生命需要的不僅僅是水，最近的發(fā)現(xiàn)表明板塊構(gòu)造在滋養(yǎng)地球生命方面起了關(guān)鍵作用，這些發(fā)現(xiàn)對(duì)尋找宇宙其他地方的生命產(chǎn)生了重大影響。從遠(yuǎn)處看地球上是否有生命并不明顯。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(gòu)造板塊邊界的一部分，這兩個(gè)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(dòng)。地球物質(zhì)正在自我毀滅，融化自己，而后重塑。十幾個(gè)冰冷、堅(jiān)硬的板塊緩慢地滑動(dòng)到地球內(nèi)部熾熱的地幔之上，相互俯沖，偶爾還會(huì)碰撞。板塊構(gòu)造過程是地球的一個(gè)重要特征，人類大多是通過地震和火山認(rèn)識(shí)到板塊運(yùn)動(dòng)的。目前夏威夷鄰近地區(qū)噴出的熔巖是深地幔熱點(diǎn)的結(jié)果，與構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)。但是板塊構(gòu)造不僅僅會(huì)造成地震和火山爆發(fā)。越來越多的新研究表明，地球的外部運(yùn)動(dòng)可能對(duì)它的另一個(gè)特征——生命至關(guān)重要。
地球有一個(gè)移動(dòng)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豐度相匹敵的原因。理解板塊構(gòu)造是我們理解地球及其可居住性的一個(gè)關(guān)鍵。如何創(chuàng)造一個(gè)適合居住的星球，并能讓生活在那里的生命維持?jǐn)?shù)十億年呢？華盛頓大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家凱瑟琳·亨廷頓說：板塊構(gòu)造在最長的時(shí)間尺度上調(diào)制大氣，所需要的是持續(xù)的水資源，適宜的溫度來讓生命延續(xù)。
夏威夷基拉韋厄火山的熔巖在過去的一個(gè)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(diǎn)造成的。圖片：USGS
在過去的幾年里，地質(zhì)學(xué)家和天體生物學(xué)家越來越多地將板塊構(gòu)造與地球上其它一切使其獨(dú)一無二的東西聯(lián)系在一起。已經(jīng)證明地球大氣層的壽命、組成成分和難以置信的穩(wěn)定，金發(fā)姑娘般的溫度都?xì)w功于地殼的循環(huán)利用。如果不是地球的地幔周期性地吸收并釋放水分子，地球上的海洋可能就不復(fù)存在了。如果沒有板塊構(gòu)造來推動(dòng)海岸線的形成和潮汐的運(yùn)動(dòng)，海洋可能就會(huì)變得非常貧瘠，賦予生命的營養(yǎng)物質(zhì)會(huì)被永遠(yuǎn)埋于暗無天日的深處。
如果板塊構(gòu)造沒有迫使板塊之間相互俯沖，那么海底將會(huì)變得異常寒冷 ，引人關(guān)注的化學(xué)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(xiàn)在地球上。一些研究人員甚至認(rèn)為，如果沒有大陸的運(yùn)動(dòng)，生命可能不會(huì)進(jìn)化成復(fù)雜的形式。2015東京工業(yè)大學(xué)的詹姆士·多姆 和丸山為這種相互依賴的關(guān)系創(chuàng)造了一個(gè)（新名詞）：可居住的三位一體。這個(gè)短語描述了一個(gè)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(huán)可以看作是生命的先決條件。然而要理解板塊構(gòu)造如何影響演化，以及它是否是演化過程中的一個(gè)必要因素，關(guān)鍵在于找到地球科學(xué)中最熱門問題的答案：板塊如何以及何時(shí)開始運(yùn)動(dòng)。搞清楚這顆行星為什么有一個(gè)可移動(dòng)的外殼，不僅可以讓地質(zhì)學(xué)家了解這顆行星，還可以了解其他所有表面堅(jiān)硬的行星或衛(wèi)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(dǎo)演詹姆斯·卡梅隆成為第一個(gè)在地球上最深的裂縫中獨(dú)自潛水的人。他在挑戰(zhàn)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(nèi)的一個(gè)洼地，在兩個(gè)構(gòu)造板塊的交匯處有一個(gè)比洼地大得多的海槽?？穫愒谡麄€(gè)海溝中收集了一些樣本，包括地球接縫處生命旺盛的證據(jù)。當(dāng)太平洋板塊進(jìn)入到地幔中時(shí)，它會(huì)變暖并釋放被困在巖石內(nèi)部的水。
在一種叫做蛇紋石化的過程中，水從板塊中噴出，并改變上地幔的物理性質(zhì)。這種轉(zhuǎn)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(chǎn)生了第一批復(fù)制細(xì)胞?？仿Щ亓诉@些現(xiàn)代細(xì)胞的后代的證據(jù)：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(tuán)，壓力是海平面的1000倍以上。
佛蒙特大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家基思·克萊皮斯說：這真的很令人興奮，因?yàn)樗寻鍓K構(gòu)造和生命聯(lián)系在一起，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?？仿?chuàng)紀(jì)錄的潛水并不是證明板塊構(gòu)造和海洋生物之間聯(lián)系的唯一一次探險(xiǎn)。最近的研究將板塊構(gòu)造活動(dòng)與5.41億年前的寒武紀(jì)大爆發(fā)聯(lián)系在一起，并且當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了一系列令人驚嘆的復(fù)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(gè)墊子吸收了熱液噴口的化學(xué)能。圖片：Dr. Bob Embley, NOAA PMEL, Chief Scientist
2015年12月澳大利亞的研究人員發(fā)表了一份研究報(bào)告，他們對(duì)全球海底300多個(gè)巖心進(jìn)行了研究，其中一些巖心樣本已有7億年的歷史。他們測(cè)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(yǎng)物質(zhì)，當(dāng)這些營養(yǎng)物質(zhì)在海洋中大量存在時(shí)，它們可以刺激浮游生物的快速生長。塔斯馬尼亞大學(xué)的羅斯·朗格領(lǐng)導(dǎo)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(gè)數(shù)量級(jí)。
他的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為板塊構(gòu)造推動(dòng)了這一過程。當(dāng)大陸板塊碰撞并將巖石推向天空時(shí)，山脈就由此形成。裸露在空氣的巖石更容易被雨水侵蝕和風(fēng)化，然后緩慢地將營養(yǎng)物質(zhì)滲進(jìn)海洋。更令人驚訝的是，他和他的同事們發(fā)現(xiàn)這些元素在最近的某一時(shí)期中含量很低，這一時(shí)期正好與大規(guī)模的滅絕相吻合。這一營養(yǎng)缺乏時(shí)期發(fā)生在磷和微量元素被地球消耗的速度超過它們被補(bǔ)充的速度的時(shí)候。
構(gòu)造活動(dòng)對(duì)保持地球溫度長期穩(wěn)定也起著至關(guān)重要的作用。以二氧化碳為例，一個(gè)含有過多二氧化碳的行星最終可能會(huì)像金星一樣溫度極高。億萬年以來地球上的板塊活動(dòng)調(diào)節(jié)了的二氧化碳含量。同時(shí)，風(fēng)化作用將山頂上的營養(yǎng)物質(zhì)帶入海洋，也有助于從大氣中去除二氧化碳。這一過程的第一階段發(fā)生在大氣中的二氧化碳與水結(jié)合形成碳酸，碳酸有助于溶解巖石并加速風(fēng)化過程，而后雨水將溶解的巖石中的碳酸和鈣帶入海洋。
二氧化碳也會(huì)直接溶入海洋，在那里二氧化碳與碳酸和溶解的鈣結(jié)合，形成石灰石并落到海底。最終在難以想象的億萬年里，被封存的二氧化碳被地幔吞噬，這是一種長期調(diào)節(jié)大氣中二氧化碳含量的方法。板塊構(gòu)造甚至可能是另一種大氣成分形成的重要因素，并且可以說是最重要的成分：氧。在寒武紀(jì)爆發(fā)前整整20億年，太古代地球幾乎沒有我們現(xiàn)在呼吸的空氣。藻類開始利用光合作用來生產(chǎn)氧氣，但大部分氧氣被富含鐵的巖石消耗，這些巖石利用氧氣來制造鐵銹。
由于板塊構(gòu)造作用，阿拉斯加山脈仍在繼續(xù)擴(kuò)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(jù)2016年發(fā)表的研究，板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)開始了兩個(gè)階段，使氧氣含量進(jìn)一步增加。在第一階段，俯沖使地幔發(fā)生變化，并產(chǎn)生兩種類型的地殼——海洋和大陸。大陸板塊中富含鐵元素的巖石較少，而富含石英的巖石則更多，因此不會(huì)將大氣中的氧氣消耗殆盡。然后在接下來的10億年間（從25億年前到15億年前）巖石風(fēng)化將二氧化碳排放到空氣和海洋中。額外的二氧化碳將會(huì)幫助藻類生長，從而使藻類產(chǎn)生更多的氧氣，足以使寒武紀(jì)大爆發(fā)。
板塊構(gòu)造也可能給生命帶來了進(jìn)化的推動(dòng)力。德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校的地質(zhì)學(xué)家羅伯特·斯特恩認(rèn)為：板塊構(gòu)造起源于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(shí)期同時(shí)發(fā)生，地質(zhì)學(xué)家和古氣候?qū)＜覍⑦@一時(shí)期稱為“雪球地球”。今年4月德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的斯特恩和納撒尼爾·米勒發(fā)表的研究表明：板塊構(gòu)造將災(zāi)難性地重新分布大陸，擾亂海洋和大氣，這將對(duì)生命產(chǎn)生重大影響。
進(jìn)化需要孤立和競爭才能真正開始。如果陸地-海洋區(qū)域沒有真正的變化，就不會(huì)有競爭性的動(dòng)力和物種形成。一旦有生命出現(xiàn)就可以通過打破大陸和大陸架，將它們移動(dòng)到不同的緯度并重新組合起來，從而使它快速進(jìn)化。這就是板塊構(gòu)造的動(dòng)力！板塊構(gòu)造對(duì)先進(jìn)物種的進(jìn)化可能是必要的，陸地對(duì)于物種進(jìn)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(gòu)造的行星能最大限度地增加物種形成和自然選擇的機(jī)會(huì)。認(rèn)為沒有板塊構(gòu)造，可以創(chuàng)造生命，想是的：也認(rèn)為沒有板塊構(gòu)造是無法創(chuàng)造出我們的。斯特恩設(shè)想了一個(gè)遙遠(yuǎn)的未來:軌道望遠(yuǎn)鏡可以確定哪些系外行星是巖石，哪些系外行星具有板塊構(gòu)造。前往遙遠(yuǎn)星系的使者應(yīng)該首先瞄準(zhǔn)那些沒有板塊構(gòu)造的星系，這樣才能避免破壞另一個(gè)世界復(fù)雜生命的進(jìn)化。
TOP2、破解地球的外殼
但一切都取決于這個(gè)過程何時(shí)開始，這是一個(gè)很大的問題。澳大利亞麥格理大學(xué)的行星科學(xué)家克雷格·奧尼爾說：地球形成于約45.4億年前，最初是一個(gè)熾熱的熔巖球。在地球形成后的至少10億年里，它可能沒有任何可識(shí)別的板塊構(gòu)造，主要是因?yàn)檫@個(gè)新生的行星溫度太高。那時(shí)就像現(xiàn)在一樣，地球內(nèi)部的對(duì)流會(huì)使熱量和巖石四處移動(dòng)。地幔中的巖石在地球內(nèi)部的坩堝中被擠壓和加熱，接著上升到地表，冷卻之后變得更致密，然后下沉并重新開始這個(gè)過程。
對(duì)流和垂直運(yùn)動(dòng)甚至在早期地球上發(fā)生了。但當(dāng)時(shí)的地幔相對(duì)較薄且“松軟”，并不能產(chǎn)生足夠的力量來破壞堅(jiān)硬的地殼。俯沖沒有發(fā)生就沒有橫向運(yùn)動(dòng)。所以在第一個(gè)大陸形成之前的一段時(shí)間，如果你愿意的話，地球就會(huì)有一個(gè)所謂的“密封蓋”形成，沒有不同的板塊。奧尼爾在2016年發(fā)表的研究表明，早期的地球可能更像木星的火山衛(wèi)星Io；“在那里，有一個(gè)火山活躍的體系，但沒有很多橫向運(yùn)動(dòng)。隨著地球開始變冷，板塊可以更容易地與下面的地幔相結(jié)合，導(dǎo)致地球過渡到板塊構(gòu)造時(shí)代。
這就出現(xiàn)一個(gè)問題：到底是什么打碎了蓋子，是什么創(chuàng)造了這些板塊？一些研究人員認(rèn)為，入侵可能讓事情出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在過去的兩年里，幾組研究人員提出，太陽系誕生后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(fā)表了一份研究報(bào)告，認(rèn)為在地球形成后的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(rèn)為，小行星將帶來水和板塊的碰撞能量，削弱巖石，并使板塊運(yùn)動(dòng)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(jīng)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(qū)可能有短暫的板塊構(gòu)造活動(dòng)，但還沒有廣泛分布。最終，地殼中較冷的部分會(huì)下沉，削弱周圍的地殼。當(dāng)這種情況反復(fù)發(fā)生時(shí)，薄弱的區(qū)域會(huì)逐漸退化為板塊邊界。根據(jù)耶魯大學(xué)的戴維·貝爾科維奇和法國里昂大學(xué)的揚(yáng)克·里卡在2014年的《自然》雜志上發(fā)表的一篇論文，最終將會(huì)形成完全的地殼板塊。相反的情況可能也會(huì)發(fā)生：熱地幔柱——就像驅(qū)動(dòng)夏威夷火山噴發(fā)的熱地幔柱，不會(huì)向下擠壓地殼，而是會(huì)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(xué)的斯特恩和史葛·瓦塔姆 在2015年的一項(xiàng)研究中展示了這種方法是如何起作用的。根據(jù)這些理論，板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在大約30億年前開始并停止了幾次。奧尼爾說：如果你必須按下每個(gè)人的按鈕，讓他們按一個(gè)數(shù)字，在大約30億年前，板塊構(gòu)造就開始出現(xiàn)了。然而，這還很難確定，因?yàn)樽C據(jù)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(jù)。自上世紀(jì)80年代以來，地球化學(xué)取得很大進(jìn)步，但同樣的基本問題仍然存在。
地球上最古老的巖石表明，早在40億年前地球就發(fā)生了某種原始的俯沖作用，但這些巖石卻讓人難以解釋。與此同時(shí)，大約在30億到20億年前，地球的地幔顯然經(jīng)歷了一些化學(xué)變化，這些變化可以歸因于冷卻改變了它的對(duì)流模式。一些地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為這是地球上構(gòu)造板塊逐漸開始和擴(kuò)散的記錄。賓夕法尼亞州立大學(xué)的地球物理學(xué)家布拉德·福利說：真正的答案我們無從得知，我們有這些巖石，但不知道什么可以作為當(dāng)時(shí)有板塊構(gòu)造或俯沖還是沒有的確鑿的證據(jù)。
TOP3、其他行星上的板塊
構(gòu)造對(duì)生命至關(guān)重要嗎？最終，問題是我們只有一個(gè)樣本，有一個(gè)看起來像地球的星球，一個(gè)有水的地方，一個(gè)滑動(dòng)的地殼，一個(gè)充滿生命的地方。其他的行星或衛(wèi)星可能有類似構(gòu)造的活動(dòng)，但它與我們?cè)诘厍蛏峡吹降牟⒉幌嘟?。以土衛(wèi)二為例，它是土星的一顆冰凍衛(wèi)星，它將物質(zhì)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(fā)現(xiàn)。
火星有太陽系最大的火山在奧利匹斯山，但是它的構(gòu)造歷史是神秘的。奧林匹斯山是在一個(gè)叫做塔西斯的凸起的區(qū)域中發(fā)現(xiàn)的，它是如此巨大，以至于它可能會(huì)壓得火星的地殼兩極漂移。奧尼爾已經(jīng)發(fā)表的研究表明，一個(gè)擁有大量水資源的火星大小的行星可以被推進(jìn)到一個(gè)構(gòu)造活躍的狀態(tài)。而另一些人則認(rèn)為火星南半球的一些區(qū)域類似地球的海底擴(kuò)張。根據(jù)軌道飛行器和地表機(jī)器的數(shù)據(jù)，研究人員一致認(rèn)為，它至少有40億年沒有任何活動(dòng)，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(dá)3000公里，深達(dá)8公里。圖片：NASA/JPL–Caltech
有些人認(rèn)為可能在非常、非常早的時(shí)候，它就已經(jīng)有了板塊構(gòu)造，但我認(rèn)為，它可能從來就沒有?！岸床焯?hào)”火星探測(cè)器于今年5月發(fā)射，計(jì)劃于11月26日抵達(dá)火星?！岸床焯?hào)”的三個(gè)儀器旨在測(cè)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(chǎng)以及是否曾經(jīng)有過板塊構(gòu)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(wèi)星，就能幫助我們了解在地球上應(yīng)該尋找什么。這是繼續(xù)探索其他行星的一個(gè)理由——幫助我們返回家園。
雖然板塊構(gòu)造的起源仍然是一個(gè)有爭論的話題，地質(zhì)學(xué)家可以同意，在某一時(shí)刻板塊將停止磨削。奧尼爾開始把板塊構(gòu)造看成是巖石行星的中年階段。隨著地球的老化，它可能會(huì)從一個(gè)熱的、停滯的世界演變成一個(gè)溫暖的、活躍的、有構(gòu)造的世界，最后在它的晚年又變成一個(gè)寒冷的、停滯的世界。我們知道行星在冷卻的時(shí)候會(huì)變得安靜。
許多地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為這就是火星所處的情況，火星比地球冷卻得快，因?yàn)樗鹊厍蛐〉枚唷５厍蜃罱K將冷卻到足以讓板塊構(gòu)造減弱，并使地球再次陷入停滯狀態(tài)。在這種情況發(fā)生之前，新的超級(jí)大陸將會(huì)起落，但在某個(gè)時(shí)候，地震將會(huì)停止，火山將永遠(yuǎn)關(guān)閉，地球會(huì)沉寂，就像火星一樣。覆蓋其每一個(gè)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(xué)科普｜文：Rebecca Boyle/Quanta magazine
