你所不知道的地球七大未解之谜

虽然我们称之为我们的家园，但是我们依然对它知之甚少。它是怎么在一团尘雾中形成的?它是怎样驾驭自然界生命的？深入它的内核，那里又是怎么运转的？关于这个美丽而又迷幻的世界，《新科学家》会对这些基本问题做出解答。　　1. 地球是怎样把所有好东西尽收囊中的？(by stuart clark)
　　环顾我们的太阳系，大部分人都会想当然地认为，它的八颗行星不过是漂浮其间的八个截然不同的个体罢了。然而在比45亿年前更远的过去，它们都是由一些环绕太阳的星云所构成的。这些星云由星际气体和尘埃所组成，在引力作用下围绕着太阳的中心旋转。灰尘碰撞并互相粘在一起形成一些碎块，体积和质量不断增大，同时也形成越来越大的引力场。这些碎块之间进一步碰撞并结合，最终形成了我们现在所看到的这些行星。
　　上面说的仅仅是个概况，而在地球生命形成的早期阶段究竟发生了什么，依然是个谜。而解决这个问题的基础就在于理解地球为什么适合生命存活？我们都了解，与太阳保持适当的距离使地球获得了恰到好处的光和热，这就满足了植物生长的需要。可是仅仅有这个是不够的，假如没有碳、氢、氮、氧、磷和硫这些组成生命的主要元素，假如地球表面没有液态的水，生命如何能够最初形成并发展演化呢？这么看来，地球不过是在化学成分上比它的其他行星邻居更适合形成生命。那么，地球是怎么把这些所有的好东西尽收囊中？
　　因为距离太阳的远近不同会导致星云内部温度差异，这些差异使不同的元素分别富集起来。而接下来会发生什么？这些元素是怎么进一步聚集形成了行星？为了解决这个问题，我们必须找到最初形成行星时的证据。地球上的岩石在久远的历史年代中被多次挤压、熔融和风化，我们现在看到岩石的已经不是其最初产生的样子；而太阳系的其他行星距离太远，很难取到合适的岩石样品；因此，我们只能寄希望于陨石。这些陨石与太阳系的行星同时形成，并且在漫长的历史岁月中基本没有被改造，所以它保持了行星最初形成时候的信息。可惜的是，我们只能被动地等待它从天而降。
　　有一种陨石被称为球粒陨石，它们的组成成分在很多方面与我们的地球非常相似，这表明最初它们可能与地球是由相同的物质构成的。但是，这里面也有一些差别无法解释。比如，球粒陨石的氧同位素组成与地球就差别很大，这个问题就没有人知道为什么。但是因为氧元素作为地壳含量最高的元素，占了地壳质量的一半左右，所以我们无法忽视它。
　　另一个未知问题是，地球是怎么获得了生命赖以生存的水？因为距离太阳很近温度较高，所以水分很容易在行星形成的时候被浓缩分异出去；再则，在形成月球的那一场大碰撞中，地球上的水也很容易被蒸发干的(见“地球的未知年代发生了什么？”一节)。目前主流的解释是，地球上的水来自太阳系外的冰彗星，这颗冰彗星在“后重轰炸期”撞击地球，携带的水以降雨的形式落到地球上。但是，实际上并也没有真正确凿的证据表明，地球上的水到底是从哪里来的。
　　很显然，我们需要对行星的形成有一些新的认识。欧洲航天局的“赫谢尔(herschel)”太空望远镜今年晚一些时间就会升空，它可能会给我们一些新的答案。利用它那几乎相当于半个“哈勃”太空望远镜的巨大镜头，“赫谢尔(herschel)”可以窥探到更遥远的宇宙；而它的红外探测仪则可以让我们首次看见那些正在形成中的行星，而这些可能正是很多年前我们的地球所经历的。　　2. 在地球的未知年代里究竟发生了什么？(by stuart clark)
　　大概在45.3亿年以前，还处于婴儿期的地球刚刚稳定在它的轨道上，灾难却发生了。一个相当于火星大小的天体擦过地球，碰撞产生的碎片被甩入地球的轨道形成了月球；同时，碰撞产生巨大的热量融化了地球的表面，这样一来此前关于早期地球的地质记录就被完全抹掉。这就给我们地球最早的5亿年留下了巨大的空白，我们几乎了解不到当时的任何情况。
　　通常认为太阳系的形成时间是45.67亿年前，而到了45.5亿年前，65%的地球已经汇聚成型。又过了2000万年，上面所说的那次肆意妄为的大碰撞就发生了。这次碰撞同时向地球的大气输送了大量气态的硅。这些硅凝聚并且以岩浆雨的形式落下，以每天一米的速度沉积成一片岩浆海；而地球也因此整个被熔融，包括地核。等这一切结束后，地球再慢慢冷却，重新形成了固体的表面。
　　这次碰撞使冥古代的地球环境犹如炼狱般恶劣，我们今天所见到地壳中的岩石基本上都年轻于36亿年，所以对于当时的环境记录非常少。还有极少的更古的老岩石，它们大概只占地壳的百万分之一，也在长久的地质历史中因为温度压力的作用下发生变质而无法记录当时的信息。幸运的是，还有一种叫做锆石的晶体，为我们留下了一些地球早期的线索。
　　在西澳大利亚的杰克山(jack hills)的岩石中，科学家发现了一些锆石，这是已知的地球上最古老的矿物。这些锆石由一些异常稳定的硅酸锆晶体组成，并且含有高浓度的铀，放射性的铀可以用来测定锆石的年龄。虽然发现这些锆石的岩石都很年轻，但是这些锆石却显示出它们有超过40亿年的历史。(译者注：根据放射性元素的半衰期原理，根据放射性元素衰变前后的浓度变化，可以计算出衰变时间，进而获得矿物的年龄)
　　虽然这些锆石不能确切地告诉我们当熔融的地球冷却下来的时候究竟发生了什么，但是它们的氧元素含量却显示出它们是在水中形成的。这就暗示我们早在40亿年前，地球上的海洋就已经存在了。这也带来了新的问题：海洋的存在需要一个固体的表面，那么这个地壳是什么样的呢？这个问题直到现在也没有很好的答案。而关于冥古代地壳最显著的观察结果是，当时地壳并不存在。这样矛盾的结果无疑叫人很失望，但是它为我们指出了另一种可能：当时的板块运动异常剧烈，导致地壳的更新换代极为频繁。
　　现在还有两种途径来了解冥古代的地球。综合多种微区分析手段，对地球上更多的古老的岩石矿物进行研究，以期获得更多当时地球的信息。
　　另一种方法是，对月球和火星的矿物进行勘察研究。因为碰撞产生的岩石碎片结合形成了月球，所以它上面可能残留了地球在被撞击前的一些信息。与地球不同，月球和火星上的岩石都没有被再次熔融，所以有更大的可能性在它们表面寻找到真正古老的岩石。假如我们运气足够好的话，没准会找到那么一两块碎片，它们出生在冥古代，因为大冲撞而被甩入太空，然后降落在月球或者火星上。事实上，关于那个未知年代的研究，我们只能乐观对待。　　3. 生命是从哪里来的？(by stuart clark)
　　有人想象生命是通过一个陨石从外太空某处飞到地球上来的，这当然可以。但是那种可能性实在是太渺茫了，所以我们还是从早期地球的物理化学环境的研究开始，获得生命形成的基本条件。但是研究地球早期的物理化学环境是个很难的问题，因为今天的地球基本没有留下任何当时的痕迹。
　　目前所了解到的，在沉积岩中记录下来的地球上最早生命的证据出现在38亿年前。这些岩石是1990年在西格陵兰岛上发现的，它们具有很低的碳同位素组成。低的碳同位素组成通常被认为是微生物活动的一个标志，因为轻的碳同位素更容易穿过细胞壁而聚集在微生物体内。(译者注：碳同位素组成是指碳-13和碳-12的比值，微生物的生命活动中，碳-12更容易进入微生物体，导致碳-13和碳-12比值偏低)
　　这些记录最早生命证据的岩石形成于那次制造出月球的大冲撞之后。当时原始的海洋和陆地正在形成中，可是又一个小行星撞了过来(属于“后重轰炸期”)，结果海洋再次沸腾了。达尔文曾假想生命起源于一个“温暖的小池塘”中；实际上看来，它更像是一个灼热的、咸水的大锅炉。
　　这与我们现在生活的环境截然不同，但是很可能这就是当时的真实情况。因为现在并没有任何关于生命起源事件记录，所以也有可能早就不存在当时那种“合适的环境”了，或者这个事件转瞬即逝，而我们无法抓住。
　　尽管有那么多的可能，我们还是能够在现在的地球上找到类似的环境。在大洋底部有很多出口，滚烫的热液通过这些出口输送进海洋，而这些热液出口的周围的环境，就很像早期地球的那种“灼热的、咸水的大锅炉”。在这些地区，广泛地生活着一些微生物，这些微生物具有最原始的结构，并且都不需要阳光提供能量。但是还没有人知道，这些热液出口究竟是生命起源之地呢，还仅仅是原始生命的一个避难港。
　　另一个难题是，最早的那些无机化学成分是怎样结合在一起形成有生命的组织的？这里我们就遇到一个鸡生蛋还是蛋生鸡的窘境：dna要发挥作用需要蛋白质，而合成蛋白质又受到dna的控制。那么究竟哪个最早出现呢？目前最合理的认识是，它们是简单的化学成分通过复杂的反应同时产生的。而这也大大增加了研究生命形成具体时间的难度。
　　地质学家转向火星寻找答案。火星上没有板块运动的破坏，有可能找到地球生命起源时期的沉积岩。科学家希望这些岩石保存了一些生命起源前的化学信息。虽然是一项巨大的赌注，但是运气足够好的话，没准还能在这个红色的星球表面找到一些最早的生命形式。这些前后的证据集合起来就能够记录整个下来整个生命的起源事件。