板块构造生命之根


  2012年3月26日,电影导演詹姆斯·卡梅隆乘坐“深海挑战者号”潜水器,经过2小时36分下潜,到达约11千米深的“挑战者海渊”。这让他成为第一个独自下潜到马里亚纳海沟底部的人。卡梅隆原本打算在海沟底部停留6小时,最后实际只停留了3小时。在此过程中,他发现了包括一种最大的单细胞生物在内的68个新物种,并带回了一些海沟底部的微生物样本。这些微生物外观为簇状细丝,以蚀变岩为食。在阳光无法抵达、压强是海平面1000多倍的深海,这些微生物是靠什么生存下来的呢?
  在地幔的顶端,数块坚硬的低温板块缓慢滑动着。它们各自向其他板块下方滑动(被称为俯冲作用),偶尔互相冲撞,这个过程是地球不同于其他行星的特征。马里亚纳海沟就是太平洋板块俯冲进马里亚纳板块形成的。人类能通过地震和火山爆发感受到俯冲和撞击,但板块运动带来的远不止地震和火山喷发,科学家相信,板块运动也许就是地球的生命之根。

带来生命原料


  板块运动可能为孕育生命带来原料。太平洋板块在被拖进地幔的过程中温度逐渐上升,释放出岩石中的结合水,并将上层地幔中的橄榄岩转化成蛇纹岩。在这期间,甲烷等化合物也会通过温泉或海床裂缝缓慢释出。早期地球也经历过类似的过程,并且可能制造了生物新陈代谢所需的原材料。有了这些原材料,第一批具有自我复制能力的细胞开始不断涌现。卡梅隆带回的样本,就是这些原始细胞的后代。
  板块运动也影响了生命出现的时间。2015年12月,澳大利亚科学家在全球各地海床提取了约300个岩芯样本,最古老的岩芯年代可追溯至7亿年前。他们测量了这些岩心中的常量元素磷,痕量元素铜、锌、硒、钴等生物所需的元素的含量。如果海水中这些营养元素的含量积累到一定水平,就可能促使浮游植物数量迅猛增长。研究人员认为在约5.5亿年前,海洋中这类元素的浓度出现过一次暴增。
  科学家认为,板块运动大大推动了这个进程。板块碰撞处形成高山。相比平原,雨水和风化更容易侵蚀、剥落山体岩石,岩石中的矿物成分逐渐溶入河流,流进大海。他们还发现,地球历史上几次大规模生物灭绝期,恰巧也是这些元素丰度下降的时期。如果地表生物所需要的矿物元素被地球吞噬,岩石风化侵蚀作用的速度又赶不上营养消失的速度,那么结果很可能就是地质历史上的几次营养贫乏期,也就是大灭绝时期。
地球内部对流就如同锅内对流

改写大气构成


  板块构造带来的另一个重要作用是维持地球表面的长期热稳定。大气中的二氧化碳就像地球盖的一层棉被,少了它,地球表面无法留住热量,可多了也不行。地球大气中的二氧化碳比例约为0.44%,金星大气中二氧化碳比例则高达97%,其表面温度高达460℃,简直就是个大火炉。地球板块构造有助于将大气二氧化碳水平维持在适当范围。
  风化作用不仅给大海带来高山的养分,还有助于去除空气中的二氧化碳。二氧化碳和水结合形成碳酸,碳酸可以溶解岩石,进一步加速风化。雨水将碳酸和从岩石中溶解出的钙质带进河道汇入海洋,再加上直接溶解入海水的二氧化碳,碳酸和钙结合,就形成石灰石,落在海床之上。一部分位于板块交界地带的石灰石会被俯冲作用吞噬。这个过程虽然很缓慢,但只要时间足够,二氧化碳就会渐渐被地幔吞噬。
  板块构造也影响了大气中的氧气比例。在距今38亿~25亿年前的太古宙,地球刚刚遭受完太阳系内小行星的重型轰炸,迎来了宁静。此时地球上几乎没有氧气,藻类开始利用光合作用制造氧气,但其中大部分氧气和铁矿石发生氧化作用,形成铁锈。
  2016年的一份研究显示,板块构造可能开启了发生于25亿~20亿年前的“大氧化事件”,造就了地球历史上的一段高氧时期。这个过程分为两步:首先,27亿~25亿年前大陆形成让地壳主要成分从镁铁质岩转化成长英质岩,地表“捕捉氧气”的效率下降,大气中氧气比例逐渐提高;然后,随着地球表面的碳不断积累,岩石的变质作用和岩浆反应导致大气一海洋系统中的二氧化碳长期总量上升。获得大量二氧化碳的藻类制造出更多氧气,因为地表氧含量大大提高,生命逐渐走向多样化。

谁打碎了“大锅盖”?


  板块构造始于何时?这是科学家最想破解的核心之谜。地球形成于约45.4亿年前,那時地球还是一颗炽热的熔岩球。此后的10亿年里地球温度依然非常高,很可能也没有形成板块构造。和现在一样,那时地球内层对流已经将岩石和热量分布至地球各处。地幔中的岩石在地球内部被挤压、加热,然后上升到地表。冷却过程会让它们变得更致密,密度增大导致这些岩石开始重新下沉。这个过程就像烧水过程中壶内水的对流模式,而对流或许启动了早期地球内部的垂直运动。
  不过,那时的地幔又薄又稀,力量还不足以冲破坚硬地壳,俯冲作用还没有开始,也就谈不上地壳水平运动。那时的陆地也是一块完整的盘古大陆——就像盖在地幔上的一个大锅盖,板块构造还未形成。随着地球渐渐冷却下来,板块无法再像以前那样可以在地幔上随意滑动,低温让熔岩凝固,板块和地幔开始结合,形成了今天板块构造的雏形。

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