地球到底怎么形成

苗千

我們的太陽系，我們的地球是如何形成，又是如何逐漸演變?yōu)楝F(xiàn)在的狀態(tài)？生命現(xiàn)象最早是什么時(shí)候開始在地球上出現(xiàn)，從此一直生生不息，繁衍至今？隨著人類地質(zhì)學(xué)和古生物學(xué)研究不斷取得新發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)問題的答案也在逐漸轉(zhuǎn)變，人類對(duì)于地球形成過程的描述可能需要修正。

人類的家園，太陽系中的第三顆行星——地球，是目前人類已知的宇宙中最為獨(dú)特的星球，這顆蔚藍(lán)色星球上存在著宇宙中或許是獨(dú)一無二的生命現(xiàn)象。在這顆行星上，生命現(xiàn)象究竟是在什么時(shí)候，如何出現(xiàn)和繁衍擴(kuò)散？這個(gè)問題正在受到越來越多的關(guān)注，而且也和地球自身的創(chuàng)生過程結(jié)合了起來。

從太陽星云到太陽系

關(guān)于地球如何形成，雖然還有很多的細(xì)節(jié)仍不清楚，但是行星科學(xué)家們已經(jīng)可以描述出大致的過程。在大約46億年以前，所謂的太陽系還只是一片宇宙中的灰塵和氣體，被稱作太陽星云（Solar Nebula）。后來或許是附近一顆超新星的爆發(fā)擾動(dòng)了這些灰塵和氣體，使它們開始旋轉(zhuǎn)，并且在引力的作用下開始塌縮，進(jìn)而形成天體。在太陽星云內(nèi)部的材料，包括絕大多數(shù)的氫元素和氦元素，都在太陽風(fēng)的作用下聚集起來形成了太陽，而太陽星云剩余的其他一些更重的材料也開始聚合起來，形成了太陽系內(nèi)部的幾顆行星。大約在45.4億年之前，一些剩余材料形成了地球的雛形。而在太陽系的外圍，太陽風(fēng)無法影響的區(qū)域中，則形成了氣態(tài)行星、小行星和彗星等各種天體。

在一些宗教的創(chuàng)生故事中，整個(gè)世界在形成初期往往伴隨著各種山崩地裂的現(xiàn)象，而實(shí)際上，這與地球剛剛形成之后的早期狀態(tài)確實(shí)有相似之處。因?yàn)橐ψ饔玫臄D壓和內(nèi)部一些放射性物質(zhì)的聚集，地球的內(nèi)核非常炎熱。一些相對(duì)更輕的材料浮到了地球表面形成地殼，由地球引力捕獲的一些氣體，加上地球火山噴發(fā)所釋放出的氣體逐漸形成了地球的大氣層。地質(zhì)學(xué)家們估計(jì)，在地球形成的初期幾乎沒有固態(tài)的地殼，處于熔巖狀態(tài)的地球表面還經(jīng)常伴以巖漿噴發(fā)，并且受到來自太陽系內(nèi)部的小行星的轟擊。研究者們?cè)诘厍蛏习l(fā)現(xiàn)的在這個(gè)時(shí)期形成的一些隕石坑可以寬達(dá)上千公里，而且很多研究者認(rèn)為，正是在這個(gè)階段，一次來自一個(gè)小行星的猛烈轟擊使地球的一部分發(fā)生氣化脫離開來，而后才形成了地球的唯一一顆天然衛(wèi)星——月球（也有理論認(rèn)為地球是通過引力作用捕獲了當(dāng)時(shí)在地球軌道附近的物質(zhì)，逐漸聚合形成了月球）。

正是因?yàn)榈卦峦?，研究月球的歷史也可以幫助人們理解地球的形成過程。由“阿波羅計(jì)劃”（Project Apollo）從月球帶回來的巖石樣本顯示，月球巖石大多形成于約39億年前——在月球形成了幾億年之后，它忽然遭遇了大量的隕石襲擊，這個(gè)時(shí)期被稱為“月球?yàn)?zāi)變期”（Lunar Cataclysm）。頻繁的襲擊使月球的大部分表面發(fā)生融化，而后又逐漸凝結(jié)。在這段時(shí)期里地球當(dāng)然也難逃厄運(yùn)，同樣經(jīng)歷了大量的小行星和隕石的襲擊。

根據(jù)目前人類勾畫出的地球形成過程，在形成的最初5億年內(nèi)，地球一直處于一種極度炎熱的環(huán)境之中，表面沒有固化的地殼，充滿了火山爆發(fā)，又要隨時(shí)應(yīng)對(duì)小行星的襲擊。在這種情況下，當(dāng)然不可能出現(xiàn)生命現(xiàn)象。正因?yàn)槿绱耍@個(gè)時(shí)期在科學(xué)界被稱為冥古宙（Hadean Eon），這個(gè)詞源于希臘神話中的冥王。

依據(jù)地質(zhì)學(xué)家的解釋，直到大約38億年前，地球自身激烈的地質(zhì)活動(dòng)開始趨于穩(wěn)定，隨著溫度下降，表面逐漸凝固形成了固態(tài)地殼，而太陽系內(nèi)部的天體活動(dòng)也趨于穩(wěn)定，不再有頻繁的小行星轟擊地球，在這樣的條件下地球上才開始出現(xiàn)生命現(xiàn)象。

生命從何時(shí)出現(xiàn)？

這個(gè)關(guān)于地球形成過程的描述，卻正在因?yàn)樵絹碓蕉嗟墓派镂⒒C據(jù)被發(fā)現(xiàn)而受到質(zhì)疑，原因也是顯而易見的——如果在地球形成之后的5億年之內(nèi)，環(huán)境一直都是如此的惡劣，在炎熱、干燥、沒有固態(tài)地殼的環(huán)境中又怎么可能出現(xiàn)最早的生命形式？隨著古生物學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家的不斷發(fā)現(xiàn)，地球上出現(xiàn)生命現(xiàn)象的時(shí)間被不斷提前，這樣的質(zhì)疑聲也就隨之越來越高。

1992年，科學(xué)家們?cè)诎拇罄麃喌膸r石中發(fā)現(xiàn)了距今35億年以前的生命現(xiàn)象的痕跡。自此之后，這個(gè)紀(jì)錄就接連被打破。另一方面，因?yàn)檫@些化石或是巖石樣本的年代過于久遠(yuǎn)，科學(xué)界對(duì)于這些早期生命化石或是相關(guān)樣品的質(zhì)疑也從來沒有停息過。目前最新的研究證據(jù)顯示，可能在距今40億年以前，地球上就已經(jīng)出現(xiàn)了復(fù)雜的、可以進(jìn)行光合作用和通過其他方式來獲取能量的生命體。

2017年9月28日，由來自東京大學(xué)的學(xué)者小宮剛（Tsuyoshi Komiya）和佐野有司（Yuji Sano）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表論文：《在加拿大拉布拉多的沉積巖中發(fā)現(xiàn)距今39.5億年前的生命痕跡》（Early Trace of Life From 3.95 Ga Sedimentary Rocks in Labrador， Canada）。他們測(cè)量了在加拿大發(fā)現(xiàn)的巖石樣本中的石墨，對(duì)其中的碳元素同位素比例進(jìn)行研究，證明這些聚集的碳元素來自于生命活動(dòng)。但他們的研究成果也受到了質(zhì)疑，例如有科學(xué)家認(rèn)為在這些石墨的周圍并沒有生命現(xiàn)象的痕跡，而一些非生命過程也可能改變石墨中碳同位素的比例。

另一組由來自加州大學(xué)洛杉磯分校的古生物學(xué)家威廉·舍普夫（William Schopf）和威斯康星大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家約翰·瓦雷（John Valley）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，花費(fèi)4個(gè)月時(shí)間找到了一片巖石樣本，里邊含有足以進(jìn)行化學(xué)成分分析的古生物化石。他們發(fā)現(xiàn)在這個(gè)樣本中總共含有由11種形狀和尺度各異的微生物所形成的微化石，其中包含了5種不同的微生物。2018年1月18日，他們?cè)凇睹绹鴩铱茖W(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上發(fā)表了研究成果：《對(duì)于已知最早的微化石集合碳同位素構(gòu)成進(jìn)行二次離子質(zhì)譜法分析》（SIMS Analyses of the Oldest Known Assemblage of Microfossils Document Their Taxon-correlated Carbon Isotope Compositions）。論文作者舍普夫認(rèn)為，已經(jīng)有了足夠的證據(jù)顯示，他們發(fā)現(xiàn)的樣本是遠(yuǎn)古微生物形成的微化石——如果在這個(gè)距今大約35億年前的微化石上就已經(jīng)顯示出如此多樣的生命現(xiàn)象，那么說明地球在距今40億年之前就已經(jīng)產(chǎn)生了生命現(xiàn)象。可以說這是至今為止最令人信賴的化石證據(jù)，而這個(gè)發(fā)現(xiàn)所引發(fā)的問題遠(yuǎn)不止于此，這關(guān)系到人類對(duì)于地球形成過程的描述可能需要修正。

更溫和的創(chuàng)生故事

種種跡象表明，在地球形成的早期，環(huán)境有可能并沒有人們最初想象的那么惡劣。除了科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的微化石證據(jù)之外，一些地質(zhì)學(xué)證據(jù)也與目前流行的地球形成故事不相符合。擅長利用二次離子質(zhì)譜法分析樣本元素構(gòu)成的瓦雷從2001年起就開始研究一種特殊的礦物晶體鋯石（Zircon），這種形成年代久遠(yuǎn)的特殊礦物同樣在告訴人們另一個(gè)版本的地球形成故事——或許在大約43億年前，在地球表面就已經(jīng)形成了一個(gè)冷卻的、有液態(tài)水存在的適合生物生存的環(huán)境了。

在鋯石晶體中存在著硅、氧、鋯和其他一些元素，它是在巖漿內(nèi)部凝結(jié)形成的，可以承受巨大的壓力、腐蝕和變形。正是因?yàn)檫@樣的特殊性質(zhì)，這種礦物從冥古宙一直保存至今，這也是地球在冥古宙時(shí)期留下的可供地質(zhì)學(xué)家進(jìn)行研究的唯一證據(jù)。瓦雷研究了從西澳大利亞的杰克山岡地區(qū)采集到的鋯石樣本，他通過測(cè)量晶體內(nèi)部的氧元素同位素得出結(jié)論：這些晶體形成于有水的冷卻環(huán)境中。也就是說，有固態(tài)地殼存在的、冷卻的、有液態(tài)水存在的地球環(huán)境，可能比人們此前的想象早4億年就存在了。這個(gè)結(jié)論也與科學(xué)家們不斷發(fā)現(xiàn)的古生物微化石的年代相符合。

2014年2月24日，瓦雷在《自然·地球科學(xué)》（Nature Geoscience）雜志上發(fā)表論文《通過原子探針斷層掃描證實(shí)的冥古宙后巖漿海洋時(shí)期的鋯石》（Hadean Age For a Post-magma-ocean Zircon Confirmed By Atom-probe Tomography），報(bào)告他多年來對(duì)鋯石晶體的研究結(jié)果。論文闡述，至少在44億年以前，也就是在太陽系形成1.6億年之后，在地球表面可能就有了通過冷卻形成的固態(tài)地殼。如果這個(gè)結(jié)論成立，那么又過了大約1億年之后，地球表面可能就已經(jīng)存在了液態(tài)水。而且瓦雷在其他的鋯石樣本中也發(fā)現(xiàn)了類似的痕跡，這說明在當(dāng)時(shí)的地球表面可能已經(jīng)有了海洋。

通過科學(xué)家們不斷發(fā)現(xiàn)的遠(yuǎn)古的生命痕跡和地質(zhì)樣品來看，可能在地球剛剛形成的幾億年之內(nèi)的冥古宙并不像人們此前想象的那么可怕，雖然在當(dāng)時(shí)火山運(yùn)動(dòng)頻繁，但很有可能在地面上已經(jīng)有了固定的干燥的陸地，也有可能存在了液態(tài)水，形成了海洋——這樣的環(huán)境已經(jīng)足以孕育出生命現(xiàn)象。

但問題依然存在。在太陽系和地球形成的初期，對(duì)生命現(xiàn)象的產(chǎn)生和擴(kuò)散造成巨大威脅的，不止來自頻繁的火山爆發(fā)，更多的是來自天空的轟擊。在太陽系內(nèi)部的天體剛剛形成時(shí)，它們都經(jīng)歷了被小天體頻繁襲擊的時(shí)期。不僅在地球上，科學(xué)家們?cè)谠虑?、火星、金星和水星上都發(fā)現(xiàn)了類似的痕跡。現(xiàn)在的問題在于，這個(gè)轟擊過程從什么時(shí)候

開始，又到什么時(shí)候結(jié)束？

除了來自地球的巖石樣本之外，只有阿波羅計(jì)劃的六次登月帶回的月球巖石樣本可供人類進(jìn)行對(duì)照研究?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，除了在太陽系形成初期，太陽系內(nèi)部的天體都無可避免地遭受小天體的頻繁轟擊之外，又過了5億到7億年的時(shí)間，月球?yàn)?zāi)變期又是地球和月球飽受轟擊的一個(gè)特殊時(shí)期。在這期間月球表面在轟擊下幾乎被融化，而地球也應(yīng)該遭受到了同等程度的轟擊，因此這也被稱為后期重轟炸期（Late Heavy Bombardment）。

加州大學(xué)洛杉磯分校的兩位研究者帕特里克·伯梅（Patrick Boehnke）和馬克·哈里森（Mark Harrison）研究了來自阿波羅計(jì)劃的月球巖石樣本，這些樣本一直都被認(rèn)為是月球?yàn)?zāi)變期發(fā)生的主要證據(jù)，而他們則從這些樣本中得出了相反的結(jié)論。2016年9月27日，他們?cè)凇睹绹鴩铱茖W(xué)院院刊》上發(fā)表論文《虛幻的后期重轟炸期》（Illusory Late Heavy Bombardments），提出了一個(gè)全新的觀點(diǎn)，認(rèn)為這個(gè)人們此前所認(rèn)為的太陽系中的又一次頻繁的小行星活動(dòng)時(shí)期可能并不存在，而這些來自月球的巖石樣本，它們的真實(shí)年齡可能比看上去的更加久遠(yuǎn)。

人們此前判斷月球巖石樣本的年齡，主要是通過檢測(cè)其中氬39/氬40同位素的比例，從而得出結(jié)論為大約39億年。而兩位研究者重新測(cè)量了月球巖石樣本中的氬同位素情況，發(fā)現(xiàn)這些巖石樣本在結(jié)晶之后，又曾經(jīng)遭受過多次猛烈的撞擊，因?yàn)樗鼈冏畛跣纬傻哪甏鷷?huì)比看上去的更早。另外，幾次阿波羅計(jì)劃所取回的月球巖石樣本可能都來自月球的同一位置，甚至可能來自同一個(gè)隕石坑，這樣的采集方式，也不能完全反映月球巖石狀態(tài)的全貌。綜合這些因素，兩位作者認(rèn)為，發(fā)生于大約39億年前的月球?yàn)?zāi)變期，或是地球上的后期重轟炸期，可能并不存在。

現(xiàn)在有科學(xué)家認(rèn)為，在月球上發(fā)現(xiàn)的諸多隕石坑，可能只是在經(jīng)歷第一次小行星轟炸時(shí)留下的痕跡。在天外小行星頻繁轟炸地球的過程中，可能會(huì)有一個(gè)緩慢的上升過程，隨后轟炸又開始逐漸衰減，因而可能并不存在第二次的頻繁轟炸。如此說來，地球的創(chuàng)生故事可能要比人們此前想象的稍微溫和一些。正是在這種相對(duì)溫和的情況下，地球上才有可能出現(xiàn)最初的生命現(xiàn)象。很有可能在地球剛剛冷卻下來的幾百萬年時(shí)間里，生命現(xiàn)象就出現(xiàn)了，并且從此開始頑強(qiáng)地繁衍并擴(kuò)散開來。生命可能遠(yuǎn)比人們此前想象的更頑強(qiáng)，也更能忍受殘酷的環(huán)境。

（本文寫作參考了Science和Quanta Magazine的相關(guān)報(bào)道）

威斯康星大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家約翰·瓦雷（上）和他的團(tuán)隊(duì)找到一片巖石樣本（下），里邊含有足以進(jìn)行化學(xué)成分分析的古生物化石