板塊構(gòu)造生命之根

段景頤

2012年3月26日，電影導(dǎo)演詹姆斯·卡梅隆乘坐“深海挑戰(zhàn)者號”潛水器，經(jīng)過2小時(shí)36分下潛，到達(dá)約11千米深的“挑戰(zhàn)者海淵”。這讓他成為第一個(gè)獨(dú)自下潛到馬里亞納海溝底部的人?？仿≡敬蛩阍诤系撞客Ａ?小時(shí)，最后實(shí)際只停留了3小時(shí)。在此過程中，他發(fā)現(xiàn)了包括一種最大的單細(xì)胞生物在內(nèi)的68個(gè)新物種，并帶回了一些海溝底部的微生物樣本。這些微生物外觀為簇狀細(xì)絲，以蝕變巖為食。在陽光無法抵達(dá)、壓強(qiáng)是海平面1000多倍的深海，這些微生物是靠什么生存下來的呢？

在地幔的頂端，數(shù)塊堅(jiān)硬的低溫板塊緩慢滑動(dòng)著。它們各自向其他板塊下方滑動(dòng)（被稱為俯沖作用），偶爾互相沖撞，這個(gè)過程是地球不同于其他行星的特征。馬里亞納海溝就是太平洋板塊俯沖進(jìn)馬里亞納板塊形成的。人類能通過地震和火山爆發(fā)感受到俯沖和撞擊，但板塊運(yùn)動(dòng)帶來的遠(yuǎn)不止地震和火山噴發(fā)，科學(xué)家相信，板塊運(yùn)動(dòng)也許就是地球的生命之根。

帶來生命原料

板塊運(yùn)動(dòng)可能為孕育生命帶來原料。太平洋板塊在被拖進(jìn)地幔的過程中溫度逐漸上升，釋放出巖石中的結(jié)合水，并將上層地幔中的橄欖巖轉(zhuǎn)化成蛇紋巖。在這期間，甲烷等化合物也會通過溫泉或海床裂縫緩慢釋出。早期地球也經(jīng)歷過類似的過程，并且可能制造了生物新陳代謝所需的原材料。有了這些原材料，第一批具有自我復(fù)制能力的細(xì)胞開始不斷涌現(xiàn)?？仿Щ氐臉颖?，就是這些原始細(xì)胞的后代。

板塊運(yùn)動(dòng)也影響了生命出現(xiàn)的時(shí)間。2015年12月，澳大利亞科學(xué)家在全球各地海床提取了約300個(gè)巖芯樣本，最古老的巖芯年代可追溯至7億年前。他們測量了這些巖心中的常量元素磷，痕量元素銅、鋅、硒、鈷等生物所需的元素的含量。如果海水中這些營養(yǎng)元素的含量積累到一定水平，就可能促使浮游植物數(shù)量迅猛增長。研究人員認(rèn)為在約5.5億年前，海洋中這類元素的濃度出現(xiàn)過一次暴增。

科學(xué)家認(rèn)為，板塊運(yùn)動(dòng)大大推動(dòng)了這個(gè)進(jìn)程。板塊碰撞處形成高山。相比平原，雨水和風(fēng)化更容易侵蝕、剝落山體巖石，巖石中的礦物成分逐漸溶入河流，流進(jìn)大海。他們還發(fā)現(xiàn)，地球歷史上幾次大規(guī)模生物滅絕期，恰巧也是這些元素豐度下降的時(shí)期。如果地表生物所需要的礦物元素被地球吞噬，巖石風(fēng)化侵蝕作用的速度又趕不上營養(yǎng)消失的速度，那么結(jié)果很可能就是地質(zhì)歷史上的幾次營養(yǎng)貧乏期，也就是大滅絕時(shí)期。

地球內(nèi)部對流就如同鍋內(nèi)對流

改寫大氣構(gòu)成

板塊構(gòu)造帶來的另一個(gè)重要作用是維持地球表面的長期熱穩(wěn)定。大氣中的二氧化碳就像地球蓋的一層棉被，少了它，地球表面無法留住熱量，可多了也不行。地球大氣中的二氧化碳比例約為0.44%，金星大氣中二氧化碳比例則高達(dá)97%，其表面溫度高達(dá)460℃，簡直就是個(gè)大火爐。地球板塊構(gòu)造有助于將大氣二氧化碳水平維持在適當(dāng)范圍。

風(fēng)化作用不僅給大海帶來高山的養(yǎng)分，還有助于去除空氣中的二氧化碳。二氧化碳和水結(jié)合形成碳酸，碳酸可以溶解巖石，進(jìn)一步加速風(fēng)化。雨水將碳酸和從巖石中溶解出的鈣質(zhì)帶進(jìn)河道匯入海洋，再加上直接溶解入海水的二氧化碳，碳酸和鈣結(jié)合，就形成石灰石，落在海床之上。一部分位于板塊交界地帶的石灰石會被俯沖作用吞噬。這個(gè)過程雖然很緩慢，但只要時(shí)間足夠，二氧化碳就會漸漸被地幔吞噬。

板塊構(gòu)造也影響了大氣中的氧氣比例。在距今38億～25億年前的太古宙，地球剛剛遭受完太陽系內(nèi)小行星的重型轟炸，迎來了寧靜。此時(shí)地球上幾乎沒有氧氣，藻類開始利用光合作用制造氧氣，但其中大部分氧氣和鐵礦石發(fā)生氧化作用，形成鐵銹。

2016年的一份研究顯示，板塊構(gòu)造可能開啟了發(fā)生于25億～20億年前的“大氧化事件”，造就了地球歷史上的一段高氧時(shí)期。這個(gè)過程分為兩步：首先，27億～25億年前大陸形成讓地殼主要成分從鎂鐵質(zhì)巖轉(zhuǎn)化成長英質(zhì)巖，地表“捕捉氧氣”的效率下降，大氣中氧氣比例逐漸提高;然后，隨著地球表面的碳不斷積累，巖石的變質(zhì)作用和巖漿反應(yīng)導(dǎo)致大氣一海洋系統(tǒng)中的二氧化碳長期總量上升。獲得大量二氧化碳的藻類制造出更多氧氣，因?yàn)榈乇硌鹾看蟠筇岣?，生命逐漸走向多樣化。

誰打碎了“大鍋蓋”？

板塊構(gòu)造始于何時(shí)？這是科學(xué)家最想破解的核心之謎。地球形成于約45.4億年前，那時(shí)地球還是一顆熾熱的熔巖球。此后的10億年里地球溫度依然非常高，很可能也沒有形成板塊構(gòu)造。和現(xiàn)在一樣，那時(shí)地球內(nèi)層對流已經(jīng)將巖石和熱量分布至地球各處。地幔中的巖石在地球內(nèi)部被擠壓、加熱，然后上升到地表。冷卻過程會讓它們變得更致密，密度增大導(dǎo)致這些巖石開始重新下沉。這個(gè)過程就像燒水過程中壺內(nèi)水的對流模式，而對流或許啟動(dòng)了早期地球內(nèi)部的垂直運(yùn)動(dòng)。

不過，那時(shí)的地幔又薄又稀，力量還不足以沖破堅(jiān)硬地殼，俯沖作用還沒有開始，也就談不上地殼水平運(yùn)動(dòng)。那時(shí)的陸地也是一塊完整的盤古大陸——就像蓋在地幔上的一個(gè)大鍋蓋，板塊構(gòu)造還未形成。隨著地球漸漸冷卻下來，板塊無法再像以前那樣可以在地幔上隨意滑動(dòng)，低溫讓熔巖凝固，板塊和地幔開始結(jié)合，形成了今天板塊構(gòu)造的雛形。

那么又是什么力量將“大鍋蓋”敲碎，裂成許多板塊的呢？一些研究人員認(rèn)為，“大鍋蓋”碎裂可能要追溯到地球誕生的5億年后，那場太陽系初期形成的小行星的猛烈轟炸。在狂暴的沖擊力下，較冷的外層地殼被撞入熾熱的上層地幔中，這個(gè)過程開啟了板塊俯沖。

一些科學(xué)家相信，俯沖運(yùn)動(dòng)需要外力開啟，另一些科學(xué)家則認(rèn)為，地球降溫的過程中溫度不均會造成“大鍋蓋”破裂。這就像烤蛋糕時(shí)蛋糕頂部開裂。距今30億年前時(shí)，地表局部地區(qū)已經(jīng)有過幾次“短暫”的板塊構(gòu)造活動(dòng)，但范圍并不大。這幾次小型活動(dòng)的結(jié)果是，溫度較低的地殼開始下沉，完整的地殼出現(xiàn)開裂，強(qiáng)度也不如從前。這種小規(guī)模板塊構(gòu)造活動(dòng)周而復(fù)始。地殼上逐漸開始出現(xiàn)薄弱區(qū)，并逐漸演化為板塊邊界。最終，俯沖作用會形成完整的板塊構(gòu)造。高溫地幔會爬升，在地幔的滲透和加熱下，地殼被逐漸熔化、破裂。

這種理論認(rèn)為，地球多次重復(fù)了這個(gè)過程，終于在距今30億年前，板塊積累了足夠多的能量，板塊構(gòu)造開始出現(xiàn)。真相是否如此？可惜的是我們目前掌握的證據(jù)都是零碎的。海洋地殼的歷史不過2億年，無法提供更早之前的地質(zhì)變遷證據(jù)。

其他行星有沒有板塊構(gòu)造？

從外觀推測，金星的地表可能在5億年前整體重塑，但是人類目前沒有辨別出任何板塊。在土衛(wèi)二的冰蓋之下，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了許多奇怪的地質(zhì)裂縫，他們猜測，～2z內(nèi)部溫度更高的低密度物質(zhì)曾經(jīng)從這些裂縫中噴發(fā)，進(jìn)入太空。

火星有太陽系行星中最大的火山——奧林帕斯山（高于火星基準(zhǔn)面約21千米，寬約600千米）。奧林帕斯山所在的塔爾西斯高原十分巨大，大到足以壓低火星地殼，使火星的兩極偏移。有科學(xué)家認(rèn)為，火星大小的行星只要有足量的水，就肯定能進(jìn)入構(gòu)造活躍狀態(tài)。另一些科學(xué)家認(rèn)為，火星南半球的某些區(qū)域有海床蔓延的痕跡。雖然各方對火星是否存在板塊構(gòu)造的觀點(diǎn)不一，但有一點(diǎn)基本形成了共識——火星在最近40億年內(nèi)沒有板塊構(gòu)造活動(dòng)。從人造衛(wèi)星和火星探測車收集到的數(shù)據(jù)分析來看，火星地殼的形成年代也大約在40億年前。

2018年11月26日，洞察號火星探測器經(jīng)過4.58億千米的飛行后，成功降落火星表面。其上搭載的地震計(jì)、熱挖掘探頭和無線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置開始了對火星內(nèi)部構(gòu)造的研究。

地球目前的板塊構(gòu)造可能也是暫時(shí)的，因?yàn)榘鍓K構(gòu)造或許只是巖石行星的某個(gè)中間階段。隨著_地球漸漸衰老，它很可能從一顆構(gòu)造活躍的溫暖行星，慢慢變?yōu)橐活w凝固的寒冷行星，地球板塊運(yùn)動(dòng)很可能終止。屆時(shí)將不再有任何地震，也不會有火山噴發(fā)，不少地質(zhì)學(xué)家相信火星的今天就是地球的明天。

（責(zé)任編輯 王川）

板塊運(yùn)動(dòng)促成物種隔離

板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)也可能加速了物種隔離。有科學(xué)家猜測，10億年前至5.4億年前之間的新元古代可能是板塊的活躍時(shí)期。劇烈的板塊運(yùn)動(dòng)重塑了大陸格局，造成海洋和大氣劇變（寒冷的雪球地球時(shí)期就是證據(jù)之一），迫使生物向不同緯度遷徙，形成物種隔離，并不斷重組生態(tài)圈構(gòu)成。直到1.5億年前，大洋洲都還是南極洲的一部分：而今天，兩塊大陸上的物種結(jié)構(gòu)幾乎完全不同。