為什麼地殼運動可能是生命的關鍵因素？

06-26

博科園

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生命需要的不僅僅是水，最近的發現表明板塊構造在滋養地球生命方面起了關鍵作用，這些發現對尋找宇宙其他地方的生命產生了重大影響。從遠處看地球上是否有生命並不明顯。從非常近的距離才能觀察到最大的森林，更近的距離才能觀察到人類的工作，更不用說微生物了。但從太空來看，這顆行星本身似乎也是有生命的。

冰島的西弗利亞裂隙是北美和歐亞構造板塊邊界的一部分，這兩個板塊每年漂移2厘米左右。圖片：Charlie Jung

地球上的陸地被廣闊的水域分成七大洲，在我們無法看到到的海洋深處，一切都變得更加生動。地球物質正在自我毀滅，融化自己，而後重塑。十幾個冰冷、堅硬的板塊緩慢地滑動到地球內部熾熱的地幔之上，相互俯衝，偶爾還會碰撞。板塊構造過程是地球的一個重要特徵，人類大多是通過地震和火山認識到板塊運動的。目前夏威夷鄰近地區噴出的熔岩是深地幔熱點的結果，與構造活動有關。但是板塊構造不僅僅會造成地震和火山爆發。越來越多的新研究表明，地球的外部運動可能對它的另一個特徵——生命至關重要。

地球有一個移動的、變形的外層地殼，這可能是地球充滿活力的主要原因，也是其他星球無法與地球丰度相匹敵的原因。理解板塊構造是我們理解地球及其可居住性的一個關鍵。如何創造一個適合居住的星球，並能讓生活在那裡的生命維持數十億年呢？華盛頓大學的地質學家凱瑟琳·亨廷頓說：板塊構造在最長的時間尺度上調製大氣，所需要的是持續的水資源，適宜的溫度來讓生命延續。

夏威夷基拉韋厄火山的熔岩在過去的一個月里摧毀了幾十座房屋，這座火山是由夏威夷島鏈的深地幔熱點造成的。圖片：USGS

在過去的幾年裡，地質學家和天體生物學家越來越多地將板塊構造與地球上其它一切使其獨一無二的東西聯繫在一起。已經證明地球大氣層的壽命、組成成分和難以置信的穩定，金髮姑娘般的溫度都歸功於地殼的循環利用。如果不是地球的地幔周期性地吸收並釋放水分子，地球上的海洋可能就不復存在了。如果沒有板塊構造來推動海岸線的形成和潮汐的運動，海洋可能就會變得非常貧瘠，賦予生命的營養物質會被永遠埋於暗無天日的深處。

如果板塊構造沒有迫使板塊之間相互俯衝，那麼海底將會變得異常寒冷，引人關注的化學成分也將寥寥無幾，這就意味著生命從一開始可能就無法出現在地球上。一些研究人員甚至認為，如果沒有大陸的運動，生命可能不會進化成複雜的形式。2015東京工業大學的詹姆士·多姆和丸山為這種相互依賴的關係創造了一個（新名詞）：可居住的三位一體。這個短語描述了一個有豐富水資源、大氣和陸地的行星。

水、大氣、陸地之間的交換和循環可以看作是生命的先決條件。然而要理解板塊構造如何影響演化，以及它是否是演化過程中的一個必要因素，關鍵在於找到地球科學中最熱門問題的答案：板塊如何以及何時開始運動。搞清楚這顆行星為什麼有一個可移動的外殼，不僅可以讓地質學家了解這顆行星，還可以了解其他所有表面堅硬的行星或衛星，以及它們是否也有生命存在。

TOP1、從山脈到地溝

2012年電影導演詹姆斯·卡梅隆成為第一個在地球上最深的裂縫中獨自潛水的人。他在挑戰者深淵的海面下35,756英尺(約357米)處著陸，這是馬里亞納海溝內的一個窪地，在兩個構造板塊的交匯處有一個比窪地大得多的海槽。卡梅倫在整個海溝中收集了一些樣本，包括地球接縫處生命旺盛的證據。當太平洋板塊進入到地幔中時，它會變暖並釋放被困在岩石內部的水。

在一種叫做蛇紋石化的過程中，水從板塊中噴出，並改變上地幔的物理性質。這種轉變使得甲烷和其他化合物通過冰冷的海底的溫泉從地幔中滲出。早期地球上類似過程可能為新陳代謝提供了原始成分，而新陳代謝可能產生了第一批複制細胞。卡梅隆帶回了這些現代細胞的後代的證據：微生物墊。微生物墊是在陽光都無法穿透的7英里水下生長的微生物團，壓力是海平面的1000倍以上。

佛蒙特大學的地質學家基思·克萊皮斯說：這真的很令人興奮，因為它把板塊構造和生命聯繫在一起，給我們提供了在太陽系其他地方尋找生命的想法，讓我們深入了解地球上的早期生命。卡梅隆創紀錄的潛水並不是證明板塊構造和海洋生物之間聯繫的唯一一次探險。最近的研究將板塊構造活動與5.41億年前的寒武紀大爆發聯繫在一起，並且當時出現了一系列令人驚嘆的複雜的新生命。

在太平洋火山帶的戴曼特火山附近，白色的微生物墊覆蓋著黃色的珊瑚，這個墊子吸收了熱液噴口的化學能。圖片：Dr. Bob Embley, NOAA PMEL, Chief Scientist

2015年12月澳大利亞的研究人員發表了一份研究報告，他們對全球海底300多個岩心進行了研究，其中一些岩心樣本已有7億年的歷史。他們測量了磷以及微量元素，如銅、鋅、硒和鈷——這些都是所有生命所必需的營養物質，當這些營養物質在海洋中大量存在時，它們可以刺激浮游生物的快速生長。塔斯馬尼亞大學的羅斯·朗格領導的研究人員表示這些元素的濃度在五億六千萬到五億五千萬年前增加了一個數量級。

他的團隊認為板塊構造推動了這一過程。當大陸板塊碰撞並將岩石推向天空時，山脈就由此形成。裸露在空氣的岩石更容易被雨水侵蝕和風化，然後緩慢地將營養物質滲進海洋。更令人驚訝的是，他和他的同事們發現這些元素在最近的某一時期中含量很低，這一時期正好與大規模的滅絕相吻合。這一營養缺乏時期發生在磷和微量元素被地球消耗的速度超過它們被補充的速度的時候。

構造活動對保持地球溫度長期穩定也起著至關重要的作用。以二氧化碳為例，一個含有過多二氧化碳的行星最終可能會像金星一樣溫度極高。億萬年以來地球上的板塊活動調節了的二氧化碳含量。同時，風化作用將山頂上的營養物質帶入海洋，也有助於從大氣中去除二氧化碳。這一過程的第一階段發生在大氣中的二氧化碳與水結合形成碳酸，碳酸有助於溶解岩石並加速風化過程，而後雨水將溶解的岩石中的碳酸和鈣帶入海洋。

二氧化碳也會直接溶入海洋，在那裡二氧化碳與碳酸和溶解的鈣結合，形成石灰石並落到海底。最終在難以想像的億萬年里，被封存的二氧化碳被地幔吞噬，這是一種長期調節大氣中二氧化碳含量的方法。板塊構造甚至可能是另一種大氣成分形成的重要因素，並且可以說是最重要的成分：氧。在寒武紀爆發前整整20億年，太古代地球幾乎沒有我們現在呼吸的空氣。藻類開始利用光合作用來生產氧氣，但大部分氧氣被富含鐵的岩石消耗，這些岩石利用氧氣來製造鐵鏽。

由於板塊構造作用，阿拉斯加山脈仍在繼續擴大。在這張照片中可以看到，德納里山每年以0.5毫米的速度上升。圖片：Glenn Research Center

根據2016年發表的研究，板塊構造運動開始了兩個階段，使氧氣含量進一步增加。在第一階段，俯衝使地幔發生變化，併產生兩種類型的地殼——海洋和大陸。大陸板塊中富含鐵元素的岩石較少，而富含石英的岩石則更多，因此不會將大氣中的氧氣消耗殆盡。然後在接下來的10億年間（從25億年前到15億年前）岩石風化將二氧化碳排放到空氣和海洋中。額外的二氧化碳將會幫助藻類生長，從而使藻類產生更多的氧氣，足以使寒武紀大爆發。

板塊構造也可能給生命帶來了進化的推動力。德克薩斯大學達拉斯分校的地質學家羅伯特·斯特恩認為：板塊構造起源於10億到5.4億年前的新元古代。這可能與7億年前全球異常變冷的時期同時發生，地質學家和古氣候專家將這一時期稱為「雪球地球」。今年4月德克薩斯大學奧斯汀分校的斯特恩和納撒尼爾·米勒發表的研究表明：板塊構造將災難性地重新分布大陸，擾亂海洋和大氣，這將對生命產生重大影響。

進化需要孤立和競爭才能真正開始。如果陸地-海洋區域沒有真正的變化，就不會有競爭性的動力和物種形成。一旦有生命出現就可以通過打破大陸和大陸架，將它們移動到不同的緯度並重新組合起來，從而使它快速進化。這就是板塊構造的動力！板塊構造對先進物種的進化可能是必要的，陸地對於物種進化肢體和手是必要的，這使它們能夠抓住和操縱物體。

而擁有海洋、大陸和板塊構造的行星能最大限度地增加物種形成和自然選擇的機會。認為沒有板塊構造，可以創造生命，想是的：也認為沒有板塊構造是無法創造出我們的。斯特恩設想了一個遙遠的未來:軌道望遠鏡可以確定哪些系外行星是岩石，哪些系外行星具有板塊構造。前往遙遠星系的使者應該首先瞄準那些沒有板塊構造的星系，這樣才能避免破壞另一個世界複雜生命的進化。

TOP2、破解地球的外殼

但一切都取決於這個過程何時開始，這是一個很大的問題。澳大利亞麥格理大學的行星科學家克雷格·奧尼爾說：地球形成於約45.4億年前，最初是一個熾熱的熔岩球。在地球形成後的至少10億年里，它可能沒有任何可識別的板塊構造，主要是因為這個新生的行星溫度太高。那時就像現在一樣，地球內部的對流會使熱量和岩石四處移動。地幔中的岩石在地球內部的坩堝中被擠壓和加熱，接著上升到地表，冷卻之後變得更緻密，然後下沉並重新開始這個過程。

對流和垂直運動甚至在早期地球上發生了。但當時的地幔相對較薄且「鬆軟」，並不能產生足夠的力量來破壞堅硬的地殼。俯衝沒有發生就沒有橫向運動。所以在第一個大陸形成之前的一段時間，如果你願意的話，地球就會有一個所謂的「密封蓋」形成，沒有不同的板塊。奧尼爾在2016年發表的研究表明，早期的地球可能更像木星的火山衛星Io；「在那裡，有一個火山活躍的體系，但沒有很多橫向運動。隨著地球開始變冷，板塊可以更容易地與下面的地幔相結合，導致地球過渡到板塊構造時代。

這就出現一個問題：到底是什麼打碎了蓋子，是什麼創造了這些板塊？一些研究人員認為，入侵可能讓事情出現了轉折點。在過去的兩年里，幾組研究人員提出，太陽系誕生後遺留下來的小行星可能砸破了地球的蓋子。去年秋天，奧尼爾和他的同事們發表了一份研究報告，認為在地球形成後的5億年，小行星的轟擊可能讓寒冷的外殼突然被推入到熱的上地幔。在2016年丸山和他的同事認為，小行星將帶來水和板塊的碰撞能量，削弱岩石，並使板塊運動得以開始。但有可能地球不需要援助之手。它自己的冷卻過程可能已經讓蓋子破裂成碎片，就像在烤箱里烤蛋糕一樣。

圖片：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta magazine

30億年前地球在一些地區可能有短暫的板塊構造活動，但還沒有廣泛分布。最終，地殼中較冷的部分會下沉，削弱周圍的地殼。當這種情況反覆發生時，薄弱的區域會逐漸退化為板塊邊界。根據耶魯大學的戴維·貝爾科維奇和法國里昂大學的揚克·里卡在2014年的《自然》雜誌上發表的一篇論文，最終將會形成完全的地殼板塊。相反的情況可能也會發生：熱地幔柱——就像驅動夏威夷火山噴發的熱地幔柱，不會向下擠壓地殼，而是會上升到地表，滲透到地殼中融化地殼，把蓋子打破。

首爾高麗大學的斯特恩和史葛·瓦塔姆在2015年的一項研究中展示了這種方法是如何起作用的。根據這些理論，板塊構造運動在大約30億年前開始並停止了幾次。奧尼爾說：如果你必須按下每個人的按鈕，讓他們按一個數字，在大約30億年前，板塊構造就開始出現了。然而，這還很難確定，因為證據尚不完整。海洋地殼只有兩億年的歷史，我們只是缺少我們需要的證據。自上世紀80年代以來，地球化學取得很大進步，但同樣的基本問題仍然存在。

地球上最古老的岩石表明，早在40億年前地球就發生了某種原始的俯衝作用，但這些岩石卻讓人難以解釋。與此同時，大約在30億到20億年前，地球的地幔顯然經歷了一些化學變化，這些變化可以歸因於冷卻改變了它的對流模式。一些地質學家認為這是地球上構造板塊逐漸開始和擴散的記錄。賓夕法尼亞州立大學的地球物理學家布拉德·福利說：真正的答案我們無從得知，我們有這些岩石，但不知道什麼可以作為當時有板塊構造或俯衝還是沒有的確鑿的證據。

TOP3、其他行星上的板塊

構造對生命至關重要嗎？最終，問題是我們只有一個樣本，有一個看起來像地球的星球，一個有水的地方，一個滑動的地殼，一個充滿生命的地方。其他的行星或衛星可能有類似構造的活動，但它與我們在地球上看到的並不相近。以土衛二為例，它是土星的一顆冰凍衛星，它將物質從其全球冰殼中看似奇怪的裂縫中釋放到太空中。金星，一顆似乎在5億年前重新浮出水面的行星，但是沒有板塊可以被我們發現。

火星有太陽系最大的火山在奧利匹斯山，但是它的構造歷史是神秘的。奧林匹斯山是在一個叫做塔西斯的凸起的區域中發現的，它是如此巨大，以至於它可能會壓得火星的地殼兩極漂移。奧尼爾已經發表的研究表明，一個擁有大量水資源的火星大小的行星可以被推進到一個構造活躍的狀態。而另一些人則認為火星南半球的一些區域類似地球的海底擴張。根據軌道飛行器和地表機器的數據，研究人員一致認為，它至少有40億年沒有任何活動，這大約是它地殼的年齡。

火星上的瓦利斯·馬里納斯峽谷長達3000公里，深達8公里。圖片：NASA/JPL–Caltech

有些人認為可能在非常、非常早的時候，它就已經有了板塊構造，但我認為，它可能從來就沒有。「洞察號」火星探測器於今年5月發射，計劃於11月26日抵達火星。「洞察號」的三個儀器旨在測量火星地殼、地幔和地核的厚度和組成，為火星如何失去磁場以及是否曾經有過板塊構造提供了新的線索。如果我們能了解其他行星，如金星、火星和木星的衛星，就能幫助我們了解在地球上應該尋找什麼。這是繼續探索其他行星的一個理由——幫助我們返回家園。

雖然板塊構造的起源仍然是一個有爭論的話題，地質學家可以同意，在某一時刻板塊將停止磨削。奧尼爾開始把板塊構造看成是岩石行星的中年階段。隨著地球的老化，它可能會從一個熱的、停滯的世界演變成一個溫暖的、活躍的、有構造的世界，最後在它的晚年又變成一個寒冷的、停滯的世界。我們知道行星在冷卻的時候會變得安靜。

許多地質學家認為這就是火星所處的情況，火星比地球冷卻得快，因為它比地球小得多。地球最終將冷卻到足以讓板塊構造減弱，並使地球再次陷入停滯狀態。在這種情況發生之前，新的超級大陸將會起落，但在某個時候，地震將會停止，火山將永遠關閉，地球會沉寂，就像火星一樣。覆蓋其每一個裂縫的生命形式是否仍然存在，這是未來需要解決的問題。

博科園-科學科普｜文：Rebecca Boyle/Quanta magazine

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