出品|网易科学人栏目组 翟中超
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图注：火山爆发。（图/唐·史密斯/盖蒂图片社）
如果从太空看地球，我们很难发现这里充满各种各样的生命。如果再离近些，我们就能看到茂密的森林，再离近些就能看到人类的活动，然后借助显微镜，我们就会发现，原来一沙一世界，微观中也有这么多生物。如果我们换个角度，以运动的眼光看，即使处在太空观察，地球本身也像是个生命体，陆地分裂成七大洲，大陆也会有移动，而各大洲中间有广阔的水域。在海洋深处，生命也有迹可循。地球似乎通过翻山倒海等地质运动来实现着自我更新与重生。
较为接近地面的岩层慢慢地翻到灼热内地幔的上层，偶尔会相互挤压碰撞，然后逐渐熔成岩浆。这种板块构造过程是地球活动的典型例子。而人类感受到这种变化主要有两种方式，一是比较常见的地震，另一种是相对少见的火山爆发。上个月夏威夷喷发的火山岩浆就与深层地幔的构造活动有关。
但是，板块构造的意义与结果不只是地震和火山那么简单。现在，有一些新研究表明，地球的外部运动可能是地球拥有生命体的关键因素！地球的外层地壳能够移动和变形，这可能是地球如此活跃的原因，在这一点上，其他行星没法儿和地球相提并论。
“想要理解我们的行星，想要理解地球对生命具有的宜居性，一个主要而关键的研究对象就是板块构造。地球是如何成为宜居星球？究竟是什么使得地球承载了数十亿年的生命？”华盛顿大学地质学家凯瑟琳·亨廷顿（Katharine Huntington）说道。“在地球漫长的历史中，是板块构造在调节着大气。有了稳定适宜的大气，才能保证水分的存在于气候的温和，才能为生命爆发提供条件。”
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的独一无二联系在一起。这些科学家已经证明，地球的大气层既不太热又不太冷的气温对地壳循环而言非常重要。水分会周期性地被地幔吸收并释放，如果没有这个过程，地球上可能就不会有海洋。板块构造运动促成海岸线形成，也助推了潮汐运动，如果没这个过程，赋予生命生机的营养物质可能就会一直沉在海底，那海洋也很难创造繁荣的生命。两个板块相遇时,一个板块会下插到另一相对被动的板块之下，下插板块就是俯冲板块，而被插的板块就会抬高，如果没有这个过程，海底就会变得完全寒冷，各种化学过程也会消失，这也就意味着生命可能永远不会占据主导地位。一些研究人员认为，如果没有大陆的运动，生命可能就进化不到这么复杂的形式。
2015年，东京工业大学的詹姆斯·多姆（James Dohm）和丸山茂德（Shigenori Maruyama）为这种相互依赖创造了一个新名词：宜居三位一体（Habitable Trinity）。这个词组描述了，如果一个行星有充足水资源、大气层和陆地这三个交换和循环材料，那么也就有了生命存在的先决条件。
板块构造究竟怎么对进化产生影响？板块构造是不是进化的必要因素？回答这俩问题前得先解决一个地球科学领域的关键问题，即板块是怎么开始移动的，以及板块是何时开始运功的。地球的外壳为什么会移动？弄清这个问题不仅可以加深人们对地球的理解，还能加深人们对所有具有固体表面的行星或卫星的认识，进一步也就能试着理解这些星球是否也具有生命。
2012年，著名电影导演詹姆斯·卡梅隆（James Cameron）成为第一个独自下潜至地球上最深的马里亚纳海沟的人。卡梅隆在海平面以下10972.8米深处的挑战者深渊（Challenger Deep）完成着陆。挑战者深渊是马里亚纳海沟最深的位置，位于两大板块的交叉地带。卡梅隆在这里收集了一些样本，比如说板块交界深处的生命发展的一些证据。
太平洋板块插入地幔，这一过程会使岩石中的水分升温并释放出来。还有个过程叫做蛇纹岩化，该过程是指中、低温热液对含镁岩石交代而产生蛇纹石的一种水岩蚀变作用，在此过程中，水会从板块里噗噗地涌出，然后上地幔的物理性质就被改变了。这一转变使得甲烷和其他化合物通过海底热泉渗出地幔。
早期地球的类似过程可能为新陈代谢提供了原料，第一个细胞复制有可能就是在此过程中发生的。卡梅隆从收集了海底微生物席（microbial mats，在大约万米海洋深处生长的微生物群），这些微生物所处之深连阳光都穿透不到，压力也是海平面的1000倍以上。
“这将板块构造和生命联系起来，这真的令人激动，”佛蒙特大学地质学家基思·克雷皮斯（Keith Klepeis）说道。“这给我们带来了全新的视角，比如说地球上早期生命什么样，比如说我们还能在太阳系以新视角寻找生命。”
卡梅隆对板块构造和海洋生物联系的探险并不是独一例。最近的研究将板块构造与541万年前寒武纪大爆发联系了起来，彼时出现了一些列令人震惊的新生命，这是进化的爆炸性繁荣期。
2015年12月，澳大利亚研究人员发布了一项研究，该研究对世界各地的约300个岩心进行了分析，部分岩心中的样品有7亿年的历史。研究人员测量了磷以及微量元素如铜、锌、硒和钴，这些营养素对生命来说至关重要。海洋中有了大量的这类营养物质，就能激发浮游生物的快速增长。塔斯马尼亚大学罗斯·拉奇（Ross Large）领导的团队研究显示，这些元素的浓度在5.6亿至5.5亿年前增加了一倍。
拉奇和其团队认为是板块构造推动了这个过程。大陆板块碰撞，岩石隆起，山脉也就形成了，而突出的山脉更易受到雨水的侵蚀。然后，风化作用就会慢慢地将营养从山上输送到海洋中。
或许更令人惊奇的是，拉奇和同事还发现，在最近的一段时期，这些元素的含量很低，而与此同时，大规模物种灭绝也在发生。拉奇表示，如果地球消耗磷以及其他微量元素的速度超过其再生速度，那么就会出现类似的营养物质缺乏期。
构造活动在维持地球恒温的长期稳定性方面也扮演着至关重要的角色。再考虑一下现在的二氧化碳情况，如果一个行星的二氧化碳过多，那金星可能就是它最终的结果，金星就像超高温炉子一样，表面温度将近500摄氏度，而起大气中二氧化碳含量达到惊人的97%。亿万年来，是构造运动帮地球调节了二氧化碳的含量。
风化作用将营养从山上输送到海里，这个外力作用也帮助大气去除二氧化碳。第一步，大气中的二氧化碳与水结合形成碳酸（一种有助于溶解岩石、加速风化过程的化合物）。然后雨水将溶解岩石中的碳酸和钙冲刷携带至海洋。二氧化碳也会直接溶解到海洋中，与碳酸和溶解钙结合形成石灰岩，石灰岩也就沉在了海底。最终，经过非常非常漫长的时间，这些隔离的二氧化碳就被地幔吸收了。
“这是一种调节大气中二氧化碳含量的非常了不起的方法，”亨廷顿说道。
图注：图片中间是位于美国阿拉斯加州中南部的德纳里山（Mount Denali，原名麦金莱山）。由于板块构造运动，德纳里山每年以半毫米的速度上升。（图/格伦研究中心）
板块运动甚至和大气中最重要的氧气也有关联。
在寒武纪生物爆发的20亿年前，也就是太古宙时期，地球上几乎没多少氧气。藻类开始通过光合作用产生氧气，但大部分氧气都被富含铁元素的岩石消耗了，这些岩石利用氧气来生锈！
2016年发表的一项研究报告显示，板块构造开启了一个两步法，使得氧气水平变高。在第一阶段，俯冲导致地球的地幔发生变化并产生两种地壳，即海洋与陆地。陆地板块富含铁元素的岩石更少，而富含石英的岩石更多，这就不会从大气中吸收多少氧气。
然后，在接下来的10亿年里，即25亿年前至15亿年前期间，岩石被风化，并将二氧化碳排放到空气和海洋中。额外的二氧化碳会帮助藻类生长，这样就能产生更多的氧气，也就是足以引发寒武纪生物爆发的氧气。
板块构造还可能促进了生命的进化。德克萨斯大学达拉斯分校的地质学家罗伯特·斯特恩（Robert Stern）认为板块构造发生于10亿年前至5.4亿年前期间的新元古代的某段时期。 这就和7亿年前地球上不同寻常的降温相吻合了，地质学家和古气候专家把这段降温称为“冰雪地球”（snowball Earth）。今年4月份，斯特恩和德克萨斯大学奥斯汀分校的纳撒尼尔·米勒（Nathaniel Miller）发表的研究表明，板块构造将会灾变性地重新分配大陆并扰乱海洋和大气。斯特恩认为这会对地球生命产生重大影响。
“为了让进化真正开始，就需要有隔离和竞争。如果陆海区域没有真正的变化，也就不会有竞争动力和物种进化，”斯特恩说道。“板块构造起了作用。一旦地球上有了生命，大陆和大陆架的分离以及陆地的移动就会把这些生命带到不同的纬度进行重新组合。”
斯特恩还认为板块构造可能是先进物种进化的必要条件。他的理由是，陆地上干燥的土地是物种进化的必要，物种在这种环境下可以进化出能抓握及操控物体的四肢和双手，而一个拥有海洋、陆地和板块构造的行星，可以使物种形成和自然选择的机会最大化。
“我认为没有板块构造也会有生命，我真的这么认为。但我还认为如果没有板块构造，就不会有人类，”斯特恩说道。
斯特恩设想，在遥远的未来，轨道望眼镜可以确定哪些外部行星有岩石，哪些有板块构造。斯特恩还表示，我们的宇宙飞船应该先去没有板块构造的行星，这样是为了避免对那里的复杂生命的进化造成破坏。
但是，即使外部行星有板块构造运动，其是否能进化出复杂生命，也要取决于过程何时开始，这是个很大也很开放性问题。
地球形成于46亿年前，最初是一个炽热的熔岩球。“地球形成后的至少10亿年里可能没有任何可是别的板块构造，主要是因为新生的地球实在太热，”澳大利亚麦考瑞大学行星科学家克雷格·奥尼尔（Craig O’Neill）说道。
那时，就像现在一样，地球内层的对流使热量和岩石发生了移动。地幔中的岩石被挤压并在地球内部被加热，上升到表面冷却后密度变大了，然后岩石再次下沉，这个过程又重新开始。可以想象一下熔岩灯，和这个过程有点像。
奥尼尔表示，通过对流传送，早期地球甚至就出现了垂直运动，但当时的地幔相对较薄而且比较稀，因此无法产生破坏固体外壳的力。
“俯冲没有发生，也没有水平运动，所以，在第一块大陆形成之前，地球上只有一个所谓的‘盖子’，并没有不同的陆地板块，”基思·克雷皮斯说道。
奥尼尔在2016年发表的研究表明，早期地球可能更像木卫一。“那里火山运动非常活跃，而横向运动不是很多，”奥尼尔说道。当行星开始冷却，板块就能更容易地与下面的地幔结合，从而使地球过渡到板块构造的时代。
那么，这就有了一个新问题，是什么打破了大盖子并在一开始就饿创造了这些不同的板块。
一些研究人员认为侵入作用引起了这种变化。在过去的两年里，有多组研究人员提出，太阳系诞生时遗留下来的小行星可能对地球的大盖子产生撞击。去年秋天，奥尼尔和同事发表的研究表明，地球形成5亿年后，一群高速飞行小行星穿透地球上寒冷的地球到达了高温的上地幔。2016年，丸山茂德和同事认为，带有强大冲击能量的小行星会带来水分、削弱岩石，使得板块运动得以启动。
但地球也可能不需要外界的帮助。地球自己的冷却过程就可以将带盖子打成碎片。
图注：是什么打破了地球的外壳？（图/露西·雷丁-伊坎达）
30亿年前，地球上的某些区域可能有短暂的板块构造活动，但并没普及开来。最终，地壳上较冷的区域被向下拉，使附近的地壳变得薄弱。根据耶鲁大学的大卫·伯科维奇（David Bercovici）和法国里昂大学杨尼克·理查德（Yanick Ricard）于2014年在《自然》（Nature）上发表的一篇论文显示，当这种情况多次发生，薄弱的区域会逐渐退化为板块的边界。
或许也会有相反的情况发生。冷地壳没有往下俯冲或下推，而是热地幔柱冲出地表，这种高温的地幔柱渗透过地壳并融化了地壳，使得大盖子产生分离。斯特恩和韩国高丽大学的斯考特·瓦塔姆（Scott Whattam）在2015年的一项研究中展示了该过程。
根据这些理论，板块构造可能在30亿年前就开始并停止过几次。当然，很难有确切的定论，因为证据比较零散。
“海洋地壳只有2亿年的历史，所以我们正好就缺失了证明上述结论的证据，”奥尼尔说道。“自上世纪80年以来，地球化学的很多细分领域取得了很大的进展，但根本性问题依然存在。”
奥尼尔表示，地球上最古老的岩石表明某种原始的或最初的俯冲可能发生在大约40亿年前，但这些岩石研究起来又很晦涩。同时，在30亿年前至20亿年前期间的某个时期，地球的地幔明显经历了几次化学变化，而冷却活动可能是这种变化的原因，这最终导致了对流传送模式的改变。一些地质学家认为这是地球上整个构造板块逐渐开始活动和扩散的记录。
“真正的答案是什么？我们还不知道，”宾夕法尼亚州立大学地球物理学家布拉德·福利（Brad Foley）说道。“我们有最古老岩石的样本，但我们找不出确凿的证据来证明板块构造或俯冲活动发生于某个时期，我们也确定不了那个时期未发生这种活动。”
那么问题又来了，构造活动究竟是不是生命出现、进化乃至繁荣的必要条件呢？
地球上有水，有运动着的地壳，这里充满生命。而其他行星或卫星可能也有类似的构造活动，但并没出现生命。这，就是问题难解之所在。
拿土卫二来说，土卫二非常冰冷，是土星的第六大卫星。据卡西尼号探究发现，土卫二就存在地质喷发活动。而金星上我们就没发现类似板块的东西。火星上有太阳系中最大的火山奥林匹斯山，但火星的构造历史很神秘。塔尔西斯高原坐落于火星赤道、水手峡谷的西边，是一个高9公里、宽3000公里的广大火山高原，奥林匹斯山就在这儿。这片火山高原质量极大，可能把火星的地壳都压扁了，随之产生的拉力甚至使火星的两极发生移动。
奥尼尔发表的研究表明，如果一个像火星大小的行星有充足的水，那么就可能出现地质构造活动。还有一些科学家认为火星的南半球的一些区域就像地球上的海底扩张运动。但根据人造卫星和火星上机器人的数据，很多科学家认为火星自诞生的40亿年来没有过类似的构造活动。
“有些观点认为在很早很早的时候火星上可能有构造活动，但我认为很可能从来没有过这些活动，”福利说道。
5月份发射的洞察号火星着陆探测器（InSight Mars lander）预定于11月26日抵达，这将有助于平息这场争论。洞察号上的三个仪器将测量火星地壳、地幔和地核的厚度及其组成，这将为“火星如何失去磁场”及“火星是否曾有板块构造”提供新的证据。
“如果我们对其他星球，像金星、火星以及木星的卫星有了更多了解，这将有助于我们更好地探索地球，这也是我们继续探索其他星球的理由，”克雷皮斯说道。
板块构造仍有争论，很正常，但地质学家认为在未来可能会找到答案。
奥尼尔已经开始把板块构造看作是岩态行星的中年阶段。地球早期炙热而混沌，中年会变成现在温暖而构造活跃，到了晚年可能会陷入寒冷。行星在冷却时很稳定，许多地质学家认为火星就是这种状态。因为火星比地球小很多，因此其冷却的也要更快。
地球最终也会冷却到使板块构造停滞。在这发生前，新的超大陆将会起起落落，但到了某一刻，地震将不复存在，火山也将永久封闭，地球会像火星一样走向凋零。至于裂缝中的生命形式能不能得到保留，这是留给未来人的问题！
本文来源：网易科学人
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