Ⅰ 回望過去，探尋地球生命之初的精彩絕倫
Looking Back to Explore Fantastic Stories of the Early Earth

古老生命的新故事

地質學家與生物學家聯手探究地球早期細胞的生命史。

莎拉·威廉姆斯

地球上誕生的第一個生命是單細胞生物，它們既沒有留下腳印，也沒有留下咬痕，更沒有留下骨頭。它們“蝸居”在地球的某一個偏僻的小角落里繁衍生息。科學家們絞盡腦汁地想刻畫出這些單細胞生物的模樣，但是幾個世紀過去了，還是依然只能停留在對生物學證據的依賴上面。他們希望通過研究古生物和現代生物之間的共性，推斷原始細胞中的組成成分。而生物學家們更是“腦洞大開”，他們通過逆向推理，已經提出了一系列有關單細胞生物形成時間和地點的假設。然而，到目前為止，這些都只是“異想天開”，并沒有辦法證明。

不過好消息是，最近地質學家們也加入了研究的行列，助生物學家們一臂之力。借助生物學家們的指引，地質學家們開始研究地球上年代最古老的巖石，希望借此找到第一批細胞生物留下來的痕跡。同時，借助地質學家們的指引，生物學家們也開始研究遠古時期“稀奇古怪”的環境，尋找早期細胞生物的宿營地。地理界和生物界的強強聯手，使得古代生命形成時期的場景逐漸清晰起來。

根據教科書上的定義，生物體是可以改變周圍環境的，它們與自然界進行能量交換與物質交換。因此早期的單細胞生物一定也會留下一些永久的化學印記，證明它們在這個世界上存在過。因為這些化學元素特定的化合形式，只有通過生物體的新陳代謝才能形成。但是如今，包含這些重要化學線索的物質少之又少，它們大部分都被埋藏在深深的地下，仿佛在向科學家們表示：“能奈我何？”只有當火山噴發或者山脈隆起的時候，它們才有可能“重見天日”，當然這個概率和中彩票無異。不過，這依然阻擋不了地質學家們的雄心壯志，他們不僅決心找到這些攜帶生命信息的巖石，還要認真地研究它們。

美國科羅拉多大學博爾德分校的斯蒂芬·斯蒂芬（Stephen Mojzsis）形象地表示：“這些地質學記錄就像是鋪在老房子里的地毯。在長達幾個世紀的時間里，人們在這‘地毯’上面肆意地踐踏，導致它已經完全‘起毛’了，只剩下絲絲縷縷的彩色‘線團’。但是如果你觀察得足夠仔細，還是能在這些為數不多的‘線團’中發現端倪，你可以從中看到‘地毯’原來的樣子。”

事實上，這項工作遠遠不止這些。尋找早期生命留下的這些“線團”只是這項挑戰中的冰山一角。地質學家們還要研究這些“線團”是在哪里被“紡織”成型的。關于這個問題，目前地質學家們分成了兩支研究小分隊。其中一隊將研究的重點放在深海區域，因為他們在水下發現了一種新型的排風孔。另外一隊則將目光放在了蒸汽繚繞的池塘，因為他們的盟友生物學家認為，這里可以滿足生命所需的一切必要條件。

在這段偉大的征程中，地質學家們和生物學家們攜手并肩，大步前行。他們互相監督，彼此檢查，積極尋找一切微小的可能。

“我們現在急需一批能夠從地球演變與地質狀況的角度上考慮問題的生物學家，而不是拘泥于用試管做實驗，因為很顯然，在早期地球上根本不存在試管。”斯坦福大學的地球物理學家諾姆·斯里普（Norm Sleep）表示：“我認為我應該為這些生物學家們提供一份早期環境的詳單。”

巖之生命

45億年前左右，地球“寶寶”誕生。那時的地球像一個“火球”，熾熱無比，極不穩定。1.5億年后，成型不久的地球遭受了一次小行星的撞擊。這一撞使地球發生了翻天覆地的變化，也“撞”出了月球。

“每一次可能孕育出生命的地球事件，都被規規整整地列了出來，”斯蒂芬表示，“這其中就包括月球誕生記。這次事件讓地球重新變成熔融狀態，而且讓整個地球都從頭開始，你可以想象這是一場怎樣的災難。任何生命都不可能在這場災難中活下來。”不過，黑夜褪去，光明終究會來臨。隨著地球在冥古宙時期漸漸冷卻，它慢慢變得適宜居住。到了38億年前的太古宙初期，已經有生命開始繁衍生息。

你可能想問，為什么地質學家們知道這個時候就有生命了呢？這是因為他們發現，太古宇地層中的碳含量非常高。在生命體出現之前，地球上的碳大部分都存在于大氣中。但是這一切都因光合作用而改變。光合作用是可以為生命體提供能量的一系列化學反應，這個過程中會生成固體形式的碳，它們在地表上逐漸富集。因此，這些富含碳的巖石意味著光合作用的出現。當然，除了碳，還有更多其他的元素。科學家們發現，古代巖石中含有紅色的“帶狀鐵層”，這也暗示著光合作用。因為只有光合作用才會釋放出氧氣，之后氧氣將鐵氧化成紅色的高價鐵（詳見Science News 2009年6月20日第24頁）。

美國斯坦福大學的地球化學家丹尼斯·伯德（Dennis Bird）表示：“這些光合作用產生的時間大約是在38億年前。不過，光合作用是一種十分高級的化學反應，并不是與生俱來的。生命體需要一段時間才能把它‘發明’出來。而這段時間具體是多少就不好表示了，因為歷史越久遠，數據量就越少。”

研究人員的“獲得感”變得越來越少，因為想要獲得一塊冥古宙的巖石比登天還難。在長達40億年的歷史長河中，地球上所有地層的巖石和礦物都在不斷地循環，一刻都沒有停止過。如今，地球上最古老的巖石基本都埋在地幔深處，深度至少在幾千米以上。此外，正所謂“禍不單行”，這個層位的巖石不僅非常黏稠，而且溫度高達數千攝氏度。地幔就像一個大熔爐，將不同年代不同區域的巖石“混”在一起“攪拌”。當這些巖石有朝一日重回地表的時候，它們已經變得“面目全非”了。

斯里普表示：“到目前為止，我們獲得的有關冥古宙的直接證據只是一些礦物晶體，它們的大小剛好適合放在頂針的上面。”

這些礦物晶體大部分是鋯石。鋯石的物理化學性質十分穩定，即使在地幔“大熔爐”中也完好無損。此外，還有一些鋯石像粒粒稻谷，藏在澳大利亞西部的一些更年輕的巖石之中（詳見Science News 1983年6月18日）。鋯石晶體結構中含有氧元素和鈦元素，通過研究氧和鈦的類型和含量，可以計算出鋯石晶體形成時的溫度，而且還能知道它是否和水發生過作用。不僅如此，鋯石還可以作為大陸形成的相關證據。

殘缺的歷史

即使地質學家們發現了冥古宙時期的巖石，也只相當于杯水車薪，因為接下來的問題更棘手。他們要在這些巖石中尋找生命的信號，但殊不知，不同時期和不同地區的細胞，它們的化學成分可謂千差萬別。斯里普和伯德理清頭緒，綜合分析，38億年前的生命體應該會留下什么樣的地質學信息？現在，他們開始向其他的地質學家們請求外援，希望地質學家們一同尋找這些化學信息。

斯里普表示：“雖然巖石學家們一輩子都在研究地幔，但是他們沒有接受過古生物學家那樣的培訓，所以有時候，在我們看來彌足珍貴的巖石被他們隨手一扔就扔掉了。”

科學家們在最近的一期的《地球與行星科學年度綜述》中提出，巖石中的一些化學物質，可能是古生物留下來的重要線索，這些化學物質包括：硫酸鹽、鐵、鈾、鎳和氮。當然，這份名單也是地質學家和生物學家共同合作的結晶。首先，他們需要探討很多重要問題，比如：這些生物體如何新陳代謝，它們如何繁殖，以及它們如何對周圍環境進行反饋調節等。之后，地質學家們根據這些信息，把專家們認為有可能是古生物體的痕跡東拼西湊地整合到一起。研究團隊在報告中指出，這些重要的化學信號，雖然歷經了自冥古宙以來漫長而又劇烈的巖石圈大循環，但它們完好無損，歷久彌新。

雖然這些元素的存在并不意味著鮮活的生命，但是只要這其中的任何一種元素，它們一團團一簇簇地聚合在一起，就可以成為探尋古生物的線索。

“我們根據這些生命信息的提示，專注于尋找我們想要的東西。”德國杜塞爾多夫海因里希·海涅大學的進化生物學家比爾·馬丁（Bill Martin）表示：“如果我們不知道尋找什么，那就真的完蛋了。所以我感到十分慶幸的一點是，我們的目標很明確，知道我們要找什么，而且我們對于未來充滿期待，這些生命信號一定能讓我們重回冥古宙時期。”

科學家們已經知道去哪里尋找這些生命信號了，一是澳大利亞的西部，二是格陵蘭島的西南海岸。這兩個地方因盛產30億年前的巖石而聞名于世。當然，還有其他的地方也有這樣的“古董”。“尋寶”的過程漫長而艱辛，但是一旦找到它們，科學家們就可以很輕松地確定生命形成的時間。目前，生命形成的“窗口期”依然長達近十億年。

時間跑得再快，也跑不過人類認知前進的速度。人類借助不斷前行的認知能力，回顧早已遠去的歷史。通過研究這些巖石中的化學物質，科學家們將逐步了解早期細胞的生存方式，以及它們當時賴以生存的環境。

下一盤大棋

大多數的生物學家都認為早期的生命是水生的，因為在當下，所有的生物都離不開水，所有分子都需要在特定的液態環境下才能進行相互作用。但是，是否早期的細胞也生活在水中——咸咸的海洋抑或是淡淡的湖泊，這些都還沒有得出定論，科學家們仍為此爭得“臉紅脖子粗”。不過關于這個問題，地質學家們又可以發揮他們的優勢了，他們回溯了早期地球的自然環境狀況，并且探究了當時地球上的一系列化學過程。

2000年，一個偶然的機會讓科學家們更加相信生命起源于水中。這一年，科學家們組成遠征隊伍奔赴大西洋進行深海探查，在大西洋中部發現了一種新型排氣孔。它們位于深深的洋底，就像迷失的城市，不為人知，與世隔絕。科學家們對這些排氣孔的化學成分和地質狀況進行了分析，發現它們比較適合微生物生存。因此，包括馬丁在內的一些生物學家認為，這類地點應該是早期生命最主要的聚居地。

由于大部分的深海排氣孔都是靠洋底火山的熱量驅動，所以它們排出的氣體會使周圍的海水呈現酸性。但是這些坐落于“迷失城市”之中的排氣孔，是靠地幔巖石和海水的相互作用驅動的，因此它們會創造出一種非常難得的堿性環境。這對于生命來說，無疑是“喜大普奔”。

這些排氣孔會噴出甲烷和氫氣到海水中，然后它們相互作用形成煙囪狀的石灰巖、醋酸鹽（早期生命的一種潛在能量來源）和碳氫化合物（生命的重要基石）。除此之外，“石灰巖煙囪”上還有一些細孔，這剛好可以有效防止化學物質被水沖走，并使它們在這些“庇護所”里發生化學反應。

馬丁目前與地質學家們進行合作，也是“迷失城市”派的成員之一。他表示：“‘石灰巖煙囪’上的這些微型小‘包間’相當于細胞膜的作用，不過它的方式顯然更直接，直接將各種化學物質“強拉硬拽”在一起，阻止它們出去。”而殊不知，這正好應驗了“鷸蚌相爭，漁翁得利”，這些化學物質可能被早期細胞視為美食，它們可以在“包間”內毫不費力地享用它們。馬丁感嘆道：“‘迷失城市’的發現是這一領域過去幾十年以來最令人激動的事了。”

雖然如今位于“迷失城市”的這些排氣孔可能不會超過40億年的歷史，但是一定還有一些類似“迷失城市”的地方，那里的排氣孔會向原始海洋中排放足以維持生命的化學物質。在這項研究中，地質學家們負責判斷排氣孔是否存在，而生物學家們負責判斷環境是否適宜生存。

然而，德國奧斯納布呂克大學的阿曼·穆爾基德亞尼安（Armen Mulkidjanian）卻有不同意見。他正在研究現代單細胞生物的共同點，這是很多進化生物學家都津津樂道的一個話題。他們認為，讓研究人員“頭疼不已”的這類生物體應該歸屬于兩大類，一是細菌域，二是古生菌域。而細菌域生物和古生菌域生物在35億年前擁有共同的祖先。

當然，地球上的第一批細胞生物可能會比這個所謂的“祖先”年代更久遠，但是只有在對“祖先”的研究基礎上，才可能繪制出比它更古老的細胞的模樣。到目前為止，研究人員已經發現，細菌域生物和古生菌域生物有60對基因是相同的。因此他們推斷，這位“祖先”也應該含有這60對基因。科學家們將這位“祖先”簡稱為LUCA（Last Universal Common Ancestor），意為“地球上最后一個共同的祖先”。

穆爾基德亞尼安表示：“這些基因會編碼出原始生物的蛋白質，而我們目前是要研究出每一種蛋白質各需要什么類型的有機離子。”他的團隊2012年年初在《美國國家科學院學報》上發表了一篇文章，指出這些蛋白質對鉀元素的需求量特別高，超出其他任何一種元素。同時，他們還表示，鈉元素會抑制很多細胞組分的活性，以至于會對基因編碼蛋白質的過程產生影響。

穆爾基德亞尼安介紹道：“早期的細胞膜通透性非常強，雖然能留住蛋白質和核苷酸，但是卻留不住鉀元素。”這就意味著這位“祖先”必須生活在鉀元素多于鈉元素的地方，才能維持生命。這其實是它必須要做的利弊權衡。

所以，現在又到了生物學家向地質學家“虛心請教”的時候了。什么地方的鉀元素多于鈉元素呢？地質學家們表示，他們對冥古宙的巖石進行了研究，所有的證據都表明，原始海洋中鈉的濃度非常高。不過話鋒一轉，有一個地方卻是例外，鉀元素將鈉元素反超，這便是由火山蒸汽形成的湖泊。而冥古宙這樣的火山可以說是隨處可見。

當巖漿將周圍的巖石加熱時，巖石中的水分便會蒸發。這時，它們往往會“拖家帶口”，攜帶著一些特定的元素一起“逃逸”，但卻將另外的元素留在原地。當這些蒸汽凝結成水重回地表的時候，淡水湖泊便形成了。這些湖泊可謂高營養，不僅富含鉀，還富含鋅和磷酸鹽，它們都是早期細胞新陳代謝必需的最基本物質。這是生物學家和地質學家的又一個完美結晶。因為這顆“祖先”細胞所需的物質剛好在地質學家們描述的地熱場中可以找到，正如穆爾基德亞尼安所說：“這些地質學領域知識剛好合我們的胃口。”

關于生命的起源，究竟發生在海水、湖泊，還是其他地方，終究還只是猜測，所能獲得的證據依然少之又少。同樣，對于早期生命的模樣以及它出現的時間，也沒有定論。但是隨著地質學家和生物學家繼續“強強聯手”，一定會找到更多的新證據，讓目前的研究變得煥然一新。

對于地質學家來說，未來的挑戰在于尋找更多的古代巖石，并且基于對它們的綜合分析，描繪出一幅冥古宙更詳盡更完美的畫卷。對于生物學家來說，未來的任務是將早期細胞的一系列理論與地質學家們描繪的這幅畫卷結合起來，達到新的高度。

馬丁表示：“我們立志要讓微生物學與地球化學走得更近，然后攜手并肩，走得更遠。”

隨著不斷有新的鋯石“重見天日”，以及從化學角度上對宜居環境的探究步步深入，這個有關生命起源的故事將會逐漸完善，最終取得一個完美的結局。

幼年地球的脈搏——長達20億年的爆炸

小行星撞擊地球的時間比之前預想的更長。

納迪亞·德雷克

眾所周知，地球在形成之日起，就開始不斷迎接外太空小行星的“沉重打擊”，這已經不是什么秘密。而最新的研究更是表明，地球遭受這種“打擊”的時間遠比我們原本想象的要長。

在這之前，科學家們原本認為，這些事件發生于“大沖撞晚期”，最多也就持續幾億年而已。但是據最近一份發表在2012年5月3日《自然》雜志上的研究表明，經過科學家們的模擬計算，這場“星球大戰”竟然持續了至少20億年。

本研究的合著者、美國科羅拉多博爾德西南研究所的威廉·博特克（William Bottke）表示：“目前來看，這些小行星的沖撞很可能導致了生物圈發生嚴重變化。”

通過對早期的太陽系進行重建，科學家們發現，這些“轟炸”活動大約開始于41億年前，而導火索是那段時期外行星正在進行的大規模重組。那時，木星和土星經常向外甩出一些小行星和彗星，順帶著甩出很多冰團。此外，它們的軌道也正在發生變化，而軌道的變化引起了劇烈的引力潮汐，這就使得冰團被甩得更遠。

先前的研究表明，這場宇宙“動亂”在大約37億年前就結束了，但是最新的證據表明這個數字應該改寫為18億年前。“可是，這么多的入侵者究竟是來自哪里呢？我們可能忽略了一些東西。”博特克表示。

根據博特克最新的研究，彼時的小行星帶的內邊緣應該在如今火星的位置附近，當然，如今它已經移動到了地日距離2.1倍的地方。根據博特克的模擬，由于外太陽系一直“躁動不安”，不斷地向內太陽系地區拋射小行星，攪亂了原本平靜的太陽系擴張秩序。這些小行星比現在我們周圍的小行星更加熾熱，它們可以為一些更現代的沖撞事件提供證據。

更長久的撞擊時間可以解釋為什么地球沉積層中存在一些微小的“撞擊球”。由于小行星的猛烈撞擊，巖石將汽化，并呈羽毛狀向外拋射，最終擴散到全球，并且濃縮成透明小球，當然此時的它只有其中一部分物質是來自外太空了。通過對這些小球的年代進行測定，可以發現小行星撞擊地球的頻率正在逐漸下降。“可以說，這是地質學與模型計算的一次完美聯姻。”美國斯坦福大學的地質學家唐納德·勞（Donald Lowe）表示。

另一項研究的合著者、美國普渡大學的布蘭登·約翰遜（Brandon Johnson）表示，雖然很多撞擊坑可能會慢慢被一些構造活動破壞掉，但是由這些小球組成的沉積層卻將會持久存在。“所以，如果你能發現這種沉積層，你就可以通過測量它的厚度來估算這顆小行星的大小。”

澳大利亞古化石：“水生”還是“陸生”？

部分古代海洋生物化石可能是“陸生”。

蘇珊·米利厄斯

曾經，科學家們認為澳大利亞的很多化石都是海洋生命大爆炸的證據。而如今又出現了另外一種聲音，有研究人員提出，其中的很多化石其實是陸生生物，不過這種說法飽受爭議。

埃迪卡拉生物群，是指距今大約5.75億年至5.42億年期間的生物大爆發，以澳大利亞的埃迪卡拉山脈命名。如今已經在全世界的30多個地方發現了埃迪卡拉動物群的痕跡，這些生物有的長得像光盤，有的則像葉片，都是非常普通的形狀，同時還擁有軟綿綿的質感。古生物學家普遍認為它們屬于某種海洋生物。

但是一項新的發現打破了沉寂。一些研究人員對這些化石進行了詳細分析并指出，這些埃迪卡拉動物群化石其實是石化的土壤或古土壤，而并非是海底巖石。美國俄勒岡州尤金大學的格雷戈里·瑞塔萊克（Gregory Retallack）表示，根據這些化石的位置布局和巖石中的微型導管可以判斷，至少有一部分埃迪卡拉動物應該是陸地土壤中的“居民”。

當然，瑞塔萊克的研究之路歷經坎坷，飽受爭議。在這之前他曾經提出，埃迪卡拉生物群并不是“水生的”，而是陸生的地衣。當時就遭到了很多異議。如今，他又將這項新發現發表在2012年12月12日的《自然》雜志上，他已經做好了迎接新一輪“口水戰”的準備。

加拿大金斯頓女王大學的埃迪卡拉資深研究員蓋伊·納博訥（Guy Narbonne）稱，如果埃迪卡拉的生物真的是陸生的話，它的意義非同一般，絕不僅僅是重新研究地球早期復雜多細胞生物的生存區域這么簡單。雖然他并不同意這項新的論斷，但是假如它成立，將意味著幾十年來的古環境研究都是建立在一個有缺陷的假設上的。

瑞塔萊克是古土壤領域的專家，但是他也只是從最近幾年才開始仔細研究澳大利亞的地質結構，而地質結構與埃迪卡拉動物群的特性息息相關。瑞塔萊克介紹道，當地巖石中的鈦元素和一些其他元素都呈現出了與土壤類似的層理特征。碳和氧表現出一些罕見的同位素，而它們也在互相發生作用。

瑞塔萊克注意到，石膏晶體和一些其他的瘤狀物與沙粒混合在一起，如果它是在水下形成的，這些沙粒肯定不會存在。他還注意到，化石表面呈現出的是像大象一樣的龜裂狀紋理。此外，化石呈現紅色，根據推測，它不太可能像是現代風化，更像古代風化，也說明它曾暴露于空氣中。

“但是，這不能讓人信服。”美國布萊克斯堡弗吉尼亞理工大學的肖書海（Shuhai Xiao）對這項研究持懷疑態度。他還是認為“水成說”可以解釋埃迪卡拉生物群的一些細節問題。

二疊紀的堪薩斯——74攝氏度的煉獄

艾琳·韋曼

如果用三個字描述二疊紀，那就是：熱，熱，熱！根據《地質學》（Geology）2013年3月18日的研究報告，在2.7億年前，赤道附近的氣溫可能高達74攝氏度（165華氏度）。如今地球上無論哪個地方的溫度，對于這個數字來說，都是小巫見大巫了。

尼爾·泰伯（Neil Tabor）是美國達拉斯南衛理公會大學的地球沉積化學家，他沒有參與這項研究。對于這個溫度，他不禁感嘆：“我甚至都不敢想象這是一幅怎樣的景象。”我們知道，在2.52億年前的二疊紀末期，發生了一場大滅絕。但是在這之前，一些熱帶地區的動植物離奇消失。或許，這個極端溫度便是它們消失的原因。在這樣的溫度下，只有那些喜歡“極限挑戰”的微生物才能存活下來。

證據就藏在堪薩斯的沉積物中。在二疊紀時期，幾個大陸聚合形成盤古大陸，此時的堪薩斯位于赤道附近。而堪薩斯的西部還是一片沙漠，不斷有鹽湖形成并蒸干，留下了鹽類沉積。美國摩根頓西維吉尼亞大學的地質學家凱薩琳·貝尼遜（Kathleen Benison）和同事認為，那時的氣溫達到了50攝氏度，不過還是沒有超過如今美國加利福尼亞州死亡谷的溫度。

同樣來自西維吉尼亞大學的杰伊·扎比圖（Jay Zambito），與貝尼遜一道，對堪薩斯西部的其他地點也進行了調查，而這些地點的歷史氣溫竟然更高。這讓他們大吃一驚。這些研究結果主要是基于對巖鹽晶體進行的實驗。巖鹽晶體是在鹽湖蒸發的過程中形成的，在這個過程中，鹽湖中的一些微型氣泡會被“禁錮”在巖鹽晶體之中。因此，科學家們通過對這些氣泡進行實驗，估算出它們形成時的溫度，這便是古鹽湖的溫度。

貝尼遜介紹道：“每一個微型氣泡，都代表著一個特定時間、特定地點的環境狀況。”她還補充道，由于這些鹽湖一般只有數十厘米深，所以這些微型氣泡可以很好地反映出空氣溫度。

研究團隊收集了大致在600米至800米深之間的湖底沉積物，并將它們分成15層，共得到將近400個可以反映氣溫的實驗樣本。然而，這些樣本對應的時間還并沒有完全確定。雖然這部分記錄反映的時間整體在2.7億年前左右，但是這段記錄的時間跨度仍然未知。

在這段歷史時期的開端和結尾，平均氣溫僅為二三十攝氏度。但在中間時期卻達到“巔峰時刻”，平均氣溫躥升至接近45攝氏度。并且在這個時期，白天氣溫如同過山車一般，在25攝氏度至74攝氏度之間浮動。為了探究這種現象是否是整個區域的共性，貝尼遜和扎比圖計劃擴大他們的研究范圍，研究更多地區的歷史溫度。

然而，其他一些研究人員卻并不買他們的賬，不相信他們發現了極高氣溫。加拿大卡爾加里大學的地球化學家羅恩·斯賓塞（Ron Spencer）表示：“他們能不能測量到空氣溫度都是個問題。”因為在現代沙漠中，由于鹽湖具有更好的保熱能力，一些淺鹽湖的湖水溫度比空氣溫度還要高，甚至高很多。

退一步來說，如果他們所說的氣溫是正確的，那么又出現了一個新問題。“為什么這個地方能在那時出現這樣的極限溫度？”泰伯表示。而氣候模型也不能解釋為什么在這樣的條件下，仍然有液態的地表水存在。

北美西部地貌演化“兩步曲”

北美洲地質歷史比之前認為的更加錯綜復雜。

艾琳·韋曼

正如羅馬不是一天建成的，北美洲西部也不是一朝一夕就形成的。研究人員發現，太平洋海底的很多板塊碎片要么滑到了北美洲板塊的下部，要么互相滑到了彼此的下部。而這會形成一個傳送帶，將來自不同方向的島嶼統統運送到北美洲的西部，形成了這一區域崎嶇復雜的地形。

東·福賽斯（Don Forsyth）是美國羅得島普羅維登斯布朗大學的地球物理學家，他沒有參與此項研究。他表示：“這項研究讓我們對北美洲的地質歷史有了顛覆性的認識，這簡直是一場小型革命。”

過去的2億年里，一些板塊碎片堆積拼接，形成了如今落基山脈以西的北美洲。這些活動始于北美洲從盤古大陸解體并向西漂移的前不久。

地質學家們認為，在那個時期，一塊被稱為“法拉龍板塊”的海底板塊碎片，俯沖到北美洲西部邊緣的地幔之中。它的俯沖非常輕快有力，以至于北美洲大陸就像一輛推土機一樣，將法拉龍板塊上方的小島給“鏟”了下來。

德國慕尼黑大學的卡琳·西格羅（Karin Sigloch）與加拿大不列顛哥倫比亞地質研究所的米切爾·米哈納克（Mitchell Mihalynuk）在2013年4月4日的《自然》雜志上發表了一篇文章，他們對地球內部進行了三維透視研究，發現了一段很復雜的地質演化史。

地震波在這些俯沖的板塊碎片中的傳播速度比周圍的地幔物質要快。西格羅利用了這一點，采用振動學方法生成了北美洲地下2000公里的板塊圖像。結果顯示，板塊的俯沖包含了一個“雙循環”過程，這個過程使得北美洲西部的地殼碎塊更好地“縫合”到一起。

西格羅和米哈納克注意到了其中一塊板塊碎片，它在之前的圖像中被解譯為法拉龍板塊的東半部分。如果按照傳統觀點，認為它是簡簡單單俯沖到北美洲下部的話，那么它的形狀與理論上的并不一致。研究人員指出，這塊板塊碎片其實是兩個最新發現的海底板塊的殘余部分，它們在歷史上曾經向著遠離北美洲西海岸的方向漂移過。

研究人員推測，隨著北美洲板塊向西漂移，這些海底板塊碎片一個接一個地俯沖到法拉龍板塊以及其他向西漂移板塊的下部。這時，俯沖帶附近開始形成島嶼，并且逐漸增多。當這些海底板塊碎片全部沉入到地幔中后，法拉龍板塊開始向東漂移，并且開始向北美洲板塊的下部俯沖。而在前期俯沖階段形成的第一批島嶼此時被“揉捏”到了北美洲大陸上，之后法拉龍板塊上的島嶼也開始沿著大陸的邊緣堆積起來。

福賽斯最后表示，只有進行更多的測試，才能看出這套新理論是否比原來的傳統觀點能更好地解釋北美洲西部復雜的地質狀況。

年幼的地球，如何俘獲你溫暖的心？

科學家們力爭破解“早期太陽疲乏悖論”，探究早期地球“保溫”原理。

艾琳·韋曼

這是一個氣候難題。讓我們首先重回地球的嬰兒期時代——大約45~25億年前。那個時候的太陽要比現在黯淡得多，地球也得不到很多的輻射能，所以按理來說，那時的地球應該是一片冰凍荒原。然而，種種跡象卻表明，那時，豐盈的液態水正歡快地流淌在這個年輕的星球上。甚至，正是在那個時候，地球上的第一個生命懵懵懂懂地蘇醒了。科學家們將這個難題稱之為“年輕太陽的衰弱悖論”。

這個悖論是1972年由卡爾·薩根（Carl Sagan）和喬治·馬倫（George Mullen）提出的。那時，研究人員已經發現，在恒星的嬰兒期，隨著其內核中的氫發生核聚變而生成氦，整個恒星的亮度會隨之增加。但是，研究人員逆向推演的結果卻表明，在地球的前一半歷史時期里，太陽的輻射要比現在少20%~30%。

支撐這個悖論的證據來自于巖石向我們提供的信息。根據這些信息，早在太古宙時期，也就是38億~25億年前，就已經有液態水了。這是因為，地質學家發現了古老的枕狀熔巖，它是一種瘤狀的火山巖，只有當火山在水下噴發的時候才有可能形成。此外，科學家們還發現了波紋狀的侵蝕現象，它是沉積巖被流水侵蝕的結果。

雖然目前還沒有發現冥古宙早期，也就是45億~38億年前的巖石，（詳見Science News 2012年5月29日，第22頁），但是，科學家們發現，在一些較年輕的巖石中含有冥古宙時期的鋯石礦物，通過對這些巖石的研究，科學家們指出，液態水至少在42億年前就已經“閃亮登場”了。

那個時候，由地球自身的構造運動產生的熱量大部分已經被消耗殆盡了，所以不能用它來解釋氣候變暖現象。唯一的解釋只能是，有一股未知的神秘力量讓我們這個星球升了溫。目前，我們還沒有辦法找出它究竟是什么，因為連最基本的數據——地球早期的氣候因子數據都遺失不見，“這都要歸咎于地球整個系統太過于活躍，以至于這些證據很快便被抹掉了。”美國芝加哥大學的行星科學家羅賓·華茲華斯（Robin Wordsworth）表示。

不過，慶幸的是，理論知識倒是一點都不缺。在過去的40年里，氣候科學家已經針對各種現象——無論是大氣中超高濃度的溫室氣體，還是不斷改變的地日距離，都提出了一系列的解釋。這些解釋有一些看上去貌似可信，但即使是最可信的假設也都給科學家們的研究帶來了很大障礙。

盡管如此，隨著科學家們對地下礦物的研究不斷深入，也獲得了更多的地質線索。他們對早期地球氣候的有關假設進行精煉，相信離最終的成功已經不遠了。德國波茨坦氣候效應研究所的古氣候學家格奧爾格·弗伊爾納（Georg Feulner）表示：“我很有信心，未來幾年，我們會解開這個早期太陽悖論問題。”如果這個問題能解決，那么它不僅對早期的地球適用，而且對那些有可能適宜居住的系外行星也適用。

超級溫室氣體

氣候科學家們坦陳，關于幼年太陽如此疲弱的悖論，可能不是一個答案就能解釋得清楚的。正如弗伊爾納所說，冥古宙和太古宙延續了20多億年，什么都有可能發生，很有可能是很多因素共同作用導致了地球變暖。

鑒于冥古宙的地質學記錄太少，氣候科學家們將注意力轉移到更容易研究的太古宙上，以求找到解釋太陽悖論的答案。然而，這同樣讓他們傷透腦筋，因為科學家們無從知曉那個時候的全球氣溫是怎么樣的，只知道它可以支撐液態水存在。“這才是最令人沮喪的事情。”美國賓夕法尼亞州立大學帕克分校的行星科學家詹姆斯·卡斯汀（James Kasting）表示。

鑒于這些局限性，現在的目的就是要建立一種場景，然后將地球平均氣溫置于這個場景中，使它要么至少高于冰點，要么接近今天的氣溫。很多氣候科學家一致認為，如果溫室效應以某種形式加強的話，有可能會讓地球升溫。有些溫室氣體，比如二氧化碳，允許陽光射入大氣層，而經地面反射后的它卻無法逃逸出去，像進了陷阱一樣。如果溫室氣體的濃度夠高，它就足以讓地球保溫。但最棘手的問題是找出哪些溫室氣體起了作用。

早在1972年，薩根和馬倫就認為，氨氣是解決這個問題的關鍵。這種理論認為，如果早期地球大氣含有大量的氨氣，那么它就可以通過雷擊作用產生構成早期生命體的分子，不過這種理論現在來看已經過時了。20世紀70年代至80年代，其他研究人員發現這種理論存在重大缺陷。因為盡管氨氣可能有很強的溫室效應，但是紫外線可以很輕易地將氨氣分解，它可以在十年的時間內將氨氣的數量減少到大氣層保溫所需的標準之下。如果想讓這個理論成立，必須讓火山強有力地持續爆發，來源源不斷地產生氨氣，而這顯然是不可能的。

目前科學家們提出了一種更能說得通的解釋。那就是早期的地球通過火山爆發和風化作用這二者的平衡，使得二氧化碳含量一直保持穩定（這是由于，風化作用通過一系列的化學反應，將大氣中的二氧化碳氣體分解掉，而碳元素則最終存儲在海底的沉積層中）。但是這樣的話，需要的二氧化碳就太多了。卡斯汀的團隊經過計算發現，在太古宙早期，如果要通過二氧化碳來彌補太陽輻射的短缺，那么地球所需的二氧化碳量將是人類工業化之前大氣二氧化碳量的1000倍。而在太古宙后期，隨著太陽輻射的增加，這個數字減為工業化之前大氣二氧化碳量的300倍。

然而這與氨氣假說一樣，也存在漏洞。因為地球化學研究的有關證據表明，太古宙的二氧化碳含量可能并沒有那么高。最近，美國安阿伯市密歇根大學的地質學家南森·謝爾登（Nathan Sheldon）和同事們分析了美國明尼蘇達州26.9億年前的土壤化石。通過比較古土壤與下部基巖的化學組成，研究人員估算出土壤被風化的程度，進而推算出太古宙大氣中的二氧化碳含量。經過計算發現，這個數字最有可能是人類工業化之前二氧化碳含量的40倍。謝爾登和同事們將這項研究結果發表在2011年的《前寒武紀研究》上，并補充道：“這顯然并不足以彌補幼年太陽極其稀少的輻射量。”

謝爾登和卡斯汀一致認為，甲烷可以為二氧化碳的增溫效應助一臂之力。可以說，甲烷是溫室氣體中的“潛力股”，它捕獲熱量的效能大約是二氧化碳的20倍。而且對甲烷來說，更慶幸的一點是，由于太古代氧氣十分稀缺，所以它可以在長達數千年的時間里免于被分解的“不幸命運”。

卡斯汀的計算結果為，如果想讓太古代中期的溫度達到現如今這樣的水平，需要大氣中含有至少千分之一體積的甲烷，并配之以工業化前期100倍之多的二氧化碳。如果二氧化碳含量很高，就可以防止甲烷的濃度過高，因為過高濃度的甲烷會形成一層致密的甲烷氣層，它會反射太陽光線，使地球變冷。他將這項研究成果發表在2008年的《太空生物學》（Astrobiology）上。

現如今，由于甲烷與氧氣的相互作用，導致甲烷濃度僅僅為十億分之幾。當然，目前還不能夠斷定27億年前地球上的甲烷是否比現在多。謝爾登解釋道：“這是因為，雖然對于二氧化碳來說，我們已經找到了不錯的方法來研究。可是對于甲烷，目前還并沒有找到合適的代用指標。”不過，一些細菌可能會給我們一些提示，這些細菌是制造今天大部分甲烷的“發生器”，當然，這是它們進化的結果。如果在氧氣稀缺的那個時代，它們也能有今天這樣的產能效率的話，那么當時的甲烷總量將是今天的1000倍。這對于彌補太陽匱乏的輻射量完全足夠了。而且目前有一個跡象表明那時存在大量的甲烷，那就是冰川。到了太古宙晚期，由于氧氣增多，甲烷的“生存環境”受到了極大的威脅，含量急劇減小。用這個說法來解釋溫度降低貌似是說得通的。

溫室氣體——小助手幫大忙

科學家們相信，除了二氧化碳和甲烷，一定還有更多的氣體在幫助地球渡過難關。在最近的這些年里，一些學者就專注于尋找其他能使地球升溫的氣體。這時，氮氣和氫氣進入了人們的視線。

氮氣是現如今大氣層中的“老大哥”，它占了超過四分之三的比重，而那個時候它的濃度比現在更高。盡管它并不是溫室氣體，但是它可以幫助溫室氣體增強溫室效應。加拿大維多利亞大學的地球科學家科林·戈德布拉特（Colin Goldblatt）表示，如果氮氣含量夠高的話，即使二氧化碳沒有那么多，液態水也同樣可以存在。這樣的話就可以將一些地球化學方面的反面質疑通通駁斥掉。

氮氣會增加溫室效應的原理在于，它可以增加氣體分子之間碰撞的幾率。如果溫室氣體分子被撞擊，就會改變振動方式，而振動方式恰恰是決定它吸收太陽輻射量的重要因素。古德博萊特表示，如果給它的撞擊足夠多，那這些溫室氣體分子就會吸收更寬波長范圍內的太陽輻射。最終的結果就是，溫室氣體吸收了更多的能量。

戈德布拉特介紹道，氮氣做的無非就是給溫室氣體更多的撞擊。根據戈德布拉特和同事們發表在2009年《自然地球科學》上的論文，在25億年前，如果二氧化碳的含量像地質學記錄估算的那么多，并且當時還含有一定量甲烷的話，那么再給它添加今天兩倍數量的氮氣，就可以解決當時的太陽輻射量短缺的問題。（但同時他也補充道，如果大氣中的氮氣濃度過高，它們就會使入射的太陽光線出現散射，這樣反而會讓地球冷卻。）

氫氣也助一臂之力。華茲華斯解釋道，如果當時氨氣和氫氣的含量都夠高的話，它們之間就會頻繁地發生碰撞，形成很多氮-氫分子團，這些分子團可以短暫地維持一段時間。而且最重要的是，它們的振動方式和原先各自的振動方式不同，正是這特殊的振動方式會促進溫室氣體的溫室效應。而且氮-氫分子團可以作為二氧化碳和甲烷的補充，可以吸收很多它們吸收不到的太陽輻射，使得地球氣溫上升數攝氏度，具體的數字取決于氮氣和氫氣各自的含量。華茲華斯與同在美國芝加哥大學的雷蒙德·皮埃安貝爾特（Raymond Pierrehumbert）將這項研究發表在2013年1月的《科學》雜志上。

然而，就像二氧化碳和甲烷一樣，我們也很難估算出太古宙的大氣中到底有多少氮氣和氫氣。戈德布拉特分析道，太古宙時期的氮現在都已經存儲在地殼和地幔當中了，當時氮的數量特別多，很有可能是現在的兩倍。與此同時，卡斯汀表示，在冥古宙時期，在那些制造甲烷的微生物還沒有出現之前，氫氣可能是完全的“自由主義者”。而當到了太古宙早期，這些微生物進化之后，便開始“狼吞虎咽”地吞噬氫氣，制造甲烷。

如果想評估這些“百家爭鳴”的解釋到底誰是誰非，就需要某種古代氣壓計，戈德布拉特表示。如果科學家們能知道太古宙的大氣壓是多少，就可以確定是否應該向模型中大量地注入氣體，讓模型中的氣體壓力也增大。這是解決早期太陽疲乏悖論的一個行之有效的方法。

2012年，研究人員想出了一個估算大氣壓的辦法：雨滴化石。美國莫菲特菲爾德國家宇航局艾姆斯研究中心的研究員圣喬恩·索姆（Sanjoy Som）和同事們研究了火山灰中的27億年前雨滴濺落的痕跡，以此估算當時的大氣壓。不過，這二者要通過一系列長論斷才能聯系起來。

雨滴濺落的形狀一定程度上取決于它在空氣中降落的速度。而它的降落速度又取決于空氣密度，它會多多少少地給雨滴制造些摩擦。

索姆的團隊在室內模擬雨滴濺落，分析它濺落的痕跡，并將結果發表在2012年的《自然》雜志上。他們的結論是，太古宙晚期的大氣密度不超過今天的兩倍。

由于空氣密度與大氣壓成正比，于是氣候科學家們就按照最大上限，向模擬太古宙晚期大氣的模型中充入氣體，直到再也充不進去為止。華茲華斯解釋，對于二氧化碳和甲烷假說，科學家們通常依靠增加二氧化碳和甲烷的濃度來檢驗，所以這種方法不是一個好的反證法。但是對于氮氣假說來講，這種方法就可以很好地反證。

華茲華斯進一步表示，目前對于太古宙的大氣密度，僅有這一種估算方法。所以，如果想要下結論，到底當時大氣密度是怎樣改變的，還為時過早。

3D氣候模擬

現在，科學家們對于早期太陽疲乏悖論問題，無一例外地采取了一維的氣候模擬方法。下一步，要著眼于更復雜的三維模擬方法，這樣才能真正理解地球早期的氣候到底是什么樣的。

一維模擬相當于對大氣進行水平方向的“切片”，然后觀察太陽輻射如何通過這些“切片”，并經過地面反射返回。華茲華斯介紹道，這種方法對于評估某一種溫室氣體的效應和強度來講，確實很有用，但是當你想研究氣候真實樣子的時候，這種方法就未免太過于理想化了。

三維模擬方法將地表熱量傳輸添加了進來。同時，還考慮了其他因素，比如風和云層的影響。卡斯汀感嘆：“3D模擬方法實在很復雜。”

2012年12月，弗伊爾納和同事們在《地球物理研究快報》上發表了第一份關于太古宙氣候的三維綜合模擬研究。弗伊爾納坦言，研究人員對于三維模擬方法非常謹慎，因為很多因素都還是未知的，這些因素很可能對于最終結果起不到什么作用。但是弗伊爾納同樣也表示，在一維模擬方法中有兩個沒有考慮在內的因素，在三維模擬中起了大作用——地球自轉和海冰。

由于太古宙時地月距離比較近，導致地球的自轉速度比現在要快，可能當時的一天只有15個小時。我們知道地球上的熱量通過大氣和海洋，從熱帶地區傳遞到極地地區。而更快的自轉速度會改變熱量的傳輸方式。海冰對氣溫的影響則在于，它會比陸地和海洋反射更多的太陽光線，這無疑會使地球變冷。

在研究早期地球保持溫暖所需二氧化碳量的問題上，如果采用簡單的模擬方法，則會與目前的一些地球化學證據出現矛盾。而如果將自轉、海冰等因素考慮在內，得到的模擬結果是簡單模擬方法結果的7倍。當然，這只是其中一項研究的一個結果。弗伊爾納相信，隨著其他團隊也開始使用3D模擬，我們將會對早期太陽疲乏悖論有一個更好的理解。

開辟疆土

隨著氣候科學家們研究地球在太陽疲乏時期里如何保持溫暖，他們也自然而然地擴展了可適宜居住星球的定義。

目前尋找太陽系以外有生命存在的星球，是基于尋找理論上的可居住地帶來進行的。理論可居住地帶是指恒星周邊存在液態水的區域。“現在我們可以將這個可居住區域的范圍劃得更廣。”戈德布拉特表示，如果行星的大氣層中有大量的氮氣或氫氣，這個行星的溫室效應就比我們原先預想的要高很多。同時，華茲華斯也補充道，即使它是不圍繞任何恒星旋轉的“自由主義者”，如果它的大氣化學成分符合的話，也可能擁有液態水。

當然，到目前為止，這些都只是推測。這些“行星獵手”們還需要進行一系列詳細計算，才能確定太陽疲乏悖論的研究結果是否也能應用到尋找外太空生命的偉大事業當中。

漫長而蜿蜒的科羅拉多大峽谷

亞歷山德拉·衛茲

站在美國科羅拉多州萊夫小鎮上方的高地上，安德烈斯·阿斯蘭（Andres Aslan）的心情久久不能平靜。這位來自附近科羅拉多州梅薩大學的又高又瘦的地質學家，平常說話總是像教授一樣低調。然而站在這里，注視著蜿蜒的河谷在秋天楊木的映襯下熠熠生輝，他的激情也被點燃起來：“就是這里了！”他熱烈地揮舞著雙手，抬高了音調：“這可能是全世界最重要的地點！”

阿斯蘭所稱的重要的東西，被稱之為“唐根巴甫”（Taughenbaugh），是他腳下的一些礫石。175萬年前它們曾位于科羅拉多河河畔。如今的科羅拉多大峽谷沿著曾經的河谷發育而成。經過數百萬年的風風雨雨，滔滔河水將曾經的臺地和河谷間的巖石層剝蝕殆盡。

阿斯蘭已經在“唐根巴甫”和周圍的臺地考察了很多年，收集了一些線索，探究這條著名的河流如何締造出這片宏偉壯麗的景象。他希望解開一項懸而未決的美國西部地區地質之謎：洶涌澎湃的科羅拉多河是何時形成的，是怎樣形成的？

從源頭開始，科羅拉多河便開始了它漫長的西南方向之旅。它穿過猶他州的紅巖區，雕刻出了舉世無雙的拱門國家公園與峽谷地國家公園景觀。一路上它歷經水壩的阻擋，也歷經人類為飲水和灌溉而進行的無盡索取，最終它穿過墨西哥，以涓涓細流匯入加利福尼亞灣，結束了它2300公里的旅程。

科羅拉多河是全世界最有故事的一條河流。它高深的峽谷為美國西部第一批地質勘探隊提供了道路；它潺潺的流水滋養了從鳳凰城到洛杉磯再到墨西卡利沿路數百萬種沙漠生物。然而，科學家們卻對科羅拉多河的歷史了解甚少。

如今，科學家們已經知道在大約1100萬年前，雨水匯入落基山西部的一條所謂的“古科羅拉多河”。大約500萬年前，河水沖出了加利福尼亞灣，使得整條河流系統的河水都被排干。不過除此之外，還有許多未解之謎。

一個最大的謎團就在于，科羅拉多河的“舉世壯舉”——科羅拉多大峽谷，是何時形成，以及怎樣形成的？最近幾年，地質學家們針對這個問題分成了兩大派系。一部分人認為，大峽谷的鑿刻，并不是形成于600萬年左右，而是可以追溯到7000萬年之前。如果這個論斷成立，那么自從恐龍時代起，科羅拉多河就已經在如今這么深的河谷上流淌了。但是另一部分人對此不敢茍同。兩個陣營團隊針對大峽谷的巖石研究問題，仍在持續爭論。

如今，最新的一項研究為科羅拉多河和大峽谷的神秘故事點亮了一盞明燈。古砂巖中的礦物晶體可以作為河流演化歷史中關鍵階段的時間標簽。塊狀的磷灰石礦物可以幫助我們判斷一些特定的巖石何時出露于地表，進而揭示大峽谷何時形成。而一些老式的地質地圖，比如阿斯蘭所作的地圖，一般是將很多小型河流的地圖拼接成一幅完整地圖，以此展示科羅拉多大峽谷的演化歷史。“這是全世界最迷人的河流，”美國阿爾伯克基新墨西哥州州立大學的地質學家卡爾·卡爾斯特羅姆（Karl Karlstrom）感嘆：“它雕刻出了地球上最驚艷的景觀，它是大自然的天然實驗室。”

向著歷史打鉆

在美國內戰之后的幾年里，探險家約翰·衛斯理鮑威爾（John Wesley Powell）測量了大峽谷的長度，并試圖搞懂大峽谷的來歷。鮑威爾當時已經知道，水是締造這個地貌景觀的最重要因素。“大峽谷的形成歸功于降雨和河流，”他在筆記中寫道：“盡管這里離暴風雨區很遠，而且一年中的大部分時間里天空中都萬里無云，但是即使是斷斷續續的陣雨也可以在歷史的日月積累中完成一項卓越的成就。”

畢竟，即使是萬里長江也是從涓涓細流逐漸形成的。一開始，雨水在地表沖刷形成沖溝，時間長了，越來越多的沖溝連接在一起，形成了樹枝狀的龐大河流系統。

鮑威爾認為，科羅拉多河是一個古老的疏水系統，已經沿著今天從落基山脈到太平洋的河道流淌了幾千萬年。不過，在這之后，地質學家們發現這個說法存在很多問題，因為科羅拉多河的演化并沒有這么簡單。除此之外，并沒有證據表明科羅拉多河在600萬年之前沖出了科羅拉多高原的西部邊緣。科羅拉多高原是指包括猶他州、科羅拉多州、新墨西哥州和亞利桑那州的四角區域。如果鮑威爾的說法成立，一條奔騰的江河沖出高原一定會留下大量的河流礫石沉積，但是至今還沒有人發現任何一顆沉積礫石。

事實上，隨著更多的地質學家開始研究科羅拉多河的歷史，故事也開始變得愈加撲朔迷離。這一定程度上是由于，研究一個由河水“撕裂”出來的景觀實在太難了。“基本沒有什么數據能支撐我們繼續開展，”美國亞利桑那州州立大學的地貌學家科琳·惠普爾（Kelin Whipple）表示：“這完全是一個侵蝕系統，這段歷史甚至快得沒有給我們留下什么線索。”

在研究科羅拉多的眾多科學家中，阿斯蘭可以說是很幸運的。因為就在萊夫小鎮旁邊一座被稱為“大臺地”的山上，他和同事們發現了古河道遺留下來的一層厚厚的礫石沉積。歷史上附近的一座火山曾經噴發過，熔融的巖漿將這些沉積物掩埋，使得它們堅如磐石。研究人員測量了巖漿巖中放射性元素的含量，表明巖漿在1070萬年前流淌在“大臺地”上。這就意味著河流沉積物的歷史一定比它更久遠，或許科羅拉多河在這個區域的歷史可以追溯到1100萬年之前。研究團隊將這項成果發表在2010年的《美國地質學會野外指南》中。

現在，阿斯蘭打算把歷史追溯到更遠。他將希望寄托在萊夫小鎮周圍蓬勃發展的鉆井業中，希望從天然氣開采領域獲得一臂之力。如今的萊夫小鎮放眼望去已經滿是鉆井，卡車一輛接一輛地在鄉間小路上呼嘯而過。阿斯蘭招呼旁邊參觀的地質學家們聚攏過來，一位身穿亮粉色科羅拉多平頂山紀念衫的學生也加入了進來。她名叫芭芭拉·艾倫（Barbara Allen），正在攻讀地質學學位，同時也在WPS能源公司工作，這家公司平時在附近一座被稱為“熨斗”（Flatiron）的臺地上鉆井。

阿斯蘭帶領團隊開始攀登，向著露頭的科羅拉多河沉積物大步向前，它就藏在下一座山頭的后邊。在阿斯蘭和艾倫搜尋地質線索的同時，艾倫則提醒團隊成員注意腳下的麋鹿糞便。

如同“大臺地”一樣，還有很多地方的科羅拉多河沉積物也被巖漿掩埋而得以保存下來。WPS公司在這些臺地上鉆井探尋天然氣，這些井深達數千英尺。艾倫的工作便是與工程師們搶時間，當他們開始鉆井時，艾倫就迅速跑過來，收集河流沉積物樣品。這些樣品對于鉆井工人來說是無用的，被丟棄一旁。艾倫表示：“現在他們只要一看到我跑過來就知道我要干什么了。”

阿斯蘭希望能找到一些鉆井巖屑，它們包裹著數百萬年前的科羅拉多河礫石沉積。然而他最終認識到，WPS鉆井的這些地層中并沒有河流礫石沉積。不過即使如此，他仍然在萊夫小鎮附近的臺地上繼續尋找更多線索，探尋數百萬年前科羅拉多河流經這個村莊的痕跡。

古河流的遺跡

如果想要獲得科羅拉多河更多的信息，就必須沿著河流一路走到位于亞利桑那-加利福尼亞-墨西哥交界附近的河流匯流點。地質學家們已經收集了這個地區500多萬年來的洪水記錄。他們表示，這里一定匯集了科羅拉多河最猛烈的洪水。

在更遠的加利福尼亞南部和墨西哥北部，圣安德烈亞斯斷層的運動使得一大塊陸地，也就是我們熟知的索爾頓海槽沉到海平面以下。美國尤金俄勒岡大學的地質學家麗貝卡·多西（Rebecca Dorsey）就在這片區域尋找古河流的線索。由于海拔較低，這里的地形就像一個水槽，可以積攢很多沉積物。多西已經在這里發現了大量530萬年前的河流沉積地層。對礦物顆粒的研究結果表明，這些沉積物來自于整個現代科羅拉多河流域。

在過去的1000萬年里，大約有1000萬立方千米的巖石被科羅拉多河裹挾，跨越整個美國西部地區，并在西南地區沉積下來。這些巖石足夠填滿1億個美國宇航局位于卡納維拉爾角的飛行器裝配車間。“這些巖石被生生地從科羅拉多高原剝離下來，而這都是水的功勞。”多西表示。她與科羅拉多西德爾治大章克申地質學會的格雷格·拉齊爾（Greg Lazear）一道，在2013年8月份的《巖石圈》上介紹了他們的計算過程。

因此，河水從至少1100萬年前，就從科羅拉多的西部發源了；600萬年前，就已經流淌到加利福尼亞了。在這之間，河水可能向北沖出了科羅拉多高原，穿過了愛達荷州，到達更遠的地方。或者也有可能形成了一個大湖泊，就像今天4400平方公里的大鹽湖一樣。按照這個說法，直到有另一條河流將湖泊的湖水襲奪，湖泊才逐漸消失。之后河流沖出高原，形成科羅拉多大峽谷。

根據這個經典理論，接下來就到了形成大峽谷的時間了。大部分地質學家認為，科羅拉多河從600萬年前開始鑿刻大峽谷。（峽谷峭壁上的出露巖石歷史更久遠，可以追溯到18億年前。）

數據的決戰

但是另一些地質學家認為，峽谷在這之前就已經開始形成了。證據就是磷灰石晶體的形態。這種礦物的巖石在峽谷沿線433公里范圍內都很常見。從2008年起，美國科羅拉多州州立大學博爾德分校的麗貝卡·弗勞爾斯（Rebecca Flowers）和同事們就開始研究磷灰石中的氦元素。它在鈾衰變的時候形成，因此可以用來回溯巖石冷卻的歷史。

研究的關鍵就在于一則原理：當溫度高于50攝氏度時，磷灰石晶體中的氦會逃逸并永久性散失。所以如果你在磷灰石晶體中發現了氦，就可以斷定巖石的所處環境一定低于50攝氏度。氦含量越多，就意味著它處在較冷環境中的時間越長。此外，當巖石從深埋的地下被移動到地表時，巖石就會變冷。所以，如果河流將巖石上方的巖層剝蝕掉，這個過程就可以實現。弗勞爾斯和同事們利用大峽谷出露巖石中的氦元素計算巖石開始變冷的時間，當然，這就是大峽谷開始形成的時間。

“這些巖石的變冷已經有很長很長時間了，”弗勞爾斯表示，這大概有7000萬年了。她和美國加利福尼亞州理工學院的肯尼斯·法利（Kenneth Farley）將他們的成果發表在2012年的《科學》雜志上（詳見Science News2013年1月12日第15頁）。

弗勞爾斯是一家聲譽很高的地質年代學實驗室的負責人。但是長期在大峽谷中徒步和漂流的卡爾斯特羅姆的一些觀點卻讓她的研究過程并不順利。“她的研究與幾十年來的地質學認知背道而馳。”卡爾斯特羅姆表示。他向《科學》雜志提出了他在科技學術上的質疑，并在弗勞爾斯的文章發表數周之后的一場會議上，以及2013年10月美國丹佛國家地質學會會議的四場后續會議上，頻頻向她本人發問。

丹佛的這些會議讓地質學家們近距離地向對方發射友誼的炮火。弗勞爾斯、卡爾斯特羅姆和其他參與這場大峽谷測齡游戲的“玩家”們靠著會議室的墻排成一列，來回地傳遞著麥克風話筒，針對磷灰石顆粒的研究問題不斷拋出他們的論點。

弗勞爾斯堅定地站在她的立場上，即使卡爾斯特羅姆又突然拿出另一組數據。

2013年4月，在美國地質調查局約翰·李（John Lee）的帶領下，卡爾斯特羅姆和同事們在《巖石圈》上發表了一篇文章。他們對大峽谷的幾十個巖石樣本進行實驗，得到了另一組利用氦測年的數據。他們采用的是與弗勞爾斯相同的氦測年方法，此外，他們還采用了另一項技術：觀測放射性原子天然裂變并且在磷灰石晶體中移動留下的痕跡。

如果溫度高于110攝氏度，晶體會自發地恢復原狀，但很少會有“裂變徑跡”保留下來。隨著溫度降至110攝氏度以下，越來越多的“裂變徑跡”會保留在晶體之中。這就意味著，殘留在晶體中的“裂變徑跡”某種意義上是一種“計時器”，通過它可以計算出磷灰石從何時開始冷卻，以及冷卻的速度。約翰·李的研究團隊指出，至少對于大峽谷東部地區來說，在2500萬年之前，或者比這更晚的時間里，都還沒有形成今天這樣深的峽谷。

讓人搞不懂的是，為什么“年輕峽谷”和“年老峽谷”兩個陣營團隊會如此對立。其實，在某種程度上，他們的分歧就集中于如何解釋磷灰石晶體中的年代記錄。而在很多地方，弗勞爾斯團隊使用的數據和約翰·李團隊使用的數據本質上是完全一樣的，區別就在于研究人員如何根據這些數據推斷巖石的歷史溫度。例如，在研究地表冷卻的過程中，設置的極其細微的溫度差異，也會在結果中體現出巨大的不同，看上去好像是磷灰石晶體已經埋藏了很長時間。

卡爾斯特羅姆認為，也許有一種可以兼顧所有數據的方法。因為存在一種可能性：不同區域的小峽谷可能形成于不同的時期。卡爾斯特羅姆表示：“整個河道的冷卻歷史可能并不一致，有的地方冷卻得快，有的地方冷卻得慢，這體現在沿岸并不規則的懸崖上。”但是這些小尺度的“氣候碎片”可能會混淆整個河流的氣候歷史研究。

這道“剪不斷，理還亂”的科研難題，最終的答案可能需要將高質量的地質地圖與巖石冷卻數據結合起來。如今，一些研究人員已經開始使用第三種測年方法，也就是測量磷灰石中氦同位素的比例。它可以回溯巖石最近的一段冷卻歷史，也就是從60攝氏度降至30攝氏度的變化歷史。目前這三種方法已經形成“三足鼎立”之勢，只有用所有的方法對大量巖石進行測年實驗，才能讓地質學家們最終達成一致。

不管這場辯論戰未來結果如何，科羅拉多河仍然會像之前一樣歡快地流淌，盡它所能地向人們提供它的一切。它仍然會在落基山的西部滴滴匯流，穿過廣袤的科羅拉多高原臺地，沿著科羅拉多大峽谷奔騰而過，最終注入大海。

水系的進化

錫德·珀金斯

河流對地形縱向和橫向的侵蝕受各種因素的影響，包括地形的傾斜度以及徑流的分布情況。在2014年3月7日的《科學》雜志上，瑞士蘇黎世聯邦理工學院的地質學家肖恩·威利特和他的同事將所有的這些因子都歸結為一個參數，叫作χ（希臘字母chi）。χ的值隨著距河口距離的增加而增加。科學家計算了χ的值，并繪制了不同河網的χ值地圖，包括了美國的東南部。如果說一個流域邊界（白線）兩側的χ值相似，那么分割相鄰河網的脊就相對穩定。但是如果兩側χ值存在顯著差異，就比如說沿藍嶺山脈山頂的水域邊界（粗白線），則這種差異標志著河網仍在進化，分水嶺位置還在改變。研究員們介紹道：“藍嶺山脈的分水嶺自2億多年前斷裂初期形成大西洋之時就一直在向內陸遷移。”

“小”礦物塑造“大”板塊

微小礦物造成的巖石裂縫可能是地球板塊形成的原因。

內奧米·路畢克

也許你很難相信，早期地球表面上的第一條裂縫竟然與1毫米粒徑的微小礦物有關。根據兩位科學家提出的假設，早期的裂縫是由于這些礦物的“磨損”而產生的。《自然》雜志2014年4月24日發表了一項研究成果，這項研究表明，經過計算機的模擬，發現這些細小礦物通過一系列變化可以產生縫隙，分割出了最初的板塊，并催生了板塊構造運動。

地球的地殼被分成了幾大板塊，它們都在不斷運動。在斷裂帶，一個板塊可能與另外一個板塊發生碰撞。而在俯沖帶，一個板塊可能俯沖到另外一個板塊的下方，這些活動的結果就是引發地震或火山。當板塊分裂時，會有新的地殼產生。金星是地球的近鄰，也像地球的“雙胞胎”，無論從大小還是物質組成上都與地球很相似。歷史上，它可能具備板塊運動的先天條件，但是它卻沒有發生板塊運動。

很長一段時間里，科學家們都想搞清楚板塊構造運動的緣由。45億年前，也就是地球形成初期，地球的中心逐漸濃縮成一個致密的鐵質內核。內核被地幔包裹，而地幔是緩緩流動的熔巖。地幔的外部是一層堅硬的“表皮”，被稱為巖石圈。由于冷熱物質的輕重差異，導致熱的巖漿會上升，而冷的地殼則會下沉。科學家們認為，在地球初期，巖石圈中大塊的較冷巖石會周期性地沉入地幔，或者融化并“滴”進地幔中。

“這種滴落方式會使巖石圈遭受破壞。”美國耶魯大學的地球物理學家大衛·伯科維奇（David Bercovici）如是表示。他與法國里昂大學的楊尼克·理查德（Yanick Ricard）正在研發一種新的模擬算法。他們表示，這種循環往復的機械式損傷會使造巖礦物不斷變少，并且更容易被磨損。科學家們對毫米級及以下粒級的晶體進行了觀察，設計出了一般情況下巖石圈礦物變化的模型。結果顯示，隨著微小晶體的粒徑不斷縮小，它的變形程度也會越來越大。而造巖礦物晶體的粒徑越小，就越容易導致宏觀尺度上巖石的變形。

由于造巖礦物所受的破壞有增無減，導致巖石圈中始終存在著狹窄的侵蝕通道。

研究人員認為，地幔對流的壓力會“撕扯”這些巖石圈中的薄弱地點，而它們的移動促使形成最初的俯沖帶。在接下來長達大約10億年的時間里，這種活動都在間歇式地進行。足夠的“滴落”與“撕扯”會逐漸建立起一種模式，推動板塊構造運動的進行。

在地球上，巖石圈的造巖礦物一直都是不斷損耗的，不會增長，也就是說它不會融入其他的巖石中產生更大的顆粒。與此形成鮮明對比的是金星。科學家們對金星進行了模擬，發現它的巖石圈始終保持比地球巖石圈高200~400攝氏度的溫度，而它的礦物卻可以不斷增長。

美國索科羅新墨西哥州理工大學的地球化學家肯特·康迪（Kent Condie）認為，這個模型為板塊構造運動的起源提供了一種解釋，但是它缺少有關新巖石圈形成的機理。他表示：“到目前為止，還沒有人能給出一個讓人滿意的答案，究竟為什么板塊會運動。”究其原因，其中之一是缺少那個時代的物理記錄。除了很少量的古代沉積之外，大部分40億年前至30億年前的巖石已經隨著板塊運動而深深地沉入地下了。

被扼殺在搖籃之中的早期生命

小行星撞擊地球事件持續至距今43億年前。

托馬斯·桑勒

直徑大于美國猶他州的太空巨石不斷轟炸著早期的地球，可能一再地扼殺了早期地球表面存在的所有生命體。科學家們在2014年7月31日《自然》雜志上發表了他們的研究結果，他們認為最后一顆致命巖石對地球的撞擊大概發生在43億年以前。這也為推斷地球上生命開始出現的時間設定了一個最高上限。

大概在地球起源的距今46億年至38億年以前，整個星球一片死寂。科學家稱這段極長的時期好比十八層地獄，冥王之后的冥古宙，陰間的希臘神話。太陽系誕生留下的碎屑不斷飛向地球，將地球上早期的海洋蒸干，并使地球表面覆蓋著滾滾熔巖（《科學新聞》2012年5月19日，第22頁）。

但是科學家們認為，就是在這個混沌的時期，地球上開始出現了生命。

美國科羅拉多州博爾德西南研究所的行星學家西蒙尼·馬爾基認為：“如果在最后的消滅行動發生以前，地球上出現了生命體，那么他們也已經從地球上被徹底抹去了。生命的發展又必須從頭開始了。”

冥古宙時期，大量的物質轟擊著地球，使其發表面不斷伸展，延伸的長度達到了珠穆朗瑪峰的高度。伸展作用促成了板塊構造的開始（《科學新聞》2014年5月17日，第14頁）。但是地球上能夠找到的早于38億年前的巖石太少，科學家無從獲取早期地球撞擊的自然歷史記錄。

為了重構早期地球發生的巖石撞擊，馬爾基和他的研究團隊著手研究相對穩定的月球。月球上沒有像板塊構造運動這樣的再循環活動，因此它的表面還留有早期小行星撞擊產生的疤痕。科學家們使用撞擊坑計數的方法，確定了古老的月球撞擊產生的年代。撞擊坑隨著時間的推移，下落的隕石會逐漸將其破壞。科學家們同時對比阿波羅計劃從月球上采集的月球撞擊坑附近的巖石，以它們的年代作為校準修正。通過計數稍小、較新的撞擊坑的數量，來推斷包圍這些新坑的大坑的近似年代。馬爾基的團隊就是利用從月球上得到的這些信息，假設在兩者撞擊歷史類似的條件下，估計出了撞擊早期地球的小行星的數量、大小以及撞擊頻率。

馬爾基的團隊接著進行了早期地球小行星轟擊的計算機模擬，并發現隨著時間的推移，撞擊的規模減小、頻率降低。除此之外，他們還發現，早期地球表面的每個角落，都會在某個時期被溢出巖漿的隕石坑所覆蓋。

科研人員們說，在此期間，地球受到過大約3~7個大于500千米寬的小行星產生的撞擊。每一次撞擊都會將地球上所有的水體都蒸干，并摧毀掉地球表面的所有生物。馬爾基團隊估計，最后一次的致命撞擊發生在距今42.7億年。而地球上生命存在的證據可以追溯到38億年以前，雖然這項證據也同樣備受爭議。

美國加利福尼亞州拉荷亞斯克里普斯海洋研究所的地球化學家杰佛里·巴達認為，對早期小行星撞擊的深入了解可以幫助科研人員研究生命起源，“地球上出現生命的時間應該是在這些致命的撞擊發生之后，生命不可能在此之前產生并從那些撞擊中幸存下來”。

消逝的古海，年邁的撒哈拉

古地中海的萎縮“蒸干”了北非大地，撒哈拉沙漠的歷史向后延伸一倍。

托馬斯·桑勒

根據《自然》雜志2014年9月18日的一份研究報告，撒哈拉沙漠的年齡可能比科學家們預想的還要早數百萬年。研究團隊對古氣候進行了重建，結果表明，700萬年之前，隨著古地中海的萎縮，撒哈拉沙漠開始形成。

“我們沒有預料到海退現象將會產生如此大的影響，確實讓人感到驚奇，”該項研究的牽頭作者，挪威卑爾根比耶克內斯氣候研究中心的研究員張中石（Zhongshi Zhang）稱：“這完全顛覆了很多人對于撒哈拉形成的認知。”

大多數科學家們之前認為，撒哈拉的干旱氣候不會超過200萬年至300萬年。那個時候，北半球的冰期改變了大氣環流模式，吸干了非洲北部的水分。然而并不是所有專家都對此認同，張中石和同事們揭示出，在這之前的數百萬年里，在夏季風的作用下，海洋逐漸萎縮，受此影響，非洲北部的降雨量從這時起就已經開始減少了。

這樣說來，撒哈拉的形成年代與黑猩猩和人類產生血緣隔離的年代十分接近，該研究的合著者、法國伊維特河畔吉夫環境氣候科學實驗室的地球科學家吉勒斯·拉姆施泰因（Gilles Ramstein）介紹道。

大約2億年前，盤古大陸解體，非洲大陸和歐洲大陸之間的裂隙逐漸擴大，形成了一片汪洋大海，被稱為特提斯海。大約1億年后，兩個大陸開始合攏，特提斯海開始收縮。直到距今550萬年之前，特提斯海進一步萎縮，分裂成了如今的地中海、里海和黑海。

通過對大氣氣候進行模擬，張中石和同事們研究特提斯海的萎縮導致的氣候變化情況。在特提斯海的昌盛期，周邊大陸與海水表面之間的冷熱溫差使高空中形成了一條傳送帶，通過夏季風的作用將熱帶大西洋的水分傳輸到整個非洲北部。

研究人員解釋道，隨著特提斯海逐漸萎縮，裸露地表逐漸增多，水分傳輸帶的作用也開始減弱，這直接導致了撒哈拉地區的降雨量逐年減少。日積月累，這些地區就成了沙漠。

這項研究成果為幾年前的一項發現提供了有力的證據。2006年，科學家們在乍得發現了石化的沙丘。而它附近的化石表明，沙丘的年代應該在700萬年之前。當時，這項發現引起了激烈的爭論，卻缺乏有說服力的解釋。張中石表示：“現在我們終于提出了一項機理，能夠解釋這個沙丘古老的年代了。”

然而，針對2006年的這項發現還存在一項爭議，還是未能解釋清楚。“這僅僅是基于一丁點地質學證據提出的數學猜測，”德國科隆大學的地質學家斯蒂芬·克勒珀林（Stefan Kr?pelin）表示：“一個沙丘根本不能叫作沙漠，更何況這還是世界上最大的熱帶沙漠。”

不過，暫且不管撒哈拉沙漠到底何時形成，逐漸萎縮的特提斯海可能確實使得非洲北部的氣候變得不穩定。拉姆施泰因解釋，這種不穩定性可以幫助我們理解另一項內容。我們都知道由于地球傾角和軌道的周期性變化，地表獲得的太陽輻射量也在發生細微的漸變。而現在我們可以理解，為什么這種微小的變化會引起撒哈拉沙漠產生以幾千年為周期的干濕演替變化。

拉姆施泰因進一步介紹道，北非的這種周期性氣候變化以及撒哈拉的形成過程，可能會影響人類的早期進化以及之后在這個區域的遷移過程。

但是美國麻省理工大學的古氣候學家大衛·麥基（David McGee）卻反駁稱，大尺度的氣候變化所產生的任何影響都很難確定。早期的原始人類可能居住在小尺度的環境氣候當中，比如湖岸邊混雜著森林的草原。這種小氣候與其所在區域的支配性氣候有著本質不同。

“這些小尺度的環境氣候對于這樣一種氣候模型來說確實是一個限制，”麥基表示：“雖然這項工作提出了一項理論，解釋了700萬年之前非洲氣候變化的緣由，但是它與我們早期祖先的活動狀況并沒有直接關聯。”

探索地球和宇宙中的“水世界”

克里斯多夫·克羅克特

其他星球上的海洋可能與地球上平靜的藍色大海千差萬別。在適當的高壓環境下，水可以以一種怪異的超臨界狀態的形式存在，它既不是液體，也不是氣體。而理解這種異常地貌的關鍵或許就在我們身邊，就在我們所處的地球的海底火山附近。

《海洋世界》一書探究了地球以及其他星球海洋內部的活動方式。在最新研究的基礎上，賈恩·扎拉斯維奇和馬克·威廉姆斯追溯了地球上水的歷史。兩位作者所敘述的故事發生于宇宙大爆炸之后不久，水蒸氣在黑洞周圍旋繞。之后，作者描述了可能將水帶上地球的彗星和小行星，通過深海洋流追蹤水的動態，并重新評估了水在生命起源中扮演的角色。

太陽系中的其他星球為我們展現了多樣的海洋形成和進化方式。扎拉斯維奇和威廉姆斯注意到了木星和土星的衛星，其液態的鹽水海洋藏身于厚實的冰殼之下。地球的兩位鄰居，金星和火星，曾經也擁有過水。當我們星球的海洋里的水隨著時間不斷流失，到下個10億年地球上還有多少水的儲備呢？金星或許可以給我們提供這個答案的線索。

扎拉斯維奇是位地質學家，威廉姆斯是位古生物學家，他們無懼于超越他們自身的研究領域，在天體物理學、行星科學、海洋學以及微生物學領域廣泛涉獵。如果說這本書聽上去野心勃勃，沒錯，確實是的。但是作者們清晰、描述性的文字給人以閱讀的樂趣。全書穿插著各種奇聞異事，讀起來就不會像是讀課本一樣；作者還描述了販賣奴隸的船只是如何發現了深海冰水，以及電影《未來水世界》中對氣候的誤解。

作者在太陽系形成之始至地球的最終的荒漠化之間稍作停頓，考慮了人類在海洋形成中扮演的角色。毫無疑問，人類帶來的并不是什么好的影響。過度捕魚，溫度提升以及威脅甚至可能毀滅生態系統的酸化。如果采取積極有效的措施、這些趨勢都是有可能發生逆轉的。但是從政治的角度看，這種逆轉在現實中似乎是無法達成的。作者寫道：“假如說我們發現了宇宙中奇異的海洋資源，而正在此時，我們毀了身邊這片美麗而獨特的海洋，這是多么諷刺啊。”

消逝的海洋——盤古大陸的覆滅之謎

古特提斯海的萎縮引發對盤古大陸解體的再思考。

托馬斯·桑勒

盤古大陸解體的相關研究是一項戶外工作。

一項發表在2015年2月27日《地質學》上的新研究顯示，科學家們對2億年前的地殼運動進行了復核，結果表明，盤古大陸分裂的原因竟是古印度洋的收縮。這就表明，科學家們必須對盤古大陸分裂的機理進行重新研究。

一名未涉及這項研究的加拿大維多利亞大學地質學家斯蒂芬·約翰斯頓（Stephen Johnston）表示：“這意味著，原先我們對盤古大陸掌握的一切成果現在都變成懸而未決的了。”大約3億年前，幾個主要的陸地板塊擠壓在一起，形成了盤古大陸（詳見Science News 2012年6月18日在線版）。大約1億年之后，盤古大陸開始分裂。科學家們一般認為，這是由于在北美洲與非洲的邊界上，地殼內部會向外噴射出一些物質，將大陸硬生生地“撐開”，形成了大西洋。

由于地球的表面積和體積是不變的，所以如果在大西洋洋底形成了新的地殼，那么一定在某一個位置上做出相應的補償。在那個位置上，地表的物質將會在俯沖帶的帶動下潛入地表深處，從而使板塊的面積相應減少。

科學家提出了兩個有可能發生地殼消亡的地點，一是古印度洋，二是太平洋。古印度洋便是特提斯海，隨著早期的非洲大陸和歐亞大陸不斷漂移，特提斯海發生收縮。而在東邊，北美大陸的西邊緣也可能將古太平洋無情“碾壓”。

而如果要確定到底是哪個海洋的消亡彌補了大西洋的增長，是很困難的，這是因為地球是一個球體。如果你在平面地圖上定點表示出地球兩極，就勢必意味著原本互相平行的兩個區域出現扭曲。加拿大新斯科舍省哈利法克斯市能源部的地球科學家弗雷澤·科皮（Fraser Keppie）解釋道，正是由于這些區域相互平行，所以容易形成板塊“傳送帶”，它連接了板塊的發育地帶與消亡地帶。由于大陸在地球上的移動屬于圓周運動，所以科皮創造了一種圓形地圖，它以南歐附近的一個定點為圓心，所有的大陸都像時鐘指針一樣圍繞著這個定點旋轉。

科皮注意到，無論是特提斯海板塊下沉的邊界，還是大西洋發育地區的裂隙，都在從圓心向外擴張。另一方面，沿著圓的外緣分布的古太平洋邊界，則是與這二者相互垂直。因此科皮總結道，這種布局意味著，隨著這些大陸繞著圓心旋轉，大西洋的發育其實是與特提斯海的消亡有關，而并不是與古太平洋有關。

科皮指出，特提斯海并不僅僅是盤古大陸分裂的參與者，而是它背后真正的“始作俑者”。盤古大陸的分裂不是由于地殼內部的物質將其“撐開”的，而是被生生地“拉裂”開的。隨著重力作用將特提斯海拉進俯沖帶區域，它會在盤古大陸的亞歐大陸邊緣區域猛地一拉。如果它的力量夠大的話，就可能將整個大陸一分兩半，使得非洲和北美洲從此分開，同時，在原先兩個古陸擠壓形成盤古大陸的縫合線位置會形成一個脆弱區。

科皮進一步表示，這個“拉裂”理論比現在普遍認可的理論更有說服力，因為原先的理論是建立在這樣一個假設上：地殼噴射出新物質的位置剛好位于盤古大陸的其中一條縫合線處。當然這純屬巧合。

約翰斯頓補充道，對于這個新理論，科皮并沒有最終決定權。但是他的預測，可以進一步被地質學家檢驗，比如只要在太平洋中尋找古斷層就可以，這樣就可以證明這里曾經發生過兩個板塊的擠壓摩擦。

南北美洲何時“牽手”

巴拿馬地區的礦物晶體暗示南北美洲很早便已“合體”。

托馬斯·桑勒

南北美洲的“牽手”可能要比科學家們之前認為的還要早1000萬年。

很多科學家認為，分隔南北美洲的海上通道在300萬年之前就閉合了，這引發了動物大遷徙，以及北半球的冰河時代。但是，通過對南美洲古河床出土的礦物晶體進行分析發現，兩大洲可能在1300萬年之前就已經相連了。這項研究已經發表在2015年4月10日的《科學》雜志上。盡管并不是所有專家都對此結果認同，但是研究人員有理有據地指出，出土的礦物晶體源于巴拿馬，它沿著河流順流而下，而這條河流橫跨了兩大洲，這足以證明兩大洲的相連。

“我們在哥倫比亞發現的這些殘存晶體都只來自于巴拿馬。”本研究的合著者、哥倫比亞波哥大安第斯大學的地質學家卡米洛·蒙特斯（Camilo Montes）介紹稱，“1300萬年前，在兩大洲連接區域的陸地上，曾經有一條河流流過。”

然而，羅伯特·托拉德（Robert Stallard）提出了反對意見。托拉德是美國科羅拉多州博爾德國家地質調查局國家研究規劃中心的水文專家。他指出，雖然這項發現十分有趣，但是不能作為兩大洲早期相連的證據，因為這些礦物晶體有可能來自于巴拿馬以外的其他地區。“即使海上通道沒有閉合，也還有很多機會可以讓這些晶體進入哥倫比亞。”

大約2億年前，隨著盤古大陸解體，兩個美洲大陸也“分道揚鑣”。之后，它們又重新慢慢地“相向而行”。到了大約2000萬年前，兩個大陸之間只剩下一條狹窄的海上通道，連通著大西洋和太平洋的海水，它被稱為中美洲海上通道。隨后，加勒比海板塊上的厚重火山巖層猛烈地撞擊了南美洲的西北部，并抬升至海平面之上，阻斷了中美洲海上通道。

科學家們最初是基于板塊在大尺度上的影響來斷定海上通道的閉合時間，比如動物數量以及氣候變化。在300萬年之前，很多哺乳動物都橫穿了新形成的“大陸橋”。而另一方面，也有很多淡水魚類沿著海上通道順流而下。在同一時間，由于大西洋與太平洋的海水彼此分隔，大洋洋流的走向也被打亂，這加劇了墨西哥灣暖流，也導致了北半球的冰河時代。

當蒙特斯和同事們在哥倫比亞北部的河床和流域盆地采挖巖石時，他們發現了鋯石晶體。它是一種古老的巖石碎屑，嵌入在一些較年輕的巖石之中。它于熔融巖石冷卻凝固的時候形成。由于它的結構中含有放射性鈾原子，所以利用鋯石測年會相對容易一些。有時，鋯石周圍的巖石年齡在1100萬年至1300萬年左右，而鋯石的年齡卻可以高達6500萬年。

蒙特斯介紹道，鋯石可以作為研究礦物晶體來源的線索。在這個案例中，他沿著鋯石的痕跡追溯到了巴拿馬。他發現，鋯石經過了風蝕和水蝕，這說明它當時可能處于一個古老的河流系統之中，而河流將它從巴拿馬一路運送到了南美洲。

然而，托拉德反駁道，即使海上通道沒有關閉，現哥倫比亞東部的火山巖同樣含有鋯石成分，也可以被當成測年的材料。

蒙特斯分析認為，如果“大陸橋”的年代更老，則意味著科學家們需要對中美洲海上通道閉合的影響進行重新研究。比如，“大陸橋”上將會有茂密的叢林，這會阻擋兩大洲之間的動物遷徙。直到大約300萬年之前，隨著這個區域的氣候轉冷（原因與海上通道的閉合無關），叢林變得稀疏，動物們才有可能重新穿越。

然而，巴拿馬史密森尼熱帶研究所的地質學家安東尼·科茨（Anthony Coates）認為，即使1300萬年前確實有一條河流從巴拿馬流向南美洲，也并不代表兩大美洲完全相連。

科茨表示：“即使他們關于鋯石所做的一切都正確，但是僅僅憑借最南端某一個點的連通性并不能代表其他地方海上通道的狀況。從北美洲南部北上墨西哥的這一路上，還有很多其他的缺口。”

水，無處不在

地球上每一滴H2O都是太空中的巖石送達的，不過是哪些巖石呢？

克里斯多夫·克羅克特

地球，一個擁有海洋、河流和雨林的星球，卻生長在一片星際沙漠之中。

46億年以前，太陽系剛剛形成，鈣碎片和一些富含鋁的礦物質結合在一起，構成了不斷增大的卵石并聚集在一起，進而形成了巖態行星，其中就包括了地球。

然而，除了在地球上，在其他任何地方，都找不到地球的特征組分。年輕的太陽所散發的熱量可以蒸發掉任何膽敢靠近內行星的冰塊。地球相對微弱的引力無法吸引抓取水蒸氣或是任何類似的其他氣體。現在的地球已經是一個依靠水運行的行星。水控制著氣候，形成并改造不同的地貌，是生命必不可少的組成部分。人類出生時身體中約78%都是水——基本上就是一包濕乎乎的填料（A sack of the wet stuff）。

地球為了獲取水資源，需要從其他地方尋求幫助。

研究員們最近找到了地球上“水體入門工具”（Aquatic starter kit）的蹤跡，它們被藏在多個降落在地球表面的巖石塊——隕石之中。這些隕石是火星和木星之間的小行星帶中的次大實體，維斯塔小行星的饋贈。據推測，維斯塔小行星形成的時間早于地球，大約在太陽系產生后的800萬年至2000萬年間（地球的形成需要3000萬年至1億年）。

最近的研究表明，在巖態行星出現的很久以前，冰態小行星在木星外側形成，繼而填滿了內太陽系。這些太空巖石受木星和土星引力的影響，將水借由維斯塔小行星，投擲至地球。這兩顆巨型行星在該過程中起到的究竟是助力還是阻力還不能確定。但是如果這個過程在其他地方也可以發生的話，其他的星球上說不定也會有大量水的存在，為銀河系中其他生命的繁榮提供機會。

彗星還是小行星

研究員們在過去的幾十年間，不斷爭論是否是彗星或是小行星向地球輸送了水。在研究最開始的時候，彗星似乎是一個可能的水源。彗星起源于海王星運行軌道的外側，是太陽系中的深凍存儲單元。彗星內部有很多冰從太陽系形成開始之時就被封鎖了起來。一些彗星在近距離擦過行星或是經過其他恒星時，會偶爾向內移動。因此，在早期太陽系的混沌時期，地球可能曾與彗星發生撞擊，大量水就這樣被送上地球，充滿海洋。

但是最近幾年，彗星撞擊猜想的支持者不斷減少。華盛頓卡內基科學研究所的宇宙化學家康奈爾·亞歷山大認為：“彗星如果要造成撞擊，其位置似乎太靠外了。”目前實驗檢測的多數彗星內的水都與地球上海洋中的不相匹配。另外，想要將一個彗星推向地球異常艱難，更不用說將它們整個扭轉的難度。亞歷山大認為：“在地球海洋水源的討論中不應該再探討這種猜想了。”

問題有一部分出于地球上的水與大部分彗星中的水在成分上有細微的化學性質差異。水分子具有一種簡單的分子結構，就像一對米奇鼠的耳朵一樣：兩個氫原子抓住了一個氧原子。不過有的時候，比氫原子稍重一些的重氫原子會偷跑進水分子的氫氧結構中。重氫的原子核包含了一個質子和一個中子；而氫原子的原子核中僅有一個質子。地球上，每100萬個水分子中只有大概156個分子包含重氫原子。

研究員們一直以來都使用重氫的相對數量來比較氫原子，這種方法叫作D/H比，可以用來追蹤水源。溫度較低時，重氫在冰中出現的頻率開始增大。因此，像彗星這樣形成于太陽系中冰冷水環境中的天體，應該富含了重氫原子。然而，嬰兒時期地球周圍環繞的水蒸氣中卻很少甚至不含有重氫原子。

大多數彗星的組成都遵循著這個邏輯，它們的D/H比通常都是地球上水的兩倍左右。

但是，就在科學家們快要完全排除彗星作為地球水來源的時候，兩個彗星的出現讓科學家們驚詫不已。2010年，研究員們利用赫謝爾太空望遠鏡測量了103P/哈特雷二號彗星的D/H比。他們發現哈特雷二號上的水可以與地球上的水近乎匹配。3年后，對45P/HMP彗星的觀測結果也顯示了異常低的D/H比。突然間，就出現了一個，甚至可能是兩個彗星攜帶了與地球類似的水。

木星引力

這兩顆彗星都屬于木星族彗星。它們形成于柯伊伯帶，位于海王星外層冥王星所處位置的冰狀環帶。主要來自于海王星，其次是木星的引力逐漸將這些彗星推動至相對短的運行軌道，使他們距離太陽更近。所有之前測量D/H比的彗星都來自于更加遙遠的奧爾特云。奧爾特云就像一個包裹住太陽系的殼。103P和45P彗星的存在解開了研究員們之前的誤區，即以為所有的彗星都可能作為地球水的來源。實際上，可能作為地球水源的只能是木星族彗星。

在這之后的2014年，歐洲太空總署發射的羅塞塔號航天探測器抵達67P/CG彗星，這是另一顆木星族彗星。當羅塞塔號從側面接近彗星時，它對彗星上的水流進行了采樣，卻發現67P彗星的D/H比高得夸張，是地球上海洋D/H比的三倍多（《科學新聞》2015年1月10日，第8頁）。

美國夏威夷大學的行星學家凱倫·米奇介紹說：“每一次對新發現彗星的測量都會給我們呈現出完全不同的景象。”羅塞塔號測量結果說明即便是在同一個彗星族中，水的成分也會存在巨大的差異。米奇還補充道：“可以形成彗星的空間具有相當大的距離，因此也可以理解為什么D/H比會出現如此大的差異。”

即便一些彗星具有和地球類似的D/H比，但是想要讓彗星撞擊我們的星球還是非常困難的。法國博爾德天文物理實驗室行星學家肖恩·雷蒙德介紹說：“任何想要撞擊地球的彗星都必須首先突破木星這個巨大屏障。”木星會抓住位置距離太陽太近的彗星，將它們拋出太陽系。最終能夠進入環地球軌道的極少數的彗星也無法停留很久。

雷蒙德介紹道：“彗星能夠接近太陽的機會只有幾次，要么會撞上地球，要么就會散落到其他的軌道上。”

因此，對于彗星來說想要征服木星的引力桎梏實在太難。但是，對內行星中飛行的小行星而言，木星的引力卻是它們的機會。

可行方案

2011年，雷蒙德在內的一組研究人員正在試圖回答一個難題：為什么火星這么小？46億年前應該有足夠的原材料供火星利用，使其成為一個規模類似金星和地球的行星。但是實際上，火星的直徑只有地球的一半，質量是地球的大約十分之一。一個可能的解釋是存在一種外在的力量在火星形成初期早早地剝奪了它的原材料。

為了探尋這個問題的答案，科學家們發明了一種叫作大航向模型的方法。該方法所描繪的地球比起我們現在居住的星球，躁動得多（《科學新聞》在線版，2015年3月23日）。大航向模型中所設定的情景是，木星和土星在整個太陽系中來回巡視，就好像是學校操場上的惡霸，向其他行星投擲巖石，搶奪它們的食物。太陽周圍的氣體會拖動木星，其次是土星向太陽移動。一旦木星到達大概現在火星所處的運行軌道，來自土星的引力會將它倆一塊兒拖回到它們來時的位置（“大航向”中“航向”的意思）。木星對內太陽系的火星進行侵犯，它在火星的巖石碎片域中打開了一個缺口，剝奪了其形成星球所需的原材料。

木星和土星在早期太陽系中上演的“探戈”在剝奪了火星原料的同時，可能還將冰態小行星推向了地球。木星和土星來回踱步的時候，它們的引力抓住了雪線外形成的小行星，并將它們向內太陽系扔去。雪線是標志著溫度足夠低可以形成冰的邊界。這些注入了冰的巖石中大約有百分之一，被扔進了小行星帶的外圍區域，被稱為C型小行星。但是遷徙到小行星帶中的C型小行星，至少有10顆被扔進巖態行星形成的區域。

計算機模擬結果顯示，這場發生在太陽系形成幾百萬年后的小行星轟炸足以輕易地傳遞大量因封鎖在巖石內部而免遭太陽融化的冰，并在地球上形成海洋。這些小行星中有一部分，它們質量的大約20%都是由水構成的。在地球上，盡管地球表面70%的面積都被藍色的海洋包裹著，但是水只占整個星球質量的0.023%。與那些小行星相比，地球肯定是相當干渴的。

“大航向”可以完美地詮釋火星的形成、小行星帶的布局以及冰態小行星降水輸送至地球的過程。但是雷蒙德也強調道：“‘大航向’假說僅僅是一種可以符合數據的解釋，它代表的是一種思維的演變，但不意味著就是最終的答案。”

彗星曾因為具有相同的D/H比，被認為是地球水的起源，而現在，D/H比將地球水起源的可能性指向了小行星。2012年，亞歷山大和他的同事們在《科學》雜志上總結道，地球上大多數的水都是通過一種類似于鑄鐵碳質球粒隕石的隕石族送達地球的。研究員們認為這些隕石，也就是形成在木星外層后來撞向地球的小行星，是太陽系中最為古老的實體。

亞歷山大的研究和其他的很多研究一樣，都是在匹配地球水和球粒狀隕石水化學性質的基礎上提出了強有力的主張。但是他的假說中并沒有強調水到達地球的時間。布朗大學地質學家阿爾貝托·薩爾認為這個問題的答案取決于月球。

阿波羅號宇航員從月球采集了大量的樣本帶回地球，其中包括了阿波羅15號和17號登月計劃收集到的火山玻璃。火山玻璃是很久以前月球內部噴射而出的巖漿迅速冷卻形成的。2013年，薩爾和他的同事們在《科學》雜志上發表文章，寫道火山玻璃中封存的水的D/H比與地球上水以及亞歷山大碳質球粒隕石中水的測量結果都是匹配的（《科學新聞》2013年6月29日，第8頁）。薩爾得到的結果說明了兩個問題：首先，地球和月球具有相同的水源來源；其次，當月球形成的時候，水就已經存在了。

月球形成的開始伴隨著一聲爆炸。一般認為有一顆火星大小的行星在地球形成的末期與地球發生了碰撞。撞擊對地球的一部分以及一些不幸的闖入者造成了沖擊，在地球周圍形成了一層氣化巖石，這些巖石而后結合在一起構成了月球（《科學新聞》2014年7月12日，第14頁）。薩爾強調：“發生撞擊的時候，水就必須存在在地球上，否則也不可能被封鎖在月球里。退一步講，水得在月球表面冷卻凝固的這段時間中出現。”這一假說認為太陽系形成1.5億年之后，水開始靠近地球。馬薩諸塞州伍茲霍爾海洋研究所的地質學家蘇內·尼爾森認為：“但是僅僅依靠關于月球的數據，我們并不能確定具體的時間。”研究員們為了將水到達地球的時間窗口限定在一個更加具體的時段，開始對維斯塔小行星展開研究。更準確地說，是對維斯塔小行星與另一個太空巖石撞擊后產生的隕石展開了研究。伍茲霍爾海洋研究所地質學家亞當·沙拉菲安、尼爾森和其他的研究員們分析了一塊維斯塔隕石樣本內部磷灰石礦物中的少量水樣。研究團隊于2014年秋天在《科學》雜志上發表了他們的研究結果，他們發現隕石中的D/H比與地球的D/H比相匹配。這一發現意味著不論是什么在傳送維斯塔小行星上的水，它一定將水帶到了地球上來，并且水在維斯塔小行星成型之前就已經到位了（《科學新聞》在線版，2014年11月1日）。

這一發現將地球上水的出現推向了更遠的曾經，可能開始于太陽系形成后的800萬年。尼爾森介紹說：“這可謂是記載的太陽系中所最古老的水庫了。”觀察數據將水出現在內太陽系中的時間定位在木星和土星往復來回拋擲小行星之后不久。

確定水是什么時候以什么樣的方式到達地球的，不僅僅是可以幫助我們理解地球是如何形成的。亞歷山大介紹說：“如果說類地行星獲得水源需要通過一定的外部輸送機制，這就意味著形成一個宜居的星球的難度更大了。”在其他恒星周圍形成的巖態行星將會出現地球曾面對的一模一樣的問題。這些位于它們恒星宜居空間中的行星，形成于干旱的環境中，需要從非常遙遠的地方獲得冰的供給，才可能在星球表面形成液態的水。地球能夠得到水源是因為幸運地與土星和木星做了鄰居，還是說還有其他的方法可以使水源靠近地球呢？

不能因為地球是如此形成的，就斷定所有的宜居星球的形成方式獨此無二。尼爾森認為：“我情愿更謹慎一些，不去臆斷氣體巨星是把水送上巖態行星的唯一方式。”

實際上，氣體巨星也可能變成一種阻礙。雷蒙德介紹說：“木星和土星將所有的一切都擾亂了。”它們的引力強大到可以將小行星和彗星扔出太陽系。雷蒙德強調說：“如果說木星和土星不存在的話，地球引力可以從小行星帶邊緣偷走10倍數量的水源。”沒有氣態巨星，水的輸送可能就會隨著行星從太陽系不同部分吸引巖石碎片時自然而然地發生了。開普勒太空望遠鏡觀察到的新數據顯示在其他恒星附近，像木星這么大的行星還是相對少見的。很可能大多數宜居星球不需要通過外界的幫助也可以獲得水源。

如果真是這樣的話，銀河系中可能充滿著等待被發現的海洋世界。雷蒙德總結道：“依我之見，像地球這樣的有水源的星球，可能每天都會出現。”