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锆石可以永久存在 帮助一窥早期地球生命初生时期的状况

科学家和艺术家常常将地球形成的最初想像成如地狱般到处都是火山和熔岩原的景色。然而在数亿年间,水可能就因陆地冷却而能存在于地表,生命不久后也随之出现。 ILLUS

科学家和艺术家常常将地球形成的最初想像成如地狱般到处都是火山和熔岩原的景色。然而在数亿年间,水可能就因陆地冷却而能存在于地表,生命不久后也随之出现。 ILLUSTRATION BY RYAN ROSSOTTO

亚斯特(ASTER)卫星拍摄到的澳洲杰克山岗。这里曾发现地球目前最古老的地壳碎片,里面的锆石存在了约44亿年之久。 PHOTOGRAPHY BY NASA/GS

亚斯特(ASTER)卫星拍摄到的澳洲杰克山岗。这里曾发现地球目前最古老的地壳碎片,里面的锆石存在了约44亿年之久。 PHOTOGRAPHY BY NASA/GSFC/METI/ERSDAC/JAROS, AND U.S./JAPAN ASTER SCIENCE TEAM

(36500365uux.cn报道)据美国国家地理(撰文:Maya Wei-Haas 翻译:蔡雅铃):哪种矿石能经历40亿年不毁坏,还见证了地球的蜕变过程?和钻石不一样,锆石可以永久存在,我们因此得以从这些结晶状的时光胶囊,一窥早期地球生命初生时期的状况。

地球在40亿年前看起来是什么样子?这个时间是在人类将自然奇观刻上石头之前,在树木将四季刻入年轮之前;在山脉经由板块运动突出地表、暴露出古老地层以前。

然而科学家的确从锆石(zircon)这种极度坚固的矿物中找到了一些线索。

锆石结晶几乎坚不可摧,现存的锆石有些已经将近44亿岁了。它们就像是微小的时光胶囊,里头装着非常早期的化学足迹。 「这基本上是我们窥看地球成形阶段的唯一机会。」罗彻斯特大学(University of Rochester)的达斯汀.崔尔(Dustin Trail)说。

透过解开这些化学线索,科学家正缓慢地厘清孕育最初生命型态的环境状况,可是那时地球表面到底是什么样子一直是个谜。不过就在《美国国家科学院刊》(PNAS)上的一份新研究里,崔尔和同事把这个谜题解开了。

这个团队利用锆石的化学足迹,辨认出一批可能属于早期地球的沉积物,而那个时期的环境很可能酝酿出最早的生化反应。

沧海桑田,地质纪录难保存

45亿年前的地球刚形成时,地表很可能和现在完全不同。科学家依希腊神话的冥王之名,将此时期命名为冥古代(Hadean),这名称极为贴切,因为这时的地表不断受到陨石袭击,地面充斥着汨汨流出熔岩的火山,有着炽热炼狱般的景象。

然而这些描述全都是根据推论而来,地球最初数百万年时期的证据并没有留下来。 「地球非常善于抹去这类资讯。」崔尔说。我们的地球是个终极循环器,板块运动不停地把老岩块翻新,而熔岩流变硬就形成新的地景。

不过,锆石结晶由于非常坚固,所以常常能从这个循环过程的极端温度与压力中存活下来,保留了它们初形成时所处环境的线索。研究人员早先利用锆石的氧同位素分析,发现在43亿年前液态水就已覆盖了部分地表,这显示了地球表面在形成后的数亿年就已经冷却了。而就在去年,研究人员认为他们在41亿年前生成的锆石中,发现了富含碳的包裹体,这可能早期生命的线索。

但是除了这一点发现,这个时期地球的景象,包括可能培育出早期生命的环境,大多仍是个谜。

「如果我们能把当时出现的物质类型缩小范围,」崔尔说:「或许能对当时的生化反应、或生命出现前的反应如何运用地壳作为基质这方面,有更进一步的了解。」

见证地球蜕变的同位素

为了找到答案,崔尔和同事从矽与氧着手。这两种元素结合形成了现今地球上大约75%的岩石,他解释说。而且二者的特色都派得上用场:它们的形式不只一种,也就是有同位素存在。

岩石在形成和变质的过程中,会改变它的同位素足迹。例如熔岩冷却形成的岩石和岩石风化形成的黏土2,二者之间就会有大量不同的特征。而锆石本身虽然一开始是别种岩石和沉积物,但在被埋入地底深处熔化和结晶之后,仍能保存早期沉积物的特征。

为了对锆石中所含的矽与氧进行精密的分析,研究团队找上加州大学洛杉矶分校的高解析度离子微探针(high-resolution ion microprobe)来帮忙,它会对着微小的样本射出一束带电的原子,然后测量弹出来的那些离子。

他们从西澳洲的杰克山岗(Jack Hills)地区收集了超过40亿年前形成的锆石进行检验,每个大约100微米宽,接近人发的粗细。他们把这些古老矿石的化学性质,拿来和更年轻、起源更确定的锆石(可把这些年轻锆石视为地质史的桥梁)互相比较,这样有助于理解不同的同位素比率,崔尔解释说。

液态水很早就出现

在被检验的古老锆石中,超过半数显示出岩石与水很早就在许多不同环境中互相作用。

有些锆石含有岩石被水蚀化成黏土的化学特征,其他锆石所带的特征则是矿物溶解后再结晶所形成的岩石,例如湖里或海里的角岩(chert)或带状铁矿床( banded iron formations)。还有一些则具有所谓的蛇纹岩化作用(serpentinization,因其带有蛇皮般的纹理和颜色而得名)的特征。在这个过程中,水和富含铁、镁的岩​​石发生作用而被并入矿物的结构里。

最重要的是,这些过程全都创造了能促进早期生化反应的新环境利基,成了照亮早期生命的微光。

「这个结果其实还满酷的!」没有参与这项研究的加州大学洛杉矶分校地质化学家伊丽莎白.贝尔(Elizabeth Bell)说。她指出这里面有很多过程如果单靠氧同位素是很难区分出来的,她认为采用矽对结果至关重要。

贝尔在2017年的研究中,从41亿年前的锆石里找出当时生物圈的线索。而这些最新的结果也支持了她的发现,以及其她对早期地球的诠释。 「把这些线索都拼起来之后,让我们更能看清全貌。」她说。

我们周遭万物和体内世界一度源自星尘,源自那些形成每个分子、矿物乃至今日复杂生物的早期过程。从你的手机、到你吃的食物、到你胸中跳动的心脏皆是如此,而科学家才刚开始要厘清万物的起源。

「我们正处在非常有趣的时间点,」崔尔说:「我们开始真正地去拼凑地球40亿年前的样貌,这令人相当兴奋。」




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