板块运动:创造地球生命所需的必要条件

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Image caption 图示为地球表面出现时的面貌(图片来源:Richard Bizley/SPL)

从微生物到有袋类动物,地球上充满了各式各样的生命体。但即使你将地球上所有的生物除去,地球也还是"有生命的"。

其溶化的内核在骚动,释放出包裹着整个地球的磁场。火山喷涌出气体,新鲜的岩浆流淌铸就新的土地。地球表面是由一块块拼图构成的,那一块块足有一片大陆那么大的坚实的板块相互推挤、摩擦与碰撞——在这剧烈的活动之中,山脉拔地而起,地球的面貌焕然一新。

地球并不仅仅是生命体的容器;其自身就是活生生的存在。地球的地质代谢——特别是地壳版块活动——是其成为生物体可居住星球的一大原因。如果地球是宇宙空间中的一块冰冷、坚硬、极少活动的石头,我们所知的生命体大概不会存在于地球之上。至少在今天的地球上,地质和生物是并存的。

在所有星球中,地球是我们所知唯一一个有板块构造的星球,它也是我们所知唯一一个生命体可存活于其上的星球。然而尚无人能够得出确凿结论,说板块构造是生命体存在的必要条件。

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Image caption 地球是地壳版块的集合(图片来源: Karsten Schneider/SPL)

天文学家曾在太阳系以外发现了成千上万个星球,其中一些可能有居住条件。板块构造也能够提升生命体存活的可能性——尤其是那些更复杂的有机体。如果外星人真的存在,他们也应该生活在一颗活跃的星球上,那颗星球上也经常出现板块移动这样的地质活动。

就像探索太阳系的太空飞船所发现的那样,地球并不是唯一具有地质活动的星球。虽然月球和火星没有板块构造,但在月球和火星上分别有"月震"(moonquakes)和"火震"(marsquakes)这样的地质现象发生。

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Image caption 木星的卫星木卫二(Europa)是各星球中能够支持生命体存活的有力竞争者(图片来源: Nasa/JPL/Caltech/Seti)

木星的几个卫星都具有活跃的火山活动和间歇泉。水星具有磁场,这意味着至少水星内核的一部分是熔化物质。甚至一度被认为是一个沉静的冰雪世界的冥王星,原来也充满了高耸的冰川雪原,其地貌的多样性超乎科学家们的想象。

不过,地质活动与板块构造仍是两个概念。地球是太阳系中唯一一个外壳如破碎的蛋壳般分裂为若干版块的星球。这些坚硬的地壳版块深达几百公里,漂浮在可延展的地幔(malleable mantle)之上。

太阳系中不少其他星球,其古老的地表上布满了历史长达几百万年,甚至几十亿年的火山口(craters)。然而在地球上,地壳版块可移动、可漂浮,因而地球表面的形状一直在发生变化。在洋中脊(mid-ocean ridges),升腾的岩浆形成地球的新外壳,将两个地壳版块之间推得更远。

当两个地壳版块相互挤压,一块可能被压在另一块之下。这一板块下降过程可能造成海沟或引发火山喷发。也有这样一种情况,比如喜马拉雅山脉,就是因大陆板块相互挤推向上形成的,没有一方被压在另一方之下。

这些对地球生命体的存在都具有至关重要的作用。

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Image caption 如果没有板块构造,地球就会像金星一般,成为一颗无人可居的炙热星球(图片来源: SSV/MIPL/Magellan Team/NASA)

地壳活动过程将碳从地球表面带入带出,调控着大气中的二氧化碳含量。二氧化碳是一种温室气体:如果大气中含有过多二氧化碳,就意味着过高的温度。

"如果地球表面温度持续上升,最后地球就会变得像金星一样,"美国耶鲁大学地球物理学家是永淳(Jun Korenaga)说道。而如果地表温度过低,所有热量都逃离地球,那么地球上将是过于寒冷,不适合人类居住。

因此,碳循环(carbon cycle)像一个地球恒温器,在必要的时候调整自己(因人类活动中二氧化碳排放过度造成的气候变化因素不包含在内)。气候变暖也会造成多雨的气候特征,而雨水有助于带走大气中的二氧化碳。

二氧化碳气体溶解于雨滴当中,落在裸露的岩石上。雨水和岩石之间发生化学反应,释放出碳元素和矿物质,如岩石中的钙质。雨水流入河流和小溪,最终汇入大海,在此过程中碳元素会形成碳酸盐岩和贝类等有机物。

碳酸盐沉积于海底,沉积在被挤压在下方的地壳版块上,将碳元素输送入地球内部,而火山又会将碳元素以二氧化碳的形式喷射入大气当中。

经过上亿年的时间,这一循环终于完成。

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Image caption 板块构造活动将碳元素从地球内部带入带出(图片来源: Karsten Schneider/SPL)

板块构造在碳循环的每一过程中都发挥了作用。潜没在下方的板块将碳元素送入地幔,而地壳活动又会将新鲜的岩石带上地表。裸露的岩石对释放矿物质的化学反应至关重要。在板块运动中形成的山峦会将大气向上输送,当大气冷却、凝结之后,又会形成雨滴,吸收大气中的碳元素。

火山也发挥着作用。"版块运动使得火山长期保持活跃,"美国宾夕法尼亚州立大学(Penn State University)地球物理学家布拉德·福利(Brad Foley)说道。"如果火山没有将二氧化碳送回大气中,那么地球会变得非常冰冷,甚至封冻住。"

维持住温暖的气候条件对地球的可居住性至关重要。不过,板块构造还有其他贡献。比如,研究显示,侵蚀和风化过程(erosion and weathering processes)促使岩石释放出铜、锌和磷等,并将它们带入大海中。

这些是浮游生物(plankton)等有机生物的重要营养物质。历史上,极有可能是它们引起了生物大爆发,比如5.4亿年前的寒武纪爆发(Cambrian explosion)。也有证据显示,在地球上侵蚀作用发生较少的时期——海洋中的营养元素相应减少——伴随发生的是大规模物种灭绝。

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Image caption 深海热泉(Hydrothermal vents)是生态系统多样性的来源(图片来源: Ken Macdonald/SPL)

在挪动大陆板块的过程中,板块构造也有可能创造了多样的生态环境,促进了生物进化。百万多年来,大陆板块在地球表面漂移,从一个气候带漂移到另一个气候带。如果没有板块构造,地球就不会有如此多样的地理面貌,不会提供如此广泛的栖息环境。

板块构造也与大洋底部(ocean floor)的深海热泉密切相关。在一个板块的边缘,海水会从缝隙中侵入,侵入的海水会被岩浆加热至几百度以上,而滚烫的热水则会被再次释放入海水之中。人类首次发现深海热泉是在20世纪70年代,深海热泉是生态多样性的来源;也有科学家认为,是类似这样的热泉活动为地球带来了其第一批生命体。

板块的长期运动也影响着地球磁场。地球磁场就像一块盾牌,使大气层不被太阳风(solar wind)吹走。大气层是生命体存活的又一必要元素。地球磁场因地球熔化内核中铁元素的搅动而产生——这种激烈的搅动是由对流运动(convection)引起的,在对流运动中,温度较高的液体升起,温度较低的物质沉积。地球的内核中是否发生对流运动——对流运动是否产生磁场——取决于地球的冷却速度(cooling rate)。

"比起没有板块构造,地球内部的冷却速度在有板块构造的情况下更快,"华盛顿卡内基研究所(Carnegie Institution of Washington)地球物理学家彼得·德里斯克尔(Peter Driscoll)说道。更快的冷却速度产生对流运动和磁场。例如火星和金星就没有板块构造,也没有液态内核、磁场或我们所知的生命体形式。

板块构造对地球生物的重要性不言而喻,那么对外星生物呢?

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Image caption 目前人类已经发现几千个系外行星(exoplanets)(图片来源: Nasa/Jpl-Caltech)

天文学家估算,我们的星系中大约有一千亿个行星,其中包括了许多处于行星宜居带(habitable zone)的与地球大小差不多的行星,宜居带是指行星与恒星之间不太热也不太冷,允许液态水存在的区域。天文学家们甚至发现了距离太阳系最近的恒星比邻星(Proxima Centauri)的一颗行星。

处于宜居带,有液态水,这是生命体得以在任何一个星球上存活的最重要条件。除此以外,就要看板块构造如何发挥作用了。

"板块构造对生命体的存活非常有帮助,"美国斯坦福大学地球物理学家诺姆·斯利普(Norm Sleep)说道。如果一个星球具有板块构造,他说:"可居住性会得到极大的改善。"

当然,任何对其他星球可居住性的讨论都仅仅基于猜想。目前为止,地球是我们所知唯一一个适于居住的星球。

"板块构造对于我们人类所知、所爱的生命体来说是不可或缺的,"美国亚利桑那州立大学(Arizona State University, US)行星科学家林迪•埃尔金斯•唐顿(Lindy Elkins-Tanton)说道。"但它对于广义上的生命来讲,并不是必需的。"

比方说,在地球上,板块构造最主要的任务是调节碳循环。可是在另一个星球上,也许不需要板块构造执行这样一项维持碳循环的任务。

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Image caption 即使没有板块运动,夏威夷的火山也会喷发(图片来源: Mint Images Limited /Alamy)

一些火山,比如那些创造出夏威夷群岛的火山,就不需要板块运动。

"只要有这些火山活动,就有办法将二氧化碳输送至大气中,福利说道。"火山活动同时还会产生新的可风化岩石,所以能够完成碳循环的这两个部分。"

没有板块下压,却仍旧能将碳元素输送进地球内部,完成这一点有些复杂。没有板块构造的星球被称为"静止盖层星球"(stagnant-lid planet),这样的星球,其表面是一层坚硬的外壳,外壳将碳元素锁在内部。然而,外壳内侧深处温暖而柔软,比地幔更厚,又因为它足够柔软,因此像糖蜜一般具有渗透功能,能够将碳元素渗入星球内部,再通过火山活动释放出碳元素。

然而,即使我们所说的这种碳循环是可以发生的,它持续的时间可能并不长,该星球的可居住时间或许很短。如果没有板块构造,福利说道,火山活动迟早会消亡。

一些研究者认为,地球生命也许并不需要板块构造。2016年,悉尼麦考瑞大学(Macquarie University in Sydney)行星科学家克雷格·奥奈尔(Craig O'Neill)发明了一套电脑模型,该模型发现地球在很久以前——甚至生命体首次出现的41亿年前——并没有板块构造。如果生命体首次出现在地球上时,地球并没有板块构造,那么这意味着,板块构造对生命体并不是必需的。

不过也有其他研究者认为,下此结论为时尚早。"我们需要批判地看待有关地球初期的任何猜想,福利说道。利用不同的模型做不同的假设,会得出不同的答案。

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Image caption 图示为地球表面出现时的面貌(图片来源:Richard Bizley/SPL)

最终,研究者们同意,板块构造在生命体的出现上确有贡献。但是没人能断定板块构造对生命体是必需的。"我们对板块构造的了解还不够,所以尚无法判断其对可居住性是否起到了关键作用,埃尔金斯·唐顿说道。直到20世纪后半叶,科学家们才发展出相关理论,他们尚未完善对地球的研究,更不要说对其他星球的研究了。

使得有关地球的理论更加复杂的一个因素是板块构造与生命体之间的密切关系。"这些地质循环令地球更加适宜居住,"斯利普说道。但是,生物条件也同样重要。"生命体已经进化了40亿年,以使自身的特征适应在这样一个拥有板块构造的星球上生活。"也许地球生命对板块构造的依赖仅仅是进化使然。

即使板块构造对生命体是必需的,天文学家大概也无法说出,某个行星是否具备板块构造。太阳系以外的行星实在太过遥远,即使是最好的望远镜也只能辨别出行星大气层中的化学成分,而能做到这一点已经是很了不起的了。在星际穿越旅行成真之前,我们基本上无法观测某一行星是否具有板块构造。

"我们只能检测我们自己的星球及其板块构造,因为我们就站在上面,"埃尔金斯·唐顿说道。

板块构造仅仅是影响星球可居住性的众多因素中的一个。也许要到科学家们发现外星人,他们才可能解开有关生命体的奥秘。而现在,地球是我们人类所知的唯一一个有生命的星球。

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