方念乔:地球上的生命演替与板块重构

选择字号:   本文共阅读 9188 次 更新时间:2023-09-14 00:23

进入专题: 地球生命  

方念乔  

在太阳系及太阳系的近邻中,地球因拥有复杂、庞大的生命系统而成为特殊的一员。从上古的神话传说到近代的科学幻想、灵异事件特别是伴随天文学和航天技术进步所付出的巨大努力,都反映出人类探究地外空间的炽热情感。人类不断地用观测、统计和推理的方法,睁大眼睛在茫茫宇宙中寻找生命宜居的星球特别是地外文明。

对于那些渴望地球上的人类不再孤独、甚至期待更加先进的地外文明的人们而言,迄今为止探索的结果无疑是令人失望的。不仅高度发达的地外文明渺无踪影,就连初级的生命形态也未能如愿而来,传说中各种各样的“地外文明事件”可以喧闹一时,却大都查无实据。

关于是否存在地外生命的问题,很多学者持一种非常乐观的态度。他们认为,生命的出现是复杂原子发展的必然产物,只要某些星球具有与地球相近的条件(如岩石般的质地、冷暖适中的表面温度,特别是储存有一定数量的液态水),出现生命现象甚至演进到高级形态只是迟早的事。据说,在与太阳系规模和结构类似的外星系中,已发现数百个潜在的“地球”,而且这些“地球”只占理论数量的很小一部分。当然,也有学者对地外生命的寻觅持相当悲观的看法。一派学者认为,即便存在地外生命乃至地外文明,但在浩瀚的宇宙中因相互距离过于遥远而无从认知;更有学者认为,地球是一颗极为特殊的行星,它在质地、活动性、液态水量、磁场、大气结构和组分、以及与其他星球的共生关系上都处在一个非常均衡的位置上,而且在其演化过程中掺杂了众多的偶然因素(包括与其他天体的碰撞与融合),因而在具有高级生命形态特别是智慧生命这一点上是不可复制的。英国著名畅销书作家、《自然》期刊的物理学顾问J.格里宾撰写的《地球生命简史》(The Miracle of Life on Earth,张旭译,2021,北京联合出版公司)不仅系统地表达了这种观点,而且直截了当地指出,地球的板块重构(plate reconstitution)不同于其他天体,对于生命的产生和发展起到关键作用。对于该书作者强调的灾难性天体碰撞事件,笔者自认无能力给予中肯评价,但在板块重构这一点上却找到了思想上的共鸣。

自20世纪60年代以来,以板块构造和运动为基础的新地球观已逐渐成为学界和公众的主流认识。所谓板块,厚度普遍在100km左右,从下到上,由地幔顶层(橄榄岩)、洋壳(铁镁质辉长岩、玄武岩)或陆壳(硅铝质花岗岩、片麻岩等)所组成(合称岩石圈),板块之间存在以扩张脊、汇聚带为代表的板块边界,它们指示整个地球最为活跃的区域:在扩张脊(大洋中脊)附近,深部岩浆上涌,形成新的洋壳,使海底面积不断增扩;在汇聚带,密度较大的铁镁层下插到硅铝层之下直至地球深部,海底面积不断萎缩并可能导致陆地面积增大。如此循环往复,造成表层地球在物质上、能量上与深部地球的巨大交换,板块重构的过程与结果给地球注入强大活力,并最终为地球上生命的诞生和演替创造了必要条件。

早期地球与生命

地球约有46亿年的历史。在太阳系8颗行星中,靠近内圈且体积较小的水星、金星、地球和火星都是岩石态的,硅酸盐是构成岩石最主要的组分,上文列举的橄榄岩、玄武岩、花岗岩、片麻岩等都是各种金属元素与硅氧四面体结合的硅酸盐物质,在不同的自然环境中结晶而成,硅的含量是决定岩石属性的重要因素。由于长寿命放射性物质的衰变和引力势能的释放,导致初始状态的地球远较现代炽热高温,地表大量岩浆溢出。随着岩浆的冷却凝固和结晶分异,最终产生硅含量较低的洋壳和硅含量较高的陆壳,组成完整的板块序列,并为生命的孕育、发展搭建了平台。顺便指出,在板块重构过程中,密度较大的洋壳大都参与地球内部的物质循环,在地球表层属于“临时居民”,而密度较低的陆壳一旦形成则永远上浮于岩石圈顶层,不断生长壮大,成为地表的“长住居民”。

生命过程中水的重大作用无论如何形容也不过分。地球表面71%的面积被海水覆盖,加上陆地的各种淡水资源,这样巨大的液态水水量在太阳系和近距离可见的天体中罕见其匹。关于地球上水的来源,一直存在内源和外源的争论,内源说强调水蒸气、硫化氢、CO2等气体及氢氧等元素来自地球内部,外源说则归因于彗星与地球相撞或太阳风供应的包括氢原子核和氧原子核在内的大量等离子体带电粒子流。无论真相如何,今人可以证明,早在地球形成的早期,就已经拥有了足量的自由流动的液态水,在格陵兰、加拿大、澳大利亚都出露38-40亿年前的沉积岩层,有时还可发现疑似的微生物和藻类化石。这不仅反映了液态水在地球上的存在历史悠久,而且也揭示了生命和水的相互依存关系。

地球早期的海水贫氧富硫,盐类及各种矿物质相对稀少,酸性程度很高。随着陆地的产生和风化剥蚀物的持续输入,海水盐度逐渐增高,酸度逐渐降低,大约在25亿年前海洋的规模和性质达到可与近代海洋类比的程度。海洋一方面是生命的孵化器,它屏蔽了紫外线对原始生命的强大杀伤力,给予简单生命物质更多的混合交融机会;另一方面,以蓝藻和细菌为代表的原核生物通过光合作用使大气和海水中的氧含量不断增加,为后来地球环境的改善和生物的正常演化奠定了基础。最近数十年间,人们在几千米深的大洋中脊处发现了一个完全不在我们认知范围内的生物体系,主要物种包含厌氧细菌、蠕虫管、贻贝、幽灵章鱼、铠甲虾、蜇人蟹、白蛤、无眼裂缝虾、暖绵鳚等,从低等原核生物到脊椎动物,形成了一种特殊的微生物-蠕虫-贻贝-鱼蟹化学能级金字塔,塔基的初级生产者结合洋脊岩浆-热液活动所提供的富硫物质,从化学反应中获取能量,这与我们所熟知的以光合作用为塔基的浮游植物-食植桡足类-初级食肉类(鲱鱼)-高级食肉类(鱿鱼、鲨鱼、抹香鲸等)“能级金字塔”分属完全不同的体系。应该看到,大洋中脊富硫贫氧的高温环境,与早期地球非常相似,中脊热液喷口环境下的生物系统,极有可能是原始地球衍生出来的生命特征的直接继承者,而建立在光合作用塔基上的包括我们人类在内的生物系统,是生命在演替进程中逐步适应充氧环境的结果。大洋中脊作为地球上最活跃的板块边界之一,可以依托它所提供的来自地球深部的巨大能量,支撑起一个复杂庞大的生命世界,这是板块活动直接作用于生命体系的完美实例,当然,板块重构对于生命的作用远远不止于此。

板块重构与生物大爆发

格里宾认为,板块重构是目前仅见于地球的一种非常特殊的自然现象,这一点对于生命特别是高等形态生命乃至智慧生命的形成和演替至关重要。除了前文介绍的特殊的洋脊生态系统外,在更普遍的意义上,板块重构所带来的自然效应包括:(1)打破了地球不同圈层之间相对隔离、静止的状态,营造了地球深部和浅表层之间巨大的物质与能量循环。(2)制造并加厚和扩展陆壳,使地球表面的陆地和浅海面积不断增大。(3)大幅度重塑海陆分布格局,改造地表及海底形貌。(4)激发和调谐大气、水体等外部流体对固态地球运行的反馈机制,将内外部动力学因素结成一体,控制地球的气候环境并使之发生有规律的变化。(5)产生了大量的金属和非金属矿藏。还可以举出更多,但已被列举的这些对于原始生命的孕育、生物的多样性、生命向高级自然形态和社会形态的演化已构成必不可少的前提条件。

地球上板块形成和重构的时间起于何时,对于本文立论能否成立非常重要。早先曾有学者将这一时间界定于元古代中后期、显生宙乃至晚古生代,依据岩石学、地球化学、锆石年代学、理论模型方面的新近研究成果,已有将板块的起源问题推送到42亿年-38亿年前即太古代早期的趋势。笔者推测,早期地球的地壳(包括洋壳和陆壳)规模十分有限,岩石圈地幔因高温熔融表现得更不稳定,与下伏的软流圈地幔也未必存在清晰的物理界限,岩石圈板块即便产生,其序列的完整性、活动的连续性和整体的刚性强度、作用方式上与我们可以直接考察的现代板块相较肯定存在显著差异,但是另一方面,未经充分分异和固结的薄弱地壳可能存在大量裂隙,地球内部的超级热能加速地幔熔融并通过这些裂隙四溢,在地球表面留下大量火山岩系,这与近代经典意义上的板块重构堪有一比,所提供的能量和物质及所产生的环境效应甚至有过之而无不及。

太古代是地球纪元以来的第一个时代(现行国际地层年表将38.5亿年作为地球的天文时期和地质时期的分野,38.5亿年之前称冥古代,本文隐去这一划分分案),耗时接近地球全部历史的一半。由于地质记录特别缺乏且大都遭到变质、剥蚀作用等地质过程的严重破坏,已难据之对早期地球活动准确描述。基本可以确定的是,地球脱离混沌状态之后,转化为以岩石为基底的密度分层结构,地壳和原始海洋、原始大陆相继生成,强烈的岩浆涌动和火山喷发将地球深部的物质与能量释放到地表,以C、H、N、O为代表的轻元素弥散在地球外围,在宇宙射线、太阳风、雷电等作用下首先形成简单的有机分子,继而聚合出细菌、蓝藻等原核生物,一个与其他天体截然不同的地球在此期间初具形貌。

紧接太古代的是元古代,元古代别号“菌藻时代”,跨度接近20亿年,虽说生物已经演进到真核生物阶段,演进速度仍然极其低缓。为了形象直观地表达地史上时间的长短,科学家们试行一种将地球46亿年的历史等比例压缩进一天24小时的表述方法。在这一“时间系统”内,地球从零点诞生,拂晓4点钟左右生命出现,直到晚间9点钟即元古代末,生命世界依然显得稚嫩、萧条。令人欣慰的是,在漫漫长日当中,地球的“改造”和“建设”成果辉煌:大陆和浅海面积迅速扩大,岩石圈结构和运动完全成熟,复杂的地形地貌和各种地理单元出现,金属矿床生成,大气、海洋的成分逐渐接近近代,为随之而来的寒武纪“生物大爆发”奠定了基础。

“生物大爆发”在地球史上绝对称得起是划时代的事件,几乎在毫无征兆的情况之下,门类繁多、结构精细的生物群类突然出现在早寒武世地层之中,这种未显示长期进化过程、缺少诸多中间过渡环节、众多生物门类突兀亮相的现象表面上构成对达尔文进化学说的重大挑战。然而细究起来,笔者认为,至少可以从以下两个角度为“生物大爆发”的现象提供一些解释:第一,正如达尔文时代以来很多科学家所指出的,化石记录的保存和发现总是包含很多的偶然因素,早期相对简单的生命形态在岩石的石化过程中损毁严重,很难据之恢复严整的演化谱系;第二,生物演替越向高阶发展越呈现一种加速的趋势,在化石记录丰富且较为确切的显生宙中,类似的现象层出不穷:如恐龙在三叠纪由槽齿类爬行动物演化而来,直到晚侏罗世历时近1亿年才成为动物界的主宰,其后又历时2000多万年才分化出近鸟类驰龙,但在获得中空的“虚骨”、羽毛、拍打腾空能力之后,在1000多万年的时间里就发生强烈的辐射分异,演替出数百种鸟类遨游蓝天;又如最原始的猿类诞生于3000多万年前,200万-300万年前演进到直立人阶段,直到10万年内晚期智人出现,才在大脑的容量和结构、语言系统的形成、工具的制作和使用、组织协调能力等方面产生质的飞跃,形成真正的智慧生命。笔者据之推断,大大小小的生物系统在数量上、类别上、层级上发生井喷式的跃升之前,其演进速率往往蜗行牛步,极其缓慢,这种长期的适应和积累过程对于地球早期生命而言尤其如此。“生物大爆发”的发生,既是生命自身的发展规律使然,也要依靠板块重构所提供的自然环境。

经过太古代和元古代的长期改造和积累,分散在世界各地的陆块在7.5亿年前聚合在一起形成“罗迪尼亚”超大陆并在1亿多年后解体,一收一放,海陆格局的剧烈变化导致地球的环境与以往的表现迥然不同。虽说“罗迪尼亚”超大陆的出现并非是地球历史上第一次陆块间的聚合,但它的生成背景和所产生的效应具有特殊性:(1)大陆和浅海面积扩大,陆地不再以孤岛的形式出现,而与海洋的分布达到一定程度的平衡;(2)陆壳不断增厚,岩石圈结构完全成熟,板块活动与重组的方式与现代板块基本一致;(3)泛大陆形成时地表出现大量山脉、高原,硅酸盐岩石的强烈风化显著消耗CO2,随后伴随泛大陆的瓦解,火山岩系占据突出位置,造成“火山严冬”,以上双重地质作用的叠加可能造成大幅度全球降温;(4)海陆格局的变化势必影响地球上大气和海洋的流动条件,层圈间的相互作用加速了“雪球”时代的来临。环境的空前巨变为随之而来的“生物大爆发”创造了优越条件。

现代海陆格局与环境

1.8亿年前北大西洋的开裂标志着距今最近的“潘基亚”超大陆发生瓦解,现代海陆格局与自然环境的形成就此拉开序幕。由于地质资料相对完备,演化路径相对清晰,板块重构与生命世界的关系表现得更加充分。

北大西洋开裂不久,印度洋和南大西洋在1.4亿年前后开裂,全球性的大陆裂解造成洋脊数量增多,规模扩大,海底形貌更为复杂,特别是大火成省活动的加剧标志着地球储备活力的释放达到新的高峰。

在地球的特定历史时期,会产生异乎寻常的超大规模火山喷发,在相对不太长的时段内将地球深部的物质和能量以岩浆作用的方式输送到地表(包括海洋和陆地),集中发生岩浆作用的区域被称作“大火成省”。一般认为,“大火成省”的物质产自地幔热柱,其深度(700-3000km)远远超过岩石圈(≈100km)范围之内的板块重构。根据现有的地质资料,白垩纪即中生代晚期无疑是大火成省记录最为丰富的时代。现今的洋脊系统是板块的扩张边界,也是地幔向地壳输送物质和能量的唯一主要通道,但在白垩纪时由于板块的裂解和扩张步入高峰,不仅洋脊系统较今的活跃程度高出60%,使得全球洋脊的长度和宽度大为增加,额外更有大约20个巨大火成省活动,输出的物质和能量的总和超出当代一倍乃至更多。太古代时期代表地幔高度熔融的超铁镁质科马提岩在地球表面长期绝迹之后,又在太平洋东部的gorgona海岛出露。足见固态地球在经过数十亿年的自然消耗之后,在中生代末-新生代初以一种新的方式强化了内部活力,加之两极无冰,造成地球有史以来最大规模的海平面上升。进入新生代以来,全球范围内的构造——岩浆活动显著减弱,然而犹能继承白垩纪的余绪,在部分板块的汇聚过程中促使美洲的考迪勒拉-安第斯山系、欧洲的阿尔卑斯山系、亚洲的喜马拉雅山系以及“世界屋脊”青藏高原强烈隆升,严重改变了地貌形态。其他如南美洲和南极洲之间的德雷克海峡、澳洲和南极洲之间的塔斯曼海峡、南北美洲之间的巴拿马海峡等关键枢纽地带,相对“轻微”的抬升—沉降、开启—闭合等区域构造活动,也可以导致洋流、气流运转模式发生深刻变化,对自然环境的改变起到“四两拨千斤”的作用。从始新世后期开始(大约3500万年前),板块重构所产生的最显著的环境效应,就是从气温普遍偏高的白垩纪-中始新世急转而下,在3400万年前、1400万年前和350万年前发生全球性的大规模降温事件,最终形成两极大面积覆冰的现代气候格局。

中生代晚期到新生代的1.5亿年间,生命形态无疑达到地球有史以来从未达到的高度。在潘基亚超大陆尚未完全裂解且气候炎热的中晚侏罗世-白垩纪,陆地生物多样性及进化程度之高成为生命世界的亮丽景观,爬行动物空前繁盛,主宰了海陆各个角落,恐龙的一支进化成鸟类飞向蓝天,被子植物从无到有,迅速在陆上推进到世界大部分地区,实现了真正的鸟语花香。白垩纪末(6600万年前)的大绝灭事件摧毁了当时的生态体系,大陆上的非鸟类恐龙和海洋中的蛇颈龙、菊石等占据“金字塔”顶端的大型特异生物首当其冲地告别世界,却为进化更为成功的哺乳动物和鸟类腾出巨大的发展空间。目前看来,白垩纪和晚新生代分别代表两种截然不同的极端环境,如果没有突发的灾害事件,两种环境对生命都具有积极和重大的促进作用。新生代晚期地球逐步进入寒冷的冰河时代,未能像侏罗纪-白垩纪那样直接有益于生物的多样化、促进“系统进化树”更加枝繁叶茂,却为进化质量的提高营造出更适宜的环境,最终催生出智慧生命和人类文明。

人类从地质环境中走来

人类雄踞当今生命能级金字塔的顶端,也是地球数十亿年来生命演化的最高形态,人类起源的时间距今300万年左右,在“24小时制”的地球历史上逼近午夜的最后一分钟。

地球环境的变化从过程的持续时间和产生的实际效应来看,可以划分为多种尺度,其中层级最高的是“构造尺度”,如地壳活动、海陆变迁、岩浆作用、大陆和海底形貌的重塑,其变化范围从上百万年到数亿年间,本文一再强调的板块重构,作为上述地质过程的主导因素,其缓慢积聚的综合效应,需要一个漫长的历史过程才有机会充分显现,在时间尺度上与人类快速的演进步调似乎关联不大。“构造尺度”之外,尚有变化速率更为迅速、环境效应更为直捷的轨道尺度和人类尺度,前者基于天文运动中的日地关系,应用地球绕日运行中的偏心率、地轴倾斜率和岁差章动等影响日照量的指标量度环境的变化特征,其时间范围在数万年至数十万年间;后者的控制机理更为复杂,通常是地球内部岩土圈、水圈、大气圈、生物圈相互作用,快速进行能量和物质交换的结果,其变化的时间范围可以达到千年、百年甚至厄尔尼诺现象的级别。当构造尺度的地质过程框定某种特色鲜明的环境格局之后,时间上层级较低的轨道尺度和人类尺度将助力研究者从细节上审视和总结人类演进与环境变化间的关系。以近代实际情况为例,大约在400万年-350万年前,板块重构主导的重大事件频发,如南北美之间的巴拿马海峡因大陆聚合而完全关闭,世界屋脊青藏高原因地壳增厚而加速隆升,全新的海陆格局和地表形貌改变了世界的洋流和大气格局,为北半球降温和冰盖生成创造了条件。此后构造作用进入缓慢积累阶段,再未产生直接影响全球变化的效应,但它却激发并确立了最近数百万年以冰川旋回为主要特色的环境变化型式。

在构造尺度层级上,与人类进化关系最为密切的可能是东非裂谷的形成和北极冰盖的发育。它们的叠加效应,对于智慧生命在地球出现所产生的作用可能是决定性的。

有“地球伤疤”之称的东非大裂谷绵延6400km,与邻近的红海、亚丁湾构成相互夹角为120°的三岔分支,位于分支中心的阿法尔洼地发生超级岩浆上涌,巨大的区域张应力在1000多万年前导致裂谷加速形成,将东非圈划出一个独立的地理单元。彼时尚属中新世暖期,北极冰盖远未形成,东非虽与非洲大部发生隔离,但在环境上并不存在显著差异。距今大约320万年前,北极冰盖的形成和发育使得干冷气流南袭,将东非迅速改造为干旱草原,迫使热带雨林中的古猿脱离丛林直立行走,标志人类开始跃上世界舞台。从这一节点开始,冰期-间冰期交替的气候模式主导环境变化,并与智慧生命的发展形成粗略的对应关系:每当冰川席卷全球的时代来临,人类总会在严峻的气候条件下,从追逐猎物和迁徙的活动中获得结构、体力、智力和组织力的明显提升;而在气候较为温暖、舒适、平和的间冰期,人类凭借冰期内提升起来的能力,在相对优越的生存条件下获得迅速发展。笔者曾对北大西洋中-高纬度冰筏坠石带(指发育的冰盖将从大陆剥蚀的砂砾质碎屑固结在一起随洋流漂移[冰筏],浮冰融解时砂砾脱离冰体沿水柱坠落海底的海区,可以作为极地冰盖发育过程的监视器)的深海岩心开展研究,形成如下深刻印象:坠石沉积最早出现于252万年前,标志着北极冰盖的发育产生明显的干燥寒冷效应,能够制造石器的能人(Homo habilis)在此时段前后出现于东非裂谷地区,脑容量有了明显扩增。90万-60万年前坠石数量发生较前10余倍的增长,该时段内轨道尺度的10万年周期逐渐代替4万年周期成为气候变化的主导因素,反映冰期持续的时间更短但气候更为寒冷且冰盖规模更大、与间冰期的环境差异更为明显,这种气候特征对人类发展颇为有利,继能人而起的直立人(Homo erectus)在此时段内加速走向世界。智人(Homo sapiens)是人属下唯一的现存物种,是在严峻的生存竞争中最终胜出的智慧生命,早期智人大约形成于30万-25万年前。按照传统的阿尔卑斯山冰川记录,当时正值明德-里斯间冰期,气候环境并不严峻,直到具有较高分辨率的深海氧同位素记录出现,人们才意识到它实际包含了冰封雪覆的氧同位素第8期(MIS8,约29万-25万年前)。根据坠石带的沉积记录,MIS8不仅坠石数量大,而且CaCO3沉积量锐减,水温特低,常见的普适型浮游有孔虫种G.ruber消亡殆尽,种种指标显示MIS8期内环境异常严酷很有可能是将人类提升为最智慧、最具竞争力的地球物种的一次重大考验。坠石在五六万年前和两万年前,分别达到频度上和数量上的高峰,现代智人一度险遭恶劣环境的淘汰,依靠语言系统和组织能力的飞跃进步,不仅涉险闯关,而且借助末次冰盛期全球海平面大幅下降的条件走向世界。全新世(1万年)以来人类依靠冰消雪融的温暖环境进入发展的快车道,最后的坠石记录发现于6000年前,恰好与农耕文化的兴起实现了无缝连接。

结语

我们无法假设,如果没有板块重构,地球上能否沿着其他路径产生绚丽多彩的生命世界。但是显而易见的事实是,地球上从生命的起源、生物大爆发、生物多样化乃至高级智慧生命的出现,每一个重大环节,都与已知的板块重构密切相关。板块重构说到底,是一个反映地球旺盛活力是否一以贯之的问题。在经过四十多亿年的演化之后,地震、火山喷发、海啸、地基沉陷等重大自然灾害于当代仍然频繁发生,给人类生存、经济建设和社会安定造成巨大威胁,然而换个角度审视问题,这样一个持续发生板块重构、从内到外充满活力的地球的存在,于我们而言又何尝不是一件极为难得的幸事呢!

    进入专题: 地球生命  

本文责编:chendongdong
发信站:爱思想(https://www.aisixiang.com)
栏目: 科学 > 科学专栏
本文链接:https://www.aisixiang.com/data/146047.html
文章来源:本文转自《 中华读书报 》( 2023年09月06日 13 版),转载请注明原始出处,并遵守该处的版权规定。

爱思想(aisixiang.com)网站为公益纯学术网站,旨在推动学术繁荣、塑造社会精神。
凡本网首发及经作者授权但非首发的所有作品,版权归作者本人所有。网络转载请注明作者、出处并保持完整,纸媒转载请经本网或作者本人书面授权。
凡本网注明“来源:XXX(非爱思想网)”的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于分享信息、助推思想传播,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。若作者或版权人不愿被使用,请来函指出,本网即予改正。
Powered by aisixiang.com Copyright © 2023 by aisixiang.com All Rights Reserved 爱思想 京ICP备12007865号-1 京公网安备11010602120014号.
工业和信息化部备案管理系统