作者:王重阳 来源:中国科学报 发布时间:2017/7/21 8:32:17
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《千面地球》:生命是岩石开出的花朵

 

《千面地球》,[美]罗伯特·黑森著,北京大学出版社2017年4月出版

■王重阳

罗伯特·黑森是享誉世界的矿物学家,史密斯学会的研究员,但更能体现他研究旨趣的身份是世界前沿科学学会成员(American Association for the Advancement of Science)。他在《千面地球》一书中提出的观点,就具有十足的颠覆性。

他之前的生物学家和矿物学家都基本在各自的领域独立探索,好像两条平行的隧道。黑森砸破了两者之间的壁垒,提出了一个非常激进的观点,地球的独特性体现在其丰富的矿物种类上,生命是地球的矿物如此丰富的重要原因。

这本书的故事主线是地球的演进,也涉及了一些其他行星,矿物从简单到复杂,从形成太阳系的尘埃中的区区十几种矿物到如今地球上所知矿物超过4500种——其中的三分之二,在无生命的世界上不可能存在。

黑森的团队曾经就此在专业期刊《美国矿物学家》(American Mineralogist)上发表过一篇文章,提出了“矿物演化”的概念,意外地获得了巨大的反响,当然也遭到很多怀疑和批评,难道火星确实只有500种矿物吗?无生命世界的矿物确实不可能超过1500种吗?假说提出来了,验证还没有完全展开。但月球和火星上的矿物的确远比地球贫乏得多。

而之所以如此,就是因为地球上产生了生命,是生命的参与和作用,造就如此多的新矿物。

黑森有什么证据支持他的假说呢?

作为矿学家,他非常了解世界上有很多专家,专攻许多不同类型的矿物。譬如缅因大学的地球科学研究教授埃德·格鲁(Ed Grew),研究铍和硼化物。格鲁拿出了一份意义重大的图表,显示铍矿物在时间中积累的数目,是由几千份报告得到的发现。新矿物的巨大涌现,发生在大约18亿年前到17亿年前,这段期间,正处于超级大陆进行强烈的碰撞造山事件中,可见,活跃的地质活动是形成新矿物的摇篮。而那些“死了”的星球,譬如月亮,就无法这样造矿。

格鲁又拿出了一份更令人叹为观止的普查报告,涉及263种硼矿物。在25亿年前的样本中,只有少得可怜的20种左右,在大约21亿年前硼矿物种类开始翻番,而5亿年前则数量增加更快,这很可能是因为生命大爆发之后加速了新矿物的形成。

黑森发现,不仅仅是5亿年来,新矿物和新物种都在蓬勃出现,而且还发现了其他的相关性。譬如,在22亿年前,由于近海藻类的大量出现,空气中开始出现了氧气,而氧气的出现则带来了氧化事件,地表岩石中大量的铁被氧化,使地表呈现出红色。很显然如果没有生命,氧化铁这种矿物就不会出现。接着,空气中的氧气和二氧化碳结合,形成碳酸,碳酸随着雨水下降,侵蚀地表岩层,形成了最早的土壤,并且造成了近海的碳酸岩沉积等等。

生命还有可能造成更大的全球性改变。比方说距今8亿年之后,由于海洋中大量藻类吸收二氧化碳,造成温室气体浓度急剧降低,地球开始变冷,引发了雪球效应,巨大的冰盖伸展到热带。可见生命的作用之巨大。

在黑森之前,一直在生命起源领域中占支配地位的是米勒的“生命之汤”范式。米勒还因此获得了诺贝尔奖。斯坦利·米勒(Stanley Miller)设计的那个简单优雅的实验,大概是科学史上最著名的实验之一,全世界的报纸以煽情的大字标题报道。但米勒学派把生命起源只看成一个有机化学问题,完全没有考虑到地球早期复杂多变的自然环境,也没有考虑有机分子如何变成最原始的细胞的过程。

正如后来的研究所揭示的,原始地球的水体里,氨基酸和核酸分子并不罕见,关键是如何组装成具有功能的生命结构。而米勒和他的支持者们似乎就是在说,原始海洋或者池塘里有这些有机分子,然后有机分子就自动组装成了细胞,于是生命起源问题就真相大白了,这是不可能的,这太偷懒了。

黑森认为,这一过程恰恰离不开岩石。大多数生命基本材料不能自组织。但是它们能浓缩,排列在岩石和矿物的表面上,其方式是 “模板合成”。黑森及其团队经过十年的实验,表明生命的许多最关键的分子,其实是胶着在自然的矿物表面上。氨基酸、糖和DNA与RNA组件,吸附在玄武岩和花岗岩中的大多数普通造岩矿物上。如果没有岩石提供温床,有机分子就不会组装成复杂的生命结构;而如果没有后来生命进化的爆发,也不会形成如此丰富的矿物。

从这个意义上来说,生命其实是岩石表面开出的“花朵”,离开岩石的作用,生命或许就不会发生。

黑森在书中表达了他的遗憾,在揭示地球46亿年的变化秘密时,矿物其实本应该处于核心的位置,只不过以前的地质学家太保守、太胆小,也太缺乏想象力而已。直到现在,绝大多数地质学家的工作似乎只服务于勘探和探矿,其实他们本应该承担起和古生物学家、天文学家一样重大的责任,那就是讲述宏大的地球故事,甚至其他星球的故事。

《中国科学报》 (2017-07-21 第6版 读书)
 
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