为什么地壳运动可能是生命的关键因素？
冰岛的塞维利亚断裂是北美和欧亚大陆构造板块边界的一部分，每年漂移约2厘米。照片:查理·荣格
地球上的陆地被浩瀚的海水分割成七大洲，在我们看不到的海洋深处，一切都变得更加生动。地球的物质在自我毁灭，自我融化，然后重塑。十几块又冷又硬的板块慢慢滑到地球内部的热地幔上，相互俯冲，偶尔还会发生碰撞。板块构造过程是地球的一个重要特征，大多数人是通过地震和火山实现板块运动的。目前夏威夷附近喷出的熔岩是地幔深部热点的结果，与构造活动有关。但是板块构造不仅会引起地震和火山爆发。越来越多的新研究表明，地球的外部运动可能对其另一个特征——生命至关重要。
地球有一个移动变形的外壳，这可能是地球充满活力的主要原因，也是其他星球无法比得上地球丰富的原因。理解板块构造是我们理解地球及其可居住性的关键。如何创造一个可居住的星球，并使那里的生命持续数十亿年？华盛顿大学的地质学家凯瑟琳·亨廷顿(Catherine Huntington)说:板块构造在最长的时间尺度上调制大气，它需要的是持续的水资源和适宜的温度，以维持生命的延续。
在过去的一个月里，夏威夷基拉韦厄火山的熔岩摧毁了数十栋房屋。这座火山是由夏威夷岛链地幔深处的热点引起的。图片:美国地质调查局
在过去的几年里，地质学家和天体生物学家越来越多地将板块构造与地球上其他一切使其独一无二的事物联系起来。现已证明，地球大气层的生命、组成和令人难以置信的稳定性，以及戈笛洛克斯温度都归功于地壳的再循环。如果地球的地幔没有周期性地吸收和释放水分子，地球上的海洋可能不再存在。如果没有板块结构推动海岸线的形成和潮汐运动，海洋可能会变得非常贫瘠，赋予生命的营养物质将永远埋藏在黑暗的深处。
如果板块构造没有迫使板块相互俯冲，海底会变得极其寒冷，几乎没有引起人们注意的化学成分，这意味着生命可能从一开始就不会出现在地球上。一些研究人员甚至认为，如果没有大陆的运动，生命可能不会进化成复杂的形式。2015东京工业大学的詹姆斯·多姆和丸山为这种相互依存的关系创造了一个新名词:可居住的三位一体。这个短语描述了一个拥有丰富水资源、大气和土地的星球。
水、大气和土地之间的交换和循环可以被视为生命的先决条件。然而，要了解板块构造如何影响演化，以及它是否是演化过程中的必要因素，关键在于找到地球科学中最热门问题的答案:板块如何以及何时开始运动。搞清楚这颗行星为什么有可移动的外壳，不仅可以让地质学家了解这颗行星，还可以了解其他所有表面坚硬的行星或卫星，以及它们是否也有生命。
从山脉到海沟
2012电影导演詹姆斯·卡梅隆成为独自潜入地球最深裂缝的第一人。他降落在马里亚纳海沟的一个洼地挑战者深渊表面以下35，756英尺(约357米)的地方。在两个构造板块的交界处，有一个比凹陷大得多的海槽。卡梅伦在整个海沟中收集了一些样本，包括地球接合处有活力生命的证据。当太平洋板块进入地幔时，它会升温并释放出被困在岩石内部的水。
在一个称为蛇纹石的过程中，水从板块中喷出，改变了上地幔的物理性质。这种转变使得甲烷和其他化合物通过冰冷海底的温泉渗出地幔。早期地球上类似的过程可能已经提供了新陈代谢的原始成分，新陈代谢可能已经产生了第一批复制的细胞。卡梅隆带回了这些现代细胞后代的证据:微生物垫。微生物垫是生长在阳光无法穿透的7英里水下的微生物菌落，压力是海平面的1000倍以上。
佛蒙特大学的地质学家Keith Klepis说:这真的很令人兴奋，因为它将板块构造与生命联系起来，为我们提供了在太阳系其他地方寻找生命的想法，并让我们对地球早期生命有了更深入的了解。卡梅隆创纪录的潜水并不是唯一一次证明板块构造和海洋生物之间联系的探险。最近的研究将板块构造活动与541万年前的寒武纪大爆发联系起来，当时出现了一系列令人惊叹的复杂新生命。
在太平洋火山带的迪曼特山附近，一片白色的微生物席覆盖着黄色的珊瑚，珊瑚吸收了热液喷口的化学能。照片:鲍勃·恩布里博士，NOAA PMEL，首席科学家
2015 12澳大利亚研究人员发表了一份研究报告。他们研究了世界各地海底的300多个岩芯，其中一些有7亿年的历史。他们测量了磷和微量元素，如铜、锌、硒和钴，这些元素是所有生命必不可少的营养物质。当这些营养物质在海洋中大量存在时，它们可以刺激浮游生物的快速生长。塔斯马尼亚大学的罗斯·兰格(Ross Langer)领导的研究人员表示，这些元素的浓度在5.6亿至5.5亿年前增加了一个数量级。
他的团队认为板块构造推动了这一过程。当大陆板块碰撞并将岩石推向天空时，山脉就形成了。暴露在空气中的岩石更容易被雨水侵蚀和风化，然后慢慢将营养物质渗入海洋。更令人惊讶的是，他和他的同事发现，在最近的一段时间里，这些元素的含量非常低，这与大灭绝相吻合。当磷和微量元素被地球消耗的速度快于它们被补充的速度时，就会出现这种营养缺乏期。
构造活动在维持地球温度的长期稳定方面也起着至关重要的作用。以二氧化碳为例。一颗二氧化碳过多的行星最终可能会和金星一样热。亿万年来，二氧化碳含量一直受地球板块活动的调节。同时，风化将山顶的营养物质带入海洋，这也有助于清除大气中的二氧化碳。在这个过程的第一阶段，大气中的二氧化碳与水结合形成碳酸，有助于溶解岩石，加速风化过程，然后雨水将溶解岩石中的碳酸和钙带入海洋。
二氧化碳也将直接溶解到海洋中，在那里它将与碳酸和溶解的钙结合形成石灰石，并落到海底。最终在难以想象的几十亿年里，封存的二氧化碳被地幔吞噬，这是一种长期调节大气中二氧化碳含量的方法。板块构造甚至可能是另一种大气成分形成的重要因素，可以说是最重要的成分:氧气。寒武纪前20亿年，太古代地球几乎没有我们现在呼吸的空气。藻类开始利用光合作用产生氧气，但大部分氧气被富含铁的岩石消耗掉，岩石利用氧气制造铁锈。
由于板块构造，阿拉斯加山脉继续扩张。正如你在这张照片中看到的，德纳里山正在以每年0.5毫米的速度上升。图片:格伦研究中心
根据2016发表的研究，板块构造运动开始了两个阶段，进一步增加了氧含量。在第一阶段，俯冲改变了地幔，产生了两种类型的地壳——海洋和大陆。大陆板块中富含铁元素的岩石较少，而应时富含铁元素的岩石较多，因此大气中的氧气不会被耗尽。然后在接下来的6543.8+0亿年里(从25亿年前到6543.8+0.5亿年前)，岩石风化会向空气和海洋中释放二氧化碳。额外的二氧化碳将帮助藻类生长，使藻类产生更多的氧气，这足以使寒武纪大爆发。
板块构造也可能给生命带来了进化的动力。达拉斯德克萨斯大学的地质学家罗伯特·斯特恩(Robert Stern)认为，板块构造起源于6543.8亿年至5.4亿年前的新元古代。这可能与7亿年前全球异常变冷的时期同时发生，地质学家和古气候学家称之为“雪球地球”。德克萨斯大学奥斯汀分校的斯特恩和纳撒尼尔·米勒今年4月发表的研究表明，板块构造将灾难性地重新分配大陆，扰乱海洋和大气，对生命产生巨大影响。
进化需要隔离和竞争才能真正开始。如果陆海面积没有真正的变化，就不会有竞争力和物种形成。一旦有了生命，我们就可以打破大陆和大陆架，把它们移到不同的纬度上重新组合，这样它就可以迅速进化。这就是板块构造的驱动力！对于高级物种的进化来说，板块构造可能是必要的，对于物种的四肢和手的进化来说，陆地是必要的，这使得它们能够抓住和操纵物体。
拥有海洋、大陆和板块构造的行星可以最大限度地增加物种形成和自然选择的机会。我认为生命可以在没有板块结构的情况下被创造出来，我是这样认为的:我也认为没有板块结构我们就不能被创造出来。斯特恩设想了一个遥远的未来:轨道望远镜可以确定哪些系外行星是岩石，哪些系外行星具有板块构造。向遥远星系派驻大使，首先要瞄准那些没有板块构造的星系，以免破坏另一个世界复杂生命的进化。
TOP2。打破地球的外壳
但一切都取决于这个过程什么时候开始，这是个大问题。澳大利亚麦考瑞大学的行星科学家克雷格·奥尼尔(Craig O 'Neill)说:地球形成于大约45.4亿年前，它最初是一个炽热的熔岩球。在地球形成后的至少1亿年里，它可能没有任何可识别的板块结构，主要是因为这颗新生行星的温度太高。那时和现在一样，地球内部的对流会移动热量和岩石。地幔中的岩石在地球内部的坩埚中受到挤压和加热，然后上升到地表，冷却后密度变大，然后下沉，重新开始这个过程。
对流和垂直运动甚至发生在早期的地球上。但当时的地幔相对较薄且“柔软”，无法产生足够的力量来破坏坚硬的地壳。没有俯冲就没有横向运动。所以在第一个大陆形成之前的一段时间，如果你愿意，地球会有一个所谓的“密封盖”形成，没有不同的板块。奥尼尔2016发表的研究表明，早期的地球可能更像木星的火山卫星木卫一；“那里，有一个火山活动系统，但没有多少横向运动。随着地球开始冷却，板块可以更容易地与下面的地幔结合，导致地球向板块构造时代过渡。
这就提出了一个问题:是什么打破了盖子，创造了这些板块？一些研究人员认为，入侵可能扭转了局面。在过去的两年中，几个研究小组提出，太阳系诞生后留下的小行星可能打碎了地球的盖子。去年秋天，奥尼尔和他的同事发表了一份研究报告，认为在地球形成5亿年后，小行星的轰击可能会突然将冷地壳推入热的上地幔。2016年，丸山和他的同事认为，小行星会带来水和板块之间的碰撞能量，削弱岩石，开始板块运动。但有可能地球不需要援助之手。它自身的冷却过程可能导致盖子碎成碎片，就像在烤箱里烤蛋糕一样。
图片:Lucy reading-ikkanda/quanta杂志
30亿年前，地球可能在局部地区有过短暂的板块构造活动，但分布并不广泛。最终，地壳较冷的部分会下沉，削弱周围的地壳。当这种情况反复发生时，薄弱区域就会逐渐退化为板块边界。根据耶鲁大学的David berkovich和里昂大学的Jan Cricca在2014年发表在《自然》杂志上的论文，最终将形成一个完整的地壳板块。相反的情况也可能发生:炽热的地幔柱，就像推动夏威夷火山爆发的地幔柱一样，不会压下地壳，而是上升到地表，渗入地壳，融化地壳，打破盖子。
首尔高丽大学的Stern和Scott Vatam在2015的一项研究中展示了这种方法的工作原理。根据这些理论，板块构造运动在大约30亿年前开始和停止了几次。奥尼尔说:如果你必须按下每个人的按钮，让他们按下一个数字，板块构造学说在大约30亿年前就开始出现了。不过现在还很难确定，因为证据不全。海洋地壳只有2亿年的历史，我们只是缺少我们需要的证据。20世纪80年代以来，地球化学取得了很大进展，但同样的基本问题仍然存在。
地球上最古老的岩石表明，早在40亿年前地球上就发生过某种原始俯冲，但这些岩石很难解释。与此同时，大约在30亿至20亿年前，地球地幔明显经历了一些化学变化，这可以归结为冷却改变了其对流模式。一些地质学家认为，这是地球上构造板块逐渐开始和扩散的记录。宾夕法尼亚州立大学的地球物理学家布拉德·福利说:我们不知道真正的答案。我们有这些岩石，但我们不知道什么可以作为板块构造或俯冲的确凿证据。
TOP3，其他星球上的板块
结构对生命至关重要吗？最终问题是我们只有一个样本，一个看起来像地球的星球，一个有水的地方，一个地壳滑动的地方，一个充满生命的地方。其他行星或卫星可能有类似的结构活动，但它与我们在地球上看到的并不接近。以土卫二为例，它是土星的冷冻卫星，从其全球冰壳中看似奇怪的裂缝中向太空释放物质。金星，一颗似乎在5亿年前重新浮出水面的行星，但我们找不到任何板块。
火星的奥林匹斯山上有太阳系最大的火山，但它的构造历史很神秘。奥林匹斯山是在一个叫塔西斯的凸起区域被发现的。它如此巨大，可能会挤压火星地壳漂移。奥尼尔发表的研究表明，一个火星大小的星球，拥有大量的水资源，可以被推到一个结构活跃的状态。也有人认为火星南半球的一些区域类似于地球的海底扩张。根据轨道器和表面机器的数据，研究人员一致认为它至少已经不活动了40亿年，这大约是它地壳的年龄。
火星上的瓦利斯马里努斯峡谷长3000公里，深8公里。图片:美国国家航空航天局/JPLCaltech
有些人认为它可能在非常非常早的时候就有板块结构，但我认为它可能从来没有过。“洞察”号火星探测器于今年5月发射，计划于10月26日165438+抵达火星。洞察号的三个仪器旨在测量火星地壳、地幔和地核的厚度和组成，为火星如何失去磁场以及是否存在板块构造提供新的线索。如果我们能够了解其他行星的卫星，如金星、火星和木星，它可以帮助我们了解我们应该在地球上寻找什么。这是继续探索其他星球的一个原因——帮助我们返回家园。
虽然板块构造的起源仍然是一个有争议的话题，但地质学家可以同意，在某一点上，板块将停止研磨。奥尼尔开始将板块构造视为岩石行星的中年阶段。随着地球的衰老，它可能会从一个炎热、停滞的世界演变成一个温暖、活跃、有结构的世界，最后在晚年变成一个寒冷、停滞的世界。我们知道，当行星冷却下来时，它们会变得安静。
很多地质学家认为这就是火星的情况，它比地球冷却得快，因为它比地球小得多。地球最终将冷却到足以削弱板块构造，并使地球再次陷入停滞。在这种情况发生之前，新的超大陆会起起落落，但在某个时候，地震会停止，火山会永远关闭，地球会一片寂静，就像火星一样。覆盖每一个裂缝的生命形式是否还存在，是未来需要解决的问题。
博科公园-科普|文:丽贝卡·博伊尔/广达杂志