为什么地壳运动可能是生命的关键因素
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生命需要的不仅仅是水，最近的发现表明板块构造在滋养地球生命方面起了关键作用，这些发现对寻找宇宙其他地方的生命产生了重大影响。从远处看地球上是否有生命并不明显。从非常近的距离才能观察到最大的森林，更近的距离才能观察到人类的工作，更不用说微生物了。但从太空来看，这颗行星本身似乎也是有生命的。
冰岛的西弗利亚裂隙是北美和欧亚构造板块边界的一部分，这两个板块每年漂移2厘米左右。图片：Charlie Jung
地球上的陆地被广阔的水域分成七大洲，在我们无法看到到的海洋深处，一切都变得更加生动。地球物质正在自我毁灭，融化自己，而后重塑。十几个冰冷、坚硬的板块缓慢地滑动到地球内部炽热的地幔之上，相互俯冲，偶尔还会碰撞。板块构造过程是地球的一个重要特征，人类大多是通过地震和火山认识到板块运动的。目前夏威夷邻近地区喷出的熔岩是深地幔热点的结果，与构造活动有关。但是板块构造不仅仅会造成地震和火山爆发。越来越多的新研究表明，地球的外部运动可能对它的另一个特征——生命至关重要。
地球有一个移动的、变形的外层地壳，这可能是地球充满活力的主要原因，也是其他星球无法与地球丰度相匹敌的原因。理解板块构造是我们理解地球及其可居住性的一个关键。如何创造一个适合居住的星球，并能让生活在那里的生命维持数十亿年呢？华盛顿大学的地质学家凯瑟琳·亨廷顿说：板块构造在最长的时间尺度上调制大气，所需要的是持续的水资源，适宜的温度来让生命延续。
夏威夷基拉韦厄火山的熔岩在过去的一个月里摧毁了几十座房屋，这座火山是由夏威夷岛链的深地幔热点造成的。图片：USGS
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它一切使其独一无二的东西联系在一起。已经证明地球大气层的寿命、组成成分和难以置信的稳定，金发姑娘般的温度都归功于地壳的循环利用。如果不是地球的地幔周期性地吸收并释放水分子，地球上的海洋可能就不复存在了。如果没有板块构造来推动海岸线的形成和潮汐的运动，海洋可能就会变得非常贫瘠，赋予生命的营养物质会被永远埋于暗无天日的深处。
如果板块构造没有迫使板块之间相互俯冲，那么海底将会变得异常寒冷 ，引人关注的化学成分也将寥寥无几，这就意味着生命从一开始可能就无法出现在地球上。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士·多姆 和丸山为这种相互依赖的关系创造了一个（新名词）：可居住的三位一体。这个短语描述了一个有丰富水资源、大气和陆地的行星。
水、大气、陆地之间的交换和循环可以看作是生命的先决条件。然而要理解板块构造如何影响演化，以及它是否是演化过程中的一个必要因素，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一个可移动的外壳，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存在。
TOP1、从山脉到地沟
2012年电影导演詹姆斯·卡梅隆成为第一个在地球上最深的裂缝中独自潜水的人。他在挑战者深渊的海面下35,756英尺(约357米)处着陆，这是马里亚纳海沟内的一个洼地，在两个构造板块的交汇处有一个比洼地大得多的海槽。卡梅伦在整个海沟中收集了一些样本，包括地球接缝处生命旺盛的证据。当太平洋板块进入到地幔中时，它会变暖并释放被困在岩石内部的水。
在一种叫做蛇纹石化的过程中，水从板块中喷出，并改变上地幔的物理性质。这种转变使得甲烷和其他化合物通过冰冷的海底的温泉从地幔中渗出。早期地球上类似过程可能为新陈代谢提供了原始成分，而新陈代谢可能产生了第一批复制细胞。卡梅隆带回了这些现代细胞的后代的证据：微生物垫。微生物垫是在阳光都无法穿透的7英里水下生长的微生物团，压力是海平面的1000倍以上。
佛蒙特大学的地质学家基思·克莱皮斯说：这真的很令人兴奋，因为它把板块构造和生命联系在一起，给我们提供了在太阳系其他地方寻找生命的想法，让我们深入了解地球上的早期生命。卡梅隆创纪录的潜水并不是证明板块构造和海洋生物之间联系的唯一一次探险。最近的研究将板块构造活动与5.41亿年前的寒武纪大爆发联系在一起，并且当时出现了一系列令人惊叹的复杂的新生命。
在太平洋火山带的戴曼特火山附近，白色的微生物垫覆盖着黄色的珊瑚，这个垫子吸收了热液喷口的化学能。图片：Dr. Bob Embley, NOAA PMEL, Chief Scientist
2015年12月澳大利亚的研究人员发表了一份研究报告，他们对全球海底300多个岩心进行了研究，其中一些岩心样本已有7亿年的历史。他们测量了磷以及微量元素，如铜、锌、硒和钴——这些都是所有生命所必需的营养物质，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·朗格领导的研究人员表示这些元素的浓度在五亿六千万到五亿五千万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，山脉就由此形成。裸露在空气的岩石更容易被雨水侵蚀和风化，然后缓慢地将营养物质渗进海洋。更令人惊讶的是，他和他的同事们发现这些元素在最近的某一时期中含量很低，这一时期正好与大规模的灭绝相吻合。这一营养缺乏时期发生在磷和微量元素被地球消耗的速度超过它们被补充的速度的时候。
构造活动对保持地球温度长期稳定也起着至关重要的作用。以二氧化碳为例，一个含有过多二氧化碳的行星最终可能会像金星一样温度极高。亿万年以来地球上的板块活动调节了的二氧化碳含量。同时，风化作用将山顶上的营养物质带入海洋，也有助于从大气中去除二氧化碳。这一过程的第一阶段发生在大气中的二氧化碳与水结合形成碳酸，碳酸有助于溶解岩石并加速风化过程，而后雨水将溶解的岩石中的碳酸和钙带入海洋。
二氧化碳也会直接溶入海洋，在那里二氧化碳与碳酸和溶解的钙结合，形成石灰石并落到海底。最终在难以想象的亿万年里，被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，并且可以说是最重要的成分：氧。在寒武纪爆发前整整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来生产氧气，但大部分氧气被富含铁的岩石消耗，这些岩石利用氧气来制造铁锈。
由于板块构造作用，阿拉斯加山脉仍在继续扩大。在这张照片中可以看到，德纳里山每年以0.5毫米的速度上升。图片：Glenn Research Center
根据2016年发表的研究，板块构造运动开始了两个阶段，使氧气含量进一步增加。在第一阶段，俯冲使地幔发生变化，并产生两种类型的地壳——海洋和大陆。大陆板块中富含铁元素的岩石较少，而富含石英的岩石则更多，因此不会将大气中的氧气消耗殆尽。然后在接下来的10亿年间（从25亿年前到15亿年前）岩石风化将二氧化碳排放到空气和海洋中。额外的二氧化碳将会帮助藻类生长，从而使藻类产生更多的氧气，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推动力。德克萨斯大学达拉斯分校的地质学家罗伯特·斯特恩认为：板块构造起源于10亿到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，地质学家和古气候专家将这一时期称为“雪球地球”。今年4月德克萨斯大学奥斯汀分校的斯特恩和纳撒尼尔·米勒发表的研究表明：板块构造将灾难性地重新分布大陆，扰乱海洋和大气，这将对生命产生重大影响。
进化需要孤立和竞争才能真正开始。如果陆地-海洋区域没有真正的变化，就不会有竞争性的动力和物种形成。一旦有生命出现就可以通过打破大陆和大陆架，将它们移动到不同的纬度并重新组合起来，从而使它快速进化。这就是板块构造的动力！板块构造对先进物种的进化可能是必要的，陆地对于物种进化肢体和手是必要的，这使它们能够抓住和操纵物体。
而拥有海洋、大陆和板块构造的行星能最大限度地增加物种形成和自然选择的机会。认为没有板块构造，可以创造生命，想是的：也认为没有板块构造是无法创造出我们的。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。前往遥远星系的使者应该首先瞄准那些没有板块构造的星系，这样才能避免破坏另一个世界复杂生命的进化。
TOP2、破解地球的外壳
但一切都取决于这个过程何时开始，这是一个很大的问题。澳大利亚麦格理大学的行星科学家克雷格·奥尼尔说：地球形成于约45.4亿年前，最初是一个炽热的熔岩球。在地球形成后的至少10亿年里，它可能没有任何可识别的板块构造，主要是因为这个新生的行星温度太高。那时就像现在一样，地球内部的对流会使热量和岩石四处移动。地幔中的岩石在地球内部的坩埚中被挤压和加热，接着上升到地表，冷却之后变得更致密，然后下沉并重新开始这个过程。
对流和垂直运动甚至在早期地球上发生了。但当时的地幔相对较薄且“松软”，并不能产生足够的力量来破坏坚硬的地壳。俯冲没有发生就没有横向运动。所以在第一个大陆形成之前的一段时间，如果你愿意的话，地球就会有一个所谓的“密封盖”形成，没有不同的板块。奥尼尔在2016年发表的研究表明，早期的地球可能更像木星的火山卫星Io；“在那里，有一个火山活跃的体系，但没有很多横向运动。随着地球开始变冷，板块可以更容易地与下面的地幔相结合，导致地球过渡到板块构造时代。
这就出现一个问题：到底是什么打碎了盖子，是什么创造了这些板块？一些研究人员认为，入侵可能让事情出现了转折点。在过去的两年里，几组研究人员提出，太阳系诞生后遗留下来的小行星可能砸破了地球的盖子。去年秋天，奥尼尔和他的同事们发表了一份研究报告，认为在地球形成后的5亿年，小行星的轰击可能让寒冷的外壳突然被推入到热的上地幔。在2016年丸山和他的同事认为，小行星将带来水和板块的碰撞能量，削弱岩石，并使板块运动得以开始。但有可能地球不需要援助之手。它自己的冷却过程可能已经让盖子破裂成碎片，就像在烤箱里烤蛋糕一样。
图片：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta magazine
30亿年前地球在一些地区可能有短暂的板块构造活动，但还没有广泛分布。最终，地壳中较冷的部分会下沉，削弱周围的地壳。当这种情况反复发生时，薄弱的区域会逐渐退化为板块边界。根据耶鲁大学的戴维·贝尔科维奇和法国里昂大学的扬克·里卡在2014年的《自然》杂志上发表的一篇论文，最终将会形成完全的地壳板块。相反的情况可能也会发生：热地幔柱——就像驱动夏威夷火山喷发的热地幔柱，不会向下挤压地壳，而是会上升到地表，渗透到地壳中融化地壳，把盖子打破。
首尔高丽大学的斯特恩和史葛·瓦塔姆 在2015年的一项研究中展示了这种方法是如何起作用的。根据这些理论，板块构造运动在大约30亿年前开始并停止了几次。奥尼尔说：如果你必须按下每个人的按钮，让他们按一个数字，在大约30亿年前，板块构造就开始出现了。然而，这还很难确定，因为证据尚不完整。海洋地壳只有两亿年的历史，我们只是缺少我们需要的证据。自上世纪80年代以来，地球化学取得很大进步，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40亿年前地球就发生了某种原始的俯冲作用，但这些岩石却让人难以解释。与此同时，大约在30亿到20亿年前，地球的地幔显然经历了一些化学变化，这些变化可以归因于冷却改变了它的对流模式。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：真正的答案我们无从得知，我们有这些岩石，但不知道什么可以作为当时有板块构造或俯冲还是没有的确凿的证据。
TOP3、其他行星上的板块
构造对生命至关重要吗？最终，问题是我们只有一个样本，有一个看起来像地球的星球，一个有水的地方，一个滑动的地壳，一个充满生命的地方。其他的行星或卫星可能有类似构造的活动，但它与我们在地球上看到的并不相近。以土卫二为例，它是土星的一颗冰冻卫星，它将物质从其全球冰壳中看似奇怪的裂缝中释放到太空中。金星，一颗似乎在5亿年前重新浮出水面的行星，但是没有板块可以被我们发现。
火星有太阳系最大的火山在奥利匹斯山，但是它的构造历史是神秘的。奥林匹斯山是在一个叫做塔西斯的凸起的区域中发现的，它是如此巨大，以至于它可能会压得火星的地壳两极漂移。奥尼尔已经发表的研究表明，一个拥有大量水资源的火星大小的行星可以被推进到一个构造活跃的状态。而另一些人则认为火星南半球的一些区域类似地球的海底扩张。根据轨道飞行器和地表机器的数据，研究人员一致认为，它至少有40亿年没有任何活动，这大约是它地壳的年龄。
火星上的瓦利斯·马里纳斯峡谷长达3000公里，深达8公里。图片：NASA/JPL–Caltech
有些人认为可能在非常、非常早的时候，它就已经有了板块构造，但我认为，它可能从来就没有。“洞察号”火星探测器于今年5月发射，计划于11月26日抵达火星。“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曾经有过板块构造提供了新的线索。如果我们能了解其他行星，如金星、火星和木星的卫星，就能帮助我们了解在地球上应该寻找什么。这是继续探索其他行星的一个理由——帮助我们返回家园。
虽然板块构造的起源仍然是一个有争论的话题，地质学家可以同意，在某一时刻板块将停止磨削。奥尼尔开始把板块构造看成是岩石行星的中年阶段。随着地球的老化，它可能会从一个热的、停滞的世界演变成一个温暖的、活跃的、有构造的世界，最后在它的晚年又变成一个寒冷的、停滞的世界。我们知道行星在冷却的时候会变得安静。
许多地质学家认为这就是火星所处的情况，火星比地球冷却得快，因为它比地球小得多。地球最终将冷却到足以让板块构造减弱，并使地球再次陷入停滞状态。在这种情况发生之前，新的超级大陆将会起落，但在某个时候，地震将会停止，火山将永远关闭，地球会沉寂，就像火星一样。覆盖其每一个裂缝的生命形式是否仍然存在，这是未来需要解决的问题。
博科园-科学科普｜文：Rebecca Boyle/Quanta magazine
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