会知道,3亿年后始祖鸟的第一次振翅是何等地绚烂[5]。当火山的尘霾窒息了大地,当星陨的灼浪遮蔽了日光,当所有这些物种成为岩石里冰冷的记忆,剩下的幸存者,依然用活着作为唯一的回答。只要生存之路能延续下去,这个星球的奇迹就会一直扩张。从海洋到陆地,从陆地到天空,从天空到月面,再然后,则是赤红如火的邻星。

甚至终有一天,火星也会成为身后的景色。更多的世界,会浮现在火星地平线的远方。欧罗巴的冰层、泰坦的风声、恩克拉多斯的地底之海…… 直至走出太阳神殿,走向那横贯永夜的星河[6]。

38亿年之后,生命迈出了这样小小的一步:它们明白了自己的未来在宇宙;它们的起源之地,也在宇宙;而故事的结尾是:它们还将继续演化。(编辑:Steed)

参考文献及注释

  1. 即卢瑟福-索迪定律。
  2. Michalski et al. 2018, The Martian subsurface as a potential window into the origin of life. Nature Geoscience, 11: 21-26, doi: 10.1038/s41561-017-0015-2
  3. 斑斑的铁锈,即赤铁矿(Fe2O3)和磁铁矿(Fe3O4)。以它们为成分主体的条带状含铁建造(Band Iron Formation),是大氧化事件的关键沉积地球化学证据。
  4. 直角石,Genus Orthoceras,头足纲下列的一个属,已灭绝。其锥状长角可达数米之长,是奥陶纪海洋里的顶级掠食者。
  5. 始祖鸟,Genus Archaeopteryx,蜥臀目恐龙下列的一个属,已灭绝。是恐龙向鸟类过渡的代表性生物门类。
  6. 泰坦(土卫六)有着浓厚的甲烷大气,是早期地球环境较佳的模拟。降落在泰坦表面的惠更斯号探测器曾经录制过它的风声,传回地球。欧罗巴(木卫二)、恩克拉多斯(土卫二)是太阳系的冰质大卫星,其冰层之下可能有着液态的原始海洋。如果说火星表面是太初环境的凝固记忆,那么欧、恩、泰三星,很可能就是“活着的”的早期生命起源环境。
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One Response to “探索火星——为了生命起源的记忆”

  1. liushw说道:

    看到来自果壳网,果壳现在半死不活的了

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