地球的故事

——从一粒星尘到充满生命的世界，
45亿年的地球演化史诗

[美]罗伯特·哈森 著

刘小鸥 译

中信出版集团

目录

前言

第一章 诞生 地球的形成 地球形成前的数十亿年

第二章 大撞击 月球的形成 地球的年龄：0到约5 000万年

第三章 黑地球 最早的玄武岩地壳 地球年龄：5 000万年到1亿年

第四章 蓝地球 海洋的形成 地球年龄：1亿年到2亿年

第五章 灰地球 最早的花岗岩地壳 地球年龄：2亿年到5亿年

第六章 活地球生命起源 地球年龄：5亿年到10亿年

第七章 红地球 光合作用和大氧化事件 地球年龄：10亿年到27亿年

第八章 闷地球 矿物革命 地球年龄：27亿年到37亿年

第九章 白地球 雪球-温室循环 地球年龄：37亿年到40亿年

第十章 绿地球 陆地生物圈的崛起 地球年龄：40亿年到45亿年（最近的5.42亿年）

第十一章 未来 变化中的星球图景 地球年龄：接下来的50亿年

结语

致谢

致格雷戈里：

改变终将来临，愿你有智慧和勇气去适应它。

前言

1968年，宇航员在绕月轨道上拍摄的《地出》（Earthrise）是20世纪最引人注目的照片之一。我们很早以前就知道，我们生活的世界是多么宝贵，又多么特别。地球是已知的行星中唯一拥有水组成的海洋的，它还有一个富含氧气的大气层，并诞生了生命。然而，我们中的很多人都没有做好准备，面对荒芜的月球表面、宇宙中了无生气的黑色虚空和我们的蓝白色星球之间的巨大反差。从那个独具优势的遥远视角来看，地球显得孤独、渺小而脆弱，但也比目前天空中的任何其他天体更加动人。

我们有理由对我们的家园着迷。在耶稣诞生的两百多年前，博学的古希腊哲学家埃拉托斯特尼（Eratosthenes，又译埃拉托色尼）进行了最早有记录的有关地球的实验。他通过对阴影的简单观察，巧妙地测量了地球周长。在埃及赛伊尼（今阿斯旺）夏至的正午，他发现太阳位于头顶正上方，垂直的立杆没有产生任何阴影。而在同一天、同一个时间，在向北约490英里[1]的海滨城市亚历山大港，类似的垂直立杆产生了一小抹阴影，这表明，那里的太阳并不是在头顶正上方。埃拉托斯特尼利用希腊先哲欧几里得的几何定理，推断地球一定是一个球体，他计算出了这个球体的周长约为25 000英里，这与现代计算出的赤道长度24 902英里非常接近。

几个世纪以来，无数学者不断探索着我们的星球，他们中有一些名留青史，更多则湮没在历史的长河中。他们追问地球是如何形成的，它如何在天空中移动，它由什么构成，以及它如何运行。最重要的是，这些和科学打交道的人想知道，我们这颗动态的星球是如何演化的，又是如何演变成为一颗充满生命的星球的。今天，因为我们累积了非凡的知识，人类的科技成就已经达到了一定高度，相比于古代先哲，我们增加了对地球的了解。当然，我们尚未能认识所有事情，但我们的理解不断丰富，也更为深入。

自人类诞生之时，我们对地球的认识就在不断加深，这些知识经过几千年的完善，构建起了一种固定的认识，这种进步在很大程度上表明，研究地球就是研究变化。

许多观测证据表明，地球的特质年复一年、世世代代地在变化。在斯堪的纳维亚的一些冰川湖里，沉积物有节奏地形成了层理或纹泥，展示着13 000多年间粗颗粒与细颗粒的交替出现——这是每年春季冰雪融化时加速的侵蚀所带来的结果。来自南极和格陵兰的冰川钻芯取样，表明季节性冰雪累积已有80多万年的历史。而在怀俄明州格林河页岩中，那些纸一样薄的沉积层则保存了100多万年中的年度事件。每一层都叠在更古老的岩石的上方，这些岩石本身也处于巨大的变化周期中。

对缓慢渐变的地质过程进行测量，揭示了时间跨度更大的地球历史。夏威夷群岛的形成需要缓慢而稳定的火山活动，熔岩接连覆盖了地表上千万年。阿巴拉契亚山脉和其他古老的圆顶山脉是数亿年缓慢侵蚀的结果，其间不时穿插着大型山体滑坡。在地质历史的进程中，不稳定的构造板块运动时有发生，它们移动着大陆，抬高了山峰，开辟了海洋。

地球是一颗不断变化的星球。从地心到地壳，变化从未停歇。即使在今天，空气、海洋和陆地仍在变化，或许是以一种与我们星球近期历史上不同的节奏在变化。如果不去关注这些令人不安的全球变化，那就太愚蠢了。事实上，对许多人来说，我们似乎不可能不去在意，因为我们生来就拥有好奇心，我们关心着自己的家园，就像古代的埃拉托斯特尼一样。地球向我们揭示了它令人惊叹的过去，它难以预测的充满变动的现在，以及我们自己和这片生存之地的未来，如果不充分利用这一点就谈论地球的现状，那同样非常愚蠢。

我一生中的大部分时间都在试图了解我们充满生机、复杂而多变的家园。小时候，我会收集岩石和矿物，我的房间里塞满了化石和晶体，旁边还胡乱摆放着虫子和骨头。我的整个职业生涯都围绕着地球。我最初从亚微观的原子尺度下的实验入手，研究造岩矿物的分子结构，加热和挤压微小的矿物颗粒来记录地球深部类似高压锅的效应。

随着时间推移，我的视野扩展到更宏大的地质层面的时空领域。从北非的沙漠到格陵兰的冰原，从夏威夷的海岸到落基山脉的高峰，从澳大利亚大堡礁到十几个国家的古代珊瑚礁化石，地球的自然图书馆展示了一个跨越数十亿年的故事，元素、矿物、岩石和生命在这里协同演化。我的研究项目转向探索矿物在生命远古的地球化学起源中可能的作用时，我的一些成果表明，生命和矿物在地球历史上的协同演化比之前想象的更为惊人，不仅某些岩石来自生命，就像大陆上石灰岩洞穴所显示的那样，生命本身可能也起源于岩石。在地球40多亿年的历史中，矿物和生命的演化故事，即地质学和生物学领域以惊人的方式交织在了一起。这直到现在才成为人们关注的焦点。2008年，这些观点最终形成了一篇关于“矿物演化”的开创性论文。这是一个充满争议的新论点，一些人接受它，认为这可能是两个世纪以来矿物学的首次范式转变，而另一些人则更为谨慎地看待它，认为这可能是在地质时间的尺度上，对我们的科学进行的一次异端重构。

虽然古代矿物学领域是我们关于地球及其历史所知的一切的绝对中心，但奇怪的是，它一直是静态的，脱离了时间概念的变化。两百多年来，对化学成分、密度、硬度、光学性质和晶体结构的测量一直是矿物学家赖以生存的“手艺”。如果你去参观任何一座自然博物馆，你就会明白我的意思：美丽的晶体标本一个接一个地排列在玻璃盒子里，标签上写着名称、化学式、晶系和产地。这些地球上最珍贵的碎片有着丰富的历史背景，但你很可能找不到任何线索让你了解它们的年龄或后续的地质变化。旧的方法几乎让矿物脱离了它们吸引人的生命故事。

这种传统观点必须改变。越是研究地球丰富的岩石记录，我们就越能看到自然世界如何一次又一次地改变自己，无论是有生命的还是无生命的世界都是如此。我们日益了解双行星时间和变化的现实，这让我们不仅可以推测矿物最初是如何形成的，还可以推断它们是何时形成的。最近，在那些一直被认为不适宜生命出现的地方，包括炎热的火山口、酸性的池塘、北极冰层和平流层尘埃中，我们都发现了生物，这使得矿物学成为探索生命起源和生存的关键。在2008年11月出版的矿物学顶级期刊《美国矿物学家》（American Mineralogist）上，我和同事提出了一种新的方式，通过未经探索的时间维度来思考矿物王国及其不可思议的转变。我们强调，在数十亿年前，宇宙中没有任何矿物。在大爆炸过后极高温的混沌中，晶体化合物不可能形成，更不可能保留下来。甚至是第一批原子，包括氢、氦和微量的锂，也花了差不多50万年时间才从创造的“大锅”中出现。数百万年过去了，引力吸引这些原始的气体元素形成第一批星云，然后星云坍缩成第一批炽热、致密、发光的恒星。只有当第一批恒星爆炸形成超新星的光辉，当富含各种元素的气体包层膨胀并冷却时，第一批微小的钻石晶体凝聚而成，宇宙矿物学的传奇才可能开始。

因此，我成了一个读者，欲罢不能地阅读岩石的证词。尽管那些证词有时稍显零碎和模棱两可，但它们讲述了生与死、停滞与变迁、起源与演化的故事，引人入胜。这个关于地球上生命圈和无生命圈互相交织的精彩故事展现了生命和岩石的协同演化，但它从未被人讲述过。它一定要被分享出来，因为我们就是地球的一部分。为我们带来庇护和食物的一切，我们所拥有的一切，事实上，还有我们血肉之躯的每一个原子和分子，都来自地球，并将回归地球。了解我们的家园，就是了解我们自己的一部分。

地球的故事一定要被分享，还因为我们的海洋和大气正在以惊人的速度变化，这种速度在其悠久的历史中极为罕见。海洋正在上升，变得越来越温暖，越来越有酸性。全球降雨模式正在改变，而大气也正变得更加不稳定。极地冰层在消融，冻原在融化，栖息地正在改变。正如我们将在接下来的篇幅中所要探讨的那样，地球的故事是一段变化的传奇，但在那些从前罕见的情况下，当变化以如此惊人的速度发生时，生命似乎付出了可怕的代价。如果我们要思虑周全地及时行动，我们就必须熟悉地球和它的故事。因为从那张在239 000英里外没有生命的世界拍下的奇妙照片中，我们可以清楚地看到，我们没有其他家园。

根据埃拉托斯特尼和他身后成千上万好奇头脑的传统，我在这本书中要表现地球漫长的变化史。尽管看起来地球与我们关系那么紧密，我们对它那么熟悉，但它充满生机的故事里包含了一系列超乎想象的转变性事件。要真正了解你的行星家园，并理解塑造它的漫长时光，你必须首先围绕7个核心事实来思考。

1. 地球由循环的且正在经历循环的原子构成。

2. 相比于人类的时间尺度，地球极其古老。

3. 地球是三维的，大多数活动隐藏在我们看不见的地方。

4. 岩石是地球历史的记录者。

5. 地球系统，包括岩石、海洋、大气和生命，复杂地关联在一起。

6. 地球历史包含长久的平静期，中间有时会突然发生不可逆转的事件。

7. 生命已经改变并将继续改变地球表面。

这些关于地球存在的概念，将原子、矿物、岩石和生命层层嵌套的故事置于了宏伟史诗般的时间背景中，这些故事将在接下来的部分，在宇宙炽热的起源和地球漫长演化的每一个阶段中再次出现。地球和生命的协同演化这种新范式贯穿这本书的核心，这种协同演化是可追溯至大爆炸的不可逆转的演化阶段序列的一部分。每个阶段都引入了新的行星过程和现象，它们最终将一次又一次地形塑我们星球的表面，冥冥之中为我们今天所居住的奇妙世界铺平道路。这就是地球的故事。

[1] 1英里≈1.6千米。——译者注

起 初，地球并不存在，也没有太阳照耀着大地。我们所在的太阳系，其中心是一个发光的恒星，周围是各种行星和卫星，它在宇宙中还只是一个“新人”，仅仅45.67亿岁。在我们这个世界从虚空中出现之前，还发生了许多事情。

为我们这个星球诞生而准备的舞台很早很早以前就搭建好了。万物起源于宇宙大爆炸。根据最新的估计，大爆炸发生在约138亿年前。关于这个创造一切的时刻，仍然有很多谜团没有解开，它是宇宙历史的一个决定性事件。它是一个奇点，一个从无到有的转变，超越了现代科学认知或数学逻辑。如果你想在宇宙中寻找造物主的证据，大爆炸就是你的起点。

一开始，一切空间、能量和物质从不可知的虚空中诞生。最初什么都没有。然后，一些东西出现了。这个概念已经超出了我们构建隐喻的能力。我们的宇宙并不是突然出现在以前只是真空的地方，因为在大爆炸之前，没有体积，也不存在时间。我们对“无”的理解意味着空，但在大爆炸之前，甚至没有什么东西是空的。

然后，一瞬间，不只是一些东西出现了，而是所有可能的东西都突然冒出来了。那时，宇宙的体积可能比一个原子核还小。这个极度压缩的宇宙始于均匀的纯能量，没有粒子来破坏这完美的一致性。宇宙迅速膨胀，但并不是向太空或其他任何外部膨胀（因为我们的宇宙不存在“外部”）。体积出现并增长，不过当时还是热能的形式。宇宙随着扩大逐渐冷却。第一批亚原子粒子出现在大爆炸后的不到一秒内——纯能量变成了物质，电子和夸克就此诞生。它们是我们世界上所有固体、液体和气体的不可见的本质。随后，仍然在不到宇宙第一秒的时间里，夸克成对或三个一组结合形成更大的粒子，包括构成每个原子核的质子和中子。当时的宇宙仍然热得难以想象，这样的状态持续了大概50万年，直到不断膨胀的宇宙最终冷却到几千度，在这个温度下，电子能够围绕在原子核周围，形成第一批原子。在这些原子中，氢超过90%，还有少量氦和微量锂。元素的混合形成了第一批恒星。

宇宙大爆炸理论是目前最广为认可的描述宇宙起源和演化的主导理论。该理论认为，宇宙万物起源于138亿年前的一次大爆炸

第一缕光

引力是聚集宇宙的巨大引擎。一个氢原子很小，但是把一个原子乘以10的60次方，它们就会对彼此施加相当大的引力。引力将它们向内拉到一个共同的中心，形成一颗恒星，这是一个巨大的气态球体，其核心承受着巨大的压强。随着巨大的氢云坍缩，恒星的形成过程将移动的原子的动能转化为原子聚集态的引力势能，再进一步转化为热量，这个过程与小行星撞击地球时的剧烈过程是一样的，但释放的能量要多得多。氢球的核心温度最终达到了千百万度，压强也达到千百万个大气压。

这种温度和压强引发了一种新现象，它被称为核聚变反应。在这些极端条件下，两个氢原子的原子核（每个氢原子核都包含一个质子）以这样的力碰撞，中子从一个核转移到另一个核，使得一些氢原子变得比其他一些更重。经过数次碰撞，就会形成带有两个质子的氦原子核。出乎意料的是，由此产生的氦的质量比形成它们的原始氢的质量少1%。损失的质量直接转化为热能（就像氢弹一样），从而促成更多的核聚变反应。恒星被“点燃”，周围覆满辐射能，氢变得越来越少，而氦变得越来越丰富。

许多巨大的恒星要比我们的太阳大得多，它们最终耗尽了核中大量的氢。但极端的内部压强和高温会继续促进核聚变。恒星核中带有两个质子的氦原子聚变成碳原子，每个碳原子有6个质子，这是一种至关重要的生命元素，碳甚至可以作为新的核能脉冲在恒星核周围的原子球层中触发氢的聚变。然后核中的碳聚变成氖，氖再聚变成氧，然后是镁、硅、硫等等。渐渐地，恒星发展成了洋葱一样的结构，一层又一层的同心球层都在发生聚变反应。这些反应发生得越来越快，直到最终阶段产生铁原子，这个阶段通常不超过一天。第一批恒星的生命周期走到这里时，大约是大爆炸的千百万年之后了，元素周期表里的前26个元素大都已经通过众多恒星内的核聚变被创造了出来。

铁原子是这个核聚变过程所能达到的极限。氢聚变产生氦，氦聚变产生碳，以及所有其他的聚变步骤中，都会释放大量核能。但是铁原子核的能量是所有原子核中最低的。当高温把所有燃料都变成灰烬时，能量就用尽了。铁是最终的核灰，铁与任何东西聚合都无法产生核能。所以当最初的大质量恒星产生了不可避免的铁原子核时，这个聚变游戏就结束了，而结果将是灾难性的。在那之前，恒星一直保持着一种稳定的平衡，其中两种巨大的内力互相制衡：引力将质量拉向中心，核反应将质量从中心向外推。然而，当核心充满铁的时候，向外的推力就不存在了，巨大的引力瞬间占据了上风。整颗恒星以极大的速度向内坍缩，然后反弹，爆炸产生了最初的超新星。恒星被撕裂，它的大部分质量向外爆炸喷发。

化学的诞生

对于那些在宇宙中寻找设计痕迹的人来说，超新星几乎和大爆炸一样，是个很好的起点。可以肯定的是，大爆炸必然导致了氢原子的出现，而氢原子不可避免地创造了第一批恒星。然而，恒星把你带到现代的生命世界的过程却一点也不明显。一个巨大的氢球尽管确实有越来越多铁那样的重元素聚集在核内，但似乎并未以十分引人注意的方式将一切发展下去。

但当第一批巨大的恒星爆发时，宇宙的新篇章随之打开。这些破碎的天体在太空中播撒着它们创造的元素。碳、氧、氮、磷和硫这些与生命有关的元素特别丰富。镁、硅、铁、铝和钙也格外丰富，它们是许多常见岩石的主要成分，并构成了类地行星的很大一部分质量。但在这些爆发的恒星所创造的不可思议的高能环境中，这些元素以全新奇异的方式聚变，创造出了所有元素周期表中的元素，使得元素的数量远远超过了26个。同时还出现了许多更罕见元素最初的踪迹，比如珍贵的银和金、实用的铜和锌、有毒的砷和汞，以及放射性的铀和钚。更重要的是，所有这些元素都被抛入太空，在那里它们能够通过化学反应找到彼此，并以有意义的新方式聚集在一起。

普通的原子相撞时，会发生化学反应。每个原子的中心都有一个小而重的核，这个核带正电，核的周围是一个或多个带负电的电子形成的电子云。除非在恒星内部的终极“高压锅”环境中，单独的原子核几乎不会发生相互作用。但是原子的电子会不断与相邻原子的电子碰撞。当两个或更多个原子相遇，它们的电子相互作用并重新排列时，就会发生化学反应。电子会这样重组和共享，是因为某些电子组合非常稳定，特别是2个、10个或18个电子的组合。

大爆炸之后的第一批化学反应产生了分子，分子是几个原子紧密结合形成的一个小单元。甚至在氢原子开始在恒星中聚变形成氦之前，氢分子（H₂）就在深空的真空中形成了。每个氢分子由两个氢原子以化学方式结合在一起。每个氢原子只携带一个电子，它们并不稳定，毕竟“2”才是宇宙中电子的“魔法数字”。所以当两个氢原子相遇时，它们会整合资源，形成一个具有两个共享电子的分子，来满足那个魔法数字。由于大爆炸后氢的丰度很高，氢分子肯定早于第一批恒星出现，并且自原子首次出现以来，氢分子一直是我们宇宙的恒定特征。

最初的超新星爆发后，随着各种其他元素被播撒进太空，许多其他引人关注的分子得以形成。两个氢原子与一个氧原子结合而成的水分子（H₂O）就是一个早期的例子。氮（N₂）、氨（NH₃）、甲烷（CH₄）、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO₂）分子也有可能在超新星周围的太空中富集。所有这些分子类型都将在行星的形成和生命的起源过程中发挥关键作用。

然后是矿物，矿物是一种微观上具有化学完美性和结晶秩序的固体。最初的矿物只有在形成元素的密度足够高而温度足够低的情况下才能形成，因为原子在这种情况下才能排列成小晶体。就在大爆炸的几百万年后，最先爆发的恒星周围冷却的延伸包层为这种反应提供了完美的环境。纯碳的微晶，也就是钻石和石墨，可能是宇宙中最早的矿物。那些最早出现的晶体就像细小的尘埃，单个的颗粒很小，但凝聚在一起可能会大到足以给太空增添一点钻石的光芒。这些晶质形式的碳很快就与其他高温固体结合，这些高温固体含有更常见的元素，包括镁、钙、硅、氮和氧。它们中有些是常见的矿物，比如一种铝和氧的化合物，名叫刚玉，它有一些丰富多彩的品种，也非常珍贵，比如红宝石和蓝宝石。微量的硅酸镁橄榄石也出现了，它被认为是八月的诞生石。还有一种碳化硅，名叫莫桑石，它现在经常作为钻石的廉价的人造替代品。星际尘埃总共包含十几种常见的“元矿物”。随着第一批恒星的爆发，宇宙开始变得更加富有生机。

自宇宙大爆炸以来大部分元素的来源

在我们的宇宙中，没有什么事情只发生一次（或许除了大爆炸）。古老的恒星爆发后散落的碎片不断受到引力的作用。因此，前几代恒星的遗迹通过形成新的星云，必然会孕育新的恒星，每一个星云都是由气体和尘埃组成的巨大的星际云，是许多先前恒星的残骸。每一个新的星云都比之前的含有更多的铁，而氢含量则稍低。138亿年来，这个循环一直持续，古老的恒星会产生新的恒星，并慢慢改变宇宙的构成。无数个恒星在数不清的星系中诞生。

宇宙的线索

很久以前，大约50亿年前，我们如今处在银河系“郊区”的家园位于银河系中心到边缘的一半的位置，处于布满恒星的旋臂的荒芜边缘。在这个毫不起眼的地方，在黑暗的虚空中，除了一个由气体和冰尘组成的巨大星云绵延数光年之远，其他什么也没有。那片气体云的十分之九是氢原子，其余物质中的十分之九是氦原子，富含有机小分子和微观矿物颗粒的冰和尘埃占了剩下的1%。

太空中的星云能够一直存在千百万年，直到一个触发事件让它开始坍塌成新的恒星系，这种典型的触发事件包括附近爆炸恒星的冲击波。大约46亿年前，这样一个触发事件造就了我们的太阳系。在100万年的时间里，太阳系形成前的气体和尘埃团在旋转中以极其缓慢的速度向内聚拢。就像一位旋转的溜冰者，随着引力把纤细的臂拉向中心，巨大的气体云旋转得越来越快。当星云坍塌并加速旋转时，云变得更加致密，逐渐变平，形成一个中心凸起的圆盘，这就是新生的太阳。这个富含氢的中心球体越长越大，最终吞噬99.9%的云质量。随着中心球体的成长，内部压力和温度上升至聚变点，点燃了太阳。

接下来所发生事情的线索就保存在我们太阳系的记录中，包括这里的行星和卫星、彗星和小行星，以及丰富多样的陨石。一个显著的特点是，所有行星和卫星都在同一平面上、沿同一方向围绕太阳运行。更重要的是，太阳和大多数行星差不多都在同一平面上沿同一方向绕着它们各自的轴旋转。运动定律中没有任何一条规定了这种自转的一致性；行星和卫星可以以任何方式公转和自转，从北到南、从东到西、从上到下、从下到上都可以，同时仍然遵守万有引力定律。如果行星和卫星是从遥远的来源随机捕获的，可能就会是这样一个大杂烩。相比之下，我们在太阳系中观测到的接近一致的轨道表明，行星和卫星几乎是在同一时期由同一个尘埃和气体组成的平面旋转圆盘上聚集成的。所有这些巨大的天体都保持了最初在星云中的旋转方向，也就是说，整个太阳系有着相同的角动量。

太阳系起源的第二条线索来自其中八大行星的独特分布。离太阳最近的四颗行星，水星、金星、地球和火星是相对较小的岩质行星，主要由硅、氧、镁和铁元素组成。它们表面主要是类似黑色的火山玄武岩一样致密的岩石。相对靠外的四颗行星，木星、土星、天王星和海王星是气态巨行星，主要由氢和氦组成。这些巨大的球体不存在固体表面，越往深处只有越厚的大气层。这种行星一分为二的现象表明，在太阳系历史的早期，就是太阳诞生后的几千年内，强烈的太阳风将剩余的氢和氦吹到了更冷的区域中。在离太阳足够远的地方，这些易变的气体会冷却、凝结并聚合成各种球体。相比之下，那些更大、富含矿物质的尘埃颗粒留在了距离炽热的中央恒星更近的地方，它们快速地聚集在一起，形成了靠内的岩质行星。

形成地球和其他内行星的剧烈过程的细节，在种类惊人的陨石中完美地保存了下来。想到我们的家园经常被从天而降的石头砸到，我们多少会感到有些不安。事实上，科学界直到最近大概两百年才注意到它们，尽管民间传说中不乏丰富多彩的陨石奇闻逸事，包括一些关于不幸的法国农民的故事。尽管学者已开始更正式地提出陨石是从天上落下来的，但几乎没有任何可复制的科学证据能用来记录它们，更不用说解释它们的来源了。美国政治家、博物学家托马斯·杰弗逊在读了耶鲁大学有关康涅狄格州韦斯顿的陨石撞击观测的技术报告后，打趣地说道：“我发现，相信两个[美国]北方教授撒谎，比相信石头从天上掉下来要更容易些。”

经过两个世纪数以万计的陨石陆续被发现，这些故事的真实性不再受到质疑。随着陨石专家来到更多区域，以及狂热的收藏家争夺最稀有的种类，世界各地的博物馆和私人收藏的陨石数量急剧增加。有一段时间，收藏者偏好独特的铁陨石，它们有黑色的外壳、怪异的蚀刻形状和极高的密度，因此与普通的岩石相比显得与众不同。但1969年在原始的南极冰原上发现的数千颗陨石改变了这种看法。

陨石为我们带来了有关地球起源的线索。最常见和最古老的陨石是45.66亿年前的球粒陨石，它们形成的时间正好在太阳系行星和卫星形成之前，那时，太阳的核反应刚刚开始，强烈的辐射能炙烤着周围环绕的星云。高炉效应将星尘盘熔成一团团又小又黏的岩石球，称为球粒，该名称来自古希腊语中的“谷物”。这些太阳高温炼过的产物，大小从滚珠轴承到小豌豆粒不等，被多次熔化，在反复的辐射脉冲中改变了离太阳最近的区域。这些古老的球粒被太阳系形成前颗粒更细的尘埃和矿物碎片粘在一起，形成了原始球粒陨石，落在地球上的有很多。球粒陨石为我们观察太阳诞生之后、行星形成之前的这段短暂的时间提供了一种绝佳的视角。

第二类比较年轻的陨石统称为无球粒陨石，可追溯到太阳系最早的物质熔化、粉碎或变形的时候。无球粒陨石具有惊人的多样性，它们有的是闪亮的金属块，有的是大块的黑色岩石，有的是像玻璃一样的细粒，还有一些是一英寸[1]宽的有光泽晶体。在地球上最偏远的一些地区，仍有更多新品种在不断被发现。

球粒陨石

无球粒陨石

无球粒陨石

南极大陆拥有大片古老的蓝色冰原，这些地方其实从不下雪。从太空中掉下的岩石就静静地躺在那里，这些黑暗的“天外来客”只等着被发现。国际条约禁止对该地区进行商业开发，加上进入偏远冰原的机会有限，这些地外资源能得到很好的保护，以用于科学研究。包裹严实的科学家成群结队地到达这里，乘坐直升机和雪地摩托，在这些环境险恶的冰原上进行地毯式的系统搜索。他们仔细记录并包装每一个发现，确保手或呼吸没有污染表面。每次南极夏季过后，这些“陨石猎人”回到文明社会，都会把他们找到的珍宝转交给公共收藏，其中最著名的是马里兰州休特兰郊区的史密森尼学会的储藏设施，那是一个足球场大小的建筑物，里面有成千上万的标本，保存在高度洁净的密封储藏柜中。

同样富有陨石的地区还有澳大利亚、美国西南部、阿拉伯半岛，以及最引人注目的北非广袤的撒哈拉沙漠，尽管这些地区对有组织的复原和无菌保存无甚益处。有流言在横穿撒哈拉沙漠的图阿雷格人、柏柏尔人、费扎人等游牧民族中盛传，称陨石可能很有价值。21世纪早期，有人在北非的流沙中发现了一块珍贵的月球陨石，据说在一次私人拍卖中它的成交价达到了100万美元。对沙漠骑手来说，从骆驼上跳下来，携带着一块奇石去下一个村庄是很容易的事儿，那里会有一个陨石中间商的非官方协会给他一点现金成交。这些中间商通过卫星电话联系，巧舌如簧。一袋袋岩石从一个经销商转到下一个经销商手上，每转一次涨一个差价，直到运达马拉喀什、拉巴特或开罗，然后在易趣上和大型国际岩石及矿物展上送到买家手中。

在我前往摩洛哥偏远地区的地质学考察旅行中，不止一次有人向我提供粗麻袋，里面装着10磅[2]到20磅据称是陨石的岩石，他们会说：“没有中间商，上周刚从沙漠里找到的。”这些只收现金的“交易”通常在棕泥砖房里没有窗户的昏暗密室中进行，远离刺眼的沙漠阳光，几乎看不清麻袋里装的是什么。在礼节性地问候和分享传统的薄荷茶后，卖家就会把里面的东西倒在地毯上。有些石头只是岩石，就是那种铺路的碎石。这就像是一个测试，看你是否了解你要的东西。有些是最常见的球粒陨石，一般有橄榄或鸡蛋那么大，有些则有熔化得很好的熔壳，是快速从天而降过程中灼烧的产物。起价总是非常高。如果你说它们太普通了，可能就会出现一个更小的袋子，里面装着铁陨石或更稀奇的东西。

我记得，有一次我们的导游阿卜杜拉在斯库拉以东几英里的一条尘土飞扬的小路上做过一次交易。卖家是一位信誉可疑的远方熟人，用卫星电话打来，并要求保密。“可能是火星陨石，”他告诉阿卜杜拉，“900克。只要两万迪拉姆。”大约折合2 400美元——来自火星的已知陨石只有二十几颗，如果他说的是真的，那就捡着大便宜了。他们约定了时间和地点。两辆不起眼的汽车并排停下，我们三个人从车上下来，紧挨着站成一圈。那块提到的岩石从一个天鹅绒小袋子里滑了出来，但它看起来就像一块普通的岩石（所有火星陨石都是这样）。价格降到了15 000迪拉姆。然后是12 000。但我们没有办法确定它是不是火星陨石，所以我们放弃了。后来阿卜杜拉向我透露，他其实动心了，但总有更多的陨石出现。最好不要贪得无厌，没有人会说实话，所有交易都是一锤子买卖。

就像南极洲一样，赤道沙漠揭示了各种陨石的自然分布，为我们了解早期太阳系的特性以及我们地球的起源提供了无与伦比的线索。令人遗憾的是，与南极洲的陨石不同，这些样本中的大多数永远无法进入博物馆收藏，这至少有两个原因。首先也最重要的是，越来越多的业余收藏家群体竞争激烈，少数富有的狂热爱好者和撒哈拉地区陨石易于获取的特点助长了私人收藏之风。任何稀有的东西都会很快被卖出，而且价格很高。这些标本中的一部分最终无疑会被捐赠给博物馆，但大多数没有得到妥善处理，刚发现时的大部分科学价值很快就被无防护的手、多用途布袋和随处可见的骆驼粪所污染。同样令人苦恼的是缺乏任何有用的文书记录，例如陨石是何时何地在沙漠中被发现的。所有商人都会说“摩洛哥”，但这通常是一个谎言，因为撒哈拉沙漠的大部分位于东部，地处阿尔及利亚和利比亚，现在从这些国家进口标本是非法的。因此，没有严格的文件，大多数博物馆不会接受“摩洛哥”或“北非”的陨石。

在环境恶劣、干旱的撒哈拉沙漠地区，或者南极洲的冰原上，任何从天上掉下来的岩石都显得与众不同。这样一种无杂质的陨石种群样本，让科学家对太阳系早期地球形成的时期有了最好的了解。每十个发现中差不多有九个是球粒陨石，其余的是各种各样的无球粒陨石，它们属于一个长达千百万年的时代，那时我们年轻的太阳系还只是一团不稳定的星云，球粒陨石聚集在一起，形成越来越大的天体：首先是拳头大小，然后是汽车大小，接着是一座小城的大小——几十亿个直径数英里的物体，都围绕着年轻的太阳，在同一条窄环上争夺空间。

它们越变越大：达到罗得岛的大小，然后是俄亥俄州、得克萨斯州甚至阿拉斯加州那么大。当成千上万这样的星子经历着这种混沌的吸积过程时，它们以新的形式越发多样化。当它们的直径增加到50英里或更大时，两个同等的热源混合。许多碰撞到一起的小物体的引力势能与快速衰变的放射性元素（如铪和钚）的核能在强度上相当。组成这些星子的矿物就这样被热量改变，它们的内部彻底熔化，分化成一种类似鸡蛋构造的独特矿物区：一个富含金属的致密核心（类似蛋黄），硅酸镁地幔（蛋白），以及薄而脆的外壳（蛋壳）。最大的星子被内热、与水的反应以及在拥挤的太阳系边缘频繁碰撞的强烈冲击所改变。估计有300种不同的矿物是由于这种动态的行星形成过程而产生的。那300种矿物是每一颗岩质行星一定会形成的原料，而所有这些矿物至今仍存在于坠落到地球的各种陨石中。

当两颗巨大的行星以足够大的力量碰撞在一起时，它们就会被炸成碎片，这种情况时有发生。（由于巨行星木星的引力干扰，这一剧烈的过程直到今天仍在火星与木星之间的小行星带中发生。）因此，我们今天发现的大多数不同的无球粒陨石代表了被摧毁的小行星的不同部分。因此，分析无球粒陨石有点像用一具爆炸的尸体上一堂棘手的解剖学课。我们需要时间、耐心，还有很多零碎的工作，才能清楚地看到原来身体的模样。

星子的致密金属核是最容易解释的，它们最终形成一类独特的铁陨石。尽管曾经被认为是最普通的陨石类型，但南极的无偏样本显示，铁陨石在所有坠落的陨石中只占5%。星子的核一定是相对较小的。

许多奇特的陨石类型代表了全然不同的富含硅酸盐的星子幔，这些陨石包括古铜钙长无球粒陨石、钙长辉长无球粒陨石、奥长古铜无球粒陨石、橄辉无球粒陨石、斜方辉石-橄榄石原始无球粒陨石、古铜辉石橄榄石铁陨石等，每一种都有其独特的成分、结构和矿物学特性，大多数（英文名称）以最早发现陨石的地方命名。其中一些陨石与今天地球上的岩石类型非常相似。钙长辉长无球粒陨石代表一种相当典型的玄武岩，这种岩石从大西洋中脊喷出，覆盖在海底。奥长古铜无球粒陨石主要由硅酸镁矿物组成，它大概是大型地下岩浆库中晶体沉降的结果。当岩浆冷却时，比周围热液体更致密的晶体生长，沉到底部，形成浓缩的质量，就像今天在地球深处的岩浆库中发生的那样。

偶尔，在一次极具破坏性的碰撞中，一颗陨石碰巧获得一块星子核幔边界的碎片，在核幔边界，有大量硅酸盐矿物和富含铁的金属共存。结果就形成了美丽的橄榄石铁陨石，一种闪亮的金属和金黄的橄榄石晶体的混合物。抛过光的橄榄石铁陨石薄片，光会从金属上反射出来，并穿过彩色玻璃状的橄榄石，它是所有陨石样品中最珍贵的标本之一。

随着引力将早期的球粒陨石聚集在一起，并伴随着高压、高温、腐蚀性的水和剧烈的撞击，越来越多的新矿物出现了。在所有陨石中，总共发现了250多种不同的矿物，数量比太阳系形成前的那十几种矿物增加了20倍。这些不同的固体，包括第一批细粒黏土、片状云母和准宝石锆石，成了地球和其他行星的基石。星子越来越大，最大的那些吞噬了较小的星子。最终出现了几十个巨大的岩石球，每个都有一颗小行星那么大，它们充当着巨大的真空吸尘器，横扫太阳系的大部分区域，在尘埃和气体聚集成接近圆形的轨道时，将它们清扫干净。一个天体最终在哪里了结，很大程度上取决于它的质量。

组装太阳系

太阳拥有太阳系的绝大部分质量，它主宰着一切。太阳系并不是一个特别大的恒星系统，太阳也只是一颗普通的恒星，这对附近的一个有生命的行星来说是件好事。矛盾的是，恒星质量越大，寿命就越短。巨大恒星更高的内部温度和压力会使核聚变反应越来越快。因此，一颗质量相当于太阳10倍的恒星，或许只能维持太阳十分之一的寿命，最多也就是几亿年，在这颗恒星爆发成致命的超新星之前，几乎没有足够的时间让一颗围绕其旋转的行星开始孕育生命。相反，一颗质量是太阳质量十分之一的红矮星，其寿命将达到太阳的10倍以上，也就是1 000亿年或更长时间，但是，这样一颗弱恒星所释放的能量可能无法像我们这颗光芒四射的黄色能量球一样维持生命。

我们中等大小的太阳正好处在一个合适的中间值上：它的质量没有很大，寿命不算短，同时质量也不算太小，温度不会过低。它预计有90亿或100亿年可靠的氢燃烧，这意味着有足够的时间让生命延续，也有足够的时间让它们继续演化。诚然，再过四五十亿年，太阳核心中的氢就会耗尽，必须改为燃烧氦。在这个过程中，它将膨胀成一颗比现在直径大一百倍的红巨星，也会变得没那么宜人，它会吞没可怜的水星，先“烫伤”再吞下金星，这也会让地球变得相当被动。然而即使在45亿年后，在太阳进入脾气暴躁的晚年，让地球上的生命变得不确定之前，我们仍然有足够的时间。

我们的太阳系对一个有生命的星球有另一个重要的好处。与其他大多数恒星系统不同，太阳系是单恒星系统。天文学家使用强大的望远镜发现，我们在夜空中看到的恒星中，每三颗中大约有两颗实际上是双星系统。在双星系统中，两颗恒星围绕一个共同的引力中心起舞。在那些恒星形成之时，氢会在两个不同的地方聚集而形成巨大的气团。

如果我们的星云曾经旋转得更猛烈一些，有更多的角动量，因而在木星区域有更多的质量，那么我们的太阳系可能也会成为一个双星系统。太阳的质量就会更小，木星就不会是一颗巨大的富氢行星，而是成长为一个小的富氢恒星。也许生命会在并立的二者之间繁衍。也许一颗额外的恒星会提供维持生命的额外能量来源。但两颗恒星的引力作用可能会很棘手，地球可能最终会变成一个对生命极不友好的世界，它会出现一个偏心的轨道，自旋不稳定，气候剧烈变化，因为两个强大的引力源会把它往不同的方向拉扯。

事实上，气态巨行星的表现相当不错，它们大小适中，绕太阳运行的轨道接近圆形。木星是其中最大的一颗，其质量接近太阳质量的千分之一，这已足够对邻近的行星施加明显的控制了。由于木星的破坏性引力场，组成小行星带的星子从未聚合成一颗行星。但木星并没有大到足以在自己的核心引发核聚变反应，这是恒星和行星之间的决定性差异。稍远些的有环的土星，以及更遥远且更寒冷的天王星和海王星则更小。

尽管如此，所有这些气态巨行星都足够大，可以捕获被它们自己的引力束缚的碎片盘，就像太阳系中的“小太阳系”一样。因此，这四颗靠外侧的行星都有一系列迷人的卫星，其中包括一些较小的小行星，它们被巨行星的引力吸引，继而沿轨道运行。其他卫星是在行星诞生过程中残余的尘埃与气体里比较合适的位置上形成的，有的几乎和四颗靠内的行星差不多大，有自己的动态地质过程。事实上，太阳系中最活跃的天体是木星的卫星木卫一，它离木星非常近，每41小时就走完一圈完整的轨道。木卫一的直径约2 260英里，巨大的潮汐力不断给它施加压力，并为六座火山提供能量，这些火山上含硫的气流柱从卫星表面延伸超过100英里，与太阳系中其他的火山都不一样。同样迷人的还有木卫二和木卫三，这两颗巨大的卫星和水星差不多大小，由几乎相等比例的水和岩石组成。这两颗大卫星的内部都被木星持续的潮汐力加热。因此，它们的深处都有环绕的、被冰覆盖着的海洋，成为美国国家航空航天局（NASA）地外生命搜索的目标。

土星是木星外面的行星，它不仅拥有二三十颗卫星，还带有一个由超强反光的小块水冰组成的光环系统。土星的大部分卫星都比较小，其中一些是被捕获的小行星，另一些则由土星的剩余气体形成。但它最大的卫星土卫六比水星还要大，被厚厚的橙色大气所笼罩。欧洲空间局的惠更斯探测器于2005年1月14日登陆土卫六，我们得以近距离看到土卫六的动态表面。河流和溪流的分支网络连接着冰冷的液态碳氢化合物湖。稠密、多彩、动荡的大气中混杂着有机分子。土卫六是另一个值得探索生命迹象的世界。

最遥远的气态巨行星是天王星和海王星，它们同样拥有十分吸引人的卫星。大多数卫星表现出了水冰、有机分子和持续动态活动的迹象。海王星的大卫星海卫一甚至具有一个富含氮的大气层。天王星和海王星都有复杂的光环系统，它们的光环似乎由大量汽车大小的富含碳的黑色物质组成，这与构成土星冰环的发光粒子非常不同。

太阳系

岩质世界

在离我们的家园更近的地方，引力也起着作用。太阳点燃后，大部分的氢和氦被吹到气态巨行星的区域，太阳系靠内部分的质量要少得多，其中大部分由硬质岩石提供，也就是组成球粒陨石和无球粒陨石的物质。水星是最小、最干燥的岩质行星，它在离太阳最近的地方形成。这颗最靠内的行星似乎是环境恶劣、死气沉沉的焦土世界：几十亿年来的强烈撞击形成多坑的表面，天空中没有空气。如果有人问你太阳系中最不可能出现生命的天体，水星会是你的首选。

金星是水星外面的行星，是地球的孪生兄弟，但两颗星球在宜居性上却有着天壤之别，这在很大程度上要归因于它的轨道：金星的轨道要比地球轨道距离太阳近约3 000万英里。在金星的历史早期，它可能有一定量的水储备，甚至有一片浅浅的海洋，但是在太阳的高温和太阳风的洗礼下，金星上的大部分水似乎都被煮沸蒸发了，这个世界不再湿润。金星厚厚的大气中主要是二氧化碳，它们锁住了太阳的辐射能，造成了失控的温室效应。今天金星的平均表面温度超过了900华氏度[3]，热到足以熔化铅。

火星比地球离太阳更远一些，其质量比地球小得多，只有地球质量的十分之一，但它在许多方面是和地球最像的。像所有的岩质行星一样，火星有一个金属的星核和一个硅酸盐的星幔。和地球一样，它也有大气和大量的水。它相对较弱的重力很难将高速的气体分子保持在上层大气中，因此数十亿年来，空气和水都逐渐消失了，然而火星仍然保存着温暖潮湿的地下水库，那里可能是生命的一个脆弱的庇护所。难怪大多数的行星探索任务都把这颗红色星球作为目标。

地球是“离太阳第三远的岩石”，恰好处在宜居带的中间。它离太阳足够近，也足够热，将大量的氢和氦“让”给了太阳系更靠外的区域；但它离太阳也足够远，也足够冷，可以让大部分水保持液态。和我们太阳系中的其他行星一样，地球形成于约45亿年前，基本上是在几百万年的时间里，从碰撞球粒陨石和随后形成的引力团变成越来越大的星子。

深时

在关于太阳、地球和太阳系其他部分诞生过程的所有证据中，贯穿着巨大的时间跨度的概念——45亿年，并且仍在继续。美国人喜欢引用人类历史上著名事件的日期。我们会庆祝伟大的成就和发现，例如莱特兄弟的首次飞行是1903年12月17日，首次载人登月是1969年7月20日。我们会记述国家损失和悲剧的日子，比如1941年12月7日[4]和2001年9月11日[5]。我们会记得国家生日——1776年7月4日[6]，当然还有1809年2月12日（查尔斯·达尔文和亚伯拉罕·林肯两人巧合的生日）。我们相信这些历史时刻是准确的，因为一份完整的笔录和口述记录将我们与不那么遥远的过去联系在一起。

地质学家也喜欢引用历史上的时间标记：大约12 500年前，最后一次冰期结束，人类开始在北美定居；6 500万年前，恐龙和许多其他生物灭绝；5.3亿年前，寒武纪之初，突然出现了各种硬壳动物；超过45亿年前，地球成为围绕太阳运行的行星。但是，我们如何才能确定这些年龄估算是正确的呢？没有关于地球几千年前的古代纪年的书面记录，也没有任何口述材料。

45亿是一个几乎无法算清楚的数字。目前人类寿命的吉尼斯世界纪录是由一位法国女性保持的，她庆祝了自己122岁生日。因此人类甚至无法存活45亿秒（约144年），所有有记录的人类历史还不到45亿分钟。然而，地质学家却声称地球已经存在超过45亿年了。

理解“深时”并不容易，但我有时试着用很长一段路来解释它。在马里兰州安纳波利斯南部，切萨皮克湾西岸有片20英里长的悬崖，它雄伟壮观，延绵起伏，还藏有许多化石。沿着水陆之间的狭长地带走，你可能会发现大量灭绝的蛤蜊和螺旋形蜗牛、珊瑚和海胆。如果你足够幸运，可能偶尔还会碰到一个6英寸的锯齿鲨齿或6英尺[7]的流线型的鲸头骨。这些珍贵的遗物讲述了1 500万年前的时光，当时，这个地区更温暖，气候更像热带，就像今天的毛伊岛，巨大的鲸来到这里产崽，60英尺长的大鲨鱼尽情地以弱者为食。这些化石集中在300英尺深的沉积物中，而此地的沉积物形成于地球历史的300多万年中。砂岩和泥灰岩的地层微微地向南倾斜，沿着海滩行走就像在时光中漫步。每向北跨出一步，都会看到更古老一些的地层。

想要了解地球历史的尺度，就想象着是在走回过去，每走一步就是退后了一百年，每一步等于三代多人的历史。一英里就让你回到了17.5万年前。切萨皮克的悬崖长20英里，辛苦地走上一天，相当于过了300多万年。但要想在地球历史上留下一个小小的印记，你就必须以这样的速度走上好几个星期。每天20英里，每走一步跨越100年，走上20天，你就会回到约7 000万年前，也就是恐龙大灭绝之前。每天20英里这样走下去，5个月的行程相当于5.3亿多年，也就是寒武纪“大爆发”时期，在这一时期，大量硬壳动物几乎同时出现。但如果每走一步代表100年，你得走上差不多三年，才能到达生命的曙光出现的时刻，而要走上四年，才会到达地球的开端。

我们为什么这么肯定？地球科学家已经发现大量证据，表明地球极其古老，表明深时确实存在。最简单的证据出现在产生物质年层[8]的地质现象中，数出层数，就数出了年代。最引人注目的地质年历是纹泥沉积物，其形成的明暗交替的薄层，分别代表了颗粒较粗的春季沉积物和颗粒较细的冬季沉积物。瑞典的冰川湖保存了一个记录细致的序列，包含13 527年的地质分层，每年一个新的明暗层沉积下来。在怀俄明州秀丽陡峭的峡谷中，格林河页岩层层分明，有着连续的垂直剖面，年层超过100万层。同样，来自南极和格陵兰岛几千英尺深的冰钻岩芯，展露了超过80万年的堆积物——年复一年，积雪层层覆盖。所有这些分层都堆叠在极其古老的岩石之上。

对缓慢的地质过程的测量进一步延长了地球历史的时间尺度。规模巨大的夏威夷群岛需要缓慢而稳定的火山活动，熔岩不断地堆积覆盖，根据现代的喷发速度，这一过程至少持续了数千万年。阿巴拉契亚山脉和其他古老的圆顶山脉是由数亿年的缓慢侵蚀而形成的，那些构造板块的几乎无法察觉的运动，也是在数亿年的周期中塑造了大陆，开辟了海洋。

物理学和天文学为深时提供的证据同样具有说服力。碳、铀、钾、铷和其他元素的放射性同位素具有可预测的衰变速率，它们是非常精确的时钟，能够用来确定岩石形成事件的年代，甚至能追溯到数十亿年前太阳系形成的时候。如果你收集了100万个放射性同位素原子，其中一半会在一段叫作半衰期的时间内衰变。例如，有100万个铀-238原子，等44.68亿年的半衰期过去后，我们再回来看，你会发现只剩下了大约50万个铀-238原子。其余的铀衰变成50万个其他元素的原子，最终变成稳定的铅-206原子。再过44.68亿年，就只剩下约25万个铀原子了。用这种放射性定年法，我们测定了最古老的原始球粒陨石的年龄，就是45.66亿年。

但是在太阳系出现之前的数十亿年呢？天体物理学家对遥远星系运动的测量表明，宇宙比45亿年古老得多。所有星系都在加速远离我们。多普勒频移的数据，也就是所谓的红移效应表明，距离越远的星系退行得越快。如果倒放宇宙这盘磁带，一切都会收缩到约138亿年前的某一点。那就是大爆炸。来自最遥远天体的光在太空中已经传播130多亿年了。

关于这一点的数据毋庸置疑。任何声称地球年龄是一万年或者更少的说法，都与来自各个科学领域的清晰而可靠的观测证据相矛盾。除非宇宙是在一万年前被创造出来的，而且这种创造让它看起来更古老——这是美国博物学家菲利普·戈斯（Philip Gosse）于1857年在他费解的论著《脐》（Omphalos，得名于希腊语中的“肚脐”一词，因为没有母亲的亚当是有肚脐的，所以他看起来像是由女人生出来的）中首次阐述的结论。戈斯列举了数百页的证据，证明地球极其古老，然后开始描述上帝如何在一万年前创造了一切，使它们看起来要古老得多。

有些人可能会从这个神创古代（Prechronism）的创世论漏洞中找到慰藉。针对天体物理学家对数十亿光年之外的恒星和星系的观测证据，神创古代论的支持者反驳称，创造宇宙时那些恒星和星系本来就要向地球发出光。他们认为，具有古老比例的放射性同位素和子体同位素的岩石，是故意由铀、铅、钾和氩的恰当比例混合形成的，这使得它们看起来比实际年龄要古老得多。如果你相信这种神创古代论，我建议你跳到第十一章。如果不是这样，就让你的想象力跳回到几十亿年前的过去，也就是我们星球诞生的时刻。

45亿年前的地球诞生是一出大戏，它在整个宇宙历史上无数次上演。每一颗恒星和行星都产生于荒凉到接近真空的太空中，由气体和尘埃组成。单个物质粒子太小，我们的肉眼看不见，但它们聚在一起却非常大，我们可以观察到几乎横跨半个银河系的正在形成恒星的巨大云团。几十亿年前，引力促成了太阳系的诞生，在一群行星“小矮人”中，太阳以孤独的巨人姿态出现。核反应让太阳表面燃烧，让它的行星邻居沐浴在光明和温暖之中。就这样，我们的家园在通往有生命的世界的路上蹒跚地迈出了第一步。

这些史诗般的事件看起来那样陌生，但其实我们每一天都经历着导致地球形成的宇宙现象。构成地球的元素和原子也构成了我们的身体和居住地。万有引力将恒星和行星从尘埃和气体中聚集起来，将元素锻造成恒星，也将我们牢牢地固定在我们的行星家园上。说到物理和化学的普遍规律，太阳底下没有什么新鲜事。

岩石、恒星和生命带给我们的启示是同样明晰的。要了解地球，你必须先将自己从微不足道的人类生命的时空尺度中分离出来。我们生活在一个由一千亿个星系组成的宇宙中，每个星系都有一千亿颗恒星。同样，我们生活在一个已经历了数千亿天的宇宙中，日复一日。如果你要在宇宙中寻求意义和目的，你不会在任何与人类的存在相关的特殊时刻或地点找到它。空间和时间的尺度大得令人难以置信。但是，一个被自然规律所限定的宇宙，必然会导致世界有机会被认识，正如科学研究内在揭示的那样，这是一个充满意义的宇宙。

[1] 1英寸=2.54厘米。——译者注

[2] 1磅≈0.45千克。——译者注

[3] 华氏度（tF）与摄氏度（tC）的换算公式为：tF=9/5tC+32。——译者注

[4] 日本偷袭珍珠港。——译者注

[5] 双子塔恐怖袭击。——译者注

[6] 美国独立日。——译者注

[7] 1英尺=30.48厘米。——译者注

[8] 年层，地质学上以年为单位的分层。——译者注

这 本书的一个核心思想是，行星系统会演化，会随着时间而改变。更重要的是，每个新的演化阶段都取决于先前的阶段。变化通常是渐进的，需要数百万年甚至数十亿年去改变一个星球的环境，但激烈的不可逆转的突发事件可能在几分钟内永远地改变一个世界。地球就是如此。

从无数零散的碎片到地球形成，这个过程是相对较快的，据估计不超过100万年。在这个过程接近尾声时，几十个直径几百英里的星子与原始地球共享着宇宙中的这片空间。在大约10万年间，我们的星球逐渐接近现在的大小，这个过程的最后阶段发生了一连串不可预料的暴力事件。每隔几千年，就会有一颗迷你行星撞击到原始地球上，然后被整个吞没。

在那个动荡的时期，地球是个发黑的“火球”，上面铺满冒火光的裂缝、冲天的火山岩浆喷泉。流星也不断地撞击。每一次巨大的撞击都直达地球深处，将蒸发的岩石炸飞进入轨道，整个表面变成熔融炽热的岩石泥浆。但是，太空是寒冷的。每次猛烈的撞击之后，地球上没有空气的表面都会迅速冷却，再次变黑。

奇怪的月球

地球起源的故事看起来非常清晰，除了一个引人注目的细节——月球。月球太大了，它完全无法被忽视。在过去两个世纪中的大部分时间里，月球已经被证明是非常难以解释的。小的卫星很容易理解。火卫一和火卫二是两颗环绕火星的不规则岩质卫星，如一座城市大小，似乎是被捕获的小行星。几十个围绕木星、土星、天王星和海王星运行的卫星则要大得多，但与它们的主行星相比，这些卫星还是非常微小，质量还不到所环绕行星质量的千分之一。最大的这些卫星形成于行星成形过程中残余的尘埃和气体，围绕着这些气态巨行星运行，就像微型太阳系中的行星一样。相比之下，月球与它所环绕的地球相比，就显得十分巨大。月球的直径超过地球的四分之一，质量约为地球的八分之一。这种异常现象从何而来？

动荡的世界。此时的地球是一个发黑的“火球”，上面铺满冒火光的裂缝、冲天的火山岩浆喷泉。流星也不断地撞击。每一次巨大的撞击都直达地球深处，将蒸发的岩石炸飞进入轨道，整个表面变成熔融炽热的岩石泥浆

历史性科学，特别是地球和行星科学，取决于创造性的故事（尽管故事本身是基本符合事实的）。如果不止一个故事看起来符合观测结果，那么地质学家就会采取一种谨慎的立场，也就是所谓的“多重有效假说”（multiple working hypotheses），这是任何喜欢侦探小说的人都熟悉的策略。

1969年开启的历史性阿波罗登月使人们得以获取原始月岩，开始对月球内部进行仔细的地质测量；在那之前，针对巨大的月球的情况，有三种主要猜想。第一种被广泛接受的科学假说是裂变理论，它于1878年由乔治·霍华德·达尔文（George Howard Darwin，他远没有他的父亲、博物学家查尔斯·达尔文出名）提出。在乔治·达尔文的设想中，原始的熔岩地球围绕地轴自转得非常快，被拉伸拉长，（在太阳引力的帮助下）最终将一团岩浆从地球表面甩入轨道。在这个模型中，月球是挣脱了地球的枝芽。这个戏剧性的故事有一种富有想象力的变体，其中太平洋盆地成为一种标志——那是地球母亲分娩的伤疤。

第二种具有竞争力的观点是俘获理论，它将月球视为一个独立形成的、较小的星子，在新兴的太阳系中占据着与地球相近的区域。在某个时刻，这两个天体之间的距离足够近，以至于更大的地球俘获了更小的月球，使月球进入了一个逐渐稳定的环形轨道。这种贪婪的引力机制似乎对火星较小的岩质卫星相当有效，那没有理由对地球无效。

第三种假说是共吸积理论，它假设月球在差不多当前的位置由留在地球轨道上的大量残余碎片形成。这种合理想法的依据是我们对太阳及其行星，以及气态巨行星及其卫星的了解。这是一个在太阳系中反复出现的常见现象：较小的天体吸收着尘埃云、气体和较大物体周围的岩石，不断增大。

这三个相互矛盾的假说，哪一个是正确的？喜欢追根溯源的人不得不等待来自月岩的数据——超过840磅重的样本，取自6个阿波罗着陆点。

登陆月球

阿波罗登月计划在许多层面改变了行星科学。当然，它们是美国科技实力和冒险精神的最佳展示。毫无疑问，它们为军工综合体提供了巨大的推动力。它们激发了无数的创新，从微型计算机到高分子材料，再到果珍饮料（Tang），还提供了一种经济的驱动力，带来的效益或许已经远超过任务200亿美元的耗资了。无怪乎说，这些昂贵而危险的早期登月计划的主要诱因，是来自国家自豪感和争夺“高地”的竞赛，而并非月球科学的竞赛。

即便如此，说起阿波罗计划和它们带回的月岩宝藏对我这一代地球科学家的影响，再怎么夸张都不为过。在整个人类历史上，月球都近得诱人，它距离地球不到25万英里。在一个晴朗的夏夜，当泛红的满月升起，你感觉就好像能够伸手触摸到它。但是我们没有样本，也没有任何东西能告诉我们月球是由什么、在何时以及何地形成的。有了第一批月球样本，我们在人类历史上第一次真正地触碰到了月球（今天任何进入史密森尼博物馆的游客都可以）。

我第一次真正见到月球样本是在1969年到1970年的冬天，那时阿波罗11号的历史性任务刚过不到半年，我还是麻省理工学院一个大四的学生。就在几个月之前，1969年7月24日，第一批登上月球的人类返回地球。在月球探索的早期，由于担心受到外来微生物的污染，宇航员及其带回的样本都接受了严格的检疫措施。当他们的登月舱落在夏威夷附近的太平洋上，尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）、巴兹·奥尔德林（Buzz Aldrin）和迈克·柯林斯（Mike Collins）就被“大黄蜂号”航空母舰接走了，他们连同从太空带回的45磅珍贵的岩石和土壤样本被密闭保护在NASA的流动隔离设施中，之后又都被从夏威夷送到休斯敦，到达新的月球收集实验室。在那里，宇航员和珍贵的样本被隔离了近三周，以防真的有什么讨厌的东西跟着他们一同返回了地球。

在接下来的三年里，阿波罗计划接踵而至。1969年11月19日，阿波罗12号登月舱“无畏号”带着宇航员小查尔斯·康拉德（Charles Conrad，Jr.）和艾伦·比恩（Alan Bean）一同登陆月球；一周后，他们在返回时携带了约70磅的月岩和土壤，这些样本被迅速送入休斯敦的检疫设施。幸运的是，我的论文导师——睿智过人、精力充沛的戴维·沃内斯（David Wones）是阿波罗12号月球样本初步调查小组的成员。那一小组科学家有幸冒险用最先进的分析仪器仔细检查了第二批珍贵的月球样本。戴夫[1]是火成岩岩石学专家，他研究的是由岩浆形成的岩石的起源。阿波罗11号和12号取样的月岩都是火成岩，所以他简直就是到了地质学家的天堂。

阿波罗11号登月。1969年7月20日，人类在月球上留下了第一个脚印。“阿波罗号”的宇航员返回地球时，带回的不仅仅是月球上的岩石和灰尘，他们的旅程提供了一种人类从未有过的看待地球的新视角。图片来自NASA从某种意义上来说，这项任务十分艰巨。在一个月的大部分时间里，他与其他几位饱含热情的科学家一起闭关，顶着巨大的压力，从那些最昂贵、最重要的岩石样本中收集确凿无疑的数据。但同时，作为第一批处理来自另一个世界的岩石和土壤的人类，这也非常令人兴奋，太空物质将彻底告诉我们月球的起源。

我第一次近距离看到月球是在戴夫回到麻省理工学院的时候。我记得绿楼的电梯在12层打开。戴夫站在那里，他身材中等，戴着眼镜，身旁是两位强壮的联邦探员，他们穿着制服，带着枪。他们负责保护月球样本。那时，这些样本在收藏家市场上的价格高达数百万美元。一毫克都不能少。戴夫看上去又累又紧张，他已经离开很长时间了，一直受到监视，而他还有工作要做。

当说起月球样本时，大多数人会立刻想到月岩，也许是你可以拿在手里的大块岩石。但“阿波罗号”带回的物质很大一部分是月球土壤，也就是风化层。风化层中最细的部分是粉末状的岩石，这些碎石非常小，以至于你无法在显微镜下分辨出它们。这是一连串宇宙“洗礼”的结果，从强大的小行星到不停歇的太阳风都起了作用。这种“超粉末”有一些奇怪的性质，最明显的是，它能附着在接触到的任何东西上，就像静电复印机的色粉一样。戴夫的任务是把这些粉末从一个2号电池大小的瓶子转移到三四个更小的瓶子中（约有7号电池的大小），以便将样本分发给附近的实验室。

这听起来很简单。只需要将较大瓶里的粉末倒在一张3英寸大小、表面像玻璃般光滑的光粉纸上，再轻轻地把少量粉末舀到小瓶里。戴夫重复过几百次这样的事情，每次不会超过一分钟。但这次的难度要更大。神情严肃的警卫站在两边，一小拨学生也在周围徘徊。戴夫把大瓶子倒过来的时候，他的手有点颤抖。黏性的粉末粘在了玻璃壁上倒不出来。他用食指轻敲了几下，并没有什么用，他又敲了几下。

突然间，所有的月球尘埃一下子全部“噗”地涌出，它们真的只有很小的一堆，大约只有一个好时巧克力的大小，但在当时那种情况下，看起来似乎有很多。灰尘扬了起来，沾在戴夫的手指上，超过光粉纸的边缘撒到桌子上。我们肯定都吸入了空气中一些最细小的微粒。没人说一句话。

这并不是一场灾难，因为几乎没有造成什么损失，粉末最终被成功转移了，联邦探员最终把小份的粉末交给了其他实验室。现在回想起来，我们都觉得这相当有趣。几天之后，在完成转移的实验室工作台上方，我们整齐地裱好了那张3英寸见方的光粉纸，上面有戴维·沃内斯左手食指在月尘中留下的近乎完美的印记。

后来，美国又进行了四次阿波罗登月计划，最后一次是在1972年12月，阿波罗17号登月，并从陶拉斯-利特罗谷（Taurus-Littrow Valley）带回了超过240磅的样本，这片地区被怀疑存在月球火山活动。这是最后一次任务，自此40年来没有人再回到月球。然而，在休斯敦的NASA约翰逊航天中心月球样本大楼的无菌箱里小心保管的月球样本，还有位于得克萨斯州圣安东尼奥的布鲁克斯空军基地的安全备份收藏，仍然为研究人员提供了丰富的研究机会。

在最后一次阿波罗计划结束的几年后，这些样本为我提供了第一份真正的工作，担任卡内基研究所地球物理实验室的博士后研究员。我的任务是检查来自阿波罗12号、阿波罗17号和月球20号（苏联三次无人登月任务之一，带回约三分之一磅的月球样本）的成堆的“细颗粒”。月球土壤的细尘中夹杂了许多泥粉砂大小和沙子大小的颗粒，我的工作就是扫描成千上万的颗粒。我花了很长时间在显微镜前，凝视着绚丽的红红绿绿的小晶体、闪着光的彩色玻璃一样的小球，它们都是经历数十亿年陨石轰击后留下的岩石残骸。

每当我分离出几十个看起来不错的颗粒，我就对每个不寻常的颗粒进行三种分析。第一种是单晶X射线衍射，用来判断我面对的是什么样的晶体。我的研究主要集中在普通矿物橄榄石、辉石和尖晶石上。如果我找到了一个很好的晶体，我会小心地调整颗粒方向，测量它的光学吸收光谱（也就是它吸收不同波长的光的方式）。例如，绿色橄榄石晶体通常吸收红色波长的光，相反，红色尖晶石晶体则会吸收更多绿色波长的光。我还测量了任何不寻常的玻璃球的光谱，观察吸收光谱中有迹象的波动，以发现更稀有的元素，例如铬和钛。一个令人难忘的“灵光一现”的时刻是一个在波长625纳米上发现的小峰值，它微微吸收了红橙色波长，这标志铬元素在月球上的存在，但它与地球上的铬有很大不同。

最后，在完成了X射线和光学操作后，我会用一种叫电子探针的奇特分析机器，来确定样本中元素的精确比例。我一次又一次地证实了其他人的发现：月球表面的矿物虽然在主要元素上与地球相似，但在细节上又大相径庭。月球的矿物包含更多钛元素，铬元素也不尽相同。

阿波罗计划带回的岩石提供了各种线索，它们对月球形成的各种理论提出了严格的限制。一方面，结果证明，月球与地球大不一样，月球的密度要低得多，它也没有一个体积和密度巨大的铁金属核心。地核占据了地球近三分之一的质量，但月球微小的核不到其质量的3%。其次，月岩中几乎没有最易挥发元素的踪迹，这些元素往往在变暖时蒸发。氮、碳、硫和氢在地球表面非常常见，但在月球尘埃中却找不到它们的身影。这些缺失意味着，月球与地球不同，地球被液态水覆盖着，土壤中含有丰富的富水矿物，比如黏土和云母，但阿波罗计划没有带回任何含水的矿物。一定有什么东西曾冲击或炙烤过月球，除去了这些挥发物，因为月球表面现在是一个极严酷干燥的地方。

阿波罗计划的第三个关键发现基于氧元素，或者更具体地说，是氧的同位素分布。每一种化学元素都是由原子核内带正电的质子的数量来定义的。这个数字是唯一的，氧的另一个名字可以说是“有8个质子的原子”。原子核中还有第二种粒子，即电中性的中子。宇宙中超过99.7%的氧原子有8个中子（8个质子加上8个中子生成一种叫作氧-16的同位素），而更罕见的同位素包含9个或10个中子（分别是氧-17和氧-18），后者只占不到1%。

氧-16、氧-17和氧-18在化学行为上几乎相同，你可以呼吸氧的混合物，而不会注意到任何差异，但三者的质量不同。氧-18比氧-16重。因此，无论何时，当含氧化合物从固态变为液态，或者从液态变为气态，质量较轻的氧-16都更容易变动。在动荡的新生太阳系中，这种状态变化司空见惯，它们导致氧的同位素的数量产生变化。结果就是，氧-16与氧-18的比例因行星而异，这一比例与行星形成时距离太阳的位置息息相关。阿波罗计划带回的岩石揭示了月球氧的同位素比例实质上与地球的比例相同。换而言之，地球和月球一定是在距离太阳大致相同的位置形成的。

那么，这些发现对那三个相互矛盾的月球形成假说意味着什么呢？共吸积理论从一开始就陷入了困境。如果月球是由地球的残余物形成的，那么它的平均成分应该是与地球相似的。诚然，月球和地球的确在氧的同位素比例上相匹配，但共吸积理论不能解释铁和挥发物的巨大差异。月球的总成分与地球完全不同，它们不可能是由同一种物质形成的。

成分差异也给俘获理论带来了无法解决的问题。行星运动的理论模型表明，任何被捕获的星子一定是在太阳星云中形成的，它和太阳的距离与地球和太阳的距离大致相当，因此平均成分应该大致相同。但月球不是这样的。当然，一个月球大小的物体可能在太阳星云的另一片区域形成，随后进入了环地球轨道，但是轨道动力学的计算机模型要求这样的月球达到相对于地球来说很高的速度，这让捕获场景几乎不可能实现。

这就只剩下了乔治·霍华德·达尔文的裂变理论。它能成功地解释相似的氧同位素成分（地球和月球是一个系统），以及铁元素的差异（地核已经形成，而形成月球的团块是地球分化出的贫铁地幔的一部分）。它完美地契合了这样一个事实，月球总是以同一侧面向地球，地球的自转和月球的轨道都围绕着地轴旋转，二者是同步的。但一个大问题仍然存在：从月球上消失的挥发物去哪里了？

物理定律同样阻碍了裂变理论的发展。在阿波罗登月计划期间，计算机模拟行星形成的技术已经发展到一定水平，理论学家可以满怀信心地研究快速自转的地球大小的岩浆球体动力学。简单来说，裂变理论行不通。地球的引力太强了，无法将一大块熔化的岩石向外甩入轨道。事实上，熔融状态的地球必须以一个大到难以置信的速度，约每小时一圈绕轴旋转，才能抛出一个月球大小的球体。地月系统根本没有足够的角动量来实现这一点。

也就是说，三种流行的月球形成理论都不符合阿波罗计划后得出的数据。一定还有别的解释。

月岩的证词

行星科学家如果不善于讲故事，就毫无用武之地。阿波罗带回的观测结果否定了他们1969年以前关于月球形成的三个已有假说，但没过多久，他们就从确凿的事实中提出了一个新的想法。阿波罗带来的有关月球成分的新线索提供了一个关键事实，那就是月球或多或少看起来像地球。它和地球有相同的氧同位素成分，大多数主要元素也相同，尽管月球的铁和挥发物很少。这些组成成分的数据必须与我们几千年来所知道的轨道线索合为一体：月球绕地球的轨道与行星绕太阳的轨道，几近在同一平面和方向上。地球的自转轴有23度的倾斜（这就是季节更替的原因）。月球总是同一面对着我们。

早期的月球形成模型往往忽略了地月系统以外的轨道线索，包括一些明显不同于太阳系一般模式的显著例外。首先，金星的自转方向与其他行星相反。这看起来好像不重要，但金星几乎和地球一样大，它的旋转方向居然不对！更奇怪的是巨大的天王星，太阳系中第三大的行星，它的旋转轴是横着的，所以它就好像是在沿着围绕太阳的轨道“滚动”。其他行星的卫星也有奇怪之处。海王星最大的卫星海卫一，其大小与地球的卫星月球相当，它的轨道与海王星的自转形成一个陡峭的角度，这与太阳系其他部分的方向都相反。

科学文化有一个奇怪的方面，可能会让那些没有参与其中的人反感。一方面，我们会提出一些简洁的理论，把许多奇怪的事实放在一起解释。比如，所有的行星和卫星都在同一个平面上围绕太阳向同一个方向运行，这个事实表明它们起源于同一个旋转星云。但随后我们发现了例外，而这些例外被视为奇怪的异常现象。金星的自转方向不对？海卫一的运行方向错误？没问题。它们这些异常现象只是在大框架下偶然发生的。

同样的情况使许多公开讨论变得复杂，比如关于全球变暖的辩论。许多科学家预测，大气环境的改变将使全球平均气温升高几度。但这种变化也可能导致极端的天气，或许意味着美国南部会出现更严重的暴风雪。全球变暖可能会改变洋流，比如湾流，并最终将北欧变成一个更冷的西伯利亚式大冰库。像这样的异常现象助长了全球变暖的反对者的声音：科学家说世界会变得越来越热，但你刚刚经历了你所在的地区历史上最大的一场暴风雪。你该如何回应？一个明智的回答是，自然是令人震惊的，它丰富多样，复杂多变，交错联结，有着混乱而漫长的历史。无论是在行星轨道上，还是在北美的天气中，异常现象都不能被视作可忽视的细节而抛掷一旁，它们恰恰是理解真正发生之事的关键所在。我们发展出了巨大且普遍的模型，来描述自然是如何运作的，然后我们用各种奇怪的细节来完善最初的不完美模型（或者，如果特例压倒了规则，我们将重新整合出一个新模型）。这就是为什么优秀的科学家对异常现象非常着迷。如果我们了解一切，我们能够预测一切，那么早起一头扎进实验室就没有意义了。

在探讨月球的起源问题时，那些不同于整体趋势的例外，即那些细微的轨道异常现象，催生了“大喷溅”或“大撞击”模型的概念，该模型产生于20世纪70年代中期。1984年，在夏威夷召开的一次重要会议上，起初一系列相关但缺乏事实依据的假说融合成了公认的观点。行星形成专家聚集在一起，权衡所有选项。在这样一种令人振奋的环境中，奥卡姆剃刀[2]占了上风。它提出，符合事实的最简单的解决方案很可能是正确的。大撞击刚好符合了要求。

为了理解这个激进的想法，回想一下45亿年前行星刚从众多相互竞争的更小的星子中形成的时候。当地球的直径接近目前8 000英里的大小时，它在一系列巨大的撞击中吞没了几乎所有邻近的剩余天体。地球与数百英里宽的天体发生的倒数第二批碰撞十分壮观，但它们对地球这颗更巨大的原行星几乎没有什么影响。

但并非所有的撞击都是一样的。在地球的历史上，有一件事或说有一天显得与众不同，它比任何其他时刻都更值得纪念。大约45亿年前，当太阳系存在了5 000万年时，黑色的原始地球和一个稍小的行星大小的竞争对手正在争夺太阳系中同一片狭窄的地盘。本来会成为行星的这个较小的天体（名叫忒伊亚，以孕育了月球的泰坦女神命名）已经差不多是行星的大小了，大约是火星大小的2~3倍（或者说约是地球质量的三分之一）。天体物理学中有一条规则：没有两颗行星能共享同一个轨道。它们终会相撞，而更大的行星总是会获胜。地球和忒伊亚也是如此。

越来越接近真实的计算机模拟提供了主要的方法，科学家试图通过这些方法了解可能发生的事情。一次巨大的碰撞是由物理定律所控制的，因此人们可以在各种初始条件下进行成千上万次模拟，看看最终是否会产生月球。答案与初始参数密切相关：原始地球的质量和成分、忒伊亚的质量和成分、它们的相对速度，以及撞击的角度和位置。大多数组合根本行不通，月球不会形成。但有几种模型出乎意料地成功，并产生了一个地月系统，极像我们今天看到的样子。

美国自然博物馆中展出的一块月球岩石，由阿波罗16号宇航员采集

在一个经常被描述的版本中，这次撞击被视为一次坚实的擦边侧击，巨大的忒伊亚将更大的地球撞得微微偏离中心。从太空中看，这个过程像是以慢动作播放的。在接触的那一刻，两个世界似乎一开始是在轻轻地接吻。接下来的四五分钟里，忒伊亚就像一个软面团甩在地上一样被砸烂，地球却没有受到太大影响。10分钟后，忒伊亚几乎被压扁，而地球开始变得没那么圆。碰撞发生半小时后，忒伊亚被完全抹去，而受伤的地球也不再是一个对称的球体。炙热的岩石蒸发了，从裂开的伤口中喷出发光的液体，遮蔽了被破坏的世界。

另一个被广泛引用的设想，最早在20世纪70年代被提出，并在接下来的20年间不断完善，提出者是哈佛-史密森尼天体物理中心的理论学家阿拉斯泰尔·卡梅隆（Alastair Cameron）。在他引人注目的猜想中，忒伊亚的质量约为原始地球的40%。同样，一次偏离中心的撞击发生了，但在这个版本中，忒伊亚几乎猛撞地球并反弹出去，形成一个细长的团块，然后又被拉回来受到致命一击。经过这第二次撞击，忒伊亚永远地消失了。

无论是哪种情况，这场灾难都毁灭了忒伊亚，它蒸发成一片巨大而炽热的云层，温度高达数万度，将地球环绕了起来。忒伊亚也造成了明显的伤害。相当大一部分地壳和地幔同样蒸发了，并向外喷发，与忒伊亚散落的残余物混合在一起。一些物质逃逸到了外太空，但大部分留下的残骸被地球强大的引力束缚在轨道上。在这片翻滚的云中，来自两个天体核心的致密金属混合并冷却成液体，下沉形成一个更大的新的地核。地幔物质同样混合并蒸发，蒸发的岩石形成了地狱般炽热的云层，包围着整个地球。在数天或数周的剧烈变动里，地球经历了一场持续的降雨，但雨滴是炽热的橙色硅酸盐液滴，这些液滴与一个无边无际、赤焰闪闪的岩浆海洋融为一体。最终，地球俘获了曾经的忒伊亚的大部分物质，形成了一颗更大的行星。

但是，忒伊亚并没有被整个俘虏。从太空中看，地球被大量岩石碰撞形成的碎片包围着，这些碎片大多是两个行星幔的均匀混合物。冷却的岩质液滴粘在一起，体积较大的团块会把小的团块一网打尽。最初形成行星的引力聚集过程在极短的时间内重演，月球迅速合并，可能在几年内就达到了现在的大小。

地球-忒伊亚大撞击。忒伊亚与年轻的原始地球发生了巨大的碰撞，忒伊亚的大部分被地球吸收，被撞裂的一部分则飞向宇宙，其残骸汇集到一起形成了月球

行星形成的物理机制决定了月球可能在哪里形成。每一个巨大的天体都有一个看不见的环层范围，叫作洛希极限，在这个极限内由于引力太大，而无法形成卫星。这就是为什么土星有巨大的光环，但在其表面5万英里范围内没有卫星。土星的引力阻止了这些冰颗粒聚集成一个卫星。

从旋转天体的中心计算，地球的洛希极限大约是11 000英里，或者说距离地表约7 000英里。相应地，月球形成模型将新的卫星定位在约15 000英里的安全距离上，在那里，它能够通过合并大撞击后散落的大部分碎片，而有序地生长。因此，据大多数估计，大约在45亿年前，月球诞生了。地球有了一个同伴，它的大部分是由地球自身的碎片组成的。

科学家很快接受了大撞击理论，因为它比任何其他模型都能更好地解释所有主要线索。月球缺少一个铁核，因为忒伊亚的大部分铁被卷进了地球内部。月球缺少挥发物，因为忒伊亚的挥发物在撞击过程中被吹走了。月球总是同一面对着地球，因为地球和忒伊亚的角动量耦合成了一个旋转系统。

大撞击同样有助于解释地球不同寻常的约23度的轴倾角，这个事实在之前任何情况下都没有得到很好的解释。忒伊亚的撞击确实使地球倾斜了。事实上，当意识到月球由巨大的撞击所形成时，人们开始对太阳系中其他行星的异常现象进行猜测。也许更晚些时候，类似的大撞击事件更为常见，甚至成为必要。也许这就解释了为什么金星的自转方向不对，以及为什么它失去了那么多的水。也许就是晚期的一次巨大撞击事件导致了天王星“躺着”旋转。

不同的天空

月球形成是地球历史上的一个关键时刻，其带来的深远影响令人惊叹，直到现在这才成为焦点。45亿年前的月球并不是我们今天看到的这个浪漫的银色圆盘。很久以前，它对地球近地表环境的影响更为突出和明显，造成了难以想象的破坏。

所有这些都归结于一个惊人的事实：月球形成于距离地球表面只有15 000英里的地方，这段距离并不比从华盛顿特区飞往澳大利亚墨尔本远多少。相比之下，今天的月球距离地球有239 000英里。乍一看，巨大的月球似乎完全不可能像这样离地球越来越远，但测量结果不会骗人。“阿波罗号”的宇航员在月球表面留下了闪亮的镜子。从地球发射的激光束到达月球后，会由镜面反射回地球，这样的距离测量能精确到一英寸以内。自20世纪70年代初以来，月球每年都会移动得更远，速度为平均每年3.82厘米，大约1.5英寸。这听起来不算多，但这个数字会随着时间不断累积。按现在的速度计算，每4万年就会增加1英里。如果我们倒带回放，会发现45亿年前的情况完全不同。

首先，月球看起来完全不同。在15 000英里远的地方，直径2 160英里的月球看起来就是个庞然大物，那是我们从未见过的样子。它在天空中有近8度的弧度，大约是太阳视直径的16倍，它呈现在天空中的面积是今天月球的250多倍。

差别还不止这些。早期的月球是一个狂暴的天体，到处是剧烈的火山活动，和我们现在看到的静态的银灰色天体全然不同。它的表面看起来应该是黑色的，从地球上能看到上面的裂缝和火山盆地，其中充满了滚烫的赤色岩浆。原始的满月同样引人注目，月球表面反射的阳光是现代月球的数百倍。在明亮的月光下，你可以轻松地看书，但天文观测就变成了不可能。在年轻的月球强烈的眩光下，夜晚看不到任何恒星或行星。

更戏剧性的是接下来事态发展得有多快。在太空中，由于没有摩擦，旋转的物体会持续旋转数十亿年。像地月系统这样的旋转系统具有角动量的性质，这个量是由两个彼此靠近的圆周运动的组合测量出的。首先是地球围绕地轴的自转，地球自转得越快，它拥有的角动量就越大。相比之下，月球的角动量主要取决于它绕地球运行的距离和速度。它自身的自转不是方程的重要部分。

地球自转加上月球公转的总角动量在过去几十亿年间没有显著变化，但是这两个运动的相对重要性已经发生了很大变化。今天，地月系统中几乎所有的角动量都来自公转的月球。月球离地球的距离是239 000英里，公转周期为29天。位于中心质量更大的地球，每天有24小时的悠闲时光，它的角动量只是月球的很小一部分。（类似地，遥远的气态巨行星几乎承载了太阳系所有的角动量，尽管位于中心的太阳质量占了太阳系质量的99.9%。）

但45亿年前的情况大相径庭。由于月球距离地球只有15 000英里，一切都在以不可思议的速度旋转，就像一个滑冰的人被拽着胳膊加速旋转一样。首先，地球每5小时自转一圈。它绕太阳公转一圈仍需要整整一年（约8 766小时）。在太阳系的历史上，地球公转的周期变化不大。但每年有1 750多天，太阳每5小时升起一次！

这样的估算似乎很奇怪，也无法验证，但至少有两个直接测量数据证实了古代日周期更短的想法。珊瑚礁是一种有力的证据。一些珊瑚物种显示出极其精细的生长线，这种线记录着微妙的日周期和更明显的年周期。正如预料的那样，现代珊瑚每年生长出约365条线，每条线代表一天。但泥盆纪时期古老的化石珊瑚，大约在4亿年前，每年有400多条线，这表明地球自转速度更快。那时每天只有22个小时，月球离地球大约比现在近1万英里。

其次，潮汐韵律层的音调现象提供了补充。潮汐韵律层是一种细粒的层状沉积物，它可以揭示潮汐的日、月和年的周期。犹他州大三叶杨峡谷9亿年前的岩石中包含了潮汐韵律层，对其严谨的微观研究表明，当时的地球每天仅有18.9小时，每年可能有464天，也就是每年有464次日出和日落。人们计算出当时的地月距离是218 000英里，这意味着月球的退行速度与现在非常相近：每年3.91厘米，略高于现在每年的3.82厘米。

疯狂的世界

目前还没有直接证据告诉我们10多亿年前地球的潮汐周期，但我们能确定，45亿年前的情况要疯狂得多。地球不仅每天只有5小时，而且附近的月球在其近距离的轨道上的公转也要快得多。月球绕地球公转一圈只要84小时，也就是现在时间的三天半。地球自转得这么快，月球公转得也这么快，人们熟悉的月亮盈亏的周期也在以疯狂的速度“快进”，每隔几个5小时时长的天数，就会出现新的月相。

这样的事实导致了很多后果，有一些并没有那么好。如此大的月球遮蔽在天空中，加上公转速度如此之快，日食会经常发生。几乎每隔84小时，差不多每当新月出现于地球和太阳之间时，都会出现一次日全食。阳光会被完全遮挡几分钟，恒星和行星突然在黑色的天空中出现，月球炽热的火山和岩浆海洋泛着红光，在黑色的月盘上显得格外耀眼。月全食也很有规律，几乎每隔42小时就会发生，就像时钟一样。在每个满月，当地球正好位于太阳和月球之间时，地球的巨大阴影会完全遮住明亮的月球。月球上的火山会再度映红周围，恒星和行星则会再次突然出现在漆黑的天空中。

巨浪是月球最初离得更近导致的一个更剧烈的结果。如果地球和月球都是理想的刚体，那么它们今天的样子将和45亿年前一样：相距15 000英里，自转和公转快速，日食和月食频繁。但是地球和月球并不是刚性的。它们的岩石可以收缩弯曲，特别是熔融的岩石，会随着潮汐膨胀收缩。年轻的月球在15 000英里外对地球的岩石施加了巨大的潮汐力，而地球也对基本处于熔融状态的月球景观施加了同等的反向引力。很难想象由此产生的巨大岩浆潮汐是什么样。每隔几个小时，地球上大量熔融的岩质表层可能就朝着月球的方向膨胀一英里或者更远的距离，由此产生巨大的内部摩擦，生成更多的热量，从而使地球表面熔融的时间比孤立的行星要长得多。地球的引力则“礼尚往来”，使朝向地球这一侧的月球表面向外膨胀，我们的卫星发生形变，失去了完美的圆度。

这些巨大的潮汐干扰是月球不断远离地球的关键因素。一个直径2 160英里的天体，如何从15 000英里移动到239 000英里之外？答案是角动量守恒，也就是说，地球角动量和月球角动量之和保持不变。物理学定律表明，无论地月系统在其初始时具有多大的角动量，它必定一直基本保持到今天。

45亿年前，地球每隔几个小时就会发生一次巨大的潮汐隆起。但是，由于地球表面绕地轴旋转的速度（每5小时一圈）比月球绕同一轴公转的速度（每84小时一圈）要快，带着额外质量的潮汐隆起始终处于领先位置，不断地在引力的作用下拉着月球，每公转一圈，就把角动量从地球转移到月球上一部分。大约400年前，德国数学家约翰内斯·开普勒首次提出了行星运动的不变法则。开普勒定律说，卫星具有的角动量越多，它离中心行星的距离就会越远。每公转一圈，月球都会不可避免地远离地球一些。

在地球的潮汐隆起拉着月球的同时，潮汐变形的月球也以相等的反向引力拉着地球上的巨大隆起，从而使地球每自转一次，自转的速度就会变慢一些。这就是角动量守恒的作用。月球公转越快，它离地球越远，它所获得的角动量就越多。为了抵消这一点，地球不得不以更慢的速度自转，来保持地月系统的总角动量不变。再想想花样滑冰运动员是怎样在伸出双臂时减缓旋转速度的。在45亿年的时间里，地球的自转速度从每5小时一圈，减缓到每24小时一圈，而月球在这个过程中越走越远，并获得了许多角动量。

并不是每个行星-卫星系统都遵循这样的故事发展。如果行星自转的速度比卫星公转的速度慢，那么必然会随之产生制动效应。行星上的潮汐隆起就会落后，卫星将随着每次公转减速，并越来越接近它的末日。最终，卫星将盘旋进入行星，并被行星吞没，这是关于大撞击主题的另一个版本。也许这就是逆行的金星没有卫星的原因。也许，一个曾绕轨道运行的卫星的灾难性死亡，可以解释为什么金星失去了水，变成现在这样一个严酷、高温、死气沉沉的世界。

在地月系统的早期历史中，从减速的地球到加速的月球之间的角动量交换比今天要大得多。在月球形成后的最初几百年里，两个天体都被汹涌的岩浆海洋所包围，这些岩浆海洋可以弯曲变形。地球上巨大的岩浆潮汐和月球上相似的岩浆膨胀，可能是月球每年后退几十或几百英尺的原因，尽管地球的自转从最初疯狂的速度开始稳步减缓。但这些巨大的陆地潮汐不可能持续太久。随着地月距离的增大，潮汐力减弱得更加明显：距离变大为两倍，引力就会减少到四分之一。三倍距离则意味着引力只不过是以前的九分之一。

月球表面的陨石坑，大部分来自重轰炸事件

反复的潮汐压力推迟了地球的凝固，但并不能完全阻止凝固。在大撞击之后的千百万年间，地球和月球的表面都铺上了坚硬的黑色岩石。起初，陆地潮汐仍然明显，固体岩石的变形仍然很大，但它们已经不像之前的岩浆海洋那样每天经历剧烈的膨胀了。

月球仍然是一个发光的提示，提醒我们宇宙是一个创造和毁灭交织的地方。即使在今天，我们也无法避免来自宇宙的灾难性冲击，致命的小行星和彗星仍不时穿越地球的轨道。数千万年前，一块巨石毁灭了恐龙；从现在起的千百万年后，其他巨石也将不可避免地命中目标。如果生存是人类作为一个物种最重要的群体任务，那么我们最好时刻观察着天空，因为我们最近的宇宙邻居提供了无声的证据：虽然变化通常是渐进的、良性的，但也可能会出现真正要命的那一天。

[1] 戴夫指戴维·沃内斯。——译者注

[2] 奥卡姆剃刀，是由14世纪逻辑学家、圣方济各会修士奥卡姆的威廉提出，这个原理称为“如无必要，勿增实体”，即“简单有效原理”。——编者注

地 球在其漫长的历史中经历了许多次变革性事件。大撞击无疑是最具破坏性的，随后形成的月球产生了可能最为深远的影响。但是，巨大的月球独自绕着一颗充满挥发物的行星运行，绝不是化学和物理定律的必然结果。

哪怕地球和忒伊亚之间古老的相互作用中出现一丁点微小的变化，月球形成的故事可能就会变得非常不同。如果撞击得更正，直击中心，更大一部分忒伊亚的质量将变成地球的一部分。那样的话，我们很可能就不会拥有卫星，因为忒伊亚和地球会合并成一个更大的没有卫星的行星。又或者，如果忒伊亚与地球擦身而过，它的轨道可能会大大改变。它可能会被朝内抛向金星，或者朝外扔向火星，永远离开地球这个邻居。如果撞击得更偏一些，散布的碎片可能会产生数颗卫星来装点地球的夜空，尽管这些卫星会小得多。

偶然性在我们不断变化的宇宙环境中扮演着重要角色。我们太阳系的历史是由一连串撞击和差点形成撞击的事件组成的。灭绝恐龙的小行星也有可能偏离目标，拯救霸王龙和它们的后代，让恐龙再进化数千万年。也许，聪明的鸟会变成有智慧的飞行工具制造者。也许，漫长的中生代里矮小的哺乳动物永远不会有多大的成就。只要在这里或那里稍加改动，地球就会走上一条截然不同的道路。

但是，宇宙的某些方面又是必然的、确定的。从大爆炸那一刻起，大量的质子和电子，以及相应产生的氢和氦，就被植入我们的宇宙中。恒星的形成是大量氢和氦产生的不可避免的结果。通过核聚变反应和超新星爆发合成的其他所有元素，同样是富氢恒星形成的注定结果。还有各种引人瞩目的行星的吸积，比如类地行星、类火星行星、类木星行星，以及至今才发现的围绕遥远的恒星运行的几十种行星，它们是所有这些化学元素合成之后的必然结果。

冥古宙时期的地球景象。冥古宙是地球的“炼狱”时期，巨大的火山喷发，熔岩流动，流星和彗星撞击还未硬化的地表，整个星球像是被火笼罩。但就在这地狱一般的地方，高温使地球产生了水并渐渐出现了海洋的雏形、有机分子，将地球推进到下一个阶段

因此，后忒伊亚时代的地球进入了一个冷却和自我组织的动荡时期。那个新生的世界是什么样的？地质学家将地球历史的最初5亿年称为冥古宙，因为他们知道，那时的地球环境一定如地狱般恶劣。一些有根据的推测描绘出了地球冥古宙的壮观景象：含硫的火山喷发、炽热的熔岩河，还有小行星和彗星的持续轰炸，不断地搅乱地球表面。然而，如果想知道地球最初数亿年的任何细节，我们还面临着严峻的挑战，因为我们完全缺乏实物证据。

关于地球的起源，我们有来自太阳系的丰富记录，这些记录是太阳和无数被引力束缚在其周围的物体提供的。数以万计的陨石让我们对星子时代有了最详细、深入的一瞥。每一块月岩和每一粒月球土壤中都能找到月球起源的细节。但没有任何东西能从地球最早的时代幸存下来，至少我们找不到有关地球自身的任何东西。没有一块岩石碎片，也没有任何矿物颗粒。

但值得注意的是，这些证据仍有可能以陨石的形式存在。这些陨石在数十亿年前的巨大撞击中从最早的地球表面喷出，随后又落回地球，或者落在附近的月球上。类似的样本一定存在，也许还有很多，有些样本一直以来几乎完全没有改变。事实上，寻找地球上最早的遗迹被认为是重返月球的许多科学层面的理由之一。对月球表面进行严格的地质调查，也许我们能幸运地找到一些不寻常的冥古宙时期的石头，从而揭示地球遥远过去的真相。

若能找到一块最早的地表硬化样本当然很好，但我们现在也并非完全没有头绪。因为虽然地球不断地变化，但化学和物理定律从未改变。45亿年前，同样的化学和物理定律主宰着地球，直到今天依然如此，地球再未经历过任何真正的巨大撞击，也未出现其他影响整个行星的复杂问题。

基本必然性

地球的早期演化是两种相互交织的化学现实形成的结果，分别是宇宙化学（制造元素）和岩石化学（制造岩石）。首先是宇宙化学，以及行星产生的所有较重的元素，也就是元素周期表中除了氢和氦（第一行的一号和二号元素）之外的所有元素。在我们的宇宙中，一些化学元素注定要占主导地位：氧、硅、铝、镁、钙和铁，它们的含量远远超过了其他所有重元素，特别是在岩质类地行星中更是如此。这6种元素占了地球质量的98%，它们在月球、水星、金星和火星所占的质量比例同样是这么高。

地壳的元素含量占比。地壳中含量排名前十位的元素是：氧(O)、硅(Si)、铝(Al)、铁(Fe)、钙(Ca)、钠(Na)、钾(K)、镁(Mg)、氢(H)、钛(Ti)

六大元素中的每一种，都有自己独特的化学故事。每种元素都以自己的方式，帮助地球在大撞击后不可避免地变成现在的样子。关键之处在于化学键合。回想一下，当模糊的电子云相互作用，重新形成更稳定的排列时，原子就会聚集在一起，特别是具有2个、10个或18个电子这样神奇数字的原子。为了使这种交换可行，有些原子必须交出电子，而另一些则必须接受电子。

氧是地球的主要电子受体。每个氧原子的原子核中都有8个带正电的质子，以及8个带负电的电子来维持电平衡。但是氧总是在寻找两个额外的电子，凑成10个电子这个神奇数字。这种不断获取的欲望使氧气成为自然界中最具反应性和腐蚀性的气体之一。这真是太讨厌了。

大多数人想到氧气，会最先想到它是大气的重要组成部分（占大气的21%左右，来维持我们的生命）。但这种宜人的大气发展是地球历史上相对较近的变化。至少在地球最初的20亿年里，大气中完全没有氧气。即使在今天，地球上几乎所有的氧气，或说99.9999%的氧气，都被封在岩石和矿物中。当你爬上一座雄伟蜿蜒的山，或者走在一片被狂风吹拂的裸露岩层上，你脚下的大部分原子都是氧。当你躺在沙滩上，支撑你几近三分之二重量的原子是氧。

要使氧作为电子受体发挥这种关键的化学作用，还必须有大量原子能够释放或共享它们的电子。最多产的电子给体是硅，硅大约占地壳和地幔中四分之一的原子成分。硅的原子核中有14个带正电的质子，并由14个带负电的电子平衡。硅通常会放弃4个电子，从而达到10个电子的神奇数字，变成带正电荷的硅离子。在地球岩质的地壳和地幔中，这4个被放弃的电子几乎总是被两个氧原子吞噬，氧原子就会变成带负电荷的离子。因此，几乎在每一种岩石中都发现了强劲的硅氧键，尤其是在石英或二氧化硅中，后者是一个硅原子和两个氧原子组成的。坚硬的半透明的石英颗粒可以保存很长时间，数不清的颗粒堆积在海岸线上，是迄今为止最常见的海滩沙矿物。你或许还会看到新世纪商店里出售的“能量水晶”，它们是精心切割的、美丽的透明石英晶体样本。当你拿着这样一个珍品时，你手中握着的三分之二是氧。

具有硅氧键的晶体统称为硅酸盐，是地球上最常见的矿物，目前已知有1 300多种类型（几乎每个月都有更多的类型被发现）。由于硅氧连接的多功能性，这些硅酸盐的原子结构和性质差异很大，石英和长石具有顽强的耐候结构，宝石绿橄榄石和红石榴石（分别是8月和1月的半宝石诞生石）具有簇状布局，石棉则带有针式链状硅酸盐的某些显著特性，云母之类的矿物薄片曾被用作廉价的窗玻璃替代品。

尽管钙、镁和铝元素的含量低于硅，但它们都在地壳和地幔中最常见的硅酸盐岩石的结构中起着关键作用。作为正离子，就像更丰富的硅那样，它们偶尔会与氧单独结合，形成氧化钙（就是我们用在草坪上的化学石灰），或者生成稀有的氧化镁化合物，以及珍贵的红宝石或蓝宝石（当微量的稀有元素铬或钛与氧化铝结合）。

铁是六大元素中的第六个，是迄今为止功能最多的元素。其他五种元素（氧、硅、铝、镁和钙）都具有一种显著的化学特性。氧几乎总是两个电子的受体，硅几乎总是四个电子的给体，铝则是三个电子的给体，镁和钙则是两个电子的给体。但26号元素铁，则扮演着三个截然不同的化学角色。

铁的多功能性能够从地球的层状结构中体现出来。在以氧为主的地壳和地幔中，大约十分之一的原子是铁，而地球的金属地核则有超过90%是铁。这种强烈的反差源于这样一个事实，这个元素的26个电子远远超过了最接近魔法数字的数量，也就是18个电子，使得铁成了一个出色的电子给体。铁不可能给出8个电子（没有一个原子能接受这么多电子），所以它必须与任何恰好出现的电子受体产生关联。

有时，铁的作用就像镁一样，它释放出两个电子成为+2离子。在这种二价状态下，铁会使许多矿物和其他化学物质呈现出独特的绿色或蓝色。贵橄榄石（含铁的橄榄石）这种宝石具有一种独特的绿色，静脉中缺氧的血液也会呈现蓝绿色，它们都是二价铁透露的信号。在这种色泽下，铁以1∶1的比例与氧结合。由于镁原子和铁原子的大小相似，在地壳和地幔的常见矿物中，这些元素常常自由地相互替代。地球上一些最丰富的矿物，包括橄榄石、石榴石、辉石和云母，都有各种不同的镁铁比，从含有100%镁的无色矿物，到含有100%二价铁的深色矿物都存在。

然而，铁并不限于+2态。在有许多电子受体存在的情况下，铁原子很容易放弃第三个电子，变成一个+3离子。这种三价铁的形式呈现为一种独特的砖红色。红锈斑、红土、红砖和富氧的红色血液，这些鲜艳的色彩都归功于三价铁。和+3价态的铝一样，三价铁以2∶3的比例与氧气结合，形成Fe₂O₃，这是一种常见的矿物，由于它血一样的颜色而被称为赤铁矿。正如镁通常会取代铁的二价态一样，铝通常能取代铁的三价变体。石榴石、闪石和云母等矿物展示了所有可能的铝铁比，这种情况下，富含铁的品种呈现出红色，而不是绿色。

因此，通过在+2态和+3态之间来回切换的有用戏法（我们将在讲述几十亿年后的情况时，也就是当生命第一次出现时，再次讲到这种非凡的能力），二价和三价形式的铁就像六大元素中的其他元素一样扮演着重要角色。但是，铁在地球上还有一个更重要的作用，就是它很容易形成金属。

优质的橄榄石会呈现出一种独特的绿色，与静脉中缺氧血液呈现的颜色很相似，这是二价铁透露的信号

迄今为止，我们介绍的大多数化学键都涉及电子交换，从而产生离子。铝、镁、钙和铁给出电子，氧接受电子。因此，这些键被称为离子键。但金属采用了一种截然不同的键合策略。在金属中，每个原子释放一个或多个电子，从而带上正电。但是那些被流放的电子在金属中以一种黏性的“负电之海”形式存在，它们把所有带正电的原子聚集在一起，就像糖浆中一列列整齐排列的小滚珠一样。铁金属是一个巨大的铁原子集合，这些原子共同享有这样的非定域电子。

这种集体行为带来了极大的影响。首先，所有这些共享的电子都可以自由移动，因此金属可以成为出色的电导体（电只不过是电子受控的流动）。相比之下，在由氧加上镁或铝形成的离子键合材料中，每个电子都被紧紧地锁在一起，以至于电流不可能流动。金属键合的另一个结果是，这种材料倾向于弯曲，而不是断裂。原子周围的电子海可以折叠扭曲，而不失去其总体强度，这与大多数脆性岩石和矿物的性能完全不同。

有洞察力的读者可能会注意到，铁并不是唯一一种拥有金属成形技巧的元素。铝罐、铝箔和铝制家用电线随处可见，镁合金是高科技赛车和其他玩具的重要部件，半金属硅是每一个电子产品的核心部件（所以才有“硅谷”一说）。但是金属铝、镁和硅是化学工业的现代奇迹，将这些顽固的元素与氧分离，需要巨大的能量，它们的金属态在自然界几乎从未形成。

铁对氧的依附性较低，而在化学键合伙伴中则更为多变。与硅、铝、镁或钙不同，铁非常乐意与其他电子受体结合，特别是硫，它们形成的硫铁化合物就是闪亮的黄铁矿，也被称为“愚人金”。与其他元素不同的是，铁很容易形成一种致密金属，从而沉入行星中心，形成其巨大的核。

熔融的地球

六大元素中的每一种元素都是恒星爆炸和类地行星演化的必然结果，它们也是地球上富含岩石的成因。它们独特的化学行为使我们的星球进入一个不可逆的转变过程，从而形成我们今天栖居的世界。但在岩石形成之前，地球必须冷却下来。

再次想象一下形成月球的撞击所带来的狂暴岁月。在几天或几周内，地月系统仍然在“解决”什么将成为地球，什么将成为月球的问题。在后忒伊亚时代的早期，地球和月球都没有固体表面。合并形成的两颗星球都被环绕的岩浆海洋所包围，岩浆翻滚着，发出炽热的红光，在数千度的温度下，炽热的熔融硅酸盐大雨倾盆落下。

随着空气从忒伊亚的残骸中排出，高炉一样的热量从地球辐射到冰冷的太空真空中，无情地冷却了地球的外壳。即便如此，宇宙事件还是协力让地球表面保持熔融状态很长一段时间。首先，体积大的小行星不断地撞击地球。每次碰撞都会增加更多热能，使撞击区域过热，阻止了形成稳定地壳的任何尝试。来自附近月球的强烈引力引发的潮汐也帮助地球维持在液态，因为赤道汹涌隆起的岩浆每5个小时就会席卷地球一遭，将任何薄而坚实的表面组织击碎。地球上拥有大量的高放射性元素，比如铝和钨的同位素，它们尽管寿命短暂，但能不断生热；还有寿命很长的铀、钍和钾的同位素，这些元素持续地增加了更多的热量。而年轻的、不断膨胀的大气，在火山喷发的富含二氧化碳和水的蒸气的推动下，可能通过诱发“超级温室”的状态，放大这些影响。

不知熔融状态维持了多久，也许是100年，也许是10万年，无论哪一个都不过是地质上的一瞬间。但冷却和硬化是注定的。热力学第二定律表明，缺乏大量新能量输入的热物体一定会冷却，物体越热，冷却速度就越快。

热量传输有赖于三种常见的机制。首先是传导。当较热的物体接触较冷的物体时，热能一定从热向冷流动。如果你的脚曾经因走在太阳晒烫的人行道上而被灼伤，或者手曾因接触火炉而被烫起过泡，那你肯定对这个过程深有体会，这都是由于原子的不断运动造成的。温度较高的物体中原子的运动会更剧烈，温度较低的物体中原子运动则较为缓慢。当较冷的物体接触到较热的物体时，后者内部有更为狂暴的原子，一些剧烈的运动通过原子之间的碰撞而转移。如果你接触到的热物体足够热，它会破坏你皮肤中的分子，杀死细胞，造成灼伤。传导是一种很好的局部传热方式，能将热量从一个物体传到邻近的物体上，但在行星尺度上，它就变成了一种相当糟糕的传热方式。从一个运动的原子到另一个原子，需要很长的时间来转移热量。

对流是一种更好的冷却行星的方法。通过对流，热原子的集合可以大规模地转移热能。当你烧开水的时候，你就会感受到对流。把水倒进锅里，把火开大，然后等着水烧开。这个过程起初是缓慢的，因为热锅接触到了冷水，锅中的金属原子与水分子互相碰撞，会先通过传导转移热量。但很快，另一种机制出现了。底部被加热的水开始膨胀，上升穿过温度更低、密度更大的表层水中，将热量一股脑地转移到表面。同时，温度较低、密度较大的表层水下沉到加热的底部。热交换的过程越来越快，水柱不断上升和下沉，直至沸腾。通过热水上升和冷水下降的对流循环，大量的水以快速有效的方式，将热量传遍液体。

在地球的更大尺度上，在夏季凉爽的离岸微风中，在从赤道到北极的大洋环流中，在雷电交加的狂乱暴雨中，在沸腾的温泉和喷涌的间歇泉中，对流反复出现。地球内部也是如此，在那里，承受着高温高压的岩石在千百万年间被软化至流动，就像太妃糖一样。地表附近温度较低、密度较大的岩石下沉，而温度较高、密度较小的岩石则上升取代了它们的位置。在地球历史上，对流一直是行星冷却的主要驱动力。

第三种传热机制是辐射。任何热物体都会以红外辐射的形式向较冷的环境辐射热量，这种辐射以每秒186 000英里的速度在真空中传播。这种常见的能量形式，在你放松下来晒太阳时非常明显，其性质与可见光的波动相似（尽管热辐射的波长稍长）。或许最明显的红外能量来源就是太阳，它让地球沐浴在红外辐射中，这些辐射用了大概8.3分钟穿过真空到达地球。另一个常见的例子是电暖气、壁炉里的火和一种老式热水散热器。每一个较热的物体都会向较冷的环境辐射热量。你的身体也不例外。这就是为什么一个拥挤的礼堂会变得非常热，每个人都像一百瓦的灯泡一样散发着热量，要是戴上一副夜视镜，就很容易证实这一点，它能使发出红外线的人和其他动物在黑暗中看起来像发光一样。

无论是传导、对流还是辐射，传热速率都取决于较热物体和较冷物体之间的温度差。温差越大，传导越快，对流越剧烈，辐射也就越强烈。地球是一个温暖的星球，它在冰冷的太空中绕着太阳运行，一直将热量辐射到太空中。但是，炽热的后忒伊亚时代的地球以一种现代地球无可匹敌的速度，将其多余的热能送入太空。它在黑暗的太空中发着光。

最初的岩石

由于地球在太空中巨大的热损失，形成岩石地壳是不可避免的结果。在某个地方，很可能是在地球上潮汐压力较小的两极附近，熔融的表面冷却到了足以形成最早的晶体的温度。但冷却和结晶绝非易事。许多日常物质都在特定温度之下由冷却的液体变成固体，这温度就是我们熟悉的凝固点。液态水在32华氏度（0摄氏度）结冰，汞金属在-38华氏度（-38.87摄氏度）凝固，而乙醇（常见的酒精）则在-179华氏度（-117.3摄氏度）凝固。但岩浆就不一样了。岩浆的奇怪之处在于，它没有凝固点（尽管对超过2 500华氏度的岩浆来说，说它具有“凝固点”听起来有点矛盾的意味）[1]。

让我们从45亿年前忒伊亚刚刚形成时说起吧，那时地球和月球在10 000华氏度的环境下共享一个发光的硅酸盐蒸气的大气。随着温度降到5 000华氏度、4 000华氏度，然后是3 000华氏度，那种地狱一样的岩石气体迅速冷却，最终凝结成液滴，岩浆像下雨一样落在这个新的孪生世界里。就在那时，最早的晶体开始形成。

块状玄武岩。从地球深部喷涌而出的炙热岩浆，遇冷迅速形成坚硬的玄武岩。玄武岩也是洋底岩石的主要成分

这些关于地球第一批岩石的故事是实验岩石学家的科研领域，他们设计了新的实验室技术，加热并挤压岩石，模拟地球深处的环境。探索岩石起源面临两项技术挑战。首先，你需要控制难以想象的数千度高温，那比你家里的任何烤箱或炉子都要热得多。为了达到这一点，科学家将铂丝加工成线圈，线圈的间隔经过精心设计，通过线圈输送巨大的电流来达到极端温度。更具挑战性的是，在样品受到比大气压高出几万或几十万倍的巨大压力的同时，必须维持这种高温。为了完成这项艰巨的任务，研究人员采购了大型液压缸和巨大坚固的压力机。

一个多世纪以来，卡内基研究所的地球物理实验室，也就是我的科学“大本营”，一直是勇于探索地球深层真相的科学中心。在小哈滕·S. 约德（Hatten S. Yoder，Jr.）不幸于医院离世前，我曾有机会和他短暂地共事过一段时间，他是实验岩石学的先驱之一，也是世界上研究玄武岩起源的顶级专家。约德身材高大，充满活力，热情且专注，他是这一领域的杰出代表。作为“二战”中的海军军官，他对巨大的金属硬件非常了解。20世纪50年代，他加入了地球物理实验室，利用海军多余的炮筒和装甲板建造了高压实验室，这些部件仍然被喷成了战舰的灰色。高压实验室不仅塑造了他半个世纪的职业生涯，也塑造了我们对脚下地面的理解。

约德装置的核心部件是一枚“炸弹”，那是一个直径1英尺、长20英寸的巨大钢瓶，上面有一个直径1英寸的小孔。炸弹的一端连着一串气泵、压缩机和增强器，能够产生1.2万个大气压的惊人压力，这种压力相当于地表25英里以下位置的压力，如果仪器出现灾难性的故障，它包含的能量相当于一根炸药的爆炸力。炸弹的另一个开口端会放上1英尺长的岩石样本堆，以及一个直径6英寸的大六角螺母。我们会用一把3英尺长、20磅重的扳手拧紧螺母，把装置密封起来。

哈滕·约德这个仪器的优点在于，我们可以把粉末状的岩石和矿物样品装进小金管中，把这些管子装进圆柱形的加热器里，然后把整个装置固定在炸弹的压力舱内。加压，打开电加热器，接着炸弹完成所有的工作。每一次实验最多会用6个小金管，每次运行几分钟到几天不等。哈滕·约德非凡的发明非常适合研究地壳和上地幔中岩石是如何演化的。

哈滕·约德和他的同事发现，富含六大元素的炽热的熔体通常会在温度低于2 700华氏度时开始凝固，形成硅酸镁橄榄石晶体。在地球和月球上，在很久以前的冷却期，美丽的绿色小晶体开始在岩浆中生长，形成微小的晶种，并不断生长到弹珠、豌豆和葡萄的大小。但是橄榄石的密度通常比它所在的液体密度要大，所以第一批晶体开始下沉。随着晶体越来越大，它们下沉的速度也越来越快，在深处累积了巨大的质量。这些质量来自几乎纯粹的晶体，而这些晶体形成了令人惊叹的绿色岩石，称为纯橄榄岩。今天在地球上这种岩石相对罕见，只有在特殊情况下才会出现在地表上——隆升和侵蚀的造山运动，会将这种在地球深处形成的独特致密的橄榄石堆积岩暴露出来。

橄榄石晶体不断下沉，逐渐改变了地球和月球内部冷却的岩浆。剩余的热熔体也改变了成分。当镁逐渐耗尽时，热熔体相应地变得更富集钙和铝。在月球上，当岩浆海洋继续冷却时，第二种矿物开始形成。一种由钙铝硅酸盐构成的长石叫钙长石，它开始与橄榄石一同结晶，形成白色的块。与橄榄石不同，钙长石的密度低于它所处的液体的密度，所以它会漂上去。在月球上，大量钙长石突然出现在岩浆海洋的表面，形成一个巨大的壳，这个壳由漂浮的长石山脉构成，它高出熔融的表面可达4英里。这些灰白色的物质被称为月球高地，占据了月球65%的反光的银色表面。它们直接从岩浆海洋中升起，是月球上已知最古老的岩层。“阿波罗号”带回的样本揭示了这些独特的钙长石古老年代的范围，从39亿年一直到45亿年左右，也就是大撞击发生后不久。

在地球上，由于成分更湿润，岩浆海洋更深，拥有更大的内部温度和压力，故事的展开就有了些许不同。在地球历史早期的近地表、低压环境中，可能有少量的钙长石结晶，但那是一种很次要的矿物。相反，富含镁的辉石大量出现，成为最常见的链状硅酸盐矿物，它们与橄榄石混合在厚厚的晶体泥浆中。因此，地球上最早的岩石主要以一种坚硬的墨绿色岩石中的橄榄石和辉石为特征，这种墨绿色岩石被称为橄榄岩。各种各样的橄榄岩开始在地球靠外的50英里范围内结晶，这个过程可能始于45亿年前，并持续了数亿年。

硅酸盐矿物

尽管橄榄岩很早就大量存在，但在今天的地表中它是相对稀有的。一个有说服力的设想是，大量橄榄岩变硬冷却，形成了地球最初短暂的刚性表面。但就像它的纯橄榄岩前身一样，冷却的橄榄岩的密度比热的岩浆海洋的密度要大得多。橄榄岩表面因此破裂、弯曲，并沉入地幔，移动上来的岩浆则冷却形成更多的橄榄岩。在数亿年的时间里，地幔缓慢地凝固，形成了一种橄榄岩的传送带，这条传送带在地球靠外的50英里范围内运行。致密的固体橄榄岩与岩浆的比例增大，直到大部分上地幔变成固体的橄榄岩-辉石岩岩石层。

地核的真相

在地幔深处，地壳以下50~200英里的范围内，冷却和结晶过程一定也以类似的方式进行，尽管速度要慢得多。这一过程的细节仍不确定——下一代的高压高温设备必须有能力厘清复杂的过程——但就像在更接近地球表面的环境中那样，通过下沉和漂浮，将晶体从熔体中分离出来或许起到了重要作用。

我们对这些隐蔽的深层区域的了解，大部分来自地震学。地震学研究的是声波在地球深部的传播。地球像铃铛一样不断地发出响声，汹涌的潮汐、轰隆的卡车和大大小小的地震，都会使地球震动，并传播地震波。就像陡峭峡谷中的声波一样，地震波撞击到表面时也会产生回声。地震波表明，地球内部是一个复杂的层状结构。

地球内部构造

在最基本的结构层次上，地球有三层，表面是一层薄薄的、低密度的地壳，中间夹着一层厚厚的、高密度的地幔，中心则是一层更厚的、极为致密的金属核。在这三个区域中，每一个又包含了更多的层次。例如，地幔被划分为三个亚层，分别是上地幔、过渡带和下地幔。以橄榄岩为主的上地幔向下延伸约250英里，在这个深度下，压力迫使橄榄岩中的原子堆积成一种更致密的硅酸盐晶体形式，叫作瓦兹利石，它是地幔过渡带中的主要矿物。下地幔则要再向下延伸约150英里，其特征是富集了一种更为致密的镁硅酸盐矿物。下地幔中的压力非常高，是表面压力的数十万倍，因此硅氧键采用了一种更密集、更有效的原子排列方式，称为钙钛矿。

地球内部结构剖面图

地震研究记录了这些在矿物学上具有差异性的地幔层的性质和范围，大体来说，从一片区域到另一片区域的过渡是齐整和清晰的。这些过渡的确切深度在不同的地方略有差异，比如，在大陆和海洋之下深度就有不同，但每个边界看起来都相对平滑和清晰。与之形成对比的是，地震学提供了一些诱人的证据，表明核幔边界是一个特别复杂的区域，与清晰的地幔内部的过渡大不一样。在相当近似的情况下，核幔边界产生了预期中的强烈回声。事实上，硅酸盐地幔和金属核之间的密度反差太大了，以至于形成了一个清晰的物理边界，就像空气和水之间的边界那样明晰，从地球深部产生了最强的反射地震信号。一个多世纪前，这个边界是地震学家最早发现的地球深部的隐蔽特征之一。

一个完全光滑的、规则的边界会产生清晰的、聚焦的地震反射，这种回声响应在地震仪上被标记成一个独特的尖峰。但从核幔边界反射的地震信号往往很杂乱、模糊且支离破碎。下面还有一些多余的结构，像不规则的块状物或成堆的碎片。地球物理学家并不总是擅长使用最吸引人的术语，他们把这个块状的混沌带称为D''（D加上两撇）层。（天体物理学家创造了诸如棕矮星、红巨星、暗能量和黑洞等富有想象力的术语，他们在科学命名的游戏中可以说相当成功。）

这种深层的D''特征很复杂，部分是由于地核中均匀的铁金属和地幔中各种富氧矿物之间具有明显的密度对比。所有地幔矿物都像水上的软木塞一样漂浮在致密的地核上，但不同矿物在密度上可能有非常大的差距。在原始的岩浆海洋中，一些硅酸盐会下沉，一些则会上浮。结果就是，最早的大块结晶固体一直下沉，穿过地幔，像木筏一样漂在金属核上。一些地震学家设想在核幔边界上有不规则的致密的矿物堆，它们形成了300英里高的“山脉”，在那里造成地震信号混乱地偏转。

令人惊讶的是，在核幔边界可能有巨大的熔岩池和密度极高的硅酸盐液体池塘，可能还富含铝和钙，以及大量“不相容的元素”，这些元素似乎从地球外层中消失了。我们很难确定这一点，但地震学家认为，在核幔边界上方的D''层中存在很深的局部“超低速带”，在这些区域中，地震波的传播速度比在邻近岩石中慢10%。缓慢的地震波通常是液体释放的信号。如此深的液态湖泊和池塘也可以为那个令人困扰的元素缺失问题提供一种完美的解决方案——只需要将所有不相容的元素放在难以接近的D''层中就好了，它们将永远被隔绝在这个矿物垃圾组成的神秘而混杂的区域中。

那地核本身呢？当地球还很年轻时，这个直径超过2 000英里的致密的富铁核已经完全形成，并且可能完全熔化（而不像今天这样，内核看起来是一个直径约750英里且不断增大的固体铁晶体球）。在那个清晰的核幔分界线上，温度可能已经超过1万华氏度，压力则超过了我们现代大气的100万倍。

从一开始形成到今天，这个炽热的核一直是具有液态金属涡流的动力场所。这些涡流造成的一个重要结果是早期地球磁场的产生，也就是地球的磁层，像是一个巨大的电磁铁。磁场使带电粒子的路径发生弯曲，因此地球的磁层提供了一种看不见的偏转屏障，阻挡了太阳风和宇宙射线的强烈轰击，这一屏障也许是生命起源和生存的先决条件。

地核也是一个重要的热能来源，它有助于驱动地幔中的对流。即使在今天，在像夏威夷和黄石公园等地区的火山热点中，来自核幔边界的岩浆热流柱还会一路上升近2 000英里到达地球表面。值得注意的是，这些热流柱在地表上的固定位置可能是由深部的地形决定的。D''层中300英里高的山脉可以充当保温的热毯，覆盖在高温的地核上，所以热点很可能起源于那些宏大的隐蔽山脉之间最深的、释放热量的山谷。

玄武岩

事实上，矿物演化的故事建立在岩石类型的预定顺序上，从逻辑上来说，每一个矿物形成的阶段都承接着前一个阶段。地球上最初的橄榄岩地壳诞生于原始的岩浆海洋，处于一个关键但短暂的新生阶段。当它最终冷却并变硬时，它的密度太大了，以至于无法留在地表附近的任何地方，因此又沉入了地球的深处。环抱地球的必须是一种密度较低的岩石。那种岩石就是玄武岩。

黑色玄武岩是所有类地行星中近地表岩石的主要组成部分。水星被小行星撞击得坑坑洼洼的表面也主要是玄武岩。金星灼热而多山的表面和火星被风化的红色表面都是玄武岩。月球黑色斑点状的月海与灰白的钙长石高地形成了鲜明对比，这些月海是巨大的黑色玄武岩湖硬化的遗迹。而在地球上，包括所有海洋的海底在内，70%的表面都被玄武岩地壳所覆盖。

玄武岩成分多样，但有两种基本的硅酸盐矿物占主导地位。其中一种主要矿物是斜长石，它是迄今类地行星和卫星中最重要的含铝矿物，也是地球上最常见的地壳矿物。我在麻省理工学院的教授戴夫·沃内斯曾建议我，如果有人给我看一块神秘的岩石，并询问它的矿物学性质，我只需要回答“斜长石”，那么我就有90%的概率是对的。玄武岩的第二种基本矿物成分是辉石，这种常见的链状硅酸盐也存在于橄榄岩中。辉石是为数不多的几种常见矿物之一，可以融合所有六大元素（以及许多不太常见的元素）。

要了解斜长石和辉石这两种玄武岩的基本矿物成分的起源，可以参考岩石凝固和熔化的奇异特性。45亿年前，随着地球岩浆海洋的冷却，橄榄石首先形成，然后是一点钙长石，最后是大量辉石。由此形成的硅酸镁岩石是橄榄岩，它们组成了上地幔的大部分。随着大量橄榄岩的形成和下沉，它们被重新加热，其中一部分被重新熔化。

我们的日常经验表明，从固体到液体的熔化发生在一个特定的温度下。水冰在32华氏度（0摄氏度）融化，大多数家用蜡烛在约130华氏度（约54摄氏度）熔化，而致密的金属铅则在621华氏度（约327摄氏度）熔化。但岩石的熔化并非那么简单，大多数岩石并非在一个温度下完全熔化。如果将橄榄岩加热到2 000华氏度（约1 093摄氏度）左右，它会第一次熔化。（如果橄榄岩含有丰富的易挥发的水和二氧化碳，熔化就会出现得更早。）第一批出现的极小的液滴成分与橄榄岩岩石的大部分成分有很大的不同。最初的熔体含有更多钙和铝，铁和硅也会稍多一些，镁则相当少。这种初始液体的密度也远低于橄榄岩。因此，即使地幔中有5%的橄榄岩熔化，也会产生大量岩浆，这些岩浆会沿着矿物的晶界聚合，在裂缝和小囊袋结构中积聚，并上升到表面，最终变成玄武岩。在数十亿年的地球历史中，橄榄岩的部分熔融产生了数亿立方英里的玄武岩岩浆。

熔融的玄武岩以两种互补的方式来到行星表面。较为壮观的一种是像在夏威夷和冰岛发生的火山爆发那样，伴随着炽热的岩浆喷泉和河流般的涌流冲到表面。这种剧烈的喷发是水和其他挥发物共同作用的结果。在一英里以下的高压环境下，水和其他挥发物被锁在硅酸盐液体中，但在地表附近它们会爆发性地转化为气体。这种爆发性的火山活动能够将火山灰和有毒气体喷向高空，直至平流层，也能够向外投掷汽车大小的火山“炸弹”，投出超过一英里远的距离，破坏周围的乡村。

这些玄武岩熔岩和火山灰的喷发，一层一层地构筑了数英里高的山脉，在数千平方英里的范围内覆盖上了黑色岩石。这种类型的玄武岩熔岩流和火山灰颗粒非常细，在玻璃中尤为丰富，但液体冷却的结果过快，以至于没有时间形成晶体。结果就是，硬化的熔岩只有一种普普通通的黑色硬壳。其他独特的橄榄玄武岩，只有当橄榄岩在不到20英里深的相对较浅的深度熔融时才会出现，里面包含了一些有光泽的橄榄石晶体，这些晶体在熔体凝固的第一阶段在地下形成。绿色的晶体装饰着原本乏味的黑色岩石。

岩浆冲破地表需要很大的爆发力，所以相当一部分玄武岩岩浆永远无法到达地面。相反，这些炽热的液体被困在地下深处，它们在那里冷却得更慢，并在辉绿岩或辉长岩中形成一英寸长、形状像被车床轧过的长石和辉石晶体。有时候，岩浆会注入地下岩石几乎垂直的裂缝中，形成表面光滑的岩脉。如果容矿岩是软的，并在千百万年间被侵蚀，结果可能就会形成又长又直的辉绿岩墙，看起来或许像是一个破碎的考古遗址。又或者，岩浆如果注入横着的沉积岩层之间，可能就会形成一个厚厚的毯状岩床。哈得孙河的岩壁悬崖位于纽约市的河西岸上游，是一系列玄武岩岩床中的一个，这些岩床略微向西倾斜，在新泽西北部和纽约南部形成了平行的高地（以及一些最昂贵的房地产）。还有一些时候，液体在不规则的岩浆房中静置并冷却，这些岩浆房能够在地下数英里深的地方形成，并延伸数英里。但不管它们最终的几何结构是什么，辉绿岩和辉长岩看起来都和玄武岩一模一样。

随着玄武岩地壳不可避免地形成，地球第一次拥有了一个坚实的固体表面可以漂浮起来。在地壳形成之前，当岩浆和橄榄岩分别占据着地球表面时，没有任何地貌能够长时间保持上升到明显高于平均海拔的高度。炽热的橄榄岩糊状物并不足以支撑一座山脉。但坚硬的玄武岩密度相对较低，这就截然不同了。玄武岩的平均密度比橄榄岩低10%以上。这就意味着，一块10英里厚、漂浮着的玄武岩将高于岩浆海洋表面至少1英里。快速堆积起来的火山锥可能会升得更高，或许比平均海拔高出两英里。因此，瑕疵重重的地球表面开始形成一些真实的特征。

环境恶劣的世界

如果从太空中看，比如从年轻月球的安全距离上看，地球的玄武岩表面呈现出深黑色，上面带有弯曲的红色裂缝和一些局部的亮点，那是巨大的火山喷发冲出表面的地方。肮脏发白、满是火山灰的蒸气喷涌而出，遮住了地球上一些富含挥发物的火山锥和邻近地区。

想象一下，你回到了44亿年前的冥古宙，彼时地球新的黑色表面刚刚形成。你不可能在这种严酷而陌生的环境中存活很久。流星不断地轰击地表，击碎又薄又脆的黑色地壳，四处飞溅着破碎的岩石和凝块的岩浆。无数的火山锥不断升高，稳定地升到数千英尺的高度，巨大的岩浆喷泉被蒸气和其他挥发物的爆炸性释放驱动着，某一天，这些蒸气和挥发物会冷却到足以形成海洋和大气。但还没有维持生命的氧的踪迹。在这个年轻荒凉的地球上，你的鼻孔会被恶臭的硫化合物侵袭，你的皮肤会被升腾的蒸气烫伤，你的眼睛也会被有毒的热气灼伤。在这样一个环境恶劣的世界上，你很快就会在不堪折磨的痛苦中死去。

正在退行的月球继续在塑造地壳方面发挥重要作用。遍布全球的岩石和岩浆潮汐，虽然不如忒伊亚消失后的最初千百年那样极端，但它们仍不断使地表破裂和弯曲，使裂缝变大，进而导致炽热的岩石泥从裂缝中渗出，还阻碍着固体表面的形成。过于靠近的月球也使地球继续维持5小时一圈的疯狂高速旋转，同时伴随着巨大风暴和超级龙卷风，它们的严重程度远远超过今天天气频道上任何大肆渲染的报道。

但在那种极端的地表之下，地球向着有生命世界的演化已然开始了。充分混合的熔融的内部开始分离成大量独特的成分，成为大陆和深海地壳、大气和海洋、植物和动物的物质基础。加热、冷却和结晶，通过沉淀和漂浮分离出结晶，橄榄岩堆积，部分熔融，这些过程自始至终塑造着地球，从45亿年前诞生初期一直持续到今天。

地球巨大的内部热量储存库是这一章的核心主题，它在塑造我们的行星家园上继续发挥着主导性和变革性作用。今天，这个深邃而炽热的领域最显见的表现是间歇的火山爆发，伴随着猛烈的岩浆喷泉和炽热的熔岩流。喷发的间歇泉和含硫的温泉也暗示着地下隐藏着一个地狱般的世界。纵观地球45.67亿年的历史，当热量不可阻挡地从炽热的中心向外扩散到断裂的地壳，然后进入冰冷的太空时，地表首当其冲地承受了这一切。受地幔旋涡对流的冲击，以及月球不断的吸引力，地壳已经弯折、破裂和扭曲。大陆不断地在全球漂移，在热量驱动下持续进行的构造板块之舞中裂开、碰撞，又彼此擦肩而过。在我们生命中的每一天，地球内部的热量都在重新塑造着我们赖以生存的岩石，驱动着我们饮用的水不断循环，改变着我们呼吸的空气。

由于热量，地球注定在很短的一段时间内成为一个黑色世界，覆盖着一层薄薄的玄武岩。但短暂的幼年期不会持续太久。从火山中诞生的崭新亮蓝色表层，即将环绕地球。

[1] “凝固点”对应的英文freezing point又可译为“冰点”。——译者注

地 球的婴儿期是在它的前5亿年左右，这一时期被神秘所笼罩。岩石和矿物为我们这个星球过去的大部分故事提供了确凿的证据，但它们很少能从那个最古老的冥古宙保留下来。因此，任何关于地球最初的冷却和随后形成的黑色表面的叙述都必须基于实验、模型和计算所提供的推断。即便如此，某些不确定性仍然存在。

这不是件坏事。让实验室里的每一天都变得新鲜而又令人兴奋的，正是许多“我们知道我们不知道的”的事情，以及我们每天发现一些使我们更接近真相的小线索的可能性。更加迷人的是发现那些“我们不知道我们不知道”的自然世界某些方面的前景，这些发现增加了神秘性的广度[1]。这些新的提问方式，比如“矿物是如何演化的？”，而不是简单的“它们的化学和物理性质是什么？”，为突破铺平了道路。

把我们不知道的东西清点一下很重要。所有的证据都表明，月球是由一次无比巨大的撞击形成的，但是我们无法确定撞击发生的确切时间，也不知道忒伊亚的最终轨道有什么细微差别。在那次巨大的碰撞后，我们可以想象一场炽热的硅酸盐暴雨袭击着地球饱受折磨的岩浆海洋，但这样一个过热世界的持续时间和冷却速度我们并不清楚，这在未来几十年里仍将是争论的焦点话题。新形成的月球的接近程度和退行速度同样不确定，即便它们对理解早期地球的动力学和演化至关重要。同样，没有人知道海洋最早是什么时候形成的，也不知道那时它到底是什么样子的。但它们确实形成了，以下故事基于现有的最佳证据讲述，因此是目前最好的版本。

黑地球不可能长时间保持黑色。全球范围的火山活动以每天数十亿吨的速度将炽热的氮、二氧化碳、有毒的含硫化合物和水蒸气喷入不断增厚的大气层。这些易挥发的元素和化合物，正是形成之前星云中各种冰层的分子，也是你现在呼吸的原子，还是构成你身体复杂组织的原子，它们在快速演化的地球上扮演了众多角色。当热水与岩浆混合时，热水降低了岩浆的熔化温度，使岩浆变成一种朝着地表上升的过热的“汤”。在靠近地表的地方，溶解在岩浆汤中的气体在大规模的火山爆发中从液体转变成剧烈膨胀的气体，就像一瓶被摇晃过的苏打水从封闭的易拉罐中喷出来那样。富含水的液体还溶解并集中了铍、锆、银、氯、硼、铀、锂、硒、金等多种稀有元素，这些元素最终将成为地球多样化地壳中的巨大矿体。在混乱的地表上，咆哮的河流和汹涌的海浪是侵蚀岩石、形成地球最早的沙滩以及使近岸沉积物变厚的主要因素。简而言之，水成了地球固体表面的总建筑师。

对海洋和大气的任何关注都反映了某种以人类为中心的观点，因为这些流体只是整个地球极微小的组成部分。今天的海洋只占地球总质量的0.02%，而大气只占地球总质量的不到百万分之一。然而，海洋和大气在使地球成为独一无二的世界这一点上，发挥了不成比例的巨大影响，并将继续发挥这样的影响。

作为地球上流动的气体成分，氮、碳、硫、水这四种主要元素发挥着重要作用。所有这些成分都是在巨大恒星中大量产生的，并在超新星爆发中被广泛地散播出去，集中在45.6亿年前最原始的富含碳的球粒陨石中。

在许多方面，球粒陨石的平均成分与今天的地球匹配度极高。第三章中讨论的六大元素（氧、硅、铝、镁、钙和铁）的比例含量显著相似，还有许多不太常见的元素。但是，即使是对这些迷人的古老物质的粗略研究也表明，地球上大部分原始的挥发物都从今天的地球上消失了。最原始的球粒陨石平均含碳量超过3%，但地球上所有已知的碳储量加起来还不到0.1%。同样，球粒陨石的含水量比地球现在的平均含水量要高得多，可能是现代地球的100倍。如此巨大的成分差异揭示了一段混乱和暴力的过去。地球上的大部分挥发物一定是消失在了太空中，或者深埋于地下，以我们取样的能力是远远无法获得的。

地球早期从一颗荒凉的、不宜居的黑色星球变成一颗更凉爽、宜居的蓝色星球，了解这个过程的关键就在于其周围挥发物的故事。但是没有挥发物能在地球最初的5亿年中以不变的状态保留下来。几乎所有的氮和碳，所有的硫和水，都被无数次地循环，同样的原子一次又一次地被使用。球粒陨石为我们的猜测提供了一个定量起点。地球前10亿年为数不多的已知岩石和矿物样本，加上来自月球和太阳系其他天体的数据，能够进一步描绘出我们的推测。就像理解地球最初1亿年间地幔和地壳的演化，以及在此之前很久的恒星形成一样，设想出任何合理场景的关键都是了解当时情况下元素不变的特性。回到目前所说的情况下，就意味着了解挥发性的氮、碳、硫和水的物理和化学性质。

在这四种成分中，氮是最容易理解的。它是一种化学惰性气体，几乎不会形成矿物，在岩石形成中几乎不起作用，但很容易在大气中聚集。只有在生命出现后，氮循环才对地球的外层产生很大的影响。当10亿或20亿年后生命和富氧的大气改变了地表的状态，碳和硫也会起到更加突出的作用。但第四种成分，也就是水，从一发端就是地球故事的中心。

水：一份简短的履历

水的各种地质作用都是由氢氧化物独特的化学性质决定的。回想一下，氢是第一号元素，而氧是第八号元素，这两种元素都没有两个或10个电子的神奇数字。每个接受电子的氧原子想找到两个电子，以达到神奇的数字10，而每个带有一个电子来共享的氢原子也想再要一个电子，由此结合的分子结果是氢氧比为2∶1的H₂O。原子在这个紧凑的单元中呈V形，中心较大的氧原子两侧有两个氢原子凸起，就像米老鼠的耳朵那样。氧原子借用了两个氢原子的电子，带上了微小的负电荷，而每个氢原子相应地带有微小的正电荷。结果就出现了一个极性分子，带有相反的正电荷和负电荷的部分（分别是米老鼠的耳朵和下巴）。

水分子中的这种极性解释了它具有的许多特性。极性水是一种超级溶剂，因为它的正负两端能够施加强大的力，把其他分子拉开。因此，食盐、糖和许多其他成分在水中会迅速溶解。大多数岩石溶解的时间要长一点，但经过数百万年时间，海洋几乎富含了所有的化学元素。（因此，每立方英里的海水中含有400磅金，以金子最近的高价计算，其价值超过1 000万美元，如果我们有提取它的技术就好了。）水这种无与伦比的溶解和输送其他化学物质的能力，也使它成为生命起源和进化的理想介质。地球上的所有生命，甚至可能宇宙中的所有生命，都依赖于水。

水分子的极性使它们紧密地结合在一起：一个分子的正极吸引着其他分子的负极。因此，冰是一种异常牢固的分子固体（如果你曾在滑冰时摔得很重，你就不会忘记这一点）。分子间异常牢固的键合也导致水拥有超高的表面张力，这种迷人的特性让小昆虫能够在水上行走。表面张力也会引发毛细作用，能使水通过维管植物的茎上升，并使树木拔地而起，生长到数百英尺。圆形的雨滴是被水分子相互间的强吸引力拉扯在一起的，它是表面张力的另一种表现，也是维持地球超快速水循环的重要环节。非极性的挥发性分子，比如甲烷和二氧化碳则无法形成这样的液滴。它们只能飘浮在大气层中，形成细微的、弥漫的薄雾，所以一个由那些大气气体主导的星球并不知道“雨”是什么样。

分子间的强键合导致了水的另一个最奇特和重要的特性，那就是液态水的密度比固态冰的密度高10%。在几乎所有已知的化合物中，固态物质放在其液体形态中都会下沉，这在直觉上是合乎逻辑的，因为固体中分子是有规则重复排列的，而液体中分子是随机分布的。想想把鞋盒放在鞋店的储物室中。整齐堆叠的盒子（就像固态晶体结构中精心排列的分子）所占的体积，比随机堆放（就像液体中混乱翻滚的分子）的体积要小得多。但在水中，分子在随机的液态中的排列比在有序的冰晶中更为有效。

这造成的重要影响是，无论是饮料中的冰块，河流或溪流的冰层，还是巨大的冰山，都会漂浮在水面上。如果不是因为这种非同寻常的特征，许多水体每年冬天都会从下往上冻成固体，而不是形成厚厚的表面保护层。在那样一个完全结冰的世界里，寒冷的生态系统中的水生生物可能会遭遇严峻的挑战，而至关重要的水循环则会停止。奇怪的是，同样的现象是使滑冰和滑雪变容易的几个因素之一（尽管是次要因素）。你的冰刀对固体冰施加了很高的压力，从而产生一层密度更大的液态水薄层，在上面你可以更好地滑行。如果温度变得太低，通常低于-100华氏度，润滑的水层就无法形成，滑冰和滑雪会变得更加困难。

“纯净”水的另一个显著特点是缺乏纯度。无论如何仔细地过滤或蒸馏，水都不完全是H₂O分子。这三个原子单位中的一小部分不可避免地分裂成带正电的氢离子（也就是H⁺离子，实际上只是一个带正电荷的质子，没有任何电子附着），再加上带负电的羟基（OH⁻离子）。氢离子很快就附着在水分子上，产生H₃O⁺水合氢离子。我们所说的常温纯净水含有等量的正电氢离子和负电羟基，它们的浓度将液体的pH值转化为7（用化学术语来说，水合氢离子浓度为每升10⁻⁷摩尔）。

对地球上最早的海洋的推测主要集中在其pH值和盐度上。水容易溶解许多杂质，其中一些带正电，如钠离子（Na⁺）或钙离子（Ca²⁺），另一些则带负电，如氯离子（Cl⁻）或碳酸盐离子（CO₃²⁻）。根据经验法则来说，任何水溶液的净电荷必须为零，也就是正电荷的总数必须与等量的负电荷相平衡。在常温纯净水中，10⁻⁷摩尔的H₃O⁺与10⁻⁷摩尔的OH⁻完全平衡。然而，在酸性溶液中，过量的H₃O⁺必须平衡负离子（如盐酸HCl中的氯）。在碱性溶液中，过量的OH-必须平衡正离子（例如碱性的氢氧化钠NaOH中的钠）。

酸碱强度是由pH标度来衡量的。pH值越小，意味着酸性溶液中的H₃O⁺比OH⁻数量高出得越多。pH值为6的弱酸性溶液（许多地方未经处理的自来水的典型酸碱度）含有的氢离子比pH值为7的中性溶液含有的要高出10倍。更强的酸性液体包括咖啡（pH 5，H₃O⁺高出100倍）、醋（pH 3，H₃O⁺高出1万倍）以及柠檬汁（pH 2，H₃O⁺高出10万倍）。相比之下，碱性液体含有更多OH⁻而非H₃O⁺，因此其pH值大于7。常见的碱包括小苏打（pH 8.5）、氧化镁溶液（一种pH 10的常见抗酸剂）和家用氨清洁剂（pH 12）。正如我们将要看到的，地球上最早的海洋的pH值和盐度仍然是一个争论激烈的问题。

水，到处都是水

水是宇宙中最丰富的化学物质之一。我们看见得越多，发现的水就越多。水在其他行星、卫星和彗星上的存在提供了线索，既有助于我们理解它在地球上为何如此丰富，也表明宇宙中可能分布着依赖水的生命。用望远镜观测可能会很棘手，因为我们的大气含水量高，往往遮掩了一切较远位置的水源，除了那些最集中的储水地。然而，深空中的一些天体通过它们对红外辐射的独特吸收而显露出冰面。

这种光谱特性揭示了一些彗星和小行星含有大量冰冻的水。天文学家在我们的太阳系中记录了无数的冰冻世界，从冥王星和它的卫星冥卫一，再到土星发光的冰环。虽然所有气态巨行星主要由氢和氦组成，但在它们浓密的大气中都储存着大量的水蒸气。而木星的大卫星木卫二和木卫四现在被认为有几英里厚的冰层，覆盖着更深层的环绕星球的海洋。

在离地球更近的地方，其他的类地行星乍一看似乎相当干燥。尽管如此，NASA的“信使号”水星探测器近期的观测发现，水星寒冷的极地陨石坑中有大量的冰层，这些陨石坑一直处在阴处，没有被附近的太阳照到。下一颗行星金星最初可能拥有与地球上含量近似的水，但今天它在近地表处似乎完全没有水的存在。它那层厚重且过热的二氧化碳大气层表明，这颗星球有着失控的温室效应，就算地表附近有过水，也早就消失了。

火星的白色极地冰盖会随着火星687天的季节周期而扩张和消退，这里是一个完全不同的故事。天文学家长期以来都推测，这颗红色行星可能是一个潮湿、有生命的世界。19世纪70年代，在火星运行到接近地球的位置时，意大利天文学家乔瓦尼·斯基亚帕雷利（Giovanni Schiaparelli）记录了火星表面黑色的线状特征，他认为那可能是含有水的自然河道，或者用意大利语来说是“canali”。他最初的描述被英语错译成了“运河”，这暗示火星上有高科技的工程结构，于是有人开始认为火星上出现过已灭绝的智慧生物，且这想法不胫而走。这些火星生命热衷者中最著名的是哈佛大学毕业的天文学家珀西瓦尔·洛厄尔（Percival Lowell），他在19世纪90年代迷上了斯基亚帕雷利的发现。他利用家族的财富在亚利桑那州弗拉格斯塔夫建造了一座私人天文台，并在那里潜心于火星研究。在亚利桑那州晴朗的天空下，他利用一台当时最先进的24英寸望远镜进行观测，想象着能发现一个庞大的运河网络，从可能被冰层覆盖的两极延伸到干燥的赤道。在他广受欢迎的著作《火星》（Mars，1895）、《火星及其运河》（Mars and Its Canals，1905）、《火星是生命的所在》（Mars as the Abode of Life，1908）中，洛厄尔描述了一个消失的、缺水的种族最后留下的孤注一掷的技术杰作。

洛厄尔丰富的想象力催生了一批科幻故事和小说[包括H.G.威尔斯（H. G. Wells）1898年的经典作品《世界大战》（The War of the Worlds）]，却没能让科学界相信火星上有水，更不用说有生命了。尽管随后一个多世纪的研究使用了越来越大的望远镜，开展了一系列复杂的飞越火星任务（从1965年的“水手4号”开始）、轨道飞行任务（1971年的“水手9号”是首次尝试）以及着陆任务（从1976年的“海盗号”开始），关于火星水资源及其重要程度的确凿证据仍然难以找到。20世纪70年代末，“海盗号”的光谱测量任务终于明确地记录了北极地区水冰的存在，但直到21世纪，通过最新一代卫星配备的大量仪器，加上“凤凰号”着陆器以及“勇气号”和“机遇号”探测器安装的刮刀工具，人们才真正确认了火星上大片水域的存在，以及水资源的性质。

21世纪，新一代卫星配备了大量仪器，加上“凤凰号”着陆器以及“勇气号”和“机遇号”探测器安装的刮刀工具，人们真正确认了火星上大片水域的存在，以及水资源的性质。然而，依靠太阳能运作的“勇气号”探测器于2009年的一次例行任务中陷入了特洛伊沙地的沙坑中，多次解救无效，从此一直保持着“冬眠”状态

今天，火星上的大部分水要么是以地下永久冻土的形式存在，要么是以深层温暖地带的地下水形式存在，那片地带是隐藏在干燥的外表层之下的巨大储水库。2002年，火星“奥德赛号”飞船携带了一台精密的中子谱仪，为确认地下水的范围提供了线索。当宇宙射线轰击火星表面时，它们能够将中子从富含氢（也就是说含水）的沉积物中排出。中子谱仪的用途是探测火星表面从赤道到高纬度的广阔区域喷出的中子。但是，这些新奇的结果带来一些答案的同时，也引发了很多问题，这些结果无法确定水的确切形式，也就是说无法确定它们究竟是水、冰，还是矿物结合的形式。

2007年，NASA的火星勘测轨道飞行器（MRO）使用探地雷达，提供了埋藏于地下的水的更高分辨率图像。这些开创性的测量工作探测到中南纬度地区的冰堆积到了冰川的大小。最近，欧洲空间局的火星快车轨道飞行器使用了一个类似的雷达系统来探测火星更大范围内的深层冰，在南极附近的一些地区发现了深度超1 500英尺的富冰区域。事实上，火星可能在数百英尺深的位置蕴藏着大量地下冰，相当于一个横跨星球的海洋。所以在火星上也可能曾经存在与地球上类似的海洋。

水也可以通过独特的岩石和矿物的存在来揭示。NASA的火星着陆器“凤凰号”及其“勇气号”和“机遇号”探测器，发现了大量补充证据，也就是通过水-岩相互作用形成的矿物。富含水的黏土矿物是火星近地表环境中的一种常见现象，它们可能代表了几年前中子实验观测到的大量富氢物质。象征着干涸湖泊或海洋的蒸发岩矿物也很常见，同样常见的还有蛋白石，一种结晶不良的石英品种，是热水渗透沉积物时形成的典型产物。

当行星科学家用全新的眼光审视这颗红色行星时，他们也看到越来越多的证据表明，水曾经自由地流过雕刻般的火星表面。高分辨率的照片揭示了古老的巨石遍布的河谷和沟壑，泪滴状的岛屿，滑塌构造，还有辫状河道。这些地形穿过沉积物堆叠的地层，似乎是在浅水湖泊或海洋中形成的。事实上，环绕火星北半球的海滩一样的阶地暗示着，北半球的海洋可能曾经覆盖了火星表面超过三分之一的面积。如果是这样，那么较冷的火星可能曾经是一个可以孕育生命的蓝色行星，比地球还要早千百万年。

接下来就到月球了，它是了解其围绕的庞大地球上水的历史的关键。传统观点认为月球十分干燥（实际上比骨骼更干燥，骨骼即便在沙漠的烈日下炙烤，仍可保留大量水分）。多条证据指向了这种干旱的环境，地面望远镜没有发现典型的红外吸收，“阿波罗号”在六个着陆点取样的月岩都没有探测到水的痕迹（至少按照1970年的分析标准是这样），而在月球表面发现的存在40亿年未生锈的铁金属，似乎排除了任何一点腐蚀性水存在的可能。

探测器拍摄到的火星表面

不过，传统观点是个值得玩味的东西。最终总会有人挑战其他人所认定的事实，偶尔发现一些真正有趣的东西。1994年，“克莱门汀号”探测器的一次飞越任务得到了与水冰一致的雷达测量结果，尽管许多行星科学家并不相信。四年后，月球勘探者利用中子谱技术探测到两极附近高浓度的氢原子，因此月球上可能存在着水冰或含水矿物。不过，许多专家认为，太阳风输入的氢离子更有可能是这种迹象的来源。2009年10月，NASA将宇宙神火箭的上面级发射到了其中一个陨石坑（靠近月球南极的卡比厄斯陨石坑）中，详细检查了撞击碎片的热流柱中是否有H₂O的迹象。果然，扬起的尘埃中包含了一点重要的生命赖以生存的物质，这足以让人们重新燃起对月球的水以及它可能的起源的兴趣。2009年10月，《科学》杂志发表了三篇相互衔接的文章证实，月球上存在水的事实找到了明确的证据。

现在说说卡内基研究所的埃里克·奥里（Erik Hauri）及其同事。奥里的团队借助离子探针（一种高灵敏度的仪器，第一代科学家在研究“阿波罗号”带回的样本时还没有这种技术）重新研究了来自月球的样本，也就是我在1976年做第一份地质学工作时挑拣、研究过的那些彩色玻璃。几十年前，其他科学家曾对这些玻璃球进行过有关水的迹象的检测，但那时的探测能力完全比不上离子探针在百万分之一英寸尺度上分辨测量的能力。奥里和同事抛光了各种玻璃球，以便它们的圆形截面能在离子探针中显示出来。事实证明，这些玻璃球的外缘非常干燥，只有百万分之几的水，但最大一颗的核心水含量却高达百万分之一百。几十亿年来，大多数玻璃球的原始水分已经蒸发到了太空中，更多的是外层而非核心的蒸发。然而，根据玻璃球里面大量剩余的水，奥里和同事计算出，月球岩浆的原始含水量可能高达百万分之七百五十，这是很大一部分水，相当于地球上许多火山岩的含水量，完全足以驱动地表上的火山活动，而这些火山活动可能在数十亿年前的爆裂喷发中将岩浆散播各处。

如果月球历史上有那么多以水为动力的火山，那就一定有大量的水仍被锁在月球冰冻的内部。由于月球主要形成于忒伊亚对地球原始地幔的大规模挖掘，我们星球的深部可能也蕴藏着大量看不见的水。

可见水循环

不管我们在火星或月球上发现了多少水（现在看来有很多），地球仍然是我们太阳系唯一的水世界。关于地球上有多少水，它以什么形式存在，它存在于哪里，以及它如何流动，这些问题都极其复杂。直到20世纪90年代，海洋一直被认为是迄今为止最大的水库，它储存了地球上96%的水资源，远超位于第二的冰盖和冰川。如今的冰盖和冰川约占3%（甚至在冰期冰川前进的高峰期也可能不超过5%或6%），地下水（所有近地表水，无论是在明确的含水层还是分布更广的储水处）占1%，而所有湖泊、河流、溪流、池塘和大气的总和不超过地球近地表水供应的0.01%。

所有这些水都在不断地流动，从一个储存库转移到另一个，周期从几天到几百万年不等。维持生命的动态水循环代表了我们这个不断变化的星球上最明显的变化来源。想象一下，一个水分子，也就是由一个氧原子和两个氢原子组成的分子，存在了数十亿年之久，可能会有什么样的经历。就从浩瀚的太平洋中的分子开始吧，地球上的近地表水分子大部分时间都在那里度过。加利福尼亚洋流是一股巨大的寒流，它从阿拉斯加附近向南，沿着加利福尼亚海岸达到下加利福尼亚和赤道。当周围的水变暖并上升时，分子到达海洋表面附近，开始了一段顺时针绕北太平洋的伟大征程。它首先到达北赤道洋流，向西流经日本，然后是北太平洋洋流，一路向东流向北美洲。当水分子再次来到加利福尼亚州附近时，它恰好上升到阳光照射的海洋表面，并蒸发到了大气中，云在那里形成。

盛行风把增厚的雨云向东吹去，掠过西南部的沙漠，进入落基山脉的高地。当云层上升到更高、更冷的海拔高度时，雨开始落下。水分子最终作为雨滴的一部分降落到了地球上。它沿着一条蜿蜒的路，从小溪到小河，再到漫过河岸的暴涨的河流。到此为止，水分子的运动一直非常迅速，它用了一两年的时间环绕了整个太平洋，用一两天的时间进入云层并以雨的形式落下，用一周左右的时间流过丘陵高地。但随着它渗入地下更深的地方，并与一个巨大的隐蔽的含水层融为一体，这个水分子可能要花费成千上万年的时间在地下缓慢潜行。

这里，人类的行动改变了大自然古老的节奏，缺水的农民将地下深处的大量水抽出，来维持半干旱的西南地区的农业。人们以不可持续的速度开采着，含水层正在逐渐干涸。水分子只好屈服于这种趋势，它发现自己回到了地表，飞溅在得克萨斯州的玉米地上，它在那里迅速蒸发回到万里无云的天空，向东继续着旅程。

这个故事不断循环，没有终点。有些分子被暂时分解成氢离子和羟基离子，与新的原子伴侣重新结合成新的水分子。另一些分子则被冻结在厚厚的南极冰层中，它们将被锁在那里千百万年。还有一些水分子经过化学反应成为土壤中黏土矿物的一部分。

生命也成为水循环的一个组成部分。植物吸收水分子和二氧化碳，并通过阳光驱动下的光合作用，将两种分子结合在一起，产生根、茎、叶和果实。当这些富含营养的植物组织被动物吃掉，并通过呼吸代谢被分解掉时，我们每次呼吸时呼出的废物，就是二氧化碳和水的重组分子。

深层水循环

20世纪80年代中期，地球科学家开始认真思考全球范围内的水的问题，近地表水循环不可能是故事的全部。因为我们知道，数十英里或数百英里深的地方产生的岩浆所含的水足以引起火山活动，我们可以推断，我们星球深部结晶的硅酸盐矿物一定以某种方式捕获了水。水循环中一定有一个深层而隐蔽的部分能够告诉我们，地球是如何以及何时变成今天这个覆盖着海洋的星球的。

对深层水的实验研究聚焦的是，在地幔环境下，最常见的矿物能够结合少量水的概率，这些矿物包括橄榄石、辉石、石榴石及其密度更高的来自地球深部的变体。研究“名义上不含水”的矿物中的水，在20世纪90年代成为高压矿物学的一个主要焦点，并取得了惊人的成果。研究发现，在高压和高温下，一些矿物相对更容易结合大量氢原子，这在矿物学上就相当于结合水（因为氢原子会与这些矿物中的氧结合）。一些矿物在浅层地壳更冷的低压环境中总是干燥的，那里火山活动蒸发了所有的水，但在地幔深处，它们就变得相当湿润。

原则上，实验策略相当简单直接。取橄榄石或辉石样品，加水，加压并加热，看看水会流去哪里。但操作起来，其实并不简单。为了重现地球较深处的地幔环境，样品必须被加压到大气压力的数十万倍（相当于每平方英寸数百万磅），同时被加热到高达4 000华氏度的温度。为了完成这项惊人的壮举，科学家采用了两种互补的高压方法。

一部分人依赖于像房间一样庞大的金属压力机，对微小的样品施加巨大的压力，这是在半个世纪前哈滕·约德的压力炸弹的基础上所做的精心改进。一种经常使用的实验装置包括四个嵌套阶段，就像俄罗斯套娃一样，每个阶段围绕并紧抱着下一个阶段，将巨大的压力集中到越来越小的体积上。首先，一对巨大的金属板以惊人的力量从上往下挤压，压力可达到数千吨。这些巨大的金属板巧妙地对第二阶段施加一种牢固的抓力，第二阶段由六个弯曲互锁的钢砧组成，上面三个，下面三个，从各个面向第三阶段均匀地加压，第三阶段是由八个碳化钨砧组成的立方体集群。粉末状的矿物样品和水必须紧紧地包裹在第四阶段的最里面，通常还有一层金或铂的衬垫，这样反应物就不会从侧面喷出。由此产生的压力好像还不够，样品还必须用埋在样品架深处的电加热器烘烤，然后用一种叫热电偶的特殊金属线制成的精密线圈持续地测量温度。

另一种流行的模拟地球深部的实验方法是钻石对顶砧，通过将两颗顶端扁平的钻石挤压在一起，产生极大的压力。首先，取两颗典型的半克拉明亮式切割钻石，就像传统婚戒上的宝石那样，将钻石的底部尖角打磨成20英寸宽的平坦圆形表面，也就是砧面。然后将钻石安装在一个精准对齐的金属钳中，并在它们之间放置一块金属薄片，上面打上一个小孔。将孔对准相对的钻石砧，填上水和矿物粉末，然后进行挤压。对钻石施加适度的力会产生巨大的压力，因为砧面很小，因此会聚集力量。钻石对顶砧承受着破纪录的高压，相当于在地球内核中发现的300万个大气压。钻石对顶砧的精巧之处在于，透过透明的宝石，你可以看到被加压的样品。一系列分析光谱技术可以发挥作用，高功率的激光很容易将样品加热到地幔状态，还能通过透明的钻石砧展现出来。

如果一切顺利，也就是说，如果能达到并保持所需的压力和温度，热电偶没有损坏，样品没有泄漏，那么棘手的分析任务就要开始了。一些含水矿物，比如黏土和云母很容易辨认，但如何在干燥的样品中测量百万分之几的水呢？离子探针是一种选择，它的高灵敏度和空间分辨率曾让埃里克·奥里在月球的火山玻璃中发现微量的水。红外光谱仪是另一种有用的工具，它可以揭示氧和氢之间的特征键。氢和氧之间新形成的键改变了红外辐射与晶体相互作用的方式，这种变化可以表明水进入了矿物结构。然而，谨慎的同事（以及不甘被抢先的谨慎的竞争对手）总是会指出实验有缺陷或分析技术过于迟钝的可能。一个流体包裹体，也就是一个小到显微镜都看不到的小水袋，在这样过于精细的测量中会产生错误的信号。

与任何新的科学研究一样，这些实验需要花费一段时间才能被接受，但科学家研究得越多，包含深层水的矿物就发现得越多。下地壳中的橄榄石和辉石相当干燥，含水量不超过0.01%。但是，将压力升高到100 000个大气压，将温度升高到2 000华氏度，橄榄石就会转变成瓦兹利石，这种岩石中含有高达3%的水。与之相应的地层是地球上最潮湿的区域之一，也就是从约255英里到410英里深的地幔的过渡带，这里容纳的水量可能是海洋中所有水量的9倍。下地幔的矿物含水量很少，但它们占据了地球很大一部分，是地球总体积的一半，因此下地幔的含水量估计是地球海洋水量的16倍。考虑到其他富水矿物存在的可能性，以及地球的铁核可能也含有大量的氢，那么，地球深部可能储存了超过海洋80倍的水量。

最早的海洋

保守估计，原始地球中挥发物的含量是现代水平的100多倍。事实上，模拟地球挥发物历史的一个主要挑战是弄清楚损失了多少挥发物，以及它们是如何消失的。

有些事情我们可以确定。从初始那一天起，随着巨型火山向迅速增厚的大气中喷入大量蒸汽，挥发物就从地球深部被大批量地释放出来。在原始地球存在的最初几百万年里，大气密度可能是现代世界的许多倍。水可能以液态的形式涌向地表，冷却第一批岩石，并在数千万年间形成广阔的浅滩。

然后，大撞击把它全炸飞了。几乎所有到达地表的分子都被丢进了太空，就像按下了一个巨大的重置按钮。我们无法做合理的估算，在那次事件中地球损失了多少储存的氮、水和其他挥发物，但损失是巨大的。在接下来5亿年间，几十个直径100英里的岩石造成的小规模撞击都带来了无法想象的破坏，每次都蒸发了海洋的很大一部分，进一步减少了挥发性物质的存量。

尽管如此，在大撞击之后的几百万年里，水蒸气再次成为原始大气的主要成分，形成了全球性的暴风雨，乌云翻滚，狂风大作，雷电交加，暴雨倾盆不断。风暴冲刷下的玄武岩地壳表面冷却硬化，低洼的盆地逐渐被填满，慢慢形成海洋。有一段时间，逐渐形成的海洋创造了全球性的桑拿浴室，地表水的薄层穿透裂缝裂隙，碰触到下方高温的岩石，然后以巨大的间歇泉形式返回地表，喷出翻腾的蒸汽和极热的水。这种强烈的水——岩相互作用加速了地壳冷却，为更深的池塘、湖泊、海洋做好了准备。

全球海洋形成的确切时间尚不清楚，但令人吃惊的证据来自地球最古老的晶体。在西澳大利亚干旱的牧场（名为杰克山），30亿年前的沉积物地层中有地球上某些最古老的岩石。形成这些沉积物的沙粒大小的矿物和岩石碎片可能是从已消失的岩层中剥蚀下来的，而这些岩层肯定要古老得多。这些沙粒的一小部分，不超过百万分之一，是由矿物锆石——硅酸锆（ZrSiO₄）构成的，它是自然界最坚硬的材料之一。

单个锆石颗粒通常比这句话末尾的句号还要小，它最初是在火成岩中作为次要的副矿物形成的。想象一下，玄武岩从只含有微量锆元素的熔体中凝固形成。大多数化学元素，无论稀有的还是普通的，都很容易进入辉石、橄榄石和长石的晶体结构。但是在常见的矿物中找不到锆。相反，它会寻找自己的同类，从而形成单独的微小的锆石晶体。

在几种因素的共同作用下，这些容易被忽略的锆石晶体成为了解原始地球的独特来源。首先，锆石几乎可以一直存在（至少在整个地球的历史上）。锆石单晶可以从一种岩石（或许是它最初结晶的火成容矿岩）中剥蚀留下，成为沉积砂岩的一部分，然后在数十亿年间一次又一次地经历侵蚀。同一个锆石颗粒可以在十几种不同的沉积岩层中循环。

其次，锆石晶体可以告诉我们时间，因为它们很容易与铀元素相结合，铀元素能占到它们原子的1%或更多。放射性铀的半衰期约为45亿年，是自然界的终极秒表。锆石晶体一旦形成，其中的铀原子就被锁定，并开始以稳定的速率衰变，平均每45亿年衰变其中的一半，最终每一个衰变的原子都转变成稳定的铅原子。铀原子减少与铅原子增加的比率，可让人准确估算出锆石晶体的年龄。

最后，锆石的每三个原子中有两个是氧，这提供了有关它们形成温度的线索。回忆一下，有关月球形成的一条证据是氧的稳定同位素的独特比例。地球和月球的氧-16和氧-18比例相同，这意味着它们形成时与太阳的距离相似。根据类似的推理，锆石晶体中氧-16与氧-18的比率表明了它生长的温度：富含较重的氧-18的样品意味着较低的形成温度。对于火成岩来说，这个温度可以作为一种敏感的指标，表明岩浆中锆石晶体生长的含水量，因为水会降低晶体生长时的温度。此外，近地表水的同位素比值倾向于包含更多更重的氧元素，因此氧-18含量极高的锆石晶体被认为与地表水发生了相互作用。

这样，地球上最早的岩石中的锆石晶体就可以在许多侵蚀和沉积的循环中存活下来，同时保留着原始环境的年代、温度和含水量的细节。所有这些信息都是从晶体中收集来的，要是没有显微镜，这些晶体几乎难以看见。

也就是说，澳大利亚杰克山的许多锆石晶体拥有40多亿年的历史，其中一种古老的沙粒在44亿年前就形成了。这种最古老的锆石晶体是地球上现存的最古老的固体碎片，其氧的同位素成分令人惊讶。一些科学家认为，44亿年前，当地球只有1.5亿岁的时候，地球表面相对凉爽潮湿，因此可能存在海洋。

其他学者对此没有那么确定。他们指出，锆石晶体可能非常复杂，这种44亿年前的颗粒，以及几乎所有来自杰克山的稍年轻的颗粒，都有古老的晶核。但每个单独晶体的详细图像表明，古老的锆石层外围生长着年轻锆石的同心层。从晶核到边缘，单个颗粒展示出10亿年的年龄值域并不罕见，氧的同位素也有相应的复杂变化。如果较老的晶核在较新的晶体生长过程中被改变，那么远古地球表面的真实特征可能就会被掩盖。

不管锆石的故事最终结局如何，大多数专家都认为，在大撞击后不到一亿年的时间里，地球就变成了一个明亮的蓝色水世界，环绕着大约一英里深的海洋。从太空中看，它就像是一颗海蓝色的大理石，上面一定有洁白的云团环绕着，但主要还是令人惊叹的蓝色。（海洋的颜色源自简单的物理学。照耀在海面的阳光包含了彩虹的颜色，有红、黄、绿和蓝等，但是水更容易吸收光谱中偏向红色的那一端，所以我们的眼睛接收到的主要是散射的蓝色波长。）

那么陆地呢？今天，大陆几乎占据了地球表面三分之一的面积，但是在我们星球诞生后的黎明时分，在地狱般的冥古宙，大陆还没有形成。原始的蓝色海洋上只有一些孤立的冒着热气的火山岛，在海浪之间浮现。这些火山岛是水面上唯一与众不同的特征，它们圆锥形的轮廓和狭窄焦黑的碎石海滩，从两极到赤道随机点缀着地球。

当我们想到地球上最早的横跨全球的海洋时，我们想知道它是什么样子的。它是热的吗？可能一开始是这样的，因为在海洋之下是仍在冷却中的全球岩浆海洋。它是淡水还是咸水？咸或许是现代海水最显著的特性，但假设地球上最初的海洋一开始是淡水，几乎没有溶解的化学物质，只是后来逐渐达到了今天这样的盐度，似乎是合理的。相反，最近的证据表明，早期高温的海洋很快就变得比今天还要咸得多。食盐即氯化钠（NaCl）极易溶于热水。现在，地球上大约一半的盐被困在内陆的盐丘和其他与干涸的盐水载体相关的蒸发岩沉积物中。这些盐中的大部分被深埋在厚厚的地层中，但是在地球最初的5亿年里，还没有大陆可以容纳盐。因此，最早海洋的盐度可能是现代世界的两倍。此外，溶解在温暖海水中的其他元素主要是玄武岩中大量存在的铁、镁和钙，它们的浓度也比较高。

早期海洋想象图

科学家还想知道，冥古宙的海是酸性的还是碱性的。控制海洋pH值和盐度的最关键的单因素是大气中的二氧化碳。大多数人认为，今天的大气中二氧化碳含量稍低于百万分之四百（尽管我们正逐年迅速接近并将很快超过这一水平），早期大气中二氧化碳的含量比今天高出上千倍。冥古宙的空气中含有的二氧化碳越多，就意味着水中的二氧化碳也越多，这必然会对pH值和盐度产生巨大的影响。二氧化碳与雨水结合形成碳酸（H₂CO₃），在海洋中，这种碳酸盐一部分会分解成氢离子，氢离子形成水合氢离子（酸性的H₃O⁺）和碳酸氢盐（HCO₃⁻）。H⁺的净增加使海洋变得酸性更大，可能会将pH值降低到5.5。这种酸性的海洋环境可能反过来加速了玄武岩和其他岩石的风化，在咸水的海洋中添加进更多的溶质。

昏暗太阳的悖论

关于地球最早海洋的故事细节，已经时而有冲突，足够有争议，但还有一个大问题需要解决。根据越来越精细的天文观测和天体物理学计算，像太阳这样的恒星在其一生中经历着不可阻挡的缓慢变亮过程。根据这些估计，44亿年前的年轻太阳比今天的亮度低了25%~30%。更重要的是，太阳会在至少15亿年的时间里保持着这种微弱的亮光。如果今天的太阳突然变得那样昏暗，地球将很快进入一个毁灭性的冰库阶段，海洋将从两极冻结到赤道，地球上的大多数生命都将死亡。只有最顽强的生物、深藏地下的微生物，以及生活在与火山有关的受保护热液区的动物，才能在如此灾难性的气候变化中生存下来。

如果有这样一个冷得多的太阳，地球肯定很快就结冰了。然而，在至少40亿年前，富含地表水的地质证据十分明确。浅水和深水环境的沉积物都很常见。在这段时间里，生命出现，并繁衍生息。那么，早期的海洋怎么会是液态的呢？

当然，较为昏暗的太阳造成的热量不足，一部分是由更热的地球来弥补的。在原始的岩浆海洋形成地壳后，仍然有大量高温的熔岩和火山活动让地表保持温暖。在这样一颗行星上，当黑色的地壳慢慢变厚并冷却时，海洋会从下方被不断地加热。

关于昏暗太阳的悖论，一种主导性的假说认为，由于大气中二氧化碳的浓度极高，可能是目前大气压力的10倍以上（同样高的二氧化碳浓度可能使海洋酸化并增加其盐度），温室效应被放大了。

第二种巧妙的假说是，在地球早期的黑色阶段，以及之后的蓝色阶段，吸收的太阳能量比现在地表吸收的能量要高得多。今天，海洋会比陆地吸收更多阳光，这一影响可能被早期海洋中高浓度的铁放大。阳光吸收的增加还可能与缺少散射光的云层有关。今天，植物产生的微粒和化学物质在形成云凝结核方面发挥着主要作用，但在数十亿年前，还没有植物能够触发云的形成。

另一种假说是，在早期大气中存在大量温室气体甲烷。富含甲烷的大气会产生一个奇怪的后果，那就是大气中的化学反应变得更活跃，紫外线辐射会引发多种有机分子的合成，包括可能构成生命的基本成分。这些有机分子或许引发了浓重的烟雾，将蓝色的地球变成了一个醒目的橙色世界，就像土星巨大的卫星土卫六那样。因此，虽然我们还不知道这些因素的确切组合，但对于地球如何保持在冰点以上，我们有足够的解释。

我们可以满怀信心地说，全球性的海洋一旦形成，就塑造了这颗星球的最外层，它雕刻了陆地，促进了矿物王国日益多样化的演化，并造就了生物圈的起源。水仍然在我们生活的方方面面发挥着神奇的作用，它是矿物资源的集成器，是地表变化的主要因素，也是所有生命的核心介质。

[1] 尽管经常被认为出自唐纳德·拉姆斯菲尔德（Donald Rumsfeld）2002年的演讲，但这些引用最早来自1997年我和马克辛·辛格（Maxine Singer）合著的书《黑洞为什么不是黑的？》的序言。——作者注

今 天的地球是一个反差极大的世界，三分之一是陆地，三分之二是水。从太空中看，它是一个多彩的世界，混合了蓝色、棕色、绿色以及流动的白色。不到44亿年前，均匀散布的黑色玄武岩火山锥是贫瘠干燥的唯一陆地，浮现在单调的蓝色浅海海面上。所有这些都将随着花岗岩的出现而改变，花岗岩成为大陆坚固的基石。

地球的故事是一串分化的传奇，它将元素分离和集合，分化形成新的岩石和矿物，分化出大陆和海洋，并最终分化出现生命。这个主题一次又一次地出现。太阳系靠内的岩质行星水星、金星、地球和火星的形成，都依赖于强烈的太阳风脉冲将氢和氦从较重的六大元素中分离出来，并将较轻的气体元素向外扫向了木星、土星、天王星和海王星等巨型行星的区域。在地球上，金属核与富含橄榄岩的地幔分离，致密熔融的铁沉积在了中心。橄榄岩的部分熔融产生了玄武岩，一种富含硅、钙和铝的岩石。玄武岩从橄榄岩中分离出来，形成了地球上第一层薄薄的黑色地壳。当玄武岩激烈地喷发到地表时，水和其他挥发物从玄武岩岩浆中分离出来，形成最初的海洋和大气。每一个热驱动步骤都分离并集合了元素。每一个步骤都让这颗星球越发分层和分化。

大陆的出现是地球分化的另一个重要步骤。当玄武岩的外地壳层冷却并硬化时，它们在下方熔融的地幔之上形成了一层类似盖子的吸热表层。从下方被再次加热的玄武岩，在温度相对较低的环境中开始熔化，特别是在有水的情况下，这一过程可以在温度低至1 200华氏度时发生。随着温度升高，玄武岩熔化的比例也随之增加，起初是5%，然后是10%，最终可达到25%。橄榄岩熔化带来的影响是，由此产生的岩浆在成分上与原先的玄武岩有明显不同。最值得注意的是，这种新的熔体富含硅，钠和钾的成分也显著提高。水也集中在这种热流体中，此外还有数十种稀有微量元素，包括铍、锂、铀、锆、钽等。这种新形成的富硅岩浆的密度比原先的玄武岩密度小得多，因此它不可避免地被推向地表，形成了最初的花岗岩。

大多数花岗岩有着简单的矿物学性质，包含四种不同类型的矿物。清澈无色的石英晶体（纯氧化硅）大量存在于花岗岩中，它们坚硬的颗粒会被侵蚀，形成地球上最早的白色沙滩。还有两种长石，一种富含钾，另一种富含钠，它们让地球上最早的花岗岩呈现出一种单调的灰白色。在花岗岩上零星点缀的还有第四种矿物，一种颜色较深的含铁矿物，有时是块状辉石，有时是片状云母，有时是细长的角闪石。下次你看到抛光的花岗岩台面或浴室设施时，可以看看这四种矿物的简单组合。

稀有元素的存在通常会导致额外矿物的微小颗粒散布其中，比如集中了锆元素的锆石。回想上一章的最后，从澳大利亚偏远的杰克山提取的红色锆石晶体，暗示了44亿年前存在早期海洋。这种晶体似乎是在相对凉爽、潮湿的条件下形成的，也可能指向了早期地球上花岗岩形成的开始。杰克山的锆石不仅具有独特的重氧同位素的特征，表明其产生于凉爽潮湿的环境中，而且这些40多亿年前的晶体中有一部分还含有石英包裹体，这种矿物在花岗岩出现之前很少形成。一些专家认为，这些古老的、低温的、含石英的锆石晶体是最早的花岗岩地壳仅存的遗迹。

花岗岩的起源，让我们第一次看到地球的矿物演化与其行星邻居的矿物演化出现了明显差异。花岗岩的形成需要行星表面附近具有丰富的玄武岩，以及很高的内部热量来重熔它。较小的行星如火星和水星，还有地球的月球，都被必要的玄武岩表面所包围，但这些星球太小了，无法制造出大量花岗岩，它们还缺乏必要的内部热量。可以肯定的是，这些星球上出现了少量花岗岩，但那与深植于地球的花岗岩大陆不可同日而语。

浮力

由黑色玄武岩组成的原始地壳被来自下方的热量软化，这种地壳的密度均匀，大约是水密度的三倍，实在无法支撑太多地形。一些火山机体的平均海拔可能会达到一两英里的高度，足以让分散的黑色岛屿露出海平面之上，但在大陆出现之前，地球上没有雄伟的山脉，也没有任何深海盆地。花岗岩的平均密度明显较低（约为水的2.7倍），从而改变了这种动态。花岗岩不可避免地漂浮在玄武岩和橄榄岩之上，堆积成巨大的山丘，像漂浮在水上的冰山一样，高出水面数英里。

冰的密度比水低约10%，它为我们提供了一种熟悉的类比。由于密度的差异，约10%的冰山体积会露出水面。一座200英尺高的锯齿状冰山，通常会露出水面30英尺或更多，因此才有了“冰山一角”的说法。同样，花岗岩的密度比其漂浮之上的玄武岩要低10%。随着地球部分熔融的玄武岩地壳形成一层又一层的花岗岩，冰山一样的凸起开始形成。一英里厚的花岗岩岩体可能产生一个小山丘，露出的部分会比玄武岩地壳的平均高度高出近1 000英尺。但随着时间的推移，堆积的大量花岗岩地壳达到了数英里的厚度。因此，深入地下的大陆在海洋之上越升越高，一些山脉能高出水面几英里。今天的落基山脉位于美国西部，它的花岗岩根部深达40英里，拥有超过14 000英尺的众多山峰。这道雄伟的山脊矗立在北美大陆上，成为花岗岩浮力的证明。

1970年，当我在麻省理工学院上第一门地质学课程时，浮力驱动地质变化仍然是教科书的正统说法。[我们那时用的是英国地质学家阿瑟·霍姆斯（Arthur Holmes）1965年版的经典著作《物理地质学原理》（Principles of Physical Geology）。]它被称为“地壳均衡说”。“垂直构造”的驱动力是“地壳均衡调整”。一个精巧的木刻作品，与19世纪的地质文献中的几乎没有变化，表明一排不同高度的长方形木块漂浮在水中，更高的木块从水里冒出，就像一座山。我们学习了海洋盆地如何充满厚厚的沉积物层，以及这些沉积物如何熔化，形成更多花岗岩体，还学习了山脉如何从这些漂浮的花岗岩核中隆起。这一切在当时都说得通，它仍然是一种主流的假说，表明40多亿年前地球最早的地壳是如何形成的。

在地球早期的历史中，甚至可能在最初的2亿年内，由于深部堆积的玄武岩被部分熔化，在热点上方一定已经开始形成了一些由灰色花岗岩构成的陆地。在早期，垂直构造和地壳均衡一定占了上风，正如阿瑟·霍姆斯所说的那样。那些最初孤立的花岗岩大陆块是完全荒芜的，被狂风吹拂，被强烈的海浪拍打。遭受侵蚀的石英岩石碎片慢慢堆积，形成了少许沙滩，而长石则被风化成了富含黏土的土壤薄层。第一批花岗岩岛屿是彼此孤立的，中等大小，高度较低。它们与即将到来的巨型大陆并不一样。

巨大的冰山

撞击重来？

那么，早期地球是如何从火山点缀的玄武岩世界，转变成一个拥有广阔的灰色花岗岩大陆的星球的呢？最初的一些花岗岩孤岛是如何扩展成我们今天看到的横跨半球的大陆的？地球科学家从不畏惧提出假说。其中一个较为有趣的想法，假设形成大陆的一连串事件是由那个我们熟悉的偶然因素触发的，也就是失控的小行星。

在忒伊亚消失和月球形成后的10亿年间，巨大的撞击不时发生。这无可争辩。专家估计，在地球漫长的摇篮时期，有几十颗巨大的小行星与地球相撞，这些小行星的直径可达100英里，它们是最初行星形成的时代留下的流浪太空的残余物。想象40亿年前的一个场景，一股软岩石的热流柱在年轻的海洋地壳下不断上升。许多这样的热流柱，没有数百个也有数十个，从地球深部升起，通过有效的对流过程来传递内部热量。喷发玄武岩熔岩的巨大火山在每一个热流柱上方喷发，甚至重熔玄武岩的地壳，产生了一种花岗岩成分，使大地不断增厚。

随之而来的是灾难，一颗直径30英里的小行星撞击到了火山群，抹去了300英里半径内所有的陆地痕迹。撞击产生了一个巨大的碗状岩浆湖，同时向邻近的表面喷涌出一团团浓稠的熔岩和岩石碎块。来自宇宙的袭击阻挡了地幔柱，地幔柱必须找到一条通向地表的新路径。

根据这种巧妙的设想，撞击后的热流柱改变了路径，从一片迷你的陆地下面探出。这片陆地有玄武岩的根基，以及正在生长的花岗岩表面。一旦热流柱来到这样一片厚重吸热的玄武岩盖层之下，新的热源就会使大量新的花岗岩冒起，从而使陆地扩大并变厚。

这个未经检验的故事可能是地球最早形成大陆的故事的一部分。小行星的撞击增强了10亿年来的垂直构造，这将产生越来越多的火山洋岛，而这些岛屿拥有混合了玄武岩和花岗岩的核心。陆地逐渐从海面上升起。到了40亿年前，分布在全球各地的巨大岛屿可能已经占据了地球表面的一部分。

但随后，板块构造发生了变化，地球近地表的演化进入了快速发展的时期。

漂移的大陆

发现板块构造是地球的主要地质过程，本身就是一个在时间上跨越现代科学发展历程的故事。尽管经过至少四个世纪的观察，整个大陆可能以某种方式穿越地球表面的想法起初仍是模糊的，被视为异端邪说，直到20世纪60年代国际上出现疯狂的发现热潮时，这种想法才引起了巨大关注，并被广泛接受。不过，一旦大量证据开始累积，地球科学便经历了科学史上几乎最迅速的范式转变。事实上，在我于麻省理工学院读本科的五年中，到了20世纪70年代中期，所有的地质学教科书都不得不完全重写，因为以往关于垂直构造的正统理论几乎被完全抹去了。

回想起来，一些反对垂直构造的证据应该是显而易见的。就算是今天的落基山脉，它与喜马拉雅山脉6 000多米的平均海拔和珠穆朗玛峰8 844米的高度比起来仍然相形见绌。同样，与平均两英里深的海洋相比，地球上最深的海沟位于西太平洋马里亚纳群岛附近，它令人惊诧地深入了地下七英里。在一个地壳均衡说的世界里，这样的极端地形不可能持续下去。垂直构造不可能是故事的全部。

横向构造是侧向运动在地球地质演化中所起的作用，其微妙的线索随着新大陆海岸线的第一批精确的地图而出现。到了17世纪初，美洲东部海岸线与欧洲和非洲西部海岸之间惊人的一致性变得显而易见。它们拥有一样蜿蜒的形状，同样的海湾和凸起，非洲西南部的圆滑轮廓和与之吻合的南美洲尖端向东弯曲的轮廓，所有这些都指向了某种古老的拼图游戏般的契合。

一些奇怪的假说试图解释大西洋两岸大陆迷人的匹配性。哈佛大学天文学家威廉·亨利·皮克林（William Henry Pickering）支持乔治·达尔文关于月球裂变起源的理论（月球是一个从快速旋转的地球甩到太空中的熔岩团块），他假定，当月球从太平洋被甩出的同时，在地球的另一边，大西洋也裂开了。另一些人则在大西洋巨大的曲线中看到了上帝之手。或许大西洋的海岸线就是挪亚大洪水的海岸线，这场发生于数千年前的洪水，创造了大洋，并“划分了陆地”。

系统的地质调查也许有助于解决这个问题，但在400年前，地质学甚至还没有被命名，更不用说以任何系统的方式来研究了。18世纪末，采矿和农业是最早的地质调查背后的经济驱动力，严格来说那是国家和州的事务。在跨越政治边界的地质构造上，它们几乎没有做出什么努力。而且，一个公国的财产也不被认为与其他公国的财产有什么不可划分的关联。毫不夸张地说，黄金在哪儿被发现，它就属于那个国家或地区。在这样一个国家主义的测绘环境中，研究大西洋两岸地质特征的匹配度并不是一个优先事项。

最初的大西洋两岸详细地质对比分析是由气象学家阿尔弗雷德·魏格纳（Alfred Wegener）着手进行的，他看起来不太像是个可能的人选，因为他的大部分职业生涯都在北极度过。（他在50岁时，由于在寒冷的格陵兰冰原上执行英勇的冬季营救任务而离世。）尽管他的职业生涯主要致力于研究天气的起源，但他最难忘和从事时间最长的工作与他所说的“大陆漂移”有关，这是对横向构造的一个早期但备受贬低的贡献。这种转向研究地质学的奇特灵感来自第一次世界大战期间，当时他在德国陆军担任预备役中尉。在对抗比利时的战役中，魏格纳颈部中弹，被解除了前线职务，并被允许利用康复期来学习。

魏格纳和许多之前研究类似课题的学者一样，对大西洋两岸的大陆具有明显的一致性感到震惊，尽管许多科学家认为这种匹配是巧合。魏格纳的视野更开阔，他意识到，在东非、南极洲、印度和澳大利亚的不同海岸线都可以看到类似的情况。事实上，地球上所有的大陆都可以完美地合在一起，形成一个超大陆，他称之为泛大陆（来自希腊语中的“所有陆地”）。魏格纳和一些志同道合的支持者还引用了最新发表的针对欧洲、非洲和美洲沿海地区的地质调查证据，这些专著揭示了广阔的大西洋地区惊人的相关性。当大陆合并起来时，大型的矿区，比如巴西和南非丰富的黄金和钻石储存，似乎是一个巨大的矿床。同样，一些岩石层具有独特的蕨类化石舌羊齿，以及已经灭绝的爬行动物中龙，它们也能完美地契合。他认为，如此详细的地质和古生物学关联，不可能是简单的巧合。

魏格纳的大陆漂移假说最早于1915年出版。随后出版了三版德文版，每一版都比上一版更详细，除此之外还有1924年的英译本《大陆和海洋的起源》（The Origin of the Continents and Oceans），以及许多其他版本。大量的新数据支持了大陆曾经连接在一起的观点。1917年，一个由古生物学家组成的委员会列出了十几个实例，表明不同的含化石地层在大洋两岸相匹配，他们将其解释为需要某种古老的陆桥。南非地质学家詹姆斯·杜·托伊特（James du Toit）对魏格纳的想法特别着迷，他从卡内基研究所获得了访问南美洲东部的资助。他记录了更多大洋两岸匹配的案例，例如相同的矿物、岩石和化石这样惊人的实证。

然而，尽管大陆对齐的数据不断积累，地球科学界却无动于衷。由于缺乏一种大陆尺度漂移的可信机制，许多地质学家公开批评魏格纳的推测。这些批评有牛顿运动定律的支持，这条定律规定，如果没有相应的巨大力量来推动大陆，大陆就不可能在全球漂移。在找出一种全球尺度的力量之前，大陆漂移只被视为一个地质学业余爱好者的疯狂想法。剑桥大学物理学家哈罗德·杰弗里斯（Harold Jeffreys）在1923年总结了英国学者的观点：“魏格纳提出的物理原因带有荒谬的缺陷。”美国地质学家同样不相信这个学说。芝加哥大学地质学系的罗林·T. 钱伯林（Rollin T.Chamberlin）在1926年的一次研讨会上抨击了大陆漂移之说：“魏格纳的假说基本上是一种不受限制的类型，它需要地球上拥有相当大的自由度，与大多数竞争理论相比，它更不受丑陋现实的限制或束缚。如果我们要相信魏格纳的假说，我们就必须忘记过去70年里学到的一切，从头开始。”

即便如此，一些地球科学家对魏格纳及其支持者的发现格外感兴趣，从而设想出了大陆漂移的新机制。一种思想流派认为，地球正在萎缩，可能是由于地球深部充满气体的空洞正在冷却或坍塌，因此部分地表必须逐渐向内部倾斜，就像一个破碎的拱门。在这种不堪一击的模型中，大陆曾经是一片连绵不断的广阔土地，从美洲西部海岸一直延伸到非洲和亚洲东部的海岸。今天的大西洋被视为一个巨大的陆地拱门，已经坍塌到了地幔中。基础欧几里得几何学挫败了这个不断缩小的地球模型，原因是，一个简单的拱门可以坍塌，但是把这种想法转移到一个球体上，覆盖大西洋区域的大陆不可能坍塌入任何东西。

另一拨人提出了相反的观点，他们认为地球一直在膨胀，就像一个在地质时间尺度上不断膨胀的气球。很久以前只有大陆地壳，它随着地球膨胀（由于深处不断膨胀的高温气体的产生）而破裂和分裂。事实上，如果你倒放一段想象中地球膨胀的录像带，你就能看到这样一种状态，所有的大陆整齐划一地滑动，覆盖着一个直径约为现代地球直径五分之三的球体。由于缺乏其他被广泛接受的大西洋形成机制，这一假说在20世纪20年代到60年代一直存在于地质界，直到20世纪60年代，一个不可抗拒的新想法取而代之。

隐藏的山脉

让我们快进到第二次世界大战后的年代，这是一个充满科技创新的时代，人们对科学的发展十分乐观。20世纪50年代，海洋学家利用两项解密的反潜战中的科技进展，引发了人们对动态地球的革命性发现。

声呐是一项拥有百年历史的技术，它利用声波来测量距离和方向，任何看过好莱坞潜艇电影的人都很熟悉。你听到“叮”的一声，过了一会儿又会听到一声柔和的“叮”的回音。声波从潜艇的坚固外壳上反射了回来。（对观众的影响取决于电影的视角是猎人还是猎物。）“叮……叮”“叮……叮”“叮……叮”，当潜艇被精确定位时，回声的速度会加快。紧张的音乐响起，深水炸弹被射出。

同样的技术也可以用于研究海洋深度和海底地形。即使是最深的海谷和海沟也可以用声波来探测。早在19世纪70年代，英国科学家就在“挑战者号”上使用了粗略的深海探测技术，报道了大西洋中部海底的山脉迹象，这个惊人的结果使当时的一些浪漫主义者将它与消失的亚特兰蒂斯大陆联系在一起。在1912年“泰坦尼克号”事故后，最初的回声探测技术首次被用于冰山探测。随着德国潜艇的发展，这一技术在第一次世界大战期间得到了迅速发展。20世纪20年代，声呐首次被系统地应用在绘制海底地图上，人们很快意识到，地球上所有海洋之下都隐藏着巨大的山脉。然而，这些开创性的海洋调查的地质意义很少被注意到，经济大萧条和一触即发的第二次世界大战在很大程度上遏制了海洋学研究。

板块构造图和“大陆漂移”假说，图片版权来自W. W. Norton & Company, Inc.

战后，海洋学家有了新一代高灵敏度的声呐探测器，这种探测器不仅可以绘制整个洋底的地形图，还可以探测来自更深层岩层的反射声波。大西洋洋底的一般特征很容易确定。例如，在大多数地方，当你逐渐远离大西洋的海岸线时，距离达到数百英里，大陆架会逐渐加深。这些大陆架的边缘有一个明显的特征，那就是突然下降到一个2英里深、1 000英里宽的深海平原，比陆地上任何地方都要宽阔平坦得多。海洋被绵延的山脉一分为二，这个山脉就是大西洋中脊。

所有这些都与早期的发现一致，但海洋地壳的厚度却令人大吃一惊。地质学家预测，海洋地壳随着远离海岸而逐渐变薄，海洋的根基不如陆地的深。但科学家发现事实并不是这种逐渐的转变，而是从厚到薄的明显而突然的反差。与大陆下数十英里厚的地壳岩石不同，海洋地壳只有五六英里厚，急剧的转变发生在大陆架边缘突然下降的地方。大陆和海洋之间如此狭窄的分界线与地壳均衡模型不相符。

年复一年，科学家在广阔的海洋上来回航行了无数次。每一次穿越都得到了同样的结果。海洋之下有一条两万多英里长的巨大山脉，那是地球上最大的山脉，它正好把大西洋一分为二。隐藏的大西洋中脊的顶部也具有和大陆海岸线相似的连续曲线。更重要的是，如果把大陆的边缘看作是水下向深海平原的急剧下降（而非连续变化的沙滩海岸线），那么大陆之间的匹配度就极为不可思议，仿佛一块破碎的陶瓷板整齐地重新拼合在一起。科学再也无法把海岸线的一致性仅仅视为巧合。

随着科学家完成更多的横跨大西洋航行，并对比更多的细节，新的模式出现了。大西洋中脊不是普通的山脉。在陆地上，大多数山脉沿着轴线有一条最高峰连成的线，但大西洋中脊的中心线是一条宽阔的槽，约有20英里宽，与东西两侧相邻山峰的深度差超过1英里，我们现在称这种特征为裂谷。此外，山脊及其裂谷并没有从北向南沿着一条平滑而连续的曲线延伸。相反，裂谷不断向东或向西偏移100英里，甚至更远，形成明显的转换断层，也就是地壳断裂和移位的地方，这使整个山脊看起来参差不齐，支离破碎。这是怎么回事？

这种暗示性的发现很容易被战后雪崩一般的大量科学发现所掩埋。从某种意义上说，它们只是更多的数据。但海底项目的首席研究员可不是一般的公关人员，哥伦比亚大学拉蒙特地质观测站的海洋地球物理学家布鲁斯·希森（Bruce Heezen）和玛丽·撒普（Marie Tharp）设计了一张新的、引人注目的地球表面地形图。与其他地形图一样，它们用颜色表示大陆的海拔，从绿色、黄色到棕色的梯度代表升高的海拔，表示最高的积雪山脉海拔的是白色。喜马拉雅山脉、安第斯山脉、阿尔卑斯山脉等巨大的山脉都非常突出。希森和撒普的艺术性创新是，他们以完全相同的方式突出了巨大的海底山脉，尽管用的是不同深浅和色调的蓝色，这一技术使大西洋中脊和其他深海地貌在全球尺度上脱颖而出。他们将精美的地图以大西洋为中心，以精确的方式突出了海岸线和山脊的相同形状。到了20世纪60年代，希森和撒普的地图已经成了标志性的代表。不管这种相似性的原因是什么，有某种成因关联的事实显而易见。

布鲁斯·希森的故事和他广受赞誉的贡献对我和我的职业生涯有着特殊意义，因为当我在1966年秋天来到麻省理工学院时，我惊讶地发现，即使是最资深的地质学教授也对我相当恭敬，希望和我握手。杰出的血统在科学上并非没有优势，即便是错误的同音变体。[1]

扩张的海洋

随着大西洋中脊的发现，以及在东太平洋和印度洋发现类似的地下火山脊，科学家重振精神，着力研究大陆横向运动的可能性。可以肯定的是，大陆并没有像魏格纳的学说所暗示的那样漫无目的地漂移，因此地质学家寻找了一些隐藏的力量，这些力量可以显著地重新排列地球表面。

随着一个接一个的研究出现，专家不断收集到新的数据。1956年，希森和他在拉蒙特的上级、地震学家莫里斯·尤因（Maurice Ewing）记录了大西洋中脊中央裂谷的位置与全球34 000英里长的中度洋底地震带之间的显著联系。裂谷与地震有一定的联系，所以洋脊一定有动态可变的特征。

海底岩石也让许多地质学家感到惊讶，他们曾预言大西洋中脊是一个典型的山脉，顶部覆盖着耐海的石灰岩，就像加拿大的落基山脉。但是沿着洋脊的广泛挖掘，加上对大西洋众多岛屿的观察，只让科学家发现了玄武岩，而且是相对年轻的玄武岩。结果表明，除了软沉积物的表面外，海洋地壳几乎完全由火山玄武岩构成。火山岩从东到西横跨2 500多英里，形成了海底。

更重要的是，根据放射性元素的稳定衰变率进行的仔细测定，表明这些岩石的年龄遵循一种简单模式。从大西洋中脊正中央的裂谷采集的玄武岩是新生成的，只有不到100万年的历史。从裂谷向东或向西越远，玄武岩就越古老，到大陆边缘附近的岩石已有一亿多年的历史。为什么海洋中心的岩石更年轻，而边缘的岩石要古老得多？一个合乎逻辑的结论是，大西洋中脊是一系列火山，它们喷发出新的玄武岩地壳。但是海洋盆地边缘的古老岩石又是从哪里来的呢？

关键数据，也就是板块构造的确凿证据，来自第二种反潜技术，即被称为磁力仪的技术。第二次世界大战中的潜艇是大块富含铁的合金，所以它们带有磁性。由于磁力仪的发展，寻找潜艇的飞机可以飞越海面，捕捉附近敌方潜艇异常的磁力。在这场战争之后，地球物理学家发明了新型磁力仪，大大提高了对磁场微小变化探测的灵敏度。他们改装了这些仪器，将它们拖在研究船后面，在海底上方航行。

这些仪器的目标是洋底玄武岩。这些玄武岩以磁铁矿这种铁矿物的微小晶体的形式存在，带有微弱的磁信号。众所周知，地球磁场每年都有微小的变化，也就是所谓的长期变化。当玄武岩岩浆冷却时，这些晶体像小指南针一样，在地球磁场的方向上凝固住。因此，洋底玄武岩保留了岩石硬化时地球磁场的确切方向。热门的古地磁学领域研究的就是这些被固定在玄武岩和其他岩石中的不可见的磁场。（在陆地上，由于大陆地壳的褶皱、断层和其他地质扭曲，随着时间的推移，磁信号变成了大杂烩，因而打乱了这种模式。）

从20世纪50年代初开始，海洋学家在靠近海底的地方布置了磁力仪，让它们扫过洋脊长长的横断面。他们希望古地磁测量能更好地反映海底的长期变化。但他们发现的却是一种奇怪的磁模式，它异常地规律且复杂。在大西洋和太平洋靠近中央裂谷的地方，玄武岩显示出正常的磁方向，如实地指向现代北极。但是，在裂谷以东或以西几英里处，磁信号会翻转180度，磁北极几乎与它现在的位置完全相反，而南极才应该在那里，反之亦然。再向两个方向更远的地方航行几英里，磁场就会再次翻转180度，指向正确的方向。在任何给定的横断面上，凝固在岩石中的磁场都被观察到一次又一次地翻转，重复了几十次。

其他额外的分析揭示了三个关键事实。第一，具有反向磁场的岩石形成了狭长的南北走向带，它与大西洋和太平洋的洋脊完全平行。而在中央裂谷破裂的地方，也就是被转换断层偏移的地方，磁力带也发生了偏移。第二，这些磁条的图案沿洋脊的轴对称：从中心向东或向西航行，出现了完全相同的正向和反向条纹序列，有的宽一些，有的窄一些。第三，来自世界各地洋脊系统的玄武岩放射性年龄测定证实，每一次反转都是在一个狭窄且精确界定的年代内同时发生的。因此，磁反转可以作为一种海底的时间线。

大洋中脊

如果这令人难以理解，那么说两个逻辑上的结论。首先，地球磁场的变化很大，它平均每50万年就会翻转180度，而且至少在过去的1.5亿年间一直是这样。我们对这种磁场变化的原因已经有了一些详细了解。我们的星球是一个巨大的电磁铁，它的磁场来自地球的对流液体外核中涡旋的电流。这种对流是热量驱动的，内核边界的高密度的炽热液体会膨胀和上升，而从上方下沉的更冷、密度更高的液体则取而代之。地球物理学家利用复杂的计算机模型证明，地球自转给对流增加了更为复杂和混乱的扭曲，导致磁场每50万年左右发生一次翻转。地球的自转也迫使磁极大部分时间与稳定的自转轴对齐，但在地核不稳定的时期，磁场可能会在一个世纪或更短的时间里，大范围地漂移和翻转。

第二个结论是，洋中脊每年以一英寸或更快的速度产生新的玄武岩地壳。随着新的熔岩取代原来玄武岩的位置，较古老的玄武岩会从洋脊向东和向西移动。因此，洋脊系统是巨大的双向传送带，不断喷涌形成新的海底。大西洋中脊产生的新玄武岩正在使大西洋扩张，每年大概会扩大2英寸，平均每3万年形成1英里的新海底。把磁带倒放回1.5亿年前，大西洋并不存在。在那个时间之前，正如阿尔弗雷德·魏格纳提出的那样，美洲一定是跟欧洲和非洲连上的。

1961年，《美国地质学会学报》（Geological Society of America Bulletin）发表了这一非凡发现的最具影响力的报告之一。英国地球物理学家罗纳德·梅森（Ronald Mason）和美国加利福尼亚州斯克里普斯海洋学研究所的电子专家阿瑟·拉夫（Arthur Raff）合作了近十年，对北美洲西海岸的洋底进行了彻底的磁力调查。他们这篇报告的核心是一幅胡安德富卡海岭详细的磁力图，这个海岭在太平洋海底十分突出，从俄勒冈州、华盛顿州和不列颠哥伦比亚省的港口出发，只需不到一天的航程就能到达。

梅森和拉夫不加修饰的黑白地图上有数十条南北走向的条纹，分别代表着正常和倒转的磁场。在海洋地壳的巨大区块中，一致性普遍存在，每一块都有数百英里宽，每一块都有一个沿中央裂谷对称的条纹图案。但在相邻的区块之间，图案被转换断层线破坏并产生偏移，就像立体派绘画那样歪斜。对其中一条断层即门多西诺断裂带的偏移分析表明，该断裂带的横向位移多达700英里。巨大的内部过程一定在地壳的破裂中起了作用。

随着从全球各地的洋脊系统中找到越来越多类似的证据，地质学家、地球物理学家和海洋学家开始在一项全新的综合研究中相互交流。海底地形、地震学、磁学和岩石年龄的相关性都指向了同一个结论。世界各地的洋脊系统正在形成新的海洋地壳，而洋脊系统也是火山活动的动态区域。海底扩张的速率被记录在磁条的对称图案和玄武岩的年龄中。

一篇篇有影响力的论文转变了地质学群体思维定式，到20世纪60年代中期，几乎所有人都相信了曾经的异端邪说：大陆在移动。一亿多年来，大西洋每年都在变宽。

消失的地壳

板块构造革命的早期是一个发现迭出、范式不断变化和同样令人困惑的新问题涌现的时代。一个无法回答的问题从其他问题中脱颖而出：如何在大西洋、太平洋和印度洋三万多英里的洋中脊上，每三万年增加一英里宽的新玄武岩地壳？哪里有空间容纳所有这些新的地壳？除非地球变得越来越大，否则古老的地壳一定得到某个地方去。在20世纪50年代和60年代初很短的一段时间内，包括布鲁斯·希森在内的一小群地质学家确实拥护了这个站不住脚的地球膨胀的设想。

地震学家找到了解决方法。在20世纪60年代的冷战环境下，核武器成了地震学的核心焦点（和主要资金来源）。1962年古巴导弹危机后，美国和苏联达成了《部分禁止核试验条约》，将核武器试验限制在地下引爆。检验该条约依赖于使用大量（且昂贵）的振动敏感仪器阵列进行连续的地震监测，这些仪器布置在地球的偏远地区。由此产生的世界范围标准地震台网（WWSSN）将120个台站与科罗拉多州戈尔登中央计算机处理中心相连，这里是美国地质调查局一个分支机构的所在。我们有史以来第一次能够精确定位地球上任何地方发生的小地震（和大爆炸）的确切位置、深度、震级和运动。

这给地球科学带来的好处是巨大的。有了新的工具，地球物理学家可以检测到之前无法探测到的数千次地球运动，从而记录下之前未被识别的地震的全球模式。他们发现，地球上几乎所有突发的地壳运动，都是沿着狭窄而剧烈的地震活动线发生的，比如洋中脊。其他许多地震发生在大陆边缘附近的火山链周围，例如著名的环太平洋火山带。这些太平洋边缘容易发生激烈活动的地区，包括菲律宾、日本、阿拉斯加、智利和其他危险地区，形成了一种普遍的模式。

人们早就知道，相对较浅（来自几英里或更浅的深度）的地震起源于洋底海沟附近的近海地区，而更深（一些起源于100英里以下）的地震则发生在离海岸更远的内陆地区。已知最深的地震通常发生在危险的火山链下，比如华盛顿州圣海伦斯火山和雷尼尔山，这些火山通常位于深入内陆的地方。

20世纪60年代末，WWSSN的新数据厘清了深海海沟、地震和火山之间关系的细节。地震深度从海沟向内陆增加的独特模式描绘了一幅画面，巨大的海洋地壳板块沿着被称为俯冲带的区域向下俯冲到大陆下的地幔中。古老的玄武岩地壳比高温的地幔要冷得多，密度也更大，它直接被地球吞没了。由于俯冲玄武岩的阻碍，相邻的地壳弯曲，形成了深海海沟。洋脊每形成一平方英里的新地壳，就有一平方英里的旧地壳在俯冲带消失。新旧恰好平衡。

面纱仿佛被揭开了，板块构造的新科学受到了极大关注。洋脊和俯冲带界定了十几个漂移板块的边界，每一个板块都很冷（相比较深的地幔来说），每一个也都很脆（因此会受到地震破裂的影响），它们只有几十英里厚，但有数百到数千英里宽。这些坚硬的板块只是在更热、更软的地幔岩石上滑动着。环太平洋火山带界定了一个巨大的板块，南极洲及其周围海域则界定了另一个。北美洲和南美洲板块从大西洋中脊一直向西延伸到美洲的太平洋海岸，欧亚板块则从大西洋中脊向东延伸到东亚太平洋海岸。非洲板块西起大西洋中脊，东至印度洋中脊，展现了地球动态表面迷人的一面：非洲大陆开始分裂，形成一个新的裂谷，以一连串的湖泊和活火山为标志，还有高海拔地区，那里盛产世界上跑得最快的长跑运动员。总有一天，非洲会变成两个板块，中间会被一个新的扩张的海洋隔开。

随着洋脊产生新的板块，俯冲带吞没了旧的板块，欧几里得几何学再次让情况变得复杂：地球是一个球体。球体上板块生长和俯冲的几何学要求一些板块沿着锯齿状的转换断层线相互摩擦，因此梅森和拉夫绘制的著名的胡安德富卡海岭磁图中出现了偏移带。暴力的圣安德烈亚斯断层是另一条这样的缝合线，它引发了加利福尼亚州许多令人难以忘记的地震。随着巨大的北美板块相对于巨大的太平洋板块向东南方向移动，沿着断层每天都会堆积更多的压力。每一天，这些不可阻挡的板块运动都会使洛杉矶和旧金山的居民更靠近下一个“大板块”。

简单的板块构造几何学就是如此。是什么巨大的力量能够为板块运动提供动力？是什么能够导致整个大陆在数亿年内发生移动、刮擦和碰撞？答案就在于地球内部的热量。地球是热的，太空是冷的。热力学第二定律是宇宙中一个广泛覆盖的核心概念，它指出，热量总是从较热的物体流向较冷的物体，热量一定会逐渐分散，必须设法找到平衡。

回忆一下促进热能传递的三种常见机制。每一个热物体都以红外辐射的形式将其热量传递给周围环境。当流体块在较热和较冷的区域之间流动时，热量也会通过直接接触或传导或对流的方式转移，尽管效率要低得多。地球必须遵守热力学第二定律。但热量如何才能有效地从高温的地核转移到冷却的地壳呢？岩石和岩浆阻碍了红外辐射，而缓慢的传导也没有那么有效。因此，类似太妃糖的软化的热地幔岩的对流作用是关键。

地球表面的岩石是坚硬、易碎的材料，但在过热的“高压锅”（也就是地幔）的深处，岩石像黄油一样被软化。千百万年来，在地球深部的压力环境下，岩石变形、渗出并流动。温度高、浮力大的岩石逐渐向地表上升，而温度低、密度大的岩石则沉入深处。每个巨大的对流单元都有数千英里宽，数百英里深，在我们看不见的地方，在一个壮观的循环中翻滚搅动着地幔。这些全球洗牌的时间周期同样令人惊叹，对流单元的一次循环可能需要一亿年甚至更长的时间才能完成。

起初，也许在超过10亿年的时间里，地球均匀的玄武岩地壳下的地幔对流一定是混乱流转的大杂烩。在这里和那里，密度较低的花岗岩的较热的熔体以杂乱无章的岩浆和热流柱的形式朝着地表上升，并在地表附近汇聚，扰乱了温度较低、密度较大的玄武岩。在全球范围的热交换中，孤立、致密、较冷的地壳块缓慢沉入了内部。

在接下来的5亿年里，地幔搅动变得更有组织。数十个较小的对流单元，每一个都有上升的热流柱、岩浆层，以及下降的地壳块，合并成几个巨大的循环，每一个都有数百英里深，数千英里宽。在越来越受板块构造的革命性新过程支配的地球上，新的热玄武岩地壳形成于对流单元沿着不断增长的洋脊上升的地方，而旧冷玄武岩地壳则以一种陡峭的角度冲入地幔，形成俯冲带。在横截面上，地球翻滚的外层可能看起来像是一个侧向的旋涡的集合，每个涡流会持续1亿年或更长的时间。

就像现在一样，地球不断演化的表面反映了发生在地球内部的漫长过程。玄武岩火山的巨大洋脊在对流区上升的岩浆之上生长。又深又长的海沟形成于古老的俯冲地壳向下插入地幔、使相邻的洋底弯曲的地方。俯冲也加速了最重要的花岗岩的产生。当寒冷、潮湿、俯冲的玄武岩地壳陷得越来越深，被地球吞没时，它开始升温并熔化，虽然不是完全熔化，可能只熔化20%或30%。越来越多的花岗岩岩浆上升到地表，形成数百英里长的灰色火山岛链。构建大陆的舞台已经准备好了。

循环

花岗岩漂浮，玄武岩下沉，这是大陆起源的关键。花岗岩成分的岩浆比玄武岩成分的密度小得多，因此这些新的熔体缓慢且不可避免地上升，结晶成为近地表岩体，或者从火山中喷发出来，将一层层的碎渣和灰烬喷发到地表。在数十亿年的地球历史中，无数的花岗岩岛屿都是由这种连续的过程形成的。

板块构造不仅产生了这些以花岗岩为根基的岛链，还将它们组合成大陆。其中的关键在于一个简单事实，就是花岗岩无法俯冲而下。密度更大的玄武岩很容易沉入地幔，但花岗岩就像一个漂浮的软木塞，一旦形成，它就会留在表面。随着俯冲作用产生更多岛屿，花岗岩的总面积不停地增加。

想象一个俯冲的海洋地壳板块，上面点缀着永不沉没的花岗岩岛屿。玄武岩俯冲，但岛屿不会俯冲。它们必定会留在地表，在俯冲带上方形成条状陆地。经过了数千万年时间，越来越多的花岗岩岛聚集起来，形成越来越宽的陆地，新的花岗岩熔体从俯冲洋壳中上升，不断加厚和扩大日益增长的大陆。岛屿生长，形成原始大陆，继而生长形成现在的大陆，就像我们太阳系的球粒陨石曾经通过吸积形成星子，而星子又形成行星一样。

板块构造的宏大循环改变了我们的世界。地球又薄、又冷、又脆的表面裂开并移动，就像一锅沸腾的汤上的浮渣。新的玄武岩地壳从火山洋脊喷涌而出，揭示了深层对流单元上升的地方。古老的地壳被俯冲带吞没，揭示了对流单元下降的地方。地球最暴力的地表破坏包括最强烈的地震、最剧烈的火山活动，它们和整个地球上能量更强大的深层运动相比，不过是细微而偶然的暂时现象。

板块构造也给地球科学带来了革命性的变化。在之前的黑暗垂直构造时代，每一个地质学科都是独立的，似乎彼此无甚关联。在这场革命前，古生物学家无须与海洋学家交谈，火山的研究与矿石地质学的关系不大，地球物理学家不关心生命的起源和演化，一个国家的岩石与另一个国家的岩石没有明显的相关性，更不用说遥远的洋底岩石了。

板块构造统一了地球的一切。现在，稀有化石有机体的位置可以在广阔的海洋两岸精确对应起来。死火山地形使矿工们找到了隐藏在相应俯冲带中的珍贵矿床，这些矿床早就凝固成了大陆岩石。漂移大陆的地球物理研究表明了它对动植物进化的关键影响。板块构造揭示了地球是一个完整的行星系统，从地壳到地核，从纳米尺度到全球尺度，它在空间和时间上具有单一的统一原理。

江西省三清山的花岗岩微地貌展示了世界上已知花岗岩地貌中分布最密集、形态最多样的峰林（图源：Dcpeets / CC BY-SA 4.0）

新生的花岗岩需要一定时间，才能从热流柱驱动的岛屿的无序、垂直构造的拼凑物，转变为俯冲驱动的大陆的协调组合。但在地球诞生15亿年的时候，对流地幔这个拥有地球大部分质量和热能的1 800英里厚的区域已经不可逆转地改变了我们星球的表面。与黑色的玄武岩不同，不断生长的贫瘠的花岗岩陆块呈现出白灰色，那是典型的石英和长石混合的颜色。如果你是穿越到30亿年前那个古老世界的时间旅行者，你会发现一些熟悉的特征。你可以站在没有植被的原始大陆上，那里有参差错落的山丘和陡峭的山谷，这和北极地区崎岖的海岸线没什么两样。你会经历一阵又一阵的暴风骤雨，中间有几天会出现晴朗的蓝天和飘浮的白云。你会发现海洋中充满了溶解的矿物，包括碳酸钙和碳酸镁，它们偶尔会在玄武岩海底沉积成晶体层。你可以在凉爽的蓝色海洋边，躺在最早的白色沙滩上，那里有大量从灰色花岗岩中侵蚀留下的坚固石英颗粒。但你很快会在浓重的大气中窒息，那时的大气富含氮和二氧化碳，但缺少生命所需的一点氧气。

摇摇欲坠的花岗岩岩石群，形成澳大利亚的袋鼠岛上的岩石奇观

由坚固的花岗岩地壳构成的大陆的出现，只是地球宏大的演化盛会中的一个暖场表演。花岗岩地形是由普遍存在的近地表玄武岩经过深度加热和部分熔融形成的，就像我们星球上原始的、被淹没的黑色皮肤上正在生长的灰色疮痂。渐渐地，不断增厚的花岗岩筏漂浮在密度更高的玄武岩基底上，得以升到海平面之上，从而为所有巨大的大陆提供了根基。在我们以人类为中心的观点中，这就是我们今天所认知到的固体地球。

[1] Heezen与作者自己的姓Hazen在英语中读音相似。——译者注

刚 出生5亿年的地球几乎没什么线索表明它很快会变得那么早熟。可以肯定的是，地球上有惊人的火山作用，但太阳系中其他几个行星和卫星同样如此。地球被横跨全球的海洋美化，但早期的火星也是这样，而木星的巨大卫星木卫二和木卫四则被冰覆盖的50多英里深的海洋包围着，因此能够在地表保存下大量珍贵的液体。板块构造有助于改变我们的星球，但在早期，金星和火星可能也有自身的对流驱动的构造。

化学也没有让地球变得与众不同。玄武岩和花岗岩是所有岩质行星的基石。氧、硅、铝、镁、钙和铁是它们的主要成分。地球上有一定比例的碳、氮和硫，但太阳系的其他星球同样拥有这些重要元素。从几乎任何角度来看，40亿年前的地球似乎都只是一颗相当普通的行星。

但地球很快就成为已知世界中独一无二的存在。无可否认，它在最初那5亿年的时间里已经是极为独特的了，没有其他已知的行星或卫星经历过如此大规模的变化，没有其他行星如此彻底和频繁地改变着自己的外观。但这些变质作用只是规模不同，而非种类差异。行星变化最有活力的引擎尚未出现，它将使地球变得完全与众不同。只有地球变成了一颗拥有丰富而持续的生命的星球，生物圈的起源和演化使地球有别于其他所有已知的行星和卫星。

什么是生命？

“有生命的”是什么意思？是什么现象使地球与其他已知的世界如此不同？我们可以尝试把生命描述为一系列独特交织的特征，它有一个复杂的结构，拥有移动、生长、适应和繁殖的能力。我们可以把这些独特的细胞特性称为膜或遗传分子DNA（脱氧核糖核酸）的长链。但不管诊断特征的列表有多长，似乎总有例外。地衣不会动，骡子不繁殖。

化学为定义生命提供了更坚实的基础，因为所有生物都是有组织的分子系统，它经历着化学反应，具有惊人的复杂性和协调性。每一种生命形式都由分子（细胞）的离散集合构成，这些分子被一个分子屏障与外界（环境）隔绝。这些巧妙的化学物质集合进化出了两种相互依赖的自我保存的模式，分别是新陈代谢和遗传，它们一同清晰明了地将生物与非生物区分开来。

新陈代谢包含各种各样的化学反应，所有生命形式都利用这些反应将从周围环境获得的原子和能量转化为更多的细胞物质。就像微型化工厂一样，细胞吸收分子原料和燃料，利用这些来之不易的资源，帮助运动、修复、生长，以及偶尔的繁殖。和化工厂一样，细胞通过正反馈和负反馈精准地调控这些反应，这和肆虐的森林火灾或第一颗产生元素的恒星中发生的连锁核反应完全不同。

仅靠新陈代谢还不足以定义生命。与它们的无生命环境不同，细胞以DNA分子的形式携带信息，复制信息，并将信息代代相传。更重要的是，信息可能发生变异。分子的复制常常会出现一些错误，从而产生遗传变异。因此，变异促进了化学上出现新形式，使细胞种群能够与其他效率较低的种群竞争，如果想在环境变化时期生存下来，或将立足点扩展到新的环境生态位，这些新形式就很有帮助。

DNA双螺旋结构

因此，新陈代谢和遗传必须共同构成生物的特征。但令人惊讶的是，生物学家没能设计出一个单一的、普遍接受的生命定义。NASA太空生物学计划的任务就是调查生命的起源以及生命在其他星球上出现的可能，它对生命的定义或许是最接近的。1994年，斯克里普斯研究所的杰拉尔德·乔伊斯（Gerald Joyce）主持的NASA小组商定了一句精简的解释：“生命是一个自我维持的化学系统，能够进行达尔文式进化。”

乔伊斯是实验小组的领导者，他的实验室尝试创造生命（属于前沿的合成生物学领域），他完成了这个基准测试，这绝对是个了不起的突破。他设计了一个将试管缚在一起的集合，里面有成千上万种相互作用的分子，这些分子既能自我维持，又能进化。这个复杂的过程发生于玻璃制品中，从实验开始就已存在的各种分子的比例不断发生变化，尽管这是由于精确的分子复制。乔伊斯意识到，一个只是批量复制分子的化学系统，即使这些分子的相对比例随着时间改变，也不过是一台分子复印机而已。相比之下，自然生物系统具有变异能力，因此可能会去做新的事情，探索新的环境，在意想不到的环境变化中生存下来，执行新的任务，与周围邻居竞争资源。因此，乔伊斯修改了他的定义，将新奇这一特征包含在内：“生命是一个自我维持的化学系统，能够有新形式，并进行达尔文式进化。”这一发展最吸引人的地方可能是，乔伊斯意识到生命的微妙性，适度地修改了NASA的定义，而不是坚称自己像弗兰肯斯坦一样是一个在实验室创造生命的人。

原材料

地球这个没有生命的星球是如何创造出新陈代谢和遗传交织的特征的呢？我们大多数从事生命起源研究的人都怀疑，第一个细胞的出现是一个不可避免的地球化学过程。地球拥有所有必需的原材料，海洋、大气、岩石和矿物中富含碳、氧、氢、氮、硫和磷等必需的元素。能源同样丰富，太阳辐射和地球的内部热量提供了最可靠的来源，但闪电、辐射、流星撞击和许多其他形式的能源可能也贡献了力量。（因此，关于生命起源的理论与关于元素和能量来源的理论几乎一样多。）

几乎每个人都同意这一点：元素周期表中功能最多的元素，也就是碳，扮演了主角。没有其他元素具有如此丰富的分子设计或如此多样的分子功能。碳原子拥有一种无与伦比的能力，可以与其他碳原子以及其他无数元素结合，尤其是氢、氧、氮和硫，最多能同时生成4个键。碳可以形成长的原子链，或者相互连接的环，或者复杂的分支排列，甚至是任何可以想象到的其他形状。因此，它形成了蛋白质和碳水化合物、脂肪和油脂、DNA和RNA（核糖核酸）等的基础。似乎只有这种全能的碳基分子具有生命的双重特征，即复制能力和进化能力。

我们吃下的每一口食物，每一种药物，我们和其他生物体的每一个结构，都含有碳。碳基化学物质无处不在，它们在油漆、胶水、染料和塑料中，在衣服纤维和鞋底里，在这本书的书页、封皮和油墨中，在煤、石油、天然气和汽油等能量丰富的燃料中。而且，正如我们将在第十一章中看到的，我们对碳基燃料和其他化学物质的日益依赖，与地球近地表环境令人不安的变化有关，这种变化的速度可能是千百万年来从未出现过的。

然而，碳本身不可能经历从地球化学到生物化学的显著进展。地球上所有带来巨大变革的能量，比如水、热、闪电，还有岩石的化学能，都会对生命的起源产生影响。

步骤一：砖块和灰浆

目前没有人确切地知道远古时期从无生命到有生命世界的转变是如何（或何时）发生的，但从世界各地数十个实验室的集中研究中，基本原则正在显现。生物起源必定是一系列的步骤，每一个步骤都增加了进化的世界的化学复杂性。首先，分子积木必须存在。然后，这些小分子必须被选择、浓缩并组织成生命的基本结构，包括细胞膜、聚合物和细胞的其他功能性成分。在某个时刻，分子集合必须进行自我复制，同时设计出一种方法，将遗传信息从一代传递到下一代。然后达尔文的自然选择进化开始了。生命出现。

生物起源的第一步，也是最容易理解的一步，就是大量生产生命分子积木，包括糖、氨基酸、脂类等。这些基本的化学物质都以多功能的碳元素为基础，它们是在能量与二氧化碳和水等简单分子相互作用的地方产生的。生命的原材料形成于闪电穿透大气层的地方，形成于火山的热量让深海沸腾的地方，甚至出现在地球诞生之前，形成于深空中受到紫外线辐射的分子云上。随着生物分子不断从天空中落下，从地球深处升起，远古地球的海洋集中了越来越多生命需要的物质。

现代生命起源的研究始于1953年，那一年进行了迄今为止最著名的生源说实验。诺贝尔奖得主、化学家哈罗德·尤里（Harold Urey）是芝加哥大学的教授，他和执行力极强的研究生斯坦利·米勒（Stanley Miller）设计了一个简单的桌面玻璃仪器来模拟早期地球。温和沸腾的水代表了冥古宙炎热的海洋，简单气体的混合物模拟了地球的原始大气，电火花则模拟了闪电。几天后，密封的无色的水变成了粉红色，然后又变成棕色，其中含有复杂的有机分子混合物。透明的玻璃变得污迹斑斑，沾满了黏稠的黑色有机污泥。

米勒-尤里实验

米勒的常规化学分析表明其中富含氨基酸和其他生物积木。他1953年发表在《科学》杂志上的论文公布了这一结果，成为引起全世界轰动的头条新闻。化学家蜂拥而至，开始研究生命出现之前的化学。尽管在米勒-尤里的实验中大气气体的确切成分组合受到质疑，但随后关于这一主题的无数实验版本毫无疑问地证明了，早期地球一定富含生命的基本分子。事实上，1953年最初的实验以及后来的实验太成功了，以至于许多专家认为，起源之谜已经基本解开。

这种最初的狂热和随之而来的关注可能有它的代价。米勒高明的实验将生命起源的研究直接放在了有机化学家的领域中，并建立起了一种范式：生命是从“原始汤”中产生的，也许就是从一个“温暖的小池塘”（与查尔斯·达尔文近一个世纪前的个人推测相呼应）中诞生的。在20世纪50年代，很少有实验学者会考虑到自然的地球化学环境的惊人复杂性，这些环境因每天的昼夜循环、冷热交替、干湿变化等而发生改变。他们也没有考虑到自然梯度的范围，例如，当火山岩浆接触到冰冷的海水时，温度会出现梯度变化，或者当一条淡水溪流进入咸海时，盐度也会出现梯度变化。米勒的这类实验中没有包含岩石和矿物，其化学成分多种多样，含有几十种主要和次要元素，以及反应性活跃的晶体表面。他们认为，地球被阳光照射的表面一定是所有这些活动发生的地方。

米勒的影响力很大，他和他的追随者主导了生命起源的学术圈30多年。大量出版物接踵而至，新的期刊出现，他们被授予荣誉和奖励，政府的资金也都流向了“米勒派”。到了20世纪80年代末，深海黑烟生态系统的发现为“原始汤”提供了一个可行的替代品。在那些海洋表面之下不见天日的黑暗地带，富含矿物质的流体与炽热的火山地壳相互作用，形成了海底间歇泉一般的喷口。翻滚的热流触碰到冰冷的深海，产生了持续沉淀的矿物（生成黑色“烟”的微观颗粒）。在地壳与海洋交界处化学能的推动下，这些惊人的隐蔽地方充满了生命。

“原始汤”假说，一种生命起源假说，它认为早期地球存在一个化学还原氛围的“原始汤”，能够产生简单的有机化合物，并进一步转化形成更为复杂的有机聚合物，最终形成生命

起源范式之争揭示了科学社会学的许多方面。一方面，米勒-尤里的实验过程产生了一系列生物分子，它们与生命实际应用的生物分子具有惊人的相似性。氨基酸、碳水化合物、脂类和碱的混合物，看起来几乎是一份均衡的“菜谱”。哈罗德·尤里打趣地说道：“如果上帝不这样做，他就错过了一大笔赌注。”但是米勒阵营的真正信徒，不仅支持闪电带来原始汤的想法，还猛烈地公开反对任何与之竞争的想法。

当人们惊讶地发现了之前提到的那些生物“黑烟囱”后，加上NASA强大的影响力和雄心壮志，这些蓄意阻挠的效果开始减弱。海底喷口的“黑烟囱”的存在，让人们逐渐意识到，极端环境中的生命如此丰富多彩，而上一代生物学家不可能看到这些极端的环境。我们现在知道，在由矿山废料导致的酸性溪流中，以及火山带上方沸腾的池塘里，微生物仍然茁壮成长。它们在冰冻的南极岩石中竭力求生，也在离地球表面数英里的平流层尘埃颗粒中生长。巨大的微生物生态系统位于地球固体表面以下数英里处，在那里，细胞生活在最狭窄的裂缝和罅隙中，依靠矿物微弱的化学能生存，它们很可能占地球生物量的一半，相当于所有树木、大象、蚂蚁和人类的总和。如果这样的极端微生物能够繁衍生息，如果地球上有相当一部分生命存活在远离小行星和彗星猛烈攻击的深海环境中，为什么生命不会从那里起源呢？

NASA的科学基金是重大发现的重要助力，而NASA很乐意为研究上述可能性的项目出资。如果生命被限制在出现于米勒-尤里设计的场景中，也就是出现于阳光照耀的水世界的表面，那么地球，可能还有火星（在它的早期阶段，最初的5亿年），是我们能接触到的唯一可能存在生命的世界。但如果生命能从地下火山带炽热的黑暗深处出现，那么许多其他天体也会成为探测的目标。今天的火星一定有深层热液带，甚至现在还能接纳生命。木星的几个卫星也已经成熟，可以进行生物研究，有机物丰富、地球大小的土卫六也是如此。甚至是一些较大的小行星，或许也有能产生生命的深层热液带。如果生命起源于地球深处，那么NASA对地外生物学的研究（和资助）肯定也会持续几十年。

我和卡内基研究所的同事算是研究生命起源的后来者。我们的实验室于1996年进行了第一个由NASA资助的实验，专门来测试高温高压的黑烟环境下的有机合成。像米勒一样，我们将简单气体的混合物置于高能环境下，对我们来说也就是高温和能够发生化学反应的矿物表面，就像在深海火山带中发现的那样。像米勒一样，我们创造了氨基酸、脂质和其他生物积木。我们的研究结果现在在许多实验室中被重复和拓展，它毫无疑问地表明，在浅层地壳的“高压锅”环境下，一套生命分子可以很容易地被合成出来。含有碳和氮的火山气体很容易与普通岩石和海水发生反应，形成几乎所有生命的基本组成部分。

更重要的是，这些合成过程由相对温和的化学反应控制，这些反应称为还原和氧化反应，或叫氧化还原反应，铁生锈或糖变焦等常见现象都属于这类反应。生命在新陈代谢中使用的也是同一类化学反应，它们与闪电的强电离作用或紫外线辐射形成鲜明对比。事实上，虽然强烈的闪电可能有助于小生物分子的产生，但它们也很容易将其撕成分子碎片。对许多研究生命起源的人来说，地球用能量更低的化学反应来制造生命出现之前的分子，差不多就像今天细胞所做的那样，这似乎更说得通。

斯坦利·米勒和他的追随者尽他们所能压制我们的结论，并中止我们的研究计划。在一系列重要的出版物中，他们声称火山喷口的高温会迅速摧毁任何有用的生物分子。“喷口假说是彻头彻尾的失败，”米勒在1998年的一次采访中抱怨道，“我不明白为什么我们还要讨论这个问题。”他们的论点建立在生物分子在沸水中降解的精细实验的基础上。但这些简单化的研究无法模拟出原始地球的复杂性，它缺少深海极端的温度梯度和成分梯度、火山喷口的湍流和循环、富含矿物的海水的化学复杂性，以及岩石的保护面（现在已知生物分子会贴于其上）。尽管如此，起源领域现在已经超越了米勒-尤里的设想，对许多专家来说，地球深处黑暗的区域是今天生物起源研究的主要焦点。

正如我前面提到的，每一种具有能量来源和含碳小分子的远古环境，都有可能产生一定的氨基酸、糖、脂质和构成生命的其他分子。伴有闪电或暴露在强烈辐射下的大气仍有可能是生物起源之处，黑烟囱和其他深处的高温环境也是如此。生物分子形成于小行星撞击、大气中普照在太阳下的尘埃粒子，以及暴露在宇宙射线下的深空分子云中。每年都有数以吨计的富含有机物的尘埃从外太空落到地球表面，这一过程已经持续了超过45亿年。我们现在知道，生命的积木散落在宇宙各处。

步骤二：选择

半个世纪前，起源研究的最大挑战是合成原材料，也就是生命的分子砖块和灰浆。到了21世纪初，这个问题基本上已经解决了。科学家发现，地球一定是被含有生命关键成分的稀释“汤”所包围的。现在大部分的焦点已经转移到选择、聚集和将生物小分子组装成大分子的问题上了，此外关注的还有包裹细胞的膜、促进化学反应的酶，以及将信息从一代传递到下一代的遗传聚合物。

两个互补的过程可能发挥了作用。一种是自组装。在自组装过程中，一组细长的分子（脂质）自发地聚集在一起，形成了包裹第一批细胞的膜。脂质拥有十几个或更多碳原子组成的细长的骨架，在某些条件下，它们倾向于自组装成微小的空心球。细长的分子相互挨着排成一排，就像蒲公英的种子。在历史上最有影响力的有关生命起源的出版物之一中，加州生物化学家戴维·迪默（David Deamer）描述了他如何从富含碳的默奇森陨石（在地球出现之前很久就在深空形成的化学物质的集合体）中提取出一套这种多用途有机分子，并发现它们迅速地将自己组织成一个有内有外的细胞状小球，这与水中微小的油滴没什么不同。几年前，迪默和我发现，在高温高压的黑烟囱环境下形成的富碳分子的行为方式大同小异。这些实验和其他实验都表明，带有膜的小囊泡是生物出现之前的世界的一个必然特征。脂质的自组装在生命起源过程中一定起到了关键作用。

其他大多数生物积木不会自行组织，但它们可以在岩石和矿物安全的保护面上聚集并排列，这就是所谓的模板引导合成，这是两个选择过程中的第二个。在过去的十年间，我们在卡内基研究所进行的实验表明，生命中许多最重要的分子积木几乎都附着在任意天然矿物表面。氨基酸、糖以及DNA和RNA的成分都吸附在玄武岩和花岗岩中所有最常见的造岩矿物上，比如长石、辉石、石英和其他矿物。更重要的是，当多个分子竞争同一块晶体领地时，它们常常会相互合作，产生它们自己的复杂的表面结构，这可能会促进吸附和组织。我们认为，无论生物出现之前的海洋在哪里接触矿物，都有可能从形状不定的“汤”中出现生命分子高度集中的排列。

这里我要提醒一下。在生命起源的研究中（可能在大多数的其他学科中也一样），科学家会被强调他们个人科学特长的模型所吸引。有机化学家斯坦利·米勒和他的支持者认为，生命的起源本质上是有机化学中的一个问题。相比之下，地球化学家倾向于关注更复杂的起源场景，包括温度、压力和化学成分复杂的岩石等变量。脂质分子成膜方面的专家推崇“脂质世界”，而研究DNA和RNA的分子生物学家则将“RNA世界”视为目标模型。研究病毒、新陈代谢、黏土或深层生物圈的专家也有他们独特的偏见。我们都会这样，我们都专注于我们最了解的东西，我们通过这个镜头认识世界。

我的学术背景是矿物学，所以你很容易猜出我对生命起源的偏好在哪里。这是我的问题。其他许多起源研究者也已经确定了这样一个结论，事实上，不少著名的生物学家也被矿物所吸引，因为只涉及海洋和大气的生命起源的场景，在解释分子选择和集中的有效机制时面临着无法解决的难题。固体矿物在选择、集中和组织分子方面具有无与伦比的优势。因此矿物一定在生命起源过程中扮演了关键角色。

左和右

生物化学是复杂的，其中有相互交织的循环和分子反应网络。为了让这些复杂的分层级的过程发挥作用，分子必须具有合适的大小和形状。分子选择就是为每一种生物化学工作寻找最佳分子，而矿物表面的模板引导选择现在是自然界如何进行选择的主要候选解释。

也许在分子选择中最令人畏惧的挑战是手性，即生命中普遍存在的“利手”。生命的许多分子都是镜像成对出现的，有左手和右手的变体，就像你的两只手一样。手性分子对在许多方面是相同的，具有相同的化学成分、相同的熔点和沸点、相同的颜色和密度、相同的导电性。但是左手分子和右手分子的形状不同也无法相容，如果你试过把左手手套戴在右手上的话，你就会很熟悉这种特征。结果发现，生命是极为挑剔的，细胞几乎只用左手的氨基酸和右手的糖。

手性很重要。对人造香料柠檬烯来说，令人惊奇的是，它的右手形式闻起来像橙子，而这个简单的环状分子的左手版本则闻起来像柠檬。你鼻子中的嗅觉感受器对手性很敏感，所以左手和右手的柠檬烯会向你的大脑传送略微不同的信号。味蕾对左右手的糖之间的差异没那么敏感。它们吃起来都是甜的，但我们身体中精细调控的消化系统只能处理右手的形式。人工甜味剂塔格糖是一种零卡路里的左手糖替代品，它就利用了这些特性。沙利度胺的悲剧故事也与手性有关。这种药物的右手版本缓解了孕妇的晨吐症状，但左手版本则会不可避免地导致新生儿缺陷。如今，FDA（美国食品及药物管理局）对纯手性药物制定了严格的要求，这些规定可以拯救生命，但每年增加的估计约2 000亿美元的制造成本会转嫁给消费者。

与人的左右手一样，生物分子也会表现出手性特征。在生命的诞生和发展过程中，手性分子发挥了重要作用，蛋白质、DNA等都与手性分子密不可分

大多数合成生物分子的实验（包括米勒-尤里的实验和热液实验）会产生等量的左手和右手分子，大多数自然过程对左手和右手分子的处理完全相同。事实上，无生命的自然世界在很大程度上对左右的区分并不在意。但生命绝对需要正确的形状，左手氨基酸和右手糖必不可少。相反手性的分子根本无法发挥作用。因此，我们的研究小组解决了生命如何选择左手而非右手的氨基酸，以及选择右手而非左手的糖的问题。

我们近期的实验探索了手性矿物表面在选择手性分子时起主导作用的可能性，或许它在生命起源过程中也起到了主要作用。2000年，我和同事意识到，手性的矿物表面在自然界中无处不在，这一点如今显而易见，但在当时却十分令人惊讶。每一块岩石和每一块土壤中最常见的矿物都有许多表面，原子在表面形成了分子尺度的“把手”，有的朝左，有的朝右。在自然界中，这些左手和右手的矿物表面在统计上的比例是相等的，因此地球在全球尺度上似乎并不偏向于左手或右手。但是每个单独的分子都要考虑它要停在哪里。我们的实验表明，某些左手分子可以聚集在一组晶体表面上，而镜像中的右手分子同样也可以聚集在其他矿物表面上。当手性分子被分离和集中时，每个表面都成了分子选择和组织的小实验。

就本身而言，这种矿物和分子的自然实验不大可能产生生命。但是，要算上无数个矿物表面的话，每一个表面都沐浴在富含分子的有机物汤里，并一遍又一遍地重复这些微小的自然实验，一直持续了数亿年。地球最终肯定在某时某地测试了几乎所有的小分子组合，这些分子组合中的一小部分，最终表现出更容易自组装的特点，或者与矿物表面形成了更强的结合，或者在高温高压的环境下具有更大的稳定性，它们存活下来，可能会生长，可能还会学习新的技巧。

我们还不清楚在分子和矿物的无数可能组合中，是哪一个导致了类似生命的组织出现，但分子选择和组织的原理正在显现。生物分子被大量合成，其中一些分子继续形成越来越大的团组。我们的实验表明，电荷在其中起了很大的作用。有些分子带有微小的正电荷，有些则带有微小的负电荷，还有一些分子（比如水）是极性的，一个分子有微小的正负电荷两端。矿物也有带电的表面，有些是正电，有些是负电。把这些带电的部分加在一起，它们会自发地组织起来，正电荷总是被负电荷吸引。在生命出现之前的地球上，在几乎每一个潮湿、富含矿物质的环境中，都会出现各种各样的分子组合。

步骤三：复制

无论化学物质的排列图案多么复杂，除非这些物质能自我复制，否则它们就不能称为生命体。生命最独特的特点就是复制，一个分子团变成两个，两个变成四个，不断地以几何级数展开。生命起源的历史上最大的谜团仍然是最早的自我复制的分子系统的出现。巧妙的实验重现了可能属于复制循环的一部分，尽管我们还没有在实验室中完全模拟出难以捉摸的生化把戏。然而，在某时某地，有组织的分子集合开始以牺牲其他分子（也就是“食物”）为代价，进行自我复制。

想象一下5亿岁的地球，也就是大约40亿年前的地球。那时有一片由有机分子组成的汤，有数万亿反应性的矿物表面，它还有几亿年的时间挥霍其中。大多数的分子环境都没发生什么有意思的事情，也没有展现出有用的功能。但在矿物表面排列的一小部分有机分子产生了某种结构，有了强化的功能，可能是让表面附着性更强，或是有了吸引更多分子到群落中的某种方法，或是趋向于破坏竞争分子种类，甚至有了自我复制的功能。自然界对这种创新给予了充分的奖励，生命一旦出现，它们就会迅速遍布全球可生存的角落和缝隙中。

但让我们先退回一步。为什么一组分子会自发地开始自我复制？答案就在于变异和选择这两根进化的支柱。系统进化有两个原因。首先，它们展示了大量不同的可能配置，这是变异。其次，其中一些配置比其他配置更容易存活，这是选择。想象一个地球生命出现之前的集合，它由成千上万种不同的分子组成，这些分子的成分是碳、氢、氧和氮，其中可能还有一些硫或磷。前生命合成物（按照斯坦利·米勒的说法）和自然样品（例如戴维·迪默的陨石）显示出分子变异的程度，但并非所有的分子都是一样的。一些分子相对不稳定，更容易分解，它们很快在竞争中被淘汰出局；另一些分子聚在一起，成了柏油一样无用的物质，漂走或沉到海底，在那里它们再无用武之地了。但有一些分子被证明是特别稳定的，可能它们在与同类分子或与非常合适的矿物表面结合时会变得更稳定。分子汤将那些最不适合的分子排除掉，让这些稳定的分子存活了下来。

分子间的相互作用进一步提炼了前生命混合物。一些分子团共同附着在矿物表面，从而增加了这个团的生存能力。其他小分子起到了催化剂的作用，通过促进化学键的形成来增强某些化学物质，或者通过打破化学键来加速其他化学物质的毁灭。分子汤很快就被筛选过滤了，但在这样一个世界里，终极的安全并不是消除竞争，也不是坚持下去。生存的最终奖赏将会给那些学会自我复制的分子集合。

三个相互竞争的模型试图描述最初的自我复制的准生命分子系统。这些模型中最简单的一个（因此也是我们许多人喜欢的模型）指出了一些小分子的著名循环，也就是普遍存在的柠檬酸循环。首先是乙酸，它只含有两个碳原子。乙酸与二氧化碳反应生成丙酮酸（有三个碳原子），丙酮酸再与更多的二氧化碳反应，生成四个碳的草酰乙酸。其他反应会产生越来越大的分子，直到生成带有六个碳原子的柠檬酸。当柠檬酸自发分裂成两个更小的分子，也就是乙酸（两个碳原子）和草酰乙酸（四个碳原子）时，这个循环就变成了自我复制，而这两个更小的分子也是分子循环的一部分。分子的一个循环变成两个，两个变成四个，以此类推。更重要的是，生命中许多基本的组成部分，包括氨基酸和糖，都很容易通过与柠檬酸循环的核心分子的简单反应合成。例如，只要在丙酮酸中加入氨，就可以得到必需的氨基酸丙氨酸。地球上的所有活细胞都会进行柠檬酸循环，所以它很可能是一个原始的特征，是一种化学化石，来自最初的生命形式。这样的循环本身并不是有生命的。但它确实有潜力，以不那么多产的化学物质为代价复制分子的核心循环。

化学复杂性的另一个极端是自我复制的自催化网络，这是斯图尔特·考夫曼（Stuart Kauffman）所倡导的模型，他在著名的圣达菲研究所进行了开创性的理论研究。前生命汤最初可能含有数十万种不同来源的碳基小分子。我们现在知道，一些化学物质催化了生成新分子的反应，而另一些反应则加速了毗邻分子的分解。一个自催化网络由一系列分子组成，其中可能有成千上万种不同的分子协同工作，这些分子加速了它们自身的产出，同时摧毁了网络之外的其他分子。这就像分子版本的“让富人更富”的故事。就像柠檬酸循环一样，这样的分子网络本身并不会被认为是有生命的，但在某种程度上，它确实促进了自我复制，而且它比大多数没有生命的化学系统要复杂得多。

第三种情况可能是大多数有生物学背景的生命起源研究者所青睐的，那就是RNA世界，这是一种基于RNA的假想分子模型，假想的RNA分子会进行自我复制。为了理解这种情况为何如此有吸引力，我们需要退回一步，先来思考生命的两个最关键的功能：新陈代谢（制造物质）和遗传（将如何制造物质的信息从一代传递到下一代）。现代细胞使用梯状分子DNA来储存和复制制造更多蛋白质所需的信息，但它们使用复杂折叠的蛋白质分子来制造DNA。那么是先有DNA还是先有蛋白质呢？结果发现，第三种分子RNA在这两个过程中发挥了关键作用。

RNA是一种别致的聚合物，它是长长的单链分子，由更小的单个分子（称为核苷酸）组装而成，就像是穿成串的珠子，或者组成句子的字母那样。四个不同的分子“字母”分别为A、C、G和U，它们可以按照任何想象到的顺序排列，就像一条编码的信息。事实上，这些RNA字母保存着遗传信息（就像DNA一样）。同时，RNA可以折叠成复杂的形状，能够催化关键的生物反应（就像蛋白质一样）。事实上，RNA分子通过携带遗传信息和催化蛋白质的形成，促进了所有蛋白质的合成。因此，在所有生命的各种分子中，RNA是唯一一种看起来“无所不能”的分子。

RNA世界模型建立在这样一种假设之上，那就是，一些尚未被理解的化学机制产生了大量不同的RNA链或一种可能与之极为相似的信息丰富的分子。几乎所有那些不同的链都无甚作用，它们只是存活着或逐渐退化。然而，一些特定的链具有某种自利的功能。它们折叠起来以变得更稳定，或者附着在安全的矿物表面，抑或摧毁它们的竞争对手——只不过是分子汤中竞争的另一个案例。

RNA世界假说的关键假设是，无数条链中的一条学会了自我复制的非凡技巧，它变成了一个能进行自我复制的分子。这个想法并不是那么牵强。毕竟，RNA很像DNA，它能自我复制，而且，RNA很容易变异。因此，第一个自我复制的RNA分子，无论效率如何低下，或者复制多么草率，它很快就会发现自己要和许多带有微小变异的“自己”相互竞争，其中一些变异能够更快地完成复制过程，或者消耗的能量更少，或者可以在略微不一样的环境中生存。这样一个早期的RNA分子似乎能满足生命的所有要求，它是一个能够自我维持的化学系统，能够有新形式，并进行达尔文式进化，在这种情况下，就是分子进化。

也许第一个能够粗糙地自我复制的分子系统需要很长时间才会出现，无论是一个柠檬酸循环，一个自催化网络，还是自我复制的RNA。但是，差不多两亿平方英里的地球表面容纳了难以计数的矿物表面，在千百万年的时间里，无数分子组合都在上面进行着尝试。其中一个不可思议的巨大分子组合，在某时某地成功了。它学会了自我复制和进化。这项发明改变了一切。

哈佛大学生物学家杰克·绍斯塔克（Jack Szostak）在波士顿的实验室里通过实验证明了分子进化过程中的选择能力。在这许多次实验中，绍斯塔克的研究小组首先将100万亿个不同的RNA序列混在一起，每个序列都由一个包含100个字母的字母串组成，这些字母来自A、C、G和U的随机排列。大量不同的RNA链聚集在一起，每条链的折叠方式都不同。然后它们面临一个任务：与另一个形状独特的分子紧密结合。绍斯塔克的研究小组将一种含有100万亿条链的溶液倒入一个装有小玻璃球的烧杯中，每个玻璃球都被涂上了形状独特的目标分子。这些目标分子就像小钩子一样，悬在富含RNA的溶液中。绝大多数RNA分子没有反应，它们形状不对，无法相互作用。但是有一小部分折叠的RNA会紧紧抓住目标。

有趣的事情就从这里开始了，因为绍斯塔克的同事倒出了旧溶液（连同近100万亿条未发挥作用的不同RNA链），并回收了由于偶然的形状恰好粘在镀膜玻璃球上的少量链。然后，他们使用遗传技术的标准手法，模仿了可能的前生命过程。他们准备了新的一批RNA链，也有100万亿条，但这次所有的链都是一些不准确的拷贝，每一条都是少数之前生效的链的一种突变体。重复上述步骤，就会产生一组新的起作用的RNA链，但一些第二代变异体的结合情况要比任何第一代都好得多。一些突变的子链明显优于其母链。重复整个过程几次，得到的RNA链结合得越来越好，直到最好的突变体完美生效：它们能以不可能更高的键能锁定目标。

整个实验只花了几天，还不到一周，随机的链就变成了完美的结合分子。但是如果你让世界上最杰出的化学家团队从头开始设计这样一条完美生效的RNA链，他们会发现，用任何已知的计算方法都不可能完成这项任务。目前还没有一种方法能够准确地预测一条RNA长链如何折叠，或者它如何附着到其他形状复杂的分子上。分子进化，而非智能设计，才是迄今为止实现功能最快、最可靠的途径。（这就是为什么我们说，如果上帝创造了生命，她一定足够聪明，懂得利用进化。）

生命的爆发

在前生命汤中，即使功能最不起眼的分子集合也具有优势。但是，这些分子的战争游戏与赋予RNA链的优势完全无法相比，RNA链具备有用的功能，并且可以自我复制。这种自我复制的分子通过产生差不多相同的后代来确保自身的生存。更重要的是，分子复制过程难免混乱，因此某些RNA复制品成了突变体。虽然大多数突变是致命的，或者不会带来显著优势，但是少数幸运的个体会比亲代更优秀，因此系统进化了。仅仅由于偶然的复制错误，原始的自我复制的分子就一定产生了一些后代，这些后代能够忍受更极端的压力、热量或盐度，或者复制得更快，或者找到了新的食物来源，或者摧毁了它们不太适应的邻居。这些RNA链在矿物表面找到了保护，或者在安全、密封的膜内找到了避难所，从而获得了更大的优势。

在没有竞争的情况下，第一批自我复制的分子在地质时间尺度上的一瞬间就占据了地球上营养丰富的区域。想象一个微观物体逐渐占据主导地位的过程，也许是违反直觉的，但为论证起见，我们假设第一个相对低效的自我复制的分子花了一周的时间复制一次。（相比之下，许多现代微生物可以在几分钟内完成复制。）一周又一周，两条链变成四条，四条变成八条，以此类推。以这种速度，大约需要半年时间才能形成一亿个自我复制的分子团，而这些分子团的大小刚好可以用肉眼看到。又过了20周，大量RNA就会增长到能填满一个顶针。以这种速度，还需要20周的时间，才能让所有生命最早的表现形式增长到填满一个大浴缸。

但如果每周继续翻一倍，很快就会产生显著的变化。再过20周，就会看到数英里的水域被RNA占领，可能是沿海地区，也可能是内陆湖泊，抑或是深海环境。假设最初的一条RNA链每周数量翻一番，在两年时间里，地球就可以拥有多达100万立方千米的有生命的物质，这足以填满整个地中海。

原始的单细胞生物以岩石的化学能为食，它们对地球的地质学（比如岩石的近地表分布或矿物的多样性）不会产生太大的影响。无论有没有生命，40亿年前，这片古老的土地都仍然是贫瘠的黑灰色，地表风化缓慢，最早的生命对改变横跨全球的蓝色海洋几乎没有任何贡献。

因为第一批杂乱的微生物不会留下什么痕迹，我们无法确定生命究竟始于何时。地球上一些最古老的沉积岩，大约35亿年前沉积在浅海环境中，保存着明白无误的微生物化石。在细胞群在浅层环境中沉淀了一层又一层的矿物的地方，穹顶状的岩质叠层石形成，从几英寸到几英尺宽。微生物席覆盖了广阔的海岸线，潮汐带的沙子被固化并形成图案。即使是一些富含碳的球体也会从远古时期幸存下来，它们具有独特细胞状的壁层，这些壁层有可能是微生物体化石。但我们并没有发现更古老的确凿化石证据。碳和其他生物元素的一些地球化学痕迹，形成于38.5亿年前强烈蚀变的岩石，它们非常具有吸引力，但绝不会使地质界信服。

那么生命是什么时候出现的呢？如果你的直觉是生命出现得很早，而且经常出现在任何可能的行星或卫星上，那么或许你会赞同在地球最初的1.5亿年内，也就是44亿年前具有一个稳定的生物圈。所有的成分都出现在那里，海洋和空气，矿物和能源。小行星和彗星的巨大撞击可能会对冥古宙的生命构成挑战，或许也会有利于那些在海底的岩石保护区中学会在高温和深层环境中生存的顽强细胞。在地球进入更平静的青春期之前，也许生命不止一次地出现，可能还出现过很多次。如果是这样，那么35亿年前的化石将代表一个耗费将近10亿年形成的生态系统。

而如果你怀疑宇宙中生命的起源是困难且罕见的，那么一个接近35亿年前的时间点似乎是更有可能的。也许生命形成的概率太小，以至于在数亿立方英里的海洋地壳中需要10亿年的矿物-分子相互作用才会出现生命。也许那些太古宙时期珍贵而稀少的化石遗迹标志着生物圈的真正开始。

有生命的地球

无论是在44亿年前还是38亿年前，当最早的生命出现时，事实仍然是，它几乎没有改变远古的地球表面。那些最早的微生物只学会了地球早已熟悉的一些化学把戏。从我们星球最早的时期开始，化学反应就已经发生在它的固体表面或其附近。原因是电子的分布：平均来说，地幔中的原子比地壳中的原子带有更多待参与化学反应的电子。用化学术语来说，地幔更“还原”，而地表更“氧化”。例如，当还原和氧化的化学物质相遇时，当来自地幔的还原岩浆和气体在火山喷发中冲破氧化程度更高的表面时，它们通常会经历一种放能的化学反应。在这个过程中，电子从地幔转移到了地壳。

生锈是铁与氧的反应，是上述反应的一个常见例子。金属铁有很多电子，如果你还记得，这么多电子中有一些是能够自由地穿梭在闪亮的金属中并导电的。因此铁是电子给体。另一方面，氧气很缺乏电子，以至于一对对氧原子必须整合它们的资源来制造一个氧分子。在氧分子中，两个原子共享很少的电子，就像荒岛上配给的一点口粮。氧是理想的电子受体。所以当铁金属与氧分子相遇时，电子就会快速交换。每个铁原子释放两三个电子，而每个氧原子吸收两个电子。这种交换的结果形成一种新的化合物，就是氧化铁，还有一点能量的变化。

除了铁，常见的电子过多的金属元素镍、锰和铜也会被氧化。许多简单的碳基分子也是在前生命过程中被合成的，包括甲烷（天然气）、丙烷和丁烷。在地球最早的大气中，氧气十分稀缺，但其他希求电子的原子集合，包括硫酸盐（SO₄）、硝酸盐（NO₃）、碳酸盐（CO₃）和磷酸盐（PO₄），很容易用来填补这一角色。

在生命出现之前，氧化还原反应以相对缓慢的速度进行。但是第一批微生物学会了加速转移电子。在许多地方，比如原始的海岸线、近地表水域、海底沉积物中，活细胞成了这些反应的媒介。微生物群落通过加快岩石的反应速度，利用由此产生的能量生存、生长和繁殖，以此来维系生命。可以肯定的是，地球从一开始就产生了氧化铁，但第一批微生物使氧化铁产生得更快。在这个过程中，生命开始改变地球表面的环境，即使速度仍然极其缓慢。微生物将可用的丰富能量都利用了起来，这些能量以还原铁的形式溶解在冥古宙和太古宙的海洋里。它们将铁氧化，形成锈迹斑斑的红色矿物赤铁矿，这是一种化学转化，它能够释放足够的能量来支持整个生态系统。因此，在澳大利亚、南非和其他远古地形中发现的太古宙时期的巨大带状铁质地层，可能是一场持续数千万年的微生物大型自助餐的遗迹。岩石圈和生物圈惊人的协同演化就是这样开始的。

自然选择的进化继续推动着所有这些过程。一种微生物通过学会更有效地利用含铁的食物来源，或者忍受更极端的条件，或者利用新的氧化还原反应，得到了明显的优势，并确保了自身的生存。因此，变异的微生物群发明了新的催化剂，比无生命的环境更有效地促进了这些放能反应。结果就是，到处都是少量的石灰岩和少量的氧化铁沉积物，同时近地表的碳、硫、氮和磷的反应逐渐增加。然而，这些最早的生命形式只不过是模仿了一些化学反应，这些反应在先前的非生命世界中已经开始，虽然那时速度更为缓慢。

光

大多数生命起源的研究人员怀疑，最早的生命形式完全依赖岩石的化学能。这肯定是一种丰富的能量来源，但它极大地限制了生命繁衍的地点。在某种程度上，一些微生物超越了它们作为环境内在的化学反应介质的角色。它们学会了收集太阳辐射，对地球上任何地方的地表居民来说，太阳辐射都是一种丰富而廉价的能源。

一种最基本的形式是，光合作用利用阳光，从二氧化碳、氮和水等无处不在的原材料中制造出生物分子。如果有合适的化学支架，所有基本的生物积木，也就是氨基酸、糖、脂质，还有DNA和RNA的成分，都可以通过大气气体和太阳辐射制造出来。与现代绿藻不同的是，第一批进行光合作用的微生物不会产生氧气。事实上，这些原始生物的现代类似物往往在死水塘里形成褐色或紫色的浮渣。一些生物学家甚至认为，漂浮的大片光合微生物用难看的棕紫色斑点让蓝色的太古宙海洋改变了颜色。

我们是怎么知道的？这些微生物没有坚固的部分像化石一样保存下来，漂浮的藻席也不会以任何明显的方式改变岩石记录。然而，也许还有办法提取出最古老的喜光微生物的证据。被称为蓝藻的光合细胞在一定程度上依赖于藿烷类化合物，这是一种独特的分子，具有五个互锁的碳环（这一结构与当今体育新闻中大量报道的类固醇结构密切相关）。在微生物死亡和腐烂后，它们的多环藿烷类主干可以作为细粒海洋沉积物中的分子残留物保存数十亿年。要从大块岩石中提取和分析这些藿烷类残余物，需要极细致的化学处理。初步的解释一定包含一系列关于可能的污染源的棘手假设，包括古代和近代的污染。古生物学界对每一份关于分子存活几十亿年的报告都持谨慎态度，甚至会产生彻底的怀疑。尽管如此，化学痕迹依然存在，它可能是了解脆弱的古生物圈最好的线索。（更多信息详见第七章。）

到我们星球10亿岁时，生命已经在它的表面站稳了脚跟，即使相对来说无足轻重。再过10亿年，地球上的微生物会轻轻地推动近地表环境的变化，首先是通过氧化还原反应使其加速，然后是通过光合作用使其改变。据我们所知，即使在地球20亿岁时，地球表面或地表附近也不会显示出任何生命带来的明显矿物新特征。细胞只会产生比之前更多的氧化铁、石灰石、硫酸盐和磷酸盐。它们将在更深的海洋中构筑起富铁矿物的分层矿床，并在较浅的沿海区域建造保护性的岩石丘。所有这些现象在生命诞生之前的地球上，以及太阳系其他行星和卫星上都已经发生过了。

但地球及其原始的微生物种群准备进行地球历史上最巨大的转变。在接下来超过15亿年的时间里，光合微生物将学习一种新的化学技巧，呼出一种极具腐蚀性的高活性气体，它叫作氧气。

让 我们先快进到今天。很明显，生命已经不可逆转地改变了地球的近地表环境，最明显的例子是海洋和大气，岩石和矿物同样如此。在最初的活细胞出现后，又等了10多亿年，这种转变才开始。

在那个时期，新的微生物变种可能在一些沿海地区产生了一种褐色或紫色的浮渣。当一些“聪明”的细胞尝试新的方法，利用太阳的辐射能时，甚至可能出现了一些绿色的污泥，点缀着赤道海滨和浅塘。但是大陆依旧贫瘠，岩石景观上没有任何植物，也没有任何以植物为食的动物。如果你被困在这个缺氧的世界里，你很快就会在痛苦中死去。

在一个地质时间尺度上的“下午”，随着制造氧气的光合作用以及随之而来的大气的出现，地球表面由沉闷的灰色变成了砖红色。我们很难确切地知道，黏滑的绿藻何时并以多快的速度进化，从而触发了被称为大氧化事件的这一转变。我们最可靠的猜测来自岩石记录中的细微变化，它表明，大约在25亿年前，也就是地球20亿岁生日后不久，地球出现了一次光合作用的高峰。在这个温和的开端之后，事情发生得相当迅速。到了22亿年前，大气中的氧气已经从零上升到现代水平的1%以上，这永远地改变了地球表面。

随着意想不到的新线索的出现，以及对有潜力的新证据的认真研究，关于地球最初氧化作用的迷人故事，直到现在才成为人们关注的焦点。在过去半个世纪的古大气研究中，出现过许多互相抵触的观点，这些观点有时甚至截然相反，但科学方法是一个巨大的扬谷机，它筛掉了那些站不住脚的和错误的观点。我们还没有得到完整的故事，但我们正越来越接近它，那些不断浮现的画面（真的）令人忍不住“屏息”凝视。

岩石的证词

大氧化事件的证据来自越来越多的岩石和矿物的观测证据，这些岩石和矿物可以追溯到约20亿年到35亿年前，横跨了地球历史很长一段时间。一方面，许多超过25亿年的岩石含有一些矿物，但这些矿物其实很容易被氧气的腐蚀作用破坏，这就说明，在那个时间之前，存在着一种无氧的环境。地质学家在古老的河床中发现了未风化的圆滑的黄铁矿（硫化铁，也称为愚人金）和晶质铀矿（最常见的铀矿物）的卵石，这些河床中的矿物在今天富氧的地表环境中会被迅速腐蚀并分解。这种古老的砂层也有一种指示性的化学特性，它通常富集了像铈这样回避氧的元素，但与今天的土壤相比，它又明显缺乏铁等其他元素。这些化学上的异常之处进一步表明，当时的大气缺乏氧气。

相反，小于25亿年的岩石则包含了许多明确的氧气痕迹。在18亿年到25亿年前，大量被称为条带状铁岩层的氧化铁矿床以惊人的丰度沉积下来。这些独特而致密的岩层呈现出黑色和锈红色相间的颜色，它们占据了世界已知铁矿石储量的90%。锰氧化物也突然出现，产生了厚厚的分层矿床，现在成为世界上主要的锰矿储藏库。在大氧化事件后，其他数百种新的矿物同样首次出现在岩石记录中，包括铜、镍、铀等物质的氧化矿石。然而，尽管矿物学“名录”有所扩大，一些科学家仍然不相信大氧化事件真的是一次事件。大气中的氧气也许只是缓慢而稳定地上升。又或者，斑驳的、被侵蚀的岩石记录也许并不完整，具有误导性。

大氧化事件

大氧化事件的确凿证据出自一个意料之外的来源，那就是近期得到的常见元素硫的同位素的惊人数据。20世纪90年代，作为同位素的主要分析仪器，质谱仪的分辨能力和灵敏度有了显著提高。新一代的质谱仪让科学家能够以越来越高的精度分析越来越小的样品，甚至可以分析微观矿物颗粒或单个活细胞。硫是生命的基本元素之一，它被证明是一个特别适合的研究对象，因为自然界中有四种稳定的硫同位素，分别是硫-32、硫-33、硫-34和硫-36。所有这些同位素的原子核中都有硫所必需的16个质子，但中子的数量从16个到20个不等。

硫的同位素分布通常可以简单地根据质量来预测。所有原子都会来回摆动，但质量较轻的同位素摆动得更多。因此，在化学反应中，轻的同位素比重的同位素更容易跳跃。这种选择过程被称为同位素分馏，它在任何一组硫原子经历化学反应时都会发生，无论是在固体岩石还是在活细胞中。对硫来说，原子质量为32的同位素通常比质量为34或36的同位素要分馏得多。此外，分馏比通常与同位素的质量比直接相关，也就是说，硫-36与硫-32的分馏程度几乎总是硫-34与硫-32的分馏程度的两倍。这一基本物理性质直接来自牛顿定律：力等于质量乘以加速度。更小的质量意味着更大的加速度，所以在给定的力下，硫-32比硫-34摆动得更多，而硫-34又比硫-36摆动得更多。

加利福尼亚大学圣迭戈分校坐落在风景秀丽的海滨上，10年前，在那里工作的地球化学家詹姆斯·法夸尔（James Farquhar）发现，在超过24亿年历史的岩石中，硫的同位素分布发生了明显而出乎意料的变化。较新的岩石和矿物几乎总是显示出预计中的根据质量分布的趋势，这些岩石和矿物中硫的同位素占比几乎完全取决于质量占比。但是法夸尔和同事看到，许多超过24亿年的岩石中硫的同位素分馏完全不同，在一些样品中，原始的偏差达到百分之零点几（在这种情况下这个数字是很大的）。是什么导致了这些与质量无关的偏差，让结果偏离了无懈可击的牛顿运动定律？

在实验证据的支持下，聪明的理论学家很快就指出了一种解决方案，它就在量子力学的细微差别中。在紫外辐射的影响下，同位素的行为可能会偏离牛顿体系的理想结果。结果表明，具有奇数质量数的同位素，比如硫-33，可以被紫外辐射选择性地影响。如果二氧化硫或硫化氢分子碰巧有硫-33，并且该分子遇到了紫外线（极有可能是大气中的紫外线），它可能更容易发生反应。硫-33经历了一次“与质量无关的分馏”，使同位素占比发生了偏差。

欧航局拍摄的地球臭氧值变化图

但是，为什么在24亿年前地球突然发生变化了呢？答案就在臭氧吸收紫外线的特性中。臭氧是一种由三个氧原子组成的分子，在过去20年里，它一直频繁地出现在新闻上。今天，大气中的臭氧提供了一种必要的屏障，阻挡来自太阳的潜在致命的紫外线。过去20年的测量显示，这个高海拔的臭氧层已经被严重消耗，很可能是由于臭氧与人类制造的化学物质氯氟烃（CFC）发生的破坏性反应。（曾经用于空调的氟利昂就是最著名的例子。）这样一个“臭氧空洞”会让更多致癌的紫外辐射到达地球表面。好消息是，全球禁止生产氯氟烃似乎正在使臭氧层迅速恢复。

在氧气含量上升，以及由此产生的臭氧层带来宇宙防晒能力之前，大气中的硫化物受到连续的紫外辐射。在如此恶劣的条件下，含硫-33的化合物经历了与质量无关的分馏。在大氧化事件之后，上层大气中的氧与这些硫化物发生反应，几乎消除了这种奇怪的同位素效应。

随着全世界一个又一个实验室对法夸尔的发现进行验证和补充，绝大多数地球科学家接受了大氧化事件的现实。除非科学家发现了臭氧以外的阻挡紫外线的方法，否则硫的同位素数据就将大氧化事件的开端确定在了大约24亿年前。

制造氧气

那么所有的氧气来自哪里呢？现在，任何生物学入门课最初的主题之一都是光合作用，也就是植物通过与水、二氧化碳和阳光结合缔造它们的组织，同时产生氧气这种副产品的非凡能力。我们现在理所当然地认为，植物扮演着核心角色，让我们的世界成为一个宜居的地方，但光合作用的发现是科学上最伟大的进步之一。就像许多重要的科学发现一样，它是一点一点地被探索出来的。

首先被发现的是水的作用。对17世纪的科学家来说，植物生长的复杂机制还是一个谜，但是一种普遍的假设认为，植物的组织必定来自富含矿物质的土壤，植物生长时一定会消耗这些土壤。到了17世纪40年代，佛拉芒医生扬·巴普蒂斯塔·范海尔蒙特（Jan Baptista Van Helmont，1579—1644）通过一个简单的实验，来验证这个假设。用他本人的话来说是：

我取出一个陶制瓮罐，里面有200磅在炉里烘干的土，我用雨水把土打湿，然后把5磅重的柳树枝干或茎栽在里面。终于，5年过去了，柳树从土里生长壮大，约169磅3盎司重。但在必要时，我会用雨水或蒸馏水浇灌瓮罐。最后，我再次烘干了容器里的泥土，发现它还是200磅重，只差约两盎司。也就是说，164磅的木头、树皮和树根，从水里一点点地长了出来。

范海尔蒙特的发现是一个巨大的进步，尽管（我们现在知道了）水只是故事的一部分。

一个世纪后，英国牧师、博物学家斯蒂芬·黑尔斯（Stephen Hales）首次提出，植物依赖水，同样依赖空气中的某些成分，也就是大气层中的二氧化碳。我们现在了解了，土壤中的水和空气中的二氧化碳是光合作用生物体的主要“原料”。（具有讽刺意味的是，范海尔蒙特本人发现了二氧化碳气体，但他没有意识到二氧化碳在植物生长中的核心作用。）

即便如此，阳光的作用依旧神秘，300年后才有更多细节浮现。核物理学的进步为它铺平了道路。被称为回旋加速器的新一代粒子加速器，首次稳定地提供了高放射性同位素碳-11，是一种对生物反应极为敏感的探针。在20世纪30年代末，加利福尼亚大学伯克利分校的塞缪尔·鲁本（Samuel Ruben）和马丁·卡门（Martin Kamen）将植物暴露在碳-11标志的二氧化碳中。这样一来，他们就可以利用具有指示作用的放射性来跟踪二氧化碳进入植物组织的过程，尽管由于碳-11的半衰期只有短暂的21分钟，而让实验变得极其困难。

1940年，鲁本和卡门发现了一种制造碳-14的方法，碳-14是一种更合适的示踪同位素，它的半衰期是5 730年，这彻底改变了生物物理研究，并让人们很快了解了植物是如何利用水、二氧化碳和阳光的。简而言之，有一种被称为RuBisCo（核酮糖-1，5-双磷酸羧化酶）的精巧而古老的蛋白质，是在蓝藻中发现的化学物质，被认为可以追溯到30亿年或更久以前，它会浓缩二氧化碳和水，帮助组装这些原材料，形成基本的生物积木。光合作用产生了我们呼吸的氧气，在光合作用的反应中，藻类或其他植物会消耗六个二氧化碳分子和六个水分子，来制造一个葡萄糖分子，并产生六个氧分子作为副产品。这种化学转变是我们熟悉的老朋友，也就是氧化还原反应（比如铁生锈）的另一个例子。在这种情况下，二氧化碳中的碳原子会获得电子，并因此被还原，而水或其他电子给体则被氧化。在光合作用中，阳光提供能量，推动电子的转移。

虽然这个化学反应听起来简单直接，二氧化碳加上水（或其他一些能提供电子的化学物质），生成糖和其他生物分子，但光合作用的过程极其复杂，目前仍在研究中。首先，微生物找到了很多不同的方法来获取阳光和其他能源。现在，大多数产生氧气的植物包括藻类利用浅绿色的叶绿素来吸收红色和紫色波长的光。但纵观地球历史，各种各样的细胞采用了其他的光合途径，这些途径根本不会产生氧气。其他的吸光色素进化出了各种各样的颜色，装饰着红藻、褐藻、紫菌以及格外迷人的硅藻和地衣。一些别出心裁的微生物甚至能利用红外辐射来为光合反应供能（我们的眼睛完全看不见红外波长，但我们裸露的皮肤会感觉到热能）。

光合作用的复杂起源是生物化学家罗伯特·布兰肯希普（Robert Blankenship）研究的重点，他是圣路易斯华盛顿大学化学系和生物系主任。布兰肯希普和他的合作者，包括来自亚利桑那州立大学颇有影响力的天体生物学团队的前同事，寻找着地球和其他星球上有关早期生命的迹象。他们的策略是研究许多不同种类的活微生物的各种光合途径（这些微生物有紫色的、棕色的、黄色的还有绿色的），并仔细研究它们的基因组之间的异同。数据包括了复杂的光合装置的许多方面，比如光合色素的多样性，将电子从一个分子转移到另一个分子的蛋白质“反应中心”的精确分子序列，这些被转移的电子制造细胞积木的方式，甚至“天线系统”多种多样的结构。（引人注目的是，细胞已经进化出了分子集群，这些分子就像收集光的微小天线一样工作。）

布兰肯希普发现，生命已经设计出了数量惊人的光合作用策略。生命似乎利用了任何可以利用的能源。微生物一次又一次地找到新的方法来收集光，以供自身生长和繁殖，它们至少找到了五条不同路径，一直可以追溯到地球演化史的远古时期。这段历史还有许多细节尚不清楚，但那些最古老、最原始的聚集能量的化学反应（或许可以追溯到35亿年前），显然还没有产生丝毫氧气。这些早期细胞的祖先存活到了今天，说明最悠久的生物化学性是厌氧的，既不需要氧气，甚至也对氧气不耐受。

布兰肯希普及其合作者的研究不仅揭示了这些不同的化学策略的广泛性，它还表明，微生物有一种倾向，它们喜欢打乱和交换收集光的基因，借鉴它们竞争对手的光合途径，就像获取行业机密一样。事实上，几乎所有植物使用的现代光合作用机制似乎都是两个更原始的机制的组合，这两个机制被平平无奇地称为光系统I和光系统II。当代生物因此拥有了复杂的生物合成反应，它们收集并利用太阳光的效率远远高于地球早期阶段的那些生物。

更多氧气

即使没有光合作用，地球表面也会因为氢分子缓慢逃逸进入太空，而经历一个缓慢的（也是无关紧要的）氧化过程。在大气中，H₂O分子很容易受到紫外辐射和宇宙射线的破坏，从而将水分解成氢和氧。来自水的原子重新排列成其他简单的分子，主要是H₂和O₂，还有少量的臭氧O₃。由此产生的能够快速移动的H₂氢分子，不同于由氧构成的笨重得多的O₂分子和O₃分子，它们能逃脱地球引力的持续牵引，飞向太空。在整个地球历史中，少量的氢以这种方式流失，逐渐累积留下了过量的氧气。即使在今天，这个过程仍在继续，每年都有相当于装满几个奥运会游泳池大小的氢原子逃逸到太空中。体积较小的火星经历着同样的过程，但它用来保存氢的重力更小，以至于流失掉了大量的水。在超过45亿年的时间里，近火星表面的大部分氢因此逃逸到了太空，而近表面的铁矿物已经生锈，使火星变成今天的这种红色。即便如此，火星稀薄的大气中的氧气总量还是极为稀少，如果它全部冷凝到火星表面，液氧层的厚度还不到千分之一英寸。

同样经过数十亿年，氢的损失不可逆转地产生了氧气，这可能会使地球表面变成锈红色，但它对地球早期的环境不会有太大影响。即使是最极端的估计，在大氧化事件之前，每万亿个大气分子中也只有不到一个是O₂。（现在这个比例是五分之一。）地球表面的微量氧会被大量铁原子争来抢去，它们被消耗的速度就和产生的速度一样快，因为这些海洋中和土壤中的铁原子一直等待着被氧化。即使地球仍然没有生命，最终，在大陆较为古老而稳定的部分出现了红色的风化带，这种表面的胭脂涂层仅仅是一种装点。

生命也可能在光合作用之前贡献了一小部分氧气。事实上，细胞已经学会了至少四种方法，从周围环境中制造氧气。产氧光合作用是现今最主要的一种，但其他生化途径在远古时期可能起到了一小部分作用。

生命尽其所能地从环境中汲取能量。在释放氧气的同时获得能量，最简单的方法是从一个已经富含氧且具有高度活性的分子开始。因此，许多微生物已经学会利用过氧化物分子（过氧化氢，由大气中的反应产生）来产生氧气和能量。不可否认的是，在大气中的氧气含量上升之前，这样的分子种类十分罕见，而这类微生物机制在改变地球早期环境方面不可能发挥太大作用。

荷兰的一个微生物学家团队近期报告了一个更为相关的制造氧气的情景。他们发现了一些惊人的微生物，通过分解氮氧化物获得能量。在地球历史的早期，这些被称为氮氧化物（NOX）的化学物质通过氮气与矿物的反应产生，比如产生于雷暴天气下。现在，由于富氮肥料的广泛使用，许多湖泊、河流和河口都受到了NOX化合物的严重污染，导致大量微生物出现。新发现的微生物能够将氮氧化物分解为氮和氧，然后利用氧“燃烧”天然气，也就是甲烷，从而获得少许能量。在像火星一样缺氧的世界里，这样一种精巧的化学策略可能特别有用。

化石证据

在所有制造氧气的机制中，光合作用是无可争议的冠军，但是光合作用和氧气的产生是多早的时候开始的呢？古生物学家仔细观察了古代生物世界中可触碰的残骸碎片，他们比其他任何领域的科学家能更清楚地看到过去与现在之间的联系。因此，或许并不令人意外的是，他们成为第一批发现20多亿年前的地球充满氧气的证据的人。在寻找最早的光合作用的过程中，化石猎人自然而然地把注意力放在了地球最古老的岩石上。

古老的光合细胞的化石证据充其量也只是一些碎片。极少的珍贵的微生物遗骸经历了数十亿年的埋藏、加热、挤压和化学变化，留下来的东西被炙烤、压碎，我们通常需要丰富的想象力才能对其过程做出生物学上的解释。化石微生物群看起来通常只有黑色的小污点那么大，因此，或许并不意外的是，每一份有关20亿年前的微生物的报告即使没有遭到直接的嘲笑，也都受到了谨慎的怀疑。

在过去40年的大部分时间里，加利福尼亚大学洛杉矶分校古生物学教授J.威廉（比尔）·绍普夫 [J. William (Bill) Schopf]一直是对古生物学的严谨性最热忱的捍卫者之一。在他对越来越古老的微生物化石进行研究的基础上，绍普夫制作了一份清单，列出了确认生命存在的充分且必要的特征。绍普夫最早关注的是年代相对较近的、保存完好的清晰标本，他是将化石记录的历史推得越来越远的最具说服力的科学家，他已经将最古老的记录追溯到距今30多亿年的历史，进入了遥远的太古宙。

绍普夫的标准非常简单，也很合理。化石微生物必须来自年代确定的沉积层，且这些沉积层位于微生物曾经生活过的环境中。化石必须显示出大小和形状的统一性，比如一致的球状、杆状或链状，而不像许多古老的岩石中发现的那种形状没有规则的黑色斑点和条纹。绍普夫和他的学生还利用统计学来消除观测地球最古老的沉积岩所固有的一些主观性。

这套关于微生物化石基本特征的定量目录对绍普夫来说很有用。他能够针对新发现的化石发表一些无可争议的描述，同时也能针对竞争一方的研究人员提出的一些更可疑的古生物学主张进行质疑。他最著名的挑战是在1996年，当时，NASA的科学家宣布在一块火星陨石中发现了微生物遗骸。同年8月，在NASA举办的一次引人注目的新闻发布会上，绍普夫是唯一的反对声音。他不加掩饰地轻蔑地指出，火星“化石”太小了，缺乏化学和矿物学的证据支持，而且它被划分在了错误的岩石类型中。（尽管绍普夫的观点很有说服力，克林顿总统仍然称赞了这一发现，这可能导致了NASA对天体生物学研究的资助大幅增加，最终支持了我们许多人的生物起源研究，包括绍普夫本人的研究。）

蓝藻，又名蓝绿藻或蓝细菌，是一种原核生物，也是最早的光合放氧生物，对地球表面从无氧的大气环境变为有氧环境发挥了重要作用

颇为讽刺的是，绍普夫很快就遇到了同样刻薄的批评，因为他曾在1993年宣布，他在澳大利亚西北部近35亿年前的岩石组阿派克斯燧石中发现了地球上最古老的微生物化石。照片显示了一些细长的黑色结构，还带有细胞分裂形状，这似乎足够吸引人了。这篇备受关注的论文发表在《科学》杂志上，附带了化石照片，并用精致的线条画作为补充（来“帮助辨认”），这些线条画旁边放着蓝藻的照片，与现代光合微生物看起来很相似。绍普夫甚至声称，他发现的化石可能是氧气制造者。几年之内，他最有说服力的照片就成了有史以来被复制最多的古生物学图片之一，出现在许多教科书上，图注照搬了“最早的化石”这一结论，并常常暗示这种微生物是进行光合作用的。

科学界有一条规则，非同寻常的观点需要非同寻常的证据。同样，非同寻常的观点通常也会受到非同寻常的审核。绍普夫的所有化石标本都保存在伦敦大英博物馆里，它们被加工成透明的岩石薄片截面，经过精心编目后放在载玻片上。2000年，牛津大学古生物学家马丁·布拉西尔（Martin Brasier）开始对这些阿派克斯燧石材料进行详细的重新检查，得出了一个截然不同的结论。

绍普夫的阿派克斯燧石“薄片”实际上相当厚，至少与微生物的大小相比是这样的。布拉西尔和其同事最终找到了绍普夫拍摄和公布的大多数微小物体，但他们惊讶地发现，许多照片都是误导。绍普夫的每一张经典照片都代表着一个微观焦面，也就是一个穿过模糊的黑色三维物体的二维薄片。布拉西尔和团队采用了一种更先进的摄影技术，创造了图像的三维拼接，从而揭示了一个更加复杂的故事。只有将显微镜聚焦到绍普夫照片的那个深度，他们才能复制出经典的顶尖“化石”图像。但是稍微升高或降低焦点，最初看起来令人信服的细长的微生物细胞串，就会变形成波浪形的片状或不规则的团块，有时还会有褶皱、分叉或弯曲。根据布拉西尔的观察，“微生物链”是复杂的三维结构中被错误地选择出的横截面，这些三维结构与任何生物体几乎都没有相似之处。布拉西尔和其同事提出了令人尴尬的挑战，《质疑地球上最古老化石的证据》出现在2002年3月7日出版的著名期刊《自然》上。

绍普夫用文章《地球最早化石的激光拉曼图像》进行了反击，这篇文章就发表在同一期上布拉西尔文章的后面。绍普夫和其同事对阿派克斯燧石富含碳的黑色斑点进行了新的分析，显示它们具有与生物一致的同位素成分和原子结构。他大胆地重复了“最古老的化石”的说法，但他似乎放弃了关于微生物进行光合作用的解释。尽管如此，怀疑的种子已经播撒在了绍普夫的主张上，并且提高了寻找生命最早迹象的标准。

（在最新的后续研究中，马丁·布拉西尔和其同事在澳大利亚进行了考察，现在他们认为发现了“最古老的化石”，那是在34亿年前的斯特雷利池形成的微生物遗迹，发现它们的地方距离绍普夫找到的更古老但仍有争议的斑点只有20英里。几乎没有观察者认为这一进展会是辩论的结语。）

最小的化石

想象一下，一群微生物死亡时会发生什么。就像是一小袋化学物质变成碎片飘散开来，这些化学物质曾经就是活的细胞。大的生物分子被分解成更小的分子碎片，主要是水和二氧化碳。其他微生物可能会吃掉最美味的部分，而无法消化的分子则溶解在海洋中，或者蒸发到空气中，或者被困在岩石中。就这样过了几年，什么东西都没了，因为时间对这样脆弱的分子遗骸并不友好。

在一些特殊情况下，如果死细胞很快被掩埋，且周围没有腐蚀性的氧气，所在的岩石也一直没有变得太热，那么一些最坚强的生物分子可能会存活下来，尽管它们的形态会发生很大变化。最有可能保留下来的分子是由大约20个碳原子组成的坚实骨架，这些原子有时排列成一条简单的长链（可能有一些碳原子在某处粘在一边），有时排列成一组相互交错的环（与奥林匹克运动会的标志很像）。这些特征明显的生物碎片就像超小型的骨骼，代表了更大的功能分子集合的剩余部分，那些功能分子除了最有适应性的核心之外，都已降解和消失。

如果你能在一片古老的沉积岩中找到这样一个分子骨架，并且你能确定它不是来自附近更年轻地层的污染，也不是来自到处都有的新近死亡的细胞（例如，来自现代地下微生物，甚至是来自你拇指的死皮），那么你就可以宣布发现了一种化学化石，也就是一种曾经存在的微生物的真实原子。因此，绍普夫在阿派克斯燧石上发现的黑色斑点非常迷人。

许多现代分子古生物学家过着非常迷人的双重生活。一方面，他们可能会选择忍受野外地质学家所要面对的严酷考验，徒步穿越数英里的险峻地形，在炎热的沙漠、冰冷的冻原和高山上，从偏远裸露的地表挖掘出数百磅目标岩石。每年都有许多地质学家分队前往西澳大利亚、南非、格陵兰和加拿大中部，寻找新的标本。另一些人则在钻机上工作，希望能获得未受天气和植被污染的原始而古老的岩芯。这样的考察可能意味着要面对长达数月的艰苦和危险情境，并且忍受物资的匮乏。

这些冒险与在超净实验室里做数月乏味的分析形成鲜明的对比，在实验室里，最轻微的呼吸或指纹都会不可挽回地污染一个宝贵的30亿年前的岩石样本。从岩石中提取单个分子需要时间、耐心和谨慎，还需要大量精密的分析仪器。这项21世纪的艺术，有一位主要实践者是澳大利亚古生物学家罗杰·萨蒙斯（Roger Summons），他在麻省理工学院地球与行星科学系设立了“基地”。在那里，他领导着萨蒙斯实验室一个由十几位分子化石猎人组成的小组，研究着地球最古老的岩石。

藿烷结构

十几年前，在澳大利亚国立大学工作期间，萨蒙斯带领一组科学家登上了新闻头条，他们当时正在研究西澳大利亚27亿年前皮尔巴拉稳定地块的沉积物。萨蒙斯和同事收获了一块独特的岩芯，它将近半英里长，其中包括一段诱人的富含碳的黑色页岩，这种沉积岩最有可能保存分子化石。这些皮尔巴拉岩石格外特别，因为它们基本上没有被热量改变，也没有被地表生物或地下水污染。如果有一种岩石可以让古老的生物分子保留下来，那就是这种。

澳大利亚的研究人员把重点放在藿烷类化合物上，这是第六章中提到的一类精巧坚韧的生物分子。藿烷类化合物在加固保护性的细胞膜方面发挥着重要作用，由于藿烷在活细胞外极为少见，它可能是所有分子生物标志物中最有说服力的一类。每个藿烷都有一个独特的骨架，由五个互锁的环组成，包括四个小六边形（每个六边形有六个碳原子），和末端的一个五边形（包含五个碳原子）。每个环与邻环共享两个碳原子，也就是说，它总共有21个组成骨架的碳原子。

澳大利亚萨蒙斯实验室在仔细研究后发表了两篇备受关注的论文，论文都发表于1999年8月。第一篇论文发表在《科学》杂志上，萨蒙斯的博士生约亨·布罗克斯（Jochen Brocks）是第一作者，文中称在27亿年前的皮尔巴拉岩石中发现了一种被称为甾烷的独特分子，它是当时已知的最古老的分子化石，打破了之前10亿年历史的纪录。甾烷的发现可以揭示许多有关远古生态系统的信息，因为不同物种使用了很多不同种类的甾烷，每种甾烷在其碳环周围的不同位置还带有额外的碳原子。布罗克斯和其同事认为，皮尔巴拉甾烷代表着一种相当先进的细胞，这种细胞被称为真核细胞，包含一个容纳DNA的细胞核。在论文发表时，已知的最古老的真核生物化石细胞只有约10亿年的历史，而且人们认为早于约20亿年前的原始微生物没有细胞核，因此人们对这种解释感到惊讶，甚至完全不相信。如果这个发现是真的，那么只可能有两个结论。要么真核生物出现得比任何人想象的都要早（生命的进化也相应地被加速了），要么甾烷的进化比真核生物早得多。无论是哪种情况，我们对生命历史的理解都会被改写。

第二篇论文发表在《自然》杂志上，萨蒙斯是第一作者，论文带来了同样令人震惊的发现，在西澳大利亚3 300英尺高的麦克雷山25亿年前的黑色页岩中，含有一种藿烷五环分子的变体，在第一个环的边上还有一个额外的碳原子。这些2-甲基藿烷分子仅仅在光合蓝藻中被发现过，而蓝藻是地球上最主要的氧气制造者。萨蒙斯总结道，地球上的光合作用在25亿年前就开始了。人们当时已经知道氧气差不多就是从那时开始增加的，不过萨蒙斯的结论与其相符，表明光合作用的起源有可能通过保存下来的分子碎片进行研究，这为古生物学打开了令人振奋的新大门。

并不是所有人都被这样的结论说服。就像绍普夫之前有关“地球上最古老的化石”的主张一样，罗杰·萨蒙斯不同寻常的藿烷发现也遭到了一些反对，其中包括约亨·布罗克斯对自己博士工作的质疑，其他关于据称有20多亿年历史的生物标志物的研究也受到了质疑。持怀疑态度的人认为，年轻的藿烷到处都是。地下深处随处可见生活在岩石中的微生物，因此在超过20亿年的地球历史中，污染是不可避免的。毫无疑问，藿烷和其他生物分子一定存在，但谁知道它们是何时以及如何到达那里的。这类辩论饶有趣味，几乎总能带来新的发现，就让我们拭目以待。

时间的砂坪

古生物学家还能去哪里寻找证据呢？在与光合作用的历史有关的许多化石记录的线索中，微生物席可能既是最明显的，又是最容易被忽视的。如今，它们遍布全世界，出现于沿岸的浅海中，沿着缓慢流动的河流和溪流的岸边形成，在那些地方，藻类可以将细丝缠绕进厚厚的打结的层中。这些像衣服一样坚固的席子确保藻类能够拥有一个潮湿且阳光充足的环境，同时不会受到洪水和海浪不可避免的侵蚀作用。尽管微生物席分布广泛，但在诺拉·诺夫克（Nora Noffke）的发现之前，古生物学界几乎忽略了化石微生物席。

10多年来，我有机会帮助诺拉·诺夫克一起做研究，她是弗吉尼亚州诺福克的欧道明大学地球生物学教授，也是世界上研究古微生物席的权威。凭借敏锐的眼光、独特的视角和坚定的决心，她选择了世界上一些最险峻的地区进行野外考察。她冒险进入最偏远和环境恶劣的地方，前往南非、澳大利亚西部、纳米比亚、炎热的中东和寒冷的格陵兰，发掘出了以前从没人想到要寻找的古生物奇迹。诺拉一次又一次地发现证据，表明微生物席在地球许多最古老的沙滩上生长。

微生物席化石之所以如此重要，是因为它们一定来自某种光合作用。在黑色燧石和黑色页岩中留下碎片的微生物可能来自远离阳光的深层地带。我们有充分的理由提出，35亿年前的浅水叠层石支持依靠光合作用的生存方式，尽管这些矿化小丘可能仅仅是在海浪翻腾的恶劣环境中提供了保护性高地。但微生物席一定是进行光合作用的。如果不是因为需要阳光，为什么一群微生物会大费周章地把自己安置在一个贫瘠的浅水潮间带中？

要想了解诺拉·诺夫克的贡献，就需要认识其他一些真正古老的化石。在过去的半个世纪中，寻找地球上最古老生命的古生物学家主要研究三种岩石组。首先是黑色燧石，就像绍普夫发现的那种有争议的35亿年前的阿派克斯燧石。20世纪60年代初，黑色燧石首次成为古生物学的头条新闻，当时哈佛大学古植物学家埃尔索·巴洪（Elso Barghoorn）在明尼苏达州北部和安大略省西部19亿年前的冈弗林特燧石中发现了古微生物化石。巴洪仔细检查了细粒的富硅岩石中薄而透明的部分，发现他看到的是古微生物化石无比精致的细节。地质学家斯坦利·泰勒（Stanley Tyler）10年前在冈弗林特首次观察到了神秘的球状物体，而巴洪描述了一系列令人惊讶的清晰细胞，那是一个微观生态系统，包括球状、杆状和丝状的微生物，其中一些正在分裂过程当中。事实上，尽管几十年来一直有人声称找到了更古老的化石，但一些古生物学家仍然认为，冈弗林特燧石是地球上最明确的最古老光合细胞化石。

第二种岩石类型是富含碳的黑色页岩，也就是罗杰·萨蒙斯及其同事研究的岩石，它们或许是古分子化石的最佳来源。黑色页岩是泥浆和有机残骸在深水中的堆积物，因而我们可以确信它们埋葬了古微生物的遗骸。正因如此，从澳大利亚、南非和其他拥有几十亿年历史的地方发掘出的黑色页岩厚厚的层序，都在接受一层又一层的细致化学检查。随着更新、更灵敏的分析工具投入使用（一些工具能够探测单个分子），重要的发现必定随之而来。

第三种被深入研究的包含古化石的岩石组类型是叠层石，也就是早期生命沉积下的分层穹顶状结构的矿物。在现代有生命的浅海叠层石礁中，最著名的是西澳大利亚鲨鱼湾优美而偏远的世界遗产地，如果不是这些叠层石礁，古生物学家可能会被这些通常保存在石灰岩中的小丘的起源难住。当一个黏滑的表面覆盖着微生物，这些光合微生物制造出一层又一层矿物时，这些奇怪的沉积特征就会出现。科学家在世界各地发现了数百处叠层石化石，其中一些出自30亿年前的岩石中。

除了黑色燧石、黑色页岩和叠层石，诺拉·诺夫克在这个地球上最古老的含化石组的简短列表中，还增加了第四种岩石类型，那就是砂岩。砂岩被忽视是有原因的。大多数化石保存在细粒的岩石中，比如燧石、页岩或石灰岩礁中，因此研究主要集中在黑色燧石、黑色页岩和叠层石中。相比之下，沙土更粗糙，它的矿物颗粒比大多数微生物都要大得多。更重要的是，沙土往往集中在海滩，处于汹涌的潮汐带中，那里大多数生命迹象会很快被抹去，被侵蚀、冲走和消散。但诺夫克花了20年来研究现代潮滩，以及那里丰富的生态系统，发现坚硬的纤维状微生物席在砂质的浅水海岸线上形成了独特的结构。它们在沙土表面上留下了褶皱的纹理，就像褶皱的桌布一样。它们将沉积物颗粒捆绑在厚厚的、有弹性的大片海藻链中，改变了沙土中波纹痕迹的图案。它们被风暴撕碎，分裂成独特的几何状碎块，像波斯地毯一样卷起来。

叠层石切片。叠层石是早期生命沉积下的分层穹顶状结构的矿物，被誉为地球上最古老的生物化石。科学家在世界各地发现了数百处叠层石沉积构造，其中一些出自30亿年前的岩石中

大多数砂岩露头看起来很光滑，或者有轻微的波纹，但缺乏明显的生物特征。但在诺夫克找到办法发现古岩石中微生物席化石特有的褶皱和破裂的表面后，她几乎在任何地方都能找到这些细微的特征。1998年，在法国阿尔卑斯山脉的努瓦尔山上，她发现4.8亿年前的岩石表面具有这种特征的褶皱质地。2000年，在她前往哈佛大学做博士后工作后，她在纳米比亚5.5亿年前的岩石中发现了类似的图案，将时间进一步向前推移。微生物席在5亿年前就已经存在了，这个事实并不是特别具有新闻价值。所有古生物学家都会同意，微生物席在海岸地区的存在肯定比这更早。但在诺夫克之前，没有人花时间仔细研究现代微生物席系统，然后将类似的痕迹视为古岩石中化石明确的证据。

2001年，诺夫克在南非和澳大利亚30多亿年前的岩石组中首次发现一系列突破性的微生物席，这一时间比推定的大氧化事件要早得多。在正午的烈日下，这些特征很难被发现，但在下午晚些时候，在一天漫长且常常是徒劳的搜寻即将结束时，当阳光扫过光秃秃的岩石时，具有显著褶皱特征的砂岩表面就出现在你眼前。“这些结构似乎到处都是。”她回忆起一个激动人心的发现，是在一次艰苦的非洲野外考察的最后一天最后一个小时完成的。

2000年，在诺拉在哈佛大学的导师、古生物学家安迪·诺尔（Andy Knoll）的建议下，诺拉第一次来找我。安迪和我从20世纪70年代研究生时代起就一直是朋友。有一段时间，我们的事业把我们带向了不同的科学方向，但我们对天体生物学的共同兴趣让我们重新开始了交流。诺尔意识到，诺夫克对古微生物席的研究几乎完全基于表面特征，这虽然具有启发性，但有时仍需要猜测性的想象。一般的古生物学家缺乏诺夫克对现代微生物席的丰富经验，很容易忽略或未考虑奇怪的波纹痕迹或褶皱的岩石表面。因此，诺尔鼓励她加入矿物、生物分子和同位素的分析数据，来支持她有关生物席的观点，这些数据保存在独特的细圆齿状的层中。也许古代碳的痕迹或特征矿物的浓聚物可以为一些古老但模糊的与微生物席类似的特征提供确凿的证据。我曾和诺尔的其他学生一起工作过，所以我接到了来自诺夫克的电话。

诺夫克送来的第一批样本客观地证明了这类分析为何重要。她在30亿年前的砂质沉积物中发现了带有波纹的黑色薄层，这有可能是到当时为止发现的最古老的微生物席。她需要确认，这些黑色特征物富含碳，并具有生命所需的同位素特征。这种特征是，与普通地壳相比，较重的碳-13同位素少约3%。她已经为《科学》杂志写了一篇论文，准备提交，只需等待一个确定的数值。这些岩石样本通过联邦快递从马萨诸塞州剑桥市以最快的速度送到了地球物理实验室。我感受到了压力。

幸运的是，我的同事玛丽莲·福格尔（Marilyn Fogel）是卡内基研究所地球物理实验室碳同位素的专家，她愿意提供帮助。玛丽莲检查了样品，告诉我该怎么做。我需要把岩石碾碎，磨成细粉末，在几个纯锡箔制成的小杯中各放入几微克的粉末，称取样品重量，把每个锡箔杯折成一个弹珠大小的小球。然后，这些样品和碳同位素标准品被一个接一个地送入熔炉中，这个熔炉能将任何含碳的化合物汽化成二氧化碳气体。气体流入一个灵敏的质谱仪，仪器会分离并测量碳-12和碳-13。只用几个小时就可得出关键的比率。

诺拉希望结果在-25到-35的范围内，也就是其他微生物席的典型数值。但机器得到了一个不同的结果。同位素比率接近0，这个值与生物学特征无关。相反，它是无机碳的特征，这种碳是从地幔中以流体的形式上升，并以黑色石墨的细脉形式沉积下来的。结果就是，诺夫克的样品中的黑色特征物富含碳，但它们显然不是生物性的。

有了这次实际教训，我们迅速分析了诺拉从南非、澳大利亚和格陵兰等不同区域找到的其他许多有希望的古代沉积物中的黑色特征物薄层。我们一次次测量了碳同位素，它们与微生物席-30的范围相一致；我们还发现了其他确凿的证据，证明微生物在30多亿年前曾在古老地球的砂质海岸线上繁衍。与微小的黑色污点或微量的生物分子不同，你可以在野外看到诺夫克的证据，大小有那些露头那么大。她的证据，你可以直接拿在手里。

但一个核心问题仍然存在：这些微生物席会产生氧气吗，还是利用阳光进行更简单的光化学反应？微生物进化出各种各样的策略来利用阳光，但并不是所有策略都能产生氧气。因此，在未来一段时间里，关于这些30亿年前形成席子的生物体如何生存下来的细节仍将是一个热门课题。

矿物学的爆发

关于地球氧化的大致过程，人们已广泛接受。在25亿年前，地球大气中基本没有氧气。光合微生物的增加在大约22亿年到24亿年前形成了巨大的累积变化，当时，大气氧气浓度上升到现今浓度的1%以上。这种不可逆转的变化改变了地球近地表的环境，并为更大的转变铺平了道路。

正如之前所说，这种转变的细节已经成了许多科学家职业生涯的焦点。近年来，我和我长期合作的同事迪米特里·斯韦尔詹斯基（Dimitri Sverjensky）带来了一种有点违背直觉的惊人看法，从而卷入了这场争论。我们认为，地球上大多数矿物都是生物作用的结果。几个世纪以来，人们一直默认矿物王国独立于生命运作。相反，我们新的“矿物演化”方法强调地圈和生物圈的共同演化。我们认为，在大约4 500种已知矿物中，有三分之二不可能在大氧化事件之前形成，具有丰富多样性的地球矿物中的绝大多数可能不会出现在一个没有生命的世界上。在这种观点看来，像半宝石绿松石、深蓝色的蓝铜矿和浅绿色的孔雀石等受欢迎的矿物，都是生命的明确标志。

这些矿物依赖生命世界的原因很简单。这些美丽的矿物，包括数以千计的其他种类，是通过富含氧气的水和先前存在的矿物相互作用，在浅层地壳中形成的。地下水通过溶解、运输、化学变化等方式改变了最上层数千英尺的岩石。在这个过程中，新的化学反应首次发生，产生了新的矿物。我和斯韦尔詹斯基列出了一长串以这样的方式产生的矿物，它们来自铜、铀、铁、锰、镍、汞、钼和其他许多元素。在氧气增长之前，这些矿物形成的反应不可能发生。

“那么红色的火星呢？”我们的同事问道。我们的行星邻居生锈的表面，难道不是火星已经被氧化，并可能拥有与地球相似的深部矿物多样性的证据吗？我们认为答案是否定的。最关键的区别在于，火星（或许还有其他类似的小型行星）没有经历过富含氧气的地下水的动态循环，而正是这种循环在地球上产生了惊人的矿物多样性。正如近期数据所暗示的，火星上可能存在地下水，但水是结冰的。火星呈现出红色的唯一原因是它失去了大部分近地表的氢（因此失去了大部分水）。氢损失产生的一点点氧气使火星表面变红，就像给它刷了一层薄薄的油漆，只有一英寸厚，但那些氧无法深入火星的地壳。

我们对地球矿物历史构建的新框架扩充了一些先前的观点。2007年《科学》杂志上的一篇论文煽动性地将标题定为《大氧化事件前的一点氧气？》，在论文中，地球化学家阿里尔·安巴尔（Ariel Anbar）和合作者详细记录了西澳大利亚麦克雷山25亿年前黑色页岩层序中的微量元素。这些精细分层的沉积物沉淀在远古海洋的外滨环境中，它们看上去千篇一律，但在仔细检查时我们却发现了令人惊喜的化学成分。最值得注意的是，靠近页岩顶部的一个30英尺厚的剖面明显地富含钼和铼，这些化学元素除非被氧化，否则通常不会出现在沉积岩中。钼和铼在高度氧化的形式下，很容易从火成岩的容矿岩中溶解，顺着河流进入海洋，最后并入海底的黑色页岩中。

每个人都同意，这些钼和铼的富集告诉了我们25亿年前发生的侵蚀。辉钼矿是最常见的钼矿物，它通常也含有铼，质地非常柔软，极易磨损。也许是含辉钼矿的花岗岩被暴露在一个古老的山坡上，也许是机械风化作用造成了微小的辉钼矿碎片，它们被卷入海洋，沉积在了黑色的泥质海底，这些沉积物就被掩埋并固化，形成了麦克雷山页岩。

安巴尔和他的团队得出了一个不同的结论。他们认为，来自早期光合细胞的“一点氧气”才是推动这种转变的关键。也许黏滑的绿色细胞在局部聚集，创造了一个有足够氧气的微环境，移动了钼和铼。毕竟，我们有24亿年前全球氧气增长的确凿证据，那么为什么在这个局部地区不能提早1亿年呢？

我和斯韦尔詹斯基的回应是，除了氧，还有很多方法可以移动钼、铼和其他元素。在没有任何氧的情况下，含硫、氮或碳的普通大气分子也可以进行接收电子的反应。这就是科学辩论的本质，新的观点和论据会与不同的主张和反驳碰撞。

无论氧气增长的确切时间是什么，到地球25亿岁的生日时，它的表面再次发生了变化。当地球生锈时，陆地上发生了第一次显著变化。氧驱动的地表风化开始将含铁的花岗岩和玄武岩分解成砖红色的土壤。当土地随着时间变化，它巧妙地将颜色从以灰色和黑色为主，转变为铁锈般的红色。从太空中看，20亿年前的地球大陆比今天的陆地要小得多，可能看起来有点像现在的红色火星，但地球上面还有蓝色的海洋和旋涡状的白云，与陆地形成了鲜明的对比。

铁锈只是许多深刻的矿物学变化中最明显的一个。我们最近的化学模型显示，大氧化事件为多达3 000种矿物的出现铺平了道路，而这些矿物都是我们太阳系以前从未出现过的种类。数以百计的铀、镍、铜、锰和汞的新化合物是在生命学会制造氧气后才出现的。博物馆中许多最美丽的晶体标本，比如蓝绿色的铜矿物、紫色的钴矿物、黄橙色的铀矿石等等，都有力地代表了一个充满活力的生命世界。这些新形成的矿物不太可能在缺氧的环境中形成，因此生命似乎对地球上已知的4 500种矿物中的大部分负有直接或间接的责任。令人惊讶的是，这些新的矿物为进化中的生命提供了新的环境生态位和新的化学能来源，因此，生命与岩石及矿物一直都在协同演化。

氧是一种神奇的转化元素，它在这段漫长的历史中扮演着主要角色。由于对电子的渴望，氧原子与各种矿物剧烈地反应，从而使岩石风化，在这个过程中形成富含营养的土壤。当大气中的氧气浓度在20亿年前首次达到显著水平时，所有依靠光合作用的生命形式都生活在海洋中。陆地上完全没有生命。但氧气为生命最终向全球的扩张铺平了道路。

今天我们在最密切的交换中体验着氧气。我们每呼吸一口，空气的一小部分就变成了我们的一部分，而我们的一小部分也变成了空气。随着时间的流逝，在每一次与氧及生命的其他基本元素的反应中，我们的身体多次消融和形成。我们的组织在我们的一生中被一次次地替换，地球上有限的原子储存在空气、海洋、陆地和所有生命形式中，不断地循环往复。大多数在你出生时形成你婴儿身体的原子现在都已消散，如果你有幸在这个富含氧气的行星家园中多生活几年，那么你现在身体中的原子也将消散。

澳 大利亚地质学家罗杰·别克（Roger Buick）是早期地球科学界一个充满活力、干劲十足的代表，他将夹在古元古宙（以大氧化事件为标志）和新元古宙（这时遍布全球的冰川主宰着地表，生命开始以有趣的方式进化）之间的时期总结成了一句简单的话：“地球历史上最沉闷的时期是中元古宙。”

本章主题就是这段注定平淡的时期，也就是从8.5亿年前到18.5亿年前的这10亿年。这段漫长的时间被称为中间海洋期（或者更讽刺地说，它也被一些科学学者称为无聊的10亿年），它似乎是一个在生物和地质上相对停滞的时期，没有发生明显的剧变事件。乍一看，岩石记录并没有揭示出史诗般的颠覆性影响，或者突然的气候变化。海洋氧化程度更高的近地表层与缺氧的海洋深处之间的界面可能已经变得越来越深，但似乎没有出现根本上全新的生命形式，也不像普遍认为的那样出现了许多新的岩石类型或矿物种类。至少传统的看法是这样的。

但“无聊”是个危险的用词。我曾经犯过一个错误，说脂质是无聊的，但脂质是生命中极为丰富多样的分子，包括脂肪、油脂和蜡等。这句话是在一次公开演讲中说的，我没有注意到脂质化学的细微差别，它从两个方面来说是错误的。首先，脂质的多样性实在令人惊讶。它们在调节生命的化学反应和制造复杂的微观结构方面发挥着各种令人瞩目的作用。脂质将大多数生物的内部和外部分开，没有它们，我们所知道的生命是不可能出现的。第二个错误在于，我这句话是在一位专注严肃的化学家在场的情况下无意间说出的，这位化学家的整个职业生涯都在研究脂质。她让我正确地认识了脂质，给了我大量极其专业的文献资料来澄清事实。我的赎罪方式就是阅读这些详细的（也有些无聊的）大部头。

关键是，无聊可能更多地反映了我们深刻的无知，而不是真的令人感到乏味。事实上，地球上无聊的10亿年可能类似于人类文明中所谓的黑暗时代，那是伟大的创新和实验的动态区隔，是不可阻挡和不可逆转的变化，也是通向现代生命世界的大门，但这个时代一度被学者们忽视了。我们加于自身的无知也可能会自我强化。雄心勃勃的学生在研究生院和博士后职位之间短暂的窗口期，寻求建立自身的学术声誉，他们不太可能专注于一个被认为没什么事情发生的地质时代。

但对敏锐的学者来说，那个神秘时代的地质层一定包含着某些惊喜。巨变的暗示一定隐藏在岩石中，那里有很多故事尚未被了解。地球上一些最有价值的矿藏似乎聚集在那个时代的岩石中，包含大量铅、锌和银矿，来自非洲的赞比亚和博茨瓦纳、北美洲的内华达州和不列颠哥伦比亚省，以及捷克共和国和澳大利亚南部地区。其他富含铍、硼和铀等独特矿物的地区，似乎也是在那个时期繁荣起来。新的证据表明，地球上的大陆可能在无聊的10亿年里聚集成了一个巨大的超大陆，继而分裂，然后在地球最壮观的地表变化的周期中再次聚合在一起。在这10亿年的时间间隔中，丰富的微生物在沿岸浅滩环境和海岸环境中聚集，变成化石完美地保留至今。关于地球的黑暗时代，当然还有很多事物值得我们了解。

变化的历史

从地球诞生到地球25亿岁生日之后的几亿年里，巨大的变化一直是地球演化史上不变的主题。太阳星云合并，太阳形成。周围的灰尘融入陨石球粒。球粒聚集成星子，星子则聚集成原始地球和其他直径数千英里的类地天体。忒伊亚撞击，随后月球形成，炽热的岩浆海洋硬化成黑色的玄武岩地壳，地壳上布满了无数火山爆发带来的疤痕，高温的海洋很快覆盖了几乎所有固体表面，因此只有最高的火山锥顶部是干燥的，所有这些戏剧性的事件都发生在5亿年里。在地球独特的海洋形成后，地球经历了没那么混乱的20亿年，即使在这段时间里，我们的星球表面仍在不断地变化，花岗岩从玄武岩熔体中出现，在驱动板块构造的对流单元之上，原始大陆不断生长。

正是在这样一个充满活力、变化无常的世界上，生命诞生、进化，并最终学会了制造氧气。不断的变化是地球的标志。我们的星球就像一位早熟的艺术家，一次又一次地改造自己，在每一个阶段都在尝试新的东西。

那么，我们这个充满活力的星球如何才会发现自己陷入了一个停滞的阶段？

简单的回答是，那时的地球并不是静止的。变化是不间断的，尽管或许没有形成月球的撞击或大氧化事件那么剧烈。无聊的10亿年见证了一些独特过程的发明，这些过程形成了新的岩石种类和珍贵的矿床，许多新的矿物种类也首次出现。最关键的是，来自世界各地的地质证据显示，这是一个全球板块协同运动的时代，由此建立的新模式持续至今。

超大陆的循环

从地质学上来说，我们熟悉的海洋和大陆的地理分布是很短暂的现象。美洲、欧洲和非洲环绕着浩瀚的大西洋，亚洲大陆向东横跨大片区域，广阔的太平洋拥有众多的南部岛屿和澳大利亚大陆，南极洲存在着极地世界，所有这些都只是一个瞬间形态。板块构造的宏大过程不仅形成了大陆，而且不断地让它们在全球穿梭。陆地和水域一次又一次地经历着巨大的改造。

一群地球科学家精英已经搞明白我们这个世界古老而陌生的地理格局，他们已经绘制出了过去和未来地球的地图，虽然未必准确，但很令人赞叹。他们有很多线索可以使用。首先，我们知道今天的大陆是如何移动的，清楚它们的移动速度和方向。大西洋一年比一年宽，非洲在逐渐一分为二；我们还惊奇地看到，印度向着中国“冲击”，把撞击带挤成嶙峋的喜马拉雅山脉。当然，这一切都是以非常缓慢的速度发生的，但又持续稳定，每年一两英寸。在一亿年的时间里，即使是蜗牛的步伐也会产生巨大的变化。我们快进和倒带播放想象中的地球地理录像带，就能猜出我们星球变化无常的表面特征。即使是回溯到5亿年前，动植物丰富的化石记录也能帮助科学家勾勒出一幅图画，特别是当广阔的大陆上动植物遵循着不同的路径逐渐进化的时候。例如，澳大利亚各种各样的有袋类动物，和新西兰不会飞翔的大型鸟类，讲述了一个令人信服的动物隔离的故事。

而在5亿年之前更古老的时间中，这幅画开始褪色。我们必须寻找其他线索。特别重要的是，化石磁性被锁在火山岩中。我们倾向于用南和北来思考我们星球的磁场，这与指南针的指向相符，但实际情况复杂得多。磁场线以某种角度与地球表面相交，这种角度被称为倾角。在地球赤道，倾角接近零，也就是说它几乎是水平的，但在高纬度地区，倾角越来越大，直到极点，那里的磁场线几乎是垂直的。对固定在火山岩中的古磁场进行精确测量，可以揭示在火山岩凝固时大陆的南北方向和大陆所在的纬度。值得关注的是，这些微妙的证据表明，现在赤道的一些岩石曾经很靠近地球的两极，反之亦然。南极洲古老的热带潟湖，和赤道非洲古冻原的化石证据都证实了这一点。沉积岩记录增加了一些重要的数据，不同类型的沉积物在不同的环境中堆积，包括浅海、大陆架、冻原、冰川湖、潮汐潟湖和沼泽，每种环境都有不同的岩石类型。

喜马拉雅山脉是世界上平均海拔最高的山脉，它由欧亚板块和印度洋板块相互碰撞挤压形成，对研究板块构造机制具有重要意义

潟湖是一种因海湾被沙洲所封闭而演变成的湖泊，海岸带泥沙的横向运动常可形成离岸坝-潟湖地貌组合。图为卡拉博加兹戈尔湾，位于里海东部、土库曼斯坦西北角的一个潟湖

在这些线索的支撑下，古地理学家成功地勾勒出了一幅连贯的、合乎情理的地球图像，它至少能追溯到16亿年前，一直延续到无聊的10亿年这一时期，一些推测甚至延续到了更久远的时间，直至最初的大陆形成。板块构造形成原始大陆花了很长时间。在俯冲的转折点，在地球最早的玄武岩地壳的致密板块坠入地幔深处的断层线上，不易下沉的低密度花岗岩岛屿一个接一个地堆积起来，形成越来越大的长期存在的稳定陆块。这些古老的大陆现在被称为克拉通，源自希腊语中的“力量”。

克拉通很坚固，一旦形成，就能够持续存在很久。今天的地球可能保存着30多个基本完整的克拉通，有些甚至有38亿年的历史，宽度从100英里到1 000英里不等。这些不同的陆块都被起了富有深意的名字：北美洲的奴隶和长官、非洲的卡普瓦尔和津巴布韦、澳大利亚的皮尔巴拉和伊尔冈。它们经历了数十亿年的全球迁移。它们被挤在一起，又被撕开，连同许多更小的古老碎片，作为大陆的基石幸存下来。三个这样的克拉通形成了格陵兰岛的大部分地区，而加拿大中部的大部分地区以及密歇根州和明尼苏达州的北部地区则由另外六个克拉通组成。巴西和阿根廷的大部分地区之下有数个克拉通。澳大利亚北部、西部和南部，西伯利亚、斯堪的纳维亚、南极洲的大片地区，中国东部和南部的一些区域，印度的大部分地区以及西非、南部非洲和中非的一些地方，也是如此。所有这些克拉通都是在30多亿年前开始形成的，也就是现代板块构造之前，当时地球表面只有一小部分是旱地。因此，所有克拉通都携带着一份地球充满活力的青春期的珍贵记录，尽管这些记录略带扭曲和混乱。

克拉通是钥匙，是早期地球历史的罗塞塔石碑。海洋无法帮助我们破译早期的地球。由于板块构造的传送带不断运作，洋中脊不断产生新的玄武岩地壳，这些地壳又在汇聚的边界被吞没，最古老的洋壳不超过2亿年。任何比这更古老的东西都必定保存在大陆上，否则就无法存留下来。

四处漫游的克拉通有着极为复杂的历史。在构造板块运动的推动下，它们来回穿梭，相互碰撞，形成复合克拉通和超级克拉通；它们又偶尔聚集成一块巨大的陆地，形成大陆或超大陆。每次碰撞都沿着地缝合线产生一个新的山脉。每个山脉都为较大陆块的古老合并提供了令人信服的证据。

这些超大陆依次裂开，分裂成独立的、以海洋为界的岛屿大陆。每次大陆分裂时，在分裂的碎片之间就会形成一个不断扩大的海洋，一系列标志性的沉积物一层层沉积下来，首先是浅水砂岩和石灰岩，然后是深水泥浆和黑色页岩。这样的沉积层序暗示着大陆分裂的事件。超大陆一次又一次地被锻造，继而被撕碎。这是一个巨大的拼图，拼成的是未知的图片，不同的拼图块不断改变着位置和形状。

所有这些和无聊的10亿年有什么关系？答案是一切都和它有关。在一个没有明显活动迹象的时期，没有撞击，没有树木，在复杂的动植物进入地质记录之前，我们必须求助于古地理学家来领会地球的样子。为了破解克拉通在全球数十亿年舞动的细节，这些地质学家跋涉到地球上最偏远的地方，绘制岩石分布图，采集样品，并在实验室中对它们做一系列测试。

北美克拉通

每个克拉通的核心都是非常古老的岩石，通常有30亿年或更久的历史。这些地球上最古老的地壳碎片只占地球大陆质量的一小部分。它们一直被热量烘烤和受到压力，被地下水的溶解力改变，被地应力扭曲。即便如此，原始岩石的性质通常仍可以推断出来，无论是花岗岩般的侵入体还是沉积层。而且，幸运的是，克拉通不是静态的。在它们的整个历史中，新的岩浆冒出穿透旧的部分，形成脉状和荚状的火成岩体。新的沉积矿床在内陆湖泊和河流里形成，也沿着砂质的浅水海岸线形成。每当克拉通撞击在一起或者被撕开，独特的岩石类型和特征结构就会形成，这些事件代表了两块大陆的相对运动。仔细研究这些更年轻多变的地层，可以了解一整套岩石类型，纵贯克拉通的整个历史。然后，有趣的事情开始了。

较年轻的岩石为克拉通移动的年代提供了线索。火成岩中含有微小的磁性矿物，当它们凝固时，会锁定地球磁场的方向。详细的古地磁研究不仅可以确定之前南北极的方位，还可以确定岩石冷却时的大致纬度。这些数据虽然不完全是GPS（全球定位系统）坐标，但如实地记录了克拉通随时间变化的相对位置。沉积岩补充了这些数据，它们能够提供有关气候和生态的重要线索。堆积在快速风化的热带地区的沉积物与温带湖泊的沉积物或高纬度冰川的沉积物之间存在着明显的差别。一些沉积岩中还含有微小的磁性矿物颗粒，这些颗粒带有极地位置的线索。

为了对地球变化的样貌有一个大致的感知，30多个克拉通都被地质学家仔细地检查了一遍。数十年来，细致的野外调查和实验室研究一直在进行，来自地球各个部分的数据被整合在了一起。然后，所有克拉通会像碰碰车一样被放在一个球面上，从现代世界已知的地理位置开始，关于它们移动的虚幻影像将缓慢地倒放。不可避免的是，我们越往回看，影像就会变得越模糊，充斥着越多的猜想。然而，缓慢浮现的图景仍然是非同寻常的。根据最新的解释，地球经历了至少五次超大陆组合和分裂的循环，最远或许可以追溯到30亿年前。

关于地球上最早陆地的故事仍在不断涌现，围绕这个话题的争论也不少。没有人有胆量绘制出超过30亿年前的地球表面的草图，至少现在还没有，但仍有一个站得住脚的想法，将第一片大陆大小的陆块命名为乌尔，它大概形成于31亿年前，来自现在南非、澳大利亚、印度和马达加斯加以前分散的克拉通地块。（甚至还有一块更早的推断出的巨大陆块名为瓦巴拉，它可能存在于约33亿年前，但证据很少。）对比所有这些形成乌尔的地区的古地磁数据后我们发现，现在分离的克拉通在地球历史的大部分时间里都是缝合在一起的，它们的“全球巡游”几乎是并行的，因此它们很可能是连接着的。事实上，磁测数据表明，乌尔大陆持续了近30亿年，直到2亿年前才开始分裂。

最早的真正意义上的超大陆，被称为凯诺兰或苏佩利亚（得名于北美的相关岩石地区），它被认为是在27亿年前由乌尔和其他许多较小的碎片组成的。每当一个克拉通与另一个克拉通碰撞时，地缝合带就会形成，而巨大的挤压力推高了新的山脉。从25亿年前到27亿年前的岩石中可以发现大量这样的特征，这表明超大陆是连续生长的。古地磁数据显示，凯诺兰在其相对短暂的存在过程中大部分时间位于低纬度地区，可能横跨赤道。

有了这些早期的陆地之后，地球出现了第一次大规模的侵蚀，以及第一次深入浅海边缘的沉积物的巨大脉冲。大多数为早期地球建模的研究者假设古时的大气与今天的大气截然不同。氧气完全不存在，而二氧化碳水平可能是我们这个时代的几百倍或几千倍。雨会以碳酸液滴的形式落下，侵蚀土地，把坚硬的岩石变成软黏土。河流把泥土运到环绕海洋的浅海岸斜坡上，那里堆积着厚厚的三角洲一样的软沉积物。

大约在24亿年前，差不多是氧气开始在大气中累积的时候，凯诺兰经历了超大陆形成的相反一面。地磁数据表明，当凯诺兰开始它长期的分裂时，乌尔与其他克拉通分散开来，那些克拉通的拼图碎片从赤道散落到两极。新开放的浅海在分散的碎片之间形成了厚厚的浅海沉积物。超大陆循环就此开始。

哥伦比亚万岁

在地质学年鉴中加入超大陆循环，无聊的10亿年中少了很多无聊。由于存在更年轻且保存较好的岩石，下一次超大陆事件比凯诺兰的图像更为清晰，它大约开始于20亿年前，当时，地球拥有至少五个大陆大小的独立陆块。其中最大的是劳伦超级克拉通，它由至少六个克拉通组成，横跨数千英里，包括现在北美中部和东部的大部分地区。（古大陆专家有时会把这些克拉通称为美洲联合板块。）原始大陆乌尔是第二大的陆块，一个巨大的海洋将它与劳伦古大陆隔开。波罗的克拉通和乌克兰克拉通的面积要小得多，它们构成了现在东欧的核心。代表现今南美、中国和非洲部分地区的克拉通也是接近大陆大小的大型岛屿。当地球19亿岁的时候，这些不同的陆地在汇聚板块的边界碰撞，拱起了新的山脉地带，形成了一个超大陆，它有很多名字，包括哥伦比亚、内纳、努纳或哈得孙陆地。（哥伦比亚这个名字似乎最常用，它来自华盛顿-俄勒冈边界的哥伦比亚河附近令人信服的地质证据。）这片广袤而贫瘠的土地从北到南约8 000英里长，3 000英里宽，几乎包含了地球所有的大陆地壳。

追溯30多个克拉通碎片，将它们排列成一个已经消失的超大陆，这样的复杂性令人生畏。或许并不令人奇怪的是，通常会有不止一个模型争取获得认可。以哥伦比亚为例，2002年，几乎同时出现了两个截然不同的故事。一方面，北卡罗来纳大学的地球化学家约翰·罗杰斯（John Rogers）和印度地质学家桑托什·马德哈瓦·沃里尔（Santosh Madhava Warrier，在日本高知大学工作）提出，现在北美大部分地区的劳伦古大陆形成了哥伦比亚的核心。罗杰斯和桑托什认为，乌尔大陆与劳伦古大陆的西海岸相连，部分西伯利亚、格陵兰和波罗的大陆位于北部，现在的巴西和西非的一部分位于东南部。同年，香港大学的赵国春和几位同事设计出了一种略微不同的结构，他们认为波罗的与劳伦的东海岸相连，而南极东部和中国则位于西部。考虑到哥伦比亚超大陆年代久远，这些重建又只是初步推测，这两个科学团队的结论已经相当一致了。尽管如此，我们还是可以预见到许多争论，在未来几十年中，关于克拉通位置的假设会不断被推翻和调整。

无论如何，从19亿年前开始的哥伦比亚集合体为地球无聊的10亿年打下了基础。不管哥伦比亚超大陆的构造细节具体是什么，我们相当确信，它内部的大部分地区是炎热干燥的地形，完全没有植被，只有大片生锈的沙漠。从太空中看，地球应该是一个不平衡的奇异世界，一片巨大的泛红的陆地被一片更为广阔的（还没有被命名的）蓝色超级海洋包围。由于大陆都集中在赤道附近，只有少量的冰装饰着两极。海平面会相应地升高，可能高到足以侵入一些沿海地区，形成内陆的浅海。

赤道附近的哥伦比亚超大陆被认为是地球历史上最沉闷时期的起点，但是什么让它如此沉闷？停滞期到底意味着什么？哪些参数是稳定的？是全球气候和降雨，是生命的本质和分布，还是海洋或大气的成分呢？为了确定这种所谓的停滞，我们进行了哪些测量？反过来说，还有哪些不确定因素没有得到解决？

停滞期

大多数地质学研究生会忽略8.5亿年前到18.5亿年前的岩石组。要在努力攻读博士学位、试图大显身手并获得终身职位的同时，来研究这样一段不确定的地质时代，四年的时间实在太短了。但琳达·卡（Linda Kah）和大多数研究生不一样。她在麻省理工学院攻读本科的导师是约翰·格罗辛格（John Grotzinger），后者是研究超过20亿年前地球的最古老岩石的领军者。琳达·卡在哈佛大学的博士导师是著名古生物学家安迪·诺尔，正是他鼓励诺拉·诺夫克进行微生物席的研究。卡注意到，（格罗辛格研究的）18亿年前的地球与（诺尔研究的）8亿年前的地球大相径庭。在这无聊的10亿年中一定发生了某些有趣的事情，卡决心找出原因。因此，她致力于研究地球的中元古宙时期，也就是从10亿年前到16亿年前的巨大的时间跨度，这段时间涵盖了无聊的10亿年中的大部分时期。

即使中元古宙实际上是一个停滞时期，维持10亿年的平衡也是非同寻常的。变化是地球故事的核心主题。海洋和大气、地表和深部、地圈和生物圈，我们这颗星球的各个方面都在漫长的时间里不断变化。地球怎么可能经历了10亿年而没有发生任何戏剧性事件，在近地表环境中没有明显的转变，在有生命或无生命的世界里没有发生重要的新鲜事？真的会有这样10亿年，这一时期的气候和生命的所有反馈都处于完美和谐的平衡之中？这样的事怎么会发生呢？

在田纳西大学校园附近一次悠闲的早餐会上，琳达·卡耐心地解释了地球反复的戏剧性变化（以及为什么中元古宙一点也不无聊）。她准备了一摞8.5英寸×11英寸的白纸，一边说话，一边用蓝色和红色的水笔画出简洁的示意图。

“我十年前就产生了这些想法。”她说。非洲西北部毛里塔尼亚沙漠里有片荒芜的中元古宙地形，她说她曾在那里做过艰苦的野外工作，并获得了一些成果。她现在很想回去，但是土匪和绑架的增多让这样的野外工作难以实现且显得鲁莽。于是她转而成为下一个火星探测器科学小组的成员，这是一个更安全的选择。

卡的科学故事讲述了板块构造和它们在地球历史上所造成的混乱现象，板块不断洗牌、碰撞、分裂再合并成陆块，使地球的每一亿年看起来都完全不同。即使是在无聊的10亿年中相对稳定的3亿年时间里，哥伦比亚超大陆基本保持完整的时候，板块构造也没有停止过。超大陆的一个显著特征是，随着海洋板块在边缘下沉，新的火山在海岸附近升起，超大陆将在边缘逐渐生长。今天太平洋西北海岸的扩张就是这种古老现象的一个最新例子，雷尼尔山、胡德山和奥林匹亚山等宏伟的火山群仍在活动。哥伦比亚的边缘也在不断扩大。

当哥伦比亚经历了一系列分裂，成为更小的大陆和岛屿时，更多的大陆地壳在地球上出现。大约在16亿年前中元古宙开始时，乌尔大陆分裂，劳伦古大陆向西，哥伦比亚向东，在克拉通之间形成了一个主要的海洋，并沉积了厚度超过10英里的沉积层序。这个巨大的矿床被称为贝尔特-珀塞尔超群，如今在加拿大西部和美国西北部的大部分地区形成了突出的露头。因此，即使超大陆分裂并被侵蚀，新的大陆岩石也正在从旧大陆中产生。

哥伦比亚分裂成两个不同的陆块，这还带来了其他一些后果。劳伦、乌尔和其他大陆仍然差不多以赤道为中心，也就是说，两极仍然没有大陆，这意味着两极仍然没有厚厚的冰堆积，海平面仍处于相对较高的水平。事实上，浅海覆盖了劳伦古大陆新的西海岸的大片区域，地球表面可能只有不到四分之一的面积是干燥的。在两亿多年的时间里，地球的陆地总面积急剧减少，而厚厚的沉积物正在全球浅海中堆积，这些沉积物被保存至今，成为一种具有代表性的沉积记录。没有冰同样意味着不存在冰川。在14亿年前到16亿年前的这段时间里，没有发现任何代表性的冰川遗迹，这些遗迹在其他大多数地质时期都存在，包括被冰磨圆的卵石、巨石、沙子和砾石。因此，沉闷的中元古宙见证了巨大的变化，即使这些变化在地质学上只是“平平常常”。

罗迪尼亚大陆的一种推测构造

超大陆重启：罗迪尼亚大陆集合

无聊的10亿年见证了不是一个而是两个超大陆的形成。哥伦比亚的碎片散落分离可能达两亿年之久，但一片大陆在地球上分离很久之后，会开始再次汇聚。大约12亿年前，乌尔、劳伦和其他中元古宙的大陆开始重新合并，形成了一个新的陆块，被称为罗迪尼亚（得名于俄罗斯语单词“祖国”或“出生地”）。欧洲、亚洲和北美偏远地区的岩石记录了10亿年前至12亿年前与之相关的全球造山事件。随着聚合的克拉通之间发生碰撞，出现褶皱，每一个新的山脉都在不断升高。

关于罗迪尼亚的确切地理位置仍有争议，但是地理数据和古地磁数据，加上如今地球上克拉通的分布，缩小了可以考虑的范围。大多数模型将整个超大陆置于赤道附近，现在是北美大部分地区的劳伦位于中心，其他大陆的大块碎片则被困在东、西、南、北四部。根据数次重建，波罗的和现在的巴西及西非的大片地区位于东南部，南美洲的其他地区位于南部，非洲的一些地区位于西南部，但澳大利亚、南极、西伯利亚和中国的相对位置的细节尚未确定。

条带状铁建造地形

罗迪尼亚的显著特征是缺乏某些种类的岩石。与过去30亿年中的其他任何时期不同，在8.5亿年前到11亿年前，几乎没有沉积物被保存下来。这个间断意味着，在拥有16亿年历史的贝尔特-珀塞尔超群的大陆之间可能没有浅海。结论就是，所有大陆必定整齐地结合在一起。似乎也没有任何巨大的内海，这样的海曾经淹没了整个北美中部，并在大约一亿年前为大平原奠定了沉积基础。根据这个模型，赤道附近的罗迪尼亚具有炎热干燥的沙漠般的内陆，很像今天的澳大利亚。在将近2.5亿年的时间里，沉积岩循环似乎是完全停止了。

琳达·卡有条不紊地阐述了自己的观点，很明显，她对自己选择的地质时期充满了热情。尽管在那段时期的尾声，岩石记录极度缺乏，但从8.5亿年前到18.5亿年前这个巨大的时间间隔见证了许多因为克拉通的舞动而发生的显著变化。两个超大陆在无聊的10亿年间被拼装在一起，通过克拉通碰撞产生了十几个山脉。当哥伦比亚超大陆分裂时，在这两次大陆聚合的年代之间的时期，留下了一些地球上最令人惊叹的沉积层序。地球上的大部分土地被淹没，然后再次变干。沉积速率以数量级发生变化，冰盖消失又出现。对于这样一个“无聊”的年代来说，这是个很大的变化。但故事还有它的另一面。

中间海洋

无论地球确切的几何结构是什么样，所有人都认同罗迪尼亚超大陆一定被一个更大的超级海洋所包围，这个水体被命名为米洛维亚（以俄罗斯语中的“全球”一词命名）。研究地球历史的地球化学家得出的结论认为，如果说中元古宙很无聊，那么米洛维亚就是主要原因。

大氧化事件将地球历史上18亿年前到24亿年前的动态时期与其他所有时期分开，它主要是一个大气化学变化的时期。地球的大气层从几乎没有氧气转变为有1%或2%的氧气水平。就近地表环境而言，这是一个巨大的变化，但对地球的海洋来说，这种变化几乎微不足道。

关键就在于相对质量。海洋的质量是大气的250倍以上。大气化学任何微小的变化，甚至氧气增加1%，都需要很长时间才能在海洋中反映出来，或许需要大约10亿年。

想要了解海洋历史的地球化学家仔细研究了大量化学元素及其同位素。在比24亿年前更早的时期，海洋中富含溶解的铁，只有当水柱完全没有氧化剂（氧化剂会导致氧化铁沉淀），以及硫的水平较低（硫会迅速导致黄铁矿及其他硫化铁矿物的形成）时，这种状态才能够维持。随着大氧化事件带来的大气变化，部分铁在浅水中以氧化铁的形式被去除，要么是直接通过氧气，要么是间接通过与来自陆地的氧化风化产物的反应。大气中的氧气也导致含硫矿物的迅速风化和侵蚀，这些矿物流入海洋，消耗了更多的铁。这些化学变化引发了条带状铁建造（BIF）的大量沉积，BIF是一种厚厚的洋底沉积物，带有一层又一层的彩色铁矿物层，如今构成了世界上大部分的铁矿石储量。BIF的形成过程是渐进的，海洋中含有大量的铁，因此BIF的沉积又持续了6亿年。到了无聊的10亿年间，海洋仍然缺乏氧气，但是它们已经失去了大部分溶解的铁。

让我们快进10亿年。光合藻类继续产生氧气，氧气开始占据海洋。到6亿年前，地球上大部分海洋从表面到海底都是富含氧气的。在这之间，也就是无聊的10亿年的关键时期，形成了中间海洋。

1998年，南丹麦大学的地质学家唐纳德·坎菲尔德（Donald Caneld）提出，在地球的中间海洋中起主要作用的是硫，而不是氧。（许多科学家现在把以硫为主的中元古宙海洋称为坎菲尔德海洋。）他开创性的论文题为《元古宙海洋化学的新模型》，发表在12月3日出版的《自然》杂志上（在最初不情愿的评审者拖延了近一年之后），该论文很快改变了我们许多人对深时中的海洋的看法。

论文的核心思想很简单。大氧化事件产生的氧气足以影响许多“对氧化还原敏感的”元素的分布，包括铁的分布，但还不足以使海洋氧化。另一方面，陆地的风化和氧化作用增强，导致大量硫酸盐进入海洋。因此，中间海洋变得富含硫，但缺氧、缺铁，这种稳定的状态持续了10亿年。

生命延续

化石记录巩固了人们对一个变化如此缓慢的中间海洋的看法。一些在10亿年前到20亿年前沉积的岩石保存了质量极高的微型化石。北美19亿年前的冈弗林特燧石、中国北部14亿年前到15亿年前的高于庄组，以及俄罗斯乌拉尔山12亿年前的阿夫兹扬组，都含有清晰明确的微型化石微生物，有些微生物还正好在分裂行为中，它们看起来就像是现代生物的对应版本。然而，这种化石质量的显著提高，仅仅反映了它们较少被改变的历史，而没有展现出地球历史上关于那个时代的任何新信息。

长期缺氧、含硫的中间海洋对生命来说既是好消息，也是坏消息。好的方面是，硫酸盐的加入为一些微生物提供了绝佳的能源，它们通过将硫酸盐还原为硫化物而生存。来自化石记录的线索，包括独特的分子生物标志、硫的同位素数据，甚至燧石中保存完好的微生物，都表明中元古宙沿海地区生长了大量绿色和紫色的硫细菌。这些以硫为食的微生物今天在一些缺氧的环境中依然存在，它们产生的有机硫化合物非常难闻，就像一个出了事故的化粪池系统。

琳达·卡开玩笑说：“中元古宙是地球上最臭的时期。”这是改编了罗杰·别克“最沉闷”的说法。

“什么时候有臭味？”我问。

“我觉得一直都很臭。”她答道。

坏消息是，生命对氮非常依赖。氮气（N₂）含量丰富，占据了今天大气的80%。问题是生命的生物化学过程不能使用氮气，生命需要的是被称为氨（NH₃）的还原态的氮。因此，生命进化出一种精巧的蛋白质，一种被称为固氮酶的酶，它能将氮转化为氨。但是，正如2002年阿里尔·安巴尔和安迪·诺尔在《科学》杂志上发表的一篇论文指出的那样，这里有一个陷阱。固氮酶依赖一组含有硫和金属（铁或钼）的原子，但这两种金属在中间海洋中都不存在。在BIF的形成过程中，铁被去除了，所以铁不是一个选择。另一方面，钼只溶于富氧的水中，比如今天的海洋。在中间海洋的缺氧时期，钼只在相对较浅的风化海岸线附近被发现过，而在这种环境中硫细菌被猜测已经开始繁衍生息。

在坎菲尔德的开创性论文发表后，一系列出版物随之出现，中元古宙的地球化学与古生物学这才联系在一起，20年前，这两门学科的研究人员并不经常交流。结论是，中间海洋蕴藏着微生物生命，但这种生命只能在海岸附近繁衍。硫还原菌与产氧的藻类共存。10亿年来，生命一直延续，但几乎没有出现生物上的创新。

矿物大爆发

矿物学登场，这是另一个领域，它的教学方式长期以来一直与地球宏大的故事相脱节。就像地球化学和古生物学原先彼此独立一样，矿物学也一直独立于地球化学和古生物学这些领域之外。这是一种无法解释的偏见，我们所知道的关于地球遥远的过去的一切，都来自锁在矿物中的证据。然而，大多数矿物学家很少谈论样品的年龄或演化。相反，两个多世纪以来，矿物学研究的重点都在它们的静态物理和化学性质上。对硬度和颜色、化学元素和同位素、晶体结构和外部形态的研究，一直是我所在领域中最主要的文献主题。

我也曾坚定地致力于这种延续了两百年的传统。在我研究生涯的最初20年里，我从普通造岩矿物中分离出完美的微小晶体，用两个明亮式切割的钻石砧，将晶体挤压到不可想象的压力下，用X射线照射压扁的样品，并测量其原子排列的细微变化。我和同事忽略了地质时间和地理位置，因为我们很少关心微观样品的年龄和位置。我们自称矿物物理学家，并与化学和物理学这种非历史性科学结盟。我们是否已经代入了微妙的偏见，认为地质学可不是“讲故事”？

这种思维方式反映了矿物学来自采矿和化学的起源，也许是受到一种潜意识信念的影响，认为物理和化学领域比地质学家创造性的、定性的故事更加严谨。（地球科学家经常怀疑，这种偏见与诺贝尔奖有物理学奖和化学奖而没有地质学奖有关。）因此，很少有矿物学家考虑过地球近地表的矿物学性质随时间发生的惊人变化。

2008年，当我和七位同事共同发表我们的论文《矿物演化》时，在很大程度上，我们的目标是挑战这个传统的观点，而将矿物学重新定义为一门历史性的科学。我们对地球的矿物历史，以及太阳系内外其他行星的矿物历史进行了探索，认为地球的矿物经历了一系列阶段，每个阶段都见证了矿物在多样性和分布上的变化。因此，这本书的叙述线索依据的就是行星的发展，从矿物学上的简单到复杂，从形成太阳系的尘埃和气体中仅有的十几种矿物，到今天地球上已知的超过4 500种矿物，而其中三分之二不可能存在于一个没有生命的世界。

这是一篇专业性很强的论文，发表在专业期刊《美国矿物学家》（American Mineralogist）上，这本期刊通常只有核心专业人士阅读。但国际媒体很快就接受了生命和矿物协同演化的观点。《经济学人》《明镜周刊》《科学》《自然》以及一些科普杂志都突然关注了我们对地球矿物多样性变化的有根据的猜测。《新科学家》（The New Scientist）甚至发表了一幅奇妙的漫画，展示了矿物演化的四个“阶段”，从一个带鳍的游泳的晶体，到一个拄着拐杖的“进化了”的晶体。但这些媒体中没有人说明，这些开创性的猜想都是推测性的。火星真的只有500种矿物吗？无生命世界的矿物真的不可能超过1 500个种类吗？是不是真的需要一个充满氧气的有生命的世界，才能使地球矿物的多样性增加两倍？我们将这些陈述作为假设提出，但检验它们的探索尚未开始。

谁能预料到，检验它们最富有成效的地方竟然来自那无聊的10亿年的岩石呢？

要在矿物演化假说的骨骼上加入定量的血肉，就必须检查单个的矿物群。幸运的是，世界上有许多不同矿物群的专家。这就是我联系缅因大学地球科学研究教授艾德·格鲁（Ed Grew）的原因。艾德结实健壮，热情饱满，一直致力于对含铍和硼的矿物的研究，这些稀有元素偶尔会聚集在又大又美的晶体中。他像了解老朋友一样，了解所有108种得到正式认可的铍矿物。每种矿物都有自己的特征，都扮演着自己的地质角色。所以我请他思考它们随时间变化的故事。它们是什么时候第一次出现的？是什么过程导致了它们的多样化？有没有铍矿物“灭绝”了？从来没有人试图回答这样的问题。将某一种元素的每一个矿物进行分类编目已经很难了，还要弄清楚每一种矿物最早出现或消失的时间，这就更难了。绿柱石是最常见的铍矿物（最珍贵的深绿色品种就是祖母绿），它在许多地方都有分布。寻找最古老的绿柱石是一项极为艰巨的挑战。

经过一年的努力，艾德·格鲁制作了一幅里程碑式的图表，根据数千个发现报告，展示了铍矿物累积的数量随时间的变化。不出所料的是，最早的绿柱石花了很长时间才出现，将近15亿年。铍元素在地壳中的含量仅为百万分之二左右，因此热流体需要很长时间来选择并浓缩微量的铍，让它成为一种富集的流体，进而沉淀出绿柱石晶体。又过了10亿年，只有大约20种不同的铍矿物出现。根据我们的初步理论，在20亿年前到24亿年前的大氧化事件期间，应该出现过一次新矿物的大爆发，但艾德并没有发现这样的情况。最大的增长实际发生在稍晚一些的时候，大约17亿年前到18亿年前，已知种类的数量增加了一倍多。这段时间跨度就在无聊的10亿年的开端，是哥伦比亚超大陆合并的时期。在与大陆碰撞有关的剧烈造山活动中，铍可能被浓缩成了新的矿物。

接着，艾德·格鲁对263种已知的硼矿物进行了更深入的调查。电气石是华丽的半宝石红绿变种中最珍贵的，它在地球上一些最古老的岩石中被发现，但只存在了近5亿年时间。在25亿年前的样本中，只发现了大约20种不同的硼矿物，不到现代总数的10%。艾德观察到，与铍矿物一样，在无聊的10亿年这一时期的岩石中，硼矿物种类的数量增加了一倍，这一次差不多是在17亿年前到21亿年前的时间内，也正是哥伦比亚超大陆形成的时期。矿物多样性的快速增加再次引发了许多问题，这些问题与氧化后的多样性真正开始的时间，超大陆的合并，以及无聊的10亿年间新型矿物的增加有关。

在接下来对矿物演化的探索中，我们对90种已知的稀有元素汞的矿物进行了研究，这项研究使情况变得更加复杂。与更丰富的铁元素一样，汞能够以三种化学态出现，包括富含电子的金属（老式温度计中常见的银色液体）和两种不同的氧化形式。因此，我们推测在大氧化事件后，汞矿物的多样性也会急剧增加，但出现的情况大相径庭。与铍和硼矿物的历史一样，最早的汞矿物也花了超过10亿年的时间才出现，这是汞矿物中最常见的矿石，即亮红色的矿物辰砂。更多种类随之出现。在凯诺兰聚合期间，以及超过5亿年的停滞期，有十几种新矿物出现了；在哥伦比亚聚合期间又出现了另外六种。显然，伴随着大陆的碰撞，由此产生的造山活动释放出大量的成矿流体，这个过程产生了许多新的矿物。然而，发现这种成矿作用仅限于超大陆形成的时段，这是一个很大的惊喜。

而一个更大的惊喜是，从6亿年前到18亿年前这段漫长的时间里，什么也没出现，这段时间的跨度甚至超过了无聊的10亿年。即使在10亿年前罗迪尼亚聚合的期间，也没有新的汞矿物出现。我们现在怀疑，是富含硫化物的中间海洋导致了这一现象。辰砂，也就是硫化汞，是所有矿石中最难溶解的。任何被冲入古代含硫海洋中的汞原子，都会很快与硫发生反应，形成辰砂的亚微观颗粒，缓慢地沉入海底，这就阻止了汞的进一步矿化。只有在过去的6亿年里，随着海洋的含氧量变得越来越高，陆地被生命覆盖，汞矿物的数量才出现爆发式增长。

谜团

那么，新的矿物爆发是超大陆循环，也就是无聊的10亿年间的特别现象的结果吗？或者它只是对氧气增长的延迟反应？对汞元素来说，富含硫的海洋就是故事的全部吗？对另外约50种成矿元素的研究将揭示出哪些出乎意料的新结果？显而易见的是，我们还有很多东西需要研究，因为我们直到最近才注意到那10亿年间丰富而微妙的细节。

在8.5亿年前到18.5亿年前的这段缺乏记录的时间里，地球同样经历了不可阻挡的变化过程，就像我们地球演化的其他每个阶段一样。在8.5亿年前，地球近地表环境发生了不可逆转的变化。氧气含量不断增加的海洋边缘充斥着藻类和其他微生物，包括臭气熏天的硫细菌，与此同时，陆地正准备爆发新的生命。

并非那么无聊的神秘10亿年就算没有什么值得大书特书之处，它至少告诉我们，地球有可能进入停滞期，让许多相互竞争的力量保持一种良性的平衡。重力和热流、硫和氧、水和生命可以找到并维持几亿年的稳定的平衡。但是，总会有个“但是”。轻轻地推动其中任何一种力量，地球都可能变得不平衡，直至达到一个临界点，带来难以预料的后果，可能在几年内，迅速的变化就会破坏近地表的环境。

接下来就是这样。

从 5.42亿年前到25亿年前，元古宙几乎占据了地球历史一半的时间，这是一个具有强烈反差的时期。它最初的5亿年间发生了许多值得关注的事件，这段时间见证了光合藻类的繁盛生长，以及随之而来的大气氧气的增加，曾经富含铁的海洋通过大量条带状铁建造的沉积而发生了改变，真核细胞开启了生物创新，它们把DNA序列隔离在细胞核中，这种细胞是所有动植物的前身。

元古宙中间的那10亿年，也就是所谓“无聊的10亿年”，是一段比较单调乏味、变化缓慢的时期，还到处充斥着刺鼻的味道。

相比之下，元古宙的最后3亿年可能是最具动态的，大陆经历着分裂和聚合，气候变得动荡不定，海洋和大气化学发生了巨变，动物生命开始兴起。

我希望我已经能让大家同意，地球系统存在着复杂的相互联系。在我们看来，空气、水和陆地是分开的圈层，它们在不同的时间尺度上变化着。天气每天都在发生变化；海洋变化的时间尺度超过千年；岩石循环需要数百万年；超大陆需要数亿年的时间，才能聚合和分裂。然而，每个地球系统都以或明显或隐蔽的方式相互影响着。

把我们居住的星球比作一座房子或许不是完美的比喻，但很有用。当你考虑买房子时，你想要了解很多事情，比如房子建成的时间，其中各种增建部分和装修的年代和构造。你想知道房子的建筑材料和其建造细节，从地基到屋顶都不落下。你需要了解管道系统及其水源，还有空气处理系统，比如炉子、空调及其能源。聪明的买家还会询问潜在的风险，比如火灾和一氧化碳、白蚁和木蚁、氡和石棉、漏水和发霉。地质学家同样研究地球的起源及其主要变化、岩石和矿物的性质、水和空气的运动、能源的出处，以及地质灾害带来的风险。

房子的比喻也能反映出地球的一些复杂行为，因为不同系统通过负反馈和正反馈回路，有时以一种惊人和意外的方式相互连接。在寒冷的冬日，当室内温度低到让你不舒服时，恒温器就会做出反应，打开炉子，温度升高。一旦房子暖和起来，炉子就会关闭。在炎热的夏天，如果室内温度太高，类似地，空调就会启动来做出反应。地球也通过许多相似的负反馈回路来运转，这些回路帮助地球在地表及地表附近的温度、湿度和成分基本维持稳定。比如，海洋变暖会导致云的增加，云将阳光反射回太空，从而使海洋降温。同样，大气二氧化碳的浓度上升会导致全球变暖，加速岩石风化，而这个过程会逐渐消耗过量的二氧化碳，反过来使地球冷却。

房屋偶尔也会显示出强化或“正”的反馈，有时还会带来不良的后果。如果你的取暖系统在寒冷的冬日出了故障，水管有可能结冰爆裂，导致冷水涌进屋里，让房子变得更冷，更不舒适。如今有关地球气候变化的许多不确定性，都集中在潜在的正反馈回路及其临界点上。海平面上升会导致沿海地区发生洪水，而这可能带来更多的蒸发和降雨，进而导致沿海地区发生更多的洪水。海洋变暖可能导致洋底及洋底之下富含甲烷的冰大面积融化，将温室气体甲烷释放到大气中，导致更大程度的变暖，从而又会释放出更多的甲烷。我们只要看看姐妹行星金星上失控的温室效应就知道了。金星有一层厚厚的二氧化碳大气，其表面温度达到900华氏度，不受约束的正反馈可能潜藏着灾难性的影响。

从某种程度上说，无聊的10亿年真的很无聊，它是许多负反馈生效的结果，这些反馈约束着变化的发生。在那段漫长的时间里，尽管陆块在全球范围内迁移，超大陆反复地合并和分裂，但地球的气候似乎一直相当稳定。没有大冰期，富含硫但缺氧的海洋的化学变化不大，生命也没有以任何显著的新方式进化。一些新的矿物品种出现了，但没有明显的转折点改变空气、陆地或海洋。

随着罗迪尼亚的分裂，所有这一切都将变得不同。

分裂

与地球从8.5亿年前到18.5亿年前神秘的平静期形成鲜明对比的是，接下来的数亿年间，我们的星球经历了历史上最为迅速和极端的近地表波动。大约8.5亿年前，地球上大部分大陆块仍然聚集在赤道附近，是干燥且毫无生机的罗迪尼亚超大陆的一部分。广阔的米洛维亚海洋上也许只有一些孤立的火山岛弧，包围着这片裸露的、锈红色的超大陆。不宜生存的大气中包含的氧含量只有今天水平的一小部分，氧含量太少了，不足以形成阻挡紫外线的保护性臭氧层。如果一个时间旅行者有可靠的氧气供应，有足够的防晒霜，也许可以靠乏味的藻类为食，在海岸线附近活下来，但在这个荒凉的新元古宙世界里，生存不会容易。

罗迪尼亚不平衡的陆地和海洋布局注定不会持续下去。在地球历史的大部分时间里，气候因为负反馈而变得缓和。可以肯定的是，在整个地球的历史上，气候一直在变化，但波动很少达到危及生命的极端情况。然而，从大约8.5亿年前开始，数次变化打破了之前的平衡，把地球推向了一个气候临界点。最重要的是，赤道的罗迪尼亚大陆逐渐解体。8.5亿年前，刚果和卡拉哈里克拉通（现在是南部非洲的一部分）开始从原本完整的超大陆向西南分离，这第一次分裂的规模不是很大。大约8亿年前，第二个小裂谷带将西非克拉通孤立，把它从主大陆向南移动过去。到了7.5亿年前，罗迪尼亚的破裂开始全面进行，这一时期，广泛的火山链和玄武岩熔岩流揭示了地壳的主要裂缝。超大陆一分为二，一条南北走向的裂谷带将乌尔向西分离，东部则是劳伦、波罗的、亚马孙和其他较小的克拉通组成的大陆群。

超大陆的变迁

伴随着裂谷出现的是数千英里的新海岸线，急剧的海岸侵蚀也随之而来。动态沉积盆地在克拉通之间的海洋中形成，这标志着地球岩石记录中长期的停滞已经结束，从中元古宙开始沉寂了近2.5亿年的沉积岩堆积重新出现了。微生物生命在这个不断变化、支离破碎的世界里繁衍生息。被侵蚀的土地为光合藻类提供了矿物营养，而光合藻类曾经长期受到海洋中磷酸盐、钼、锰和其他基本元素有限储量的限制。古生物学家构想了这样一个年代，地球上有许多浅水的砂质潮汐带，上面有厚厚的绿色丝状微生物组成的微生物席，近海水域被臭气熏天的水藻漂浮物堵塞住。

构造事件进一步改变了地球的海洋、大气和气候。大气中氧含量增加，部分原因是沿海藻类的肆意繁殖，也正因为藻类生物质的增加，有机碳被快速埋藏。纵观地球历史，富含碳的生物质一直是氧的主要消耗者。腐败的生物质越多，耗氧就越快。（森林火灾代表着这种持续的耗氧现象的一种异常迅速的发生形式。）类似地，富含碳的生物质被埋藏得越快，氧水平上升得就越快。但我们怎么知道生物质是否被埋藏了呢？原来，石灰岩在浅海海底沉淀了富含碳的矿物层，它保存了一份可以说明问题的精细记录。

石灰岩中碳的同位素显示，藻类的产量发生了变化。生命的基本化学反应，比如光合作用将水和二氧化碳转化为糖，总是会浓缩较轻的碳-12，而不是较重的碳-13。因此，与石灰岩中的无机碳相比，生物质中的碳（也就是藻类，无论死的还是活的）总是“同位素较轻的”。在正常时期，当微生物生命繁衍，海洋中较轻的碳被耗尽时，石灰岩就会显示出相应的重同位素的特征。在生物质以异常高的速度被埋藏时，随着更多较轻的碳同位素被系统性地从海洋中移除，剩余的碳就会使石灰岩变得比平均水平更重。果然，在7.4亿年前到7.9年前，罗迪尼亚海岸沉积的石灰岩异常地重。在这段时间里，藻类一定在以前所未有的速度扩散和埋藏。

这种肆意的生命繁衍可能对地球的气候产生了重大影响。微生物会消耗温室气体二氧化碳，而二氧化碳是通过火山喷发到大气中的。在正常时期，二氧化碳的输入和输出是平衡的，因此大气浓度会保持相对恒定，但在新元古宙藻类快速生长的高峰期，二氧化碳水平可能会下降，从而降低温室效应。

另一个与二氧化碳有关的相当复杂的反馈回路，可能同时增强了地球的冷却。罗迪尼亚的裂谷作用引发了数千英里的新的海底火山活动，它们形成了炙热的低密度洋壳。与之前相比，这种炙热上浮的地壳使较浅的海洋更易形成，平均海平面因此上升。也就是说，在7.5亿年前之后的时期，地球上可能有许多内海。内海意味着有更多的蒸发和降雨，这将加快裸露岩石的风化。然而，岩石风化会迅速消耗温室气体二氧化碳，而更低的二氧化碳水平又会导致全球变冷。

就在罗迪尼亚分裂之前和分裂期间，大陆和海洋的独特位置可能在改变全球气候方面起到了额外的作用。海洋和陆地的反照率对比非常大，而反照率代表着反射或吸收阳光的能力。较暗的海洋的反照率相对较低，在这一过程中，海洋吸收了太阳的大部分能量，并逐渐变暖。相比之下，干旱贫瘠的陆地具有更高的反射性。像罗迪尼亚这样干燥而荒凉的超大陆，会将入射的大部分阳光反射回太空。海洋位于两极附近而大陆处于赤道附近，这种地理布局会加速所有的全球冷却事件，因为赤道接收的太阳能要比两极多得多。

这种全球范围的过程和复杂的反馈回路的细节仍在被解读中，但很明显，新元古宙的地球在经历了长期的相对稳定后，已经做好准备，迎接即将发生的巨大变化。

雪球地球-温室地球

7.5亿年前，地球进入了一个气候不稳定的时期，这种情况在这之前和之后都没有出现过。一切都始于一个严酷的冰期。

冰川留下了一套明确的沉积特征。最重要的是一些代表性岩石所形成的不规则的厚岩层，这些岩石被称为冰碛岩，沙土、砾石、棱角分明的岩石碎片和细石粉混杂其中。冰川还留下了基岩圆形的露头，它们被缓慢推进的冰盖摩擦，变得光滑。古怪的巨石和丘状的冰碛石也提供了更多证据，分层精细的纹泥沉积物同样如此，它们代表着季节性的径流进入了冰川湖。

世界各地的野外地质学家已经在5.8亿年前到7.4亿年前的岩石中发现了这些冰川特征，而这些岩石几乎出现在了他们研究的所有地方。事实上，1998年8月28日，当地质学家保罗·霍夫曼（Paul Hoffman）与哈佛大学和马里兰大学的三位同事在《科学》杂志上发表他们惊人的短论文《新元古宙的雪球地球》时，有关7.4亿年前气候突然剧烈变化的证据已经积累了几十年。霍夫曼和他的合作者们做出了惊人的突破，他们认为，在那段时间里，地球不仅经历了冰期，而且从两极到赤道都完全结冰了，这样的情况至少发生了两次。他们的主张部分基于对纳米比亚骷髅海岸上一系列岩石的细致实地观察，那里有厚厚的冰川冰碛岩沉积，古地磁信号表明，冰川靠近赤道，所在纬度约为12度。它们也不是高山冰川，这些冰碛岩显然是沉积在浅水区的海平面上的。相应地，赤道附近的气候也一定非常寒冷。相比之下，在地球最近的冰期，不断前进的冰川从未向南延伸到纬度45度以下的地方，而化石证据表明，即使在冰层范围最大的时期，热带地区也相对温暖。哈佛大学的研究团队发现了确凿的证据，证明新元古宙的冰层在靠近赤道的海平面上堆积。这么看来，地球就像一个雪球。

雪球地球概念图

巨大的冰盖

对于许多阅读霍夫曼1998年那篇文章的科学家来说，碳同位素为这种突发的灾难性变化提供了确凿的证据。人们推断第一次雪球地球来临于大约7.4亿年前，在那之前的千百万年里，藻类生物质的快速增长浓缩了较轻的碳同位素，同时代沉积在破碎的罗迪尼亚超大陆周围沿海水域的石灰岩则很重。而如果微生物的生产变缓或停止，通常来说，石灰岩中碳同位素一定会变轻。这正是霍夫曼和其同事发现的：在大约7亿年前，在冰川沉积物出现之前和之后，重碳的比例大幅下降了1%以上。

模型的出现依赖于嵌套的正反馈回路，每个回路都让地球变得越来越冷。其中一个反馈依赖于大陆风化作用，随着这一过程清除了空气中越来越多的二氧化碳，它在炎热潮湿的热带地区加速。当大量的光合藻类从空气中清除掉更多二氧化碳时，另一个反馈也出现了。与此同时，随着地球大气温室效应减弱，地球气候冷却，冰盖在两极开始形成和生长。干净雪白的冰雪将更多阳光反射回太空，这种正反馈让地球比之前降温更快。当冰盖蔓延到纬度越来越低的地区时，仍然温暖的赤道大陆和繁茂的藻类生态系统继续从空中吸收更多二氧化碳。地球的气候暂时失衡，它到达了一个临界点，白色的冰盖从两极向赤道延伸，最终可能包围了整个地球。保罗·霍夫曼和其同事提出，在最极端的“硬雪球”情况下，地球的平均温度骤降到-50华氏度，一英里厚的冰层包裹着地球。

千百万年来，地球被冰（或至少是湿冰[1]）包裹。白色的“雪球”地球无法吸收太阳辐射，似乎一直被锁在了冰茧里，因为温度从来没有上升到冰点以上。全球性的冰期几乎破坏了所有生态系统。地球之前丰富的微生物生命几乎被完全抹去。在海底热液喷口永恒的黑暗中，一些顽强的微生物生存了下来，它们已经在那里存在了数十亿年。其他少数存活下来的光合藻类一定是在火山暖侧附近的开放浅水区，或者薄冰裂缝能被阳光照射的区域找到了自己的栖身之所。

地球是如何从如此漫长寒冷的全球性冬季中恢复的呢？答案就在星球更深层不停歇的动荡之中。冰雪装饰的白色表面无法阻止板块构造运动，也无法减缓火山气体穿过冰层，从数百个黑色圆锥体中不断喷出。二氧化碳是一种主要的火山气体，它再次开始在大气中累积。由于陆地被冰覆盖，岩石风化和光合作用及时清除二氧化碳的过程几乎完全停止了。二氧化碳浓度逐渐上升到了10亿多年来从未达到的水平，最终可能达到了现代二氧化碳水平的几百倍，这引发了一种新的正反馈，即一种失控的温室效应。阳光仍然洒落在白色的景观上，但大气中的二氧化碳将辐射能反射回地表，从而造成了地球不可避免地变暖。

随着大气变暖，赤道上小块的冰千百万年来第一次融化了。随着深色的陆地暴露出来，更多阳光被吸收，变暖不断加速。海洋上的白色覆盖层也开始消失，太阳和地球表面之间的正反馈让地球变得越来越暖和。

气体箱子

许多科学家现在怀疑，另一种正反馈可能加速了全球变暖，这种机制在我们现代也带来了巨大的影响。甲烷（CH₄）是最简单的碳氢化合物燃料，也就是我们家中燃烧的“天然气”，它同样是一种温室气体，但从分子的角度来说，甲烷比二氧化碳更能有效地捕获太阳的能量。数十亿年来，甲烷可能通过两种截然不同的机制，在海底沉积物中堆积。有关第一种机制的记录更为详尽，因此争议也比较少，这种机制和正常代谢循环中释放甲烷的微生物有关。这些产甲烷菌生长在缺氧的海洋沉积物中，靠近许多已知的甲烷储备地，因此，大型天然气矿床被认为是由于这些微生物的持续作用形成的。

近期的实验指向另一个更深层的可能的甲烷来源，这是一个完全不依赖生物的来源。一些科学家认为，在地壳深处与上地幔中，在深度超过100英里的地方，在极端的温度和压力下，水和二氧化碳能够与常见的含铁矿物反应，从而生成甲烷。高温高压下的实验试图模拟这些可能的地球深部反应。在地球物理实验室发表于2004年的一项高引研究中，博士后亨利·斯科特（Henry Scott）将两种常见的地壳成分方解石（石灰岩中常见的含碳矿物，碳酸钙）及氧化铁与水混合。斯科特将这些成分密封在一个钻石砧的压槽中，并用激光将样品加热到一千多度，这与在上地幔中发现的极端条件相同。别忘了，钻石砧的压槽最巧妙的地方在于，钻石是透明的，所以你可以观察到样品在反应中的变化。亨利·斯科特观察着样品室里形成甲烷的小气泡，水中的氢与方解石中的碳反应生成了天然气。在俄罗斯、日本和加拿大所做的其他实验发现，在一系列假设的地球深部的条件下，也会发生类似的碳氢化合物的合成。

这些实验对于理解新元古宙的全球变暖具有潜在的重要意义，因为甲烷可能参与了一种非常强烈的正反馈。储存在海底附近的大部分甲烷被困在一种叫作甲烷笼合物的奇妙化合物（俗称“可燃冰”）中，甲烷笼合物是一种包含水和气体的类似冰状的晶体混合物，会在大陆斜坡上形成露头。（实际上，这种冻住的甲烷冰在燃烧时会产生明亮的火焰，在网上找找视频就知道了。）大量的甲烷被固定在这些甲烷冰中，这里的甲烷储量是其他所有已知甲烷储量的数倍。这些冰是从下面升起的气体与冰冷的海水发生反应时形成的。还有大量甲烷冰被储存在北极的永久冻土中，这些土壤在西伯利亚、加拿大北部和其他地区冻结了成千上万年。

海水哪怕略微变暖，极端的气候正反馈也有可能发生，这会导致最浅层的笼合物沉积物融化，并向大气释放大量甲烷气体。这些甲烷明显加剧了温室效应，使海洋进一步变暖。一些科学家现在指出，新元古宙可能以灾难性的方式释放了海底甲烷，并以此加速全球变暖，这很可能在仅仅几十年内就让地球从冷变暖。

新元古宙的这种情景在很大程度上取决于甲烷的来源。如果微生物制造了海洋中的大部分天然气，那么在雪球时期，笼合物的产生可能会变慢，而甲烷的释放可能也不会在变暖过程中扮演如此重要的角色。另一方面，如果大量甲烷从高温高压的地幔中上升，那么甲烷笼合物就与微生物生命无关，它会在任何一段全球冷却的时期内不断累积，引发更明显的反馈。究竟是什么过程产生了甲烷，是深处的岩石，还是浅层的微生物，或者两者兼而有之呢？

可燃冰的开采

甲烷是来自深处还是浅层的问题看似简单，但这是一个长久以来一直存在的问题，有时会在石油和天然气行业引起激烈的国际争议。石油主要由碳氢化合物分子构成，其中甲烷是最简单也最丰富的一种化合物。人们普遍认为，无论是哪种自然过程形成了甲烷，这样的过程对于石油的形成也一定起了作用。

争论的一方是俄罗斯-乌克兰学派，这一派的奠基者是19世纪中叶著名的俄国化学家门捷列夫（Dimitri Mendeleev），他最著名的贡献是众所周知的元素周期表。门捷列夫在有实验支持其主张前很久便提出了一种非生物成因的石油起源理论。他写道：“最重要的是，石油诞生于地球深处，只有在那里我们才能找到它的起源。”门捷列夫的观点于20世纪后半叶在苏联重新兴起，为苏联蓬勃发展的石油和天然气产业提供了信息。一些俄罗斯地球化学家仍然认为，几乎所有石油和天然气都来自深处的非生物来源。在他们看来，一些高产的油田是可再生资源，其下巨大的地幔能够源源不断地进行补充。

对大多数美国石油地质学家来说，这种想法是科学上的异端邪说，他们引用了大量证据证明，石油完全是生物起源的。原油只在曾经生命繁盛的沉积层中出现；原油含有独特的分子生物标志；原油的同位素组成与生命非常相似；微量元素同样指向一种有生命的来源。对许多北美石油地质学家来说，这个问题已经解决了，几乎所有石油和天然气都来自生物。

这场争论因美苏几十年的竞争而呈现出两极化，它又在北美被聪明、好斗、影响深远的奥地利天体物理学家托马斯·戈尔德（Thomas Gold）重新点燃。戈尔德生前在康奈尔大学任教，于2004年离世。在他主攻的天体物理学领域中，戈尔德最主要的科学成就是他意识到来自深空的有节奏的射电脉冲，也就是所谓的脉冲星，实际上是快速旋转的中子星。[有一段时间，一些天文学家认为这些射电信号一定来自遥远的外星科技，因此所有脉冲星在天文学中的“昵称”是LGM，即“Little Green Men（小绿人）”的缩写。]

尽管戈尔德涉足了其他许多科学领域，从听觉生理学到粉状月球表面的一致性，但他在天体物理学之外最显著的贡献是拥护石油和天然气的非生物起源。他认为，石油看起来是生物性的，仅仅是因为一个繁盛的微生物群落，就是“深部高温生物圈”，以非生物的碳氢化合物为食。因此，微生物在非生物碳氢化合物上留下了独特的生物化学标志，包括藿烷、脂类等等。基于这种假设，戈尔德主张应该在火成岩和变质岩等非常规地区进行油气勘探。他甚至说服了一家瑞典公司在这类坚硬的岩石上钻出探井，这个项目产生了一些饶有趣味而又模棱两可的结果（并使很多投资者不快，因为损失了很多钱）。

如果你仔细分析两方的观点，很明显，油气来源的问题还没有得到答案。戈尔德一直好奇，并渴望得到答案。在他意外死亡前不久，他来到我的实验室，就深部高温生物圈做了一番讲述，并讨论了是否有可能通过合作进行有助于解决问题的实验。甲烷起源的关键问题仍然没有答案，但它也并非不能回答。我们需要的是一种新的国际性的研究，来了解地球深处的碳。

深碳观测

碳可以说是地球上最重要的元素，是了解地球多变气候和环境的关键。长期以来，碳一直是我们寻求能源的核心元素，在未来同样如此。碳也是生命的关键元素，而且延伸开来，碳也是新药和其他无数产品设计的核心元素。我们需要了解碳，不仅仅是已知的海洋、大气、岩石和生命的表面循环中的碳，还有从地壳到地核的碳。

因此，在2009年夏天，阿尔弗雷德·P. 斯隆基金会和地球物理实验室启动了“深碳观测计划”（Deep Carbon Observatory,DCO），这是一个长达10年的雄心勃勃的计划，用来研究我们星球上的碳，特别是碳在地球深部的化学和生物作用。碳在哪里？地下有多少碳？碳是如何移动的，尤其是如何移动到地表又从地表移动到地下？深部生物圈的范围有多大？这项跨学科的国际合作已经吸引了来自几十个国家的数百名研究人员。我们有许多目标，从完成全球深部微生物生命的普查，到监测地球上每一座活火山的二氧化碳排放。但是，DCO的核心任务是发现地球上碳氢化合物包括甲烷和石油的来源。加利福尼亚大学洛杉矶分校的地球化学家艾德·扬（Ed Young）和他的同事埃德温·肖布（Edwin Schauble）认为，同位素将是确定海底甲烷渗出究竟产自岩石还是微生物的关键。但是，他们的理论计算无法通过任何重同位素与轻同位素的一般测量来检验。艾德·扬想测量“同位素异构体”。

同位素异构体是在化学性质上完全相同，但同位素排列不同的分子。甲烷有一个碳原子和四个氢原子，有很多种同位素异构体。大约99.8%的碳原子是较轻的碳-12，而每500个碳原子中就有一个是较重的碳-13同位素。类似地，氢有较轻的形式（严格来说它应该是“氢-1”，但我们通常简称为氢），也有较重的氢-2同位素，通常被称为氘。在地球上，典型的氢氘比大约是1 000∶1。这些比率意味着，每500个甲烷分子中有一个分子含有碳-13同位素，而每1 000个甲烷分子中有4个分子含有氘。

这两种重同位素中的任何一种都很难测量，但这并不是艾德·扬和他的同事所追求的。他们想测量甲烷神秘的双取代同位素异构体，大约百万分之一的甲烷分子同时含有碳-13和氘（表示为¹³CH₃D）或者两个氘（¹²CH₂D₂）。根据埃德温·肖布的计算，在任何给定的甲烷样品中，这两种稀有同位素异构体的比率应该都能提供一个甲烷形成温度的敏感指标。温度是关键。如果甲烷在200度以下形成，那么它一定来自微生物；如果它是在1 000度以上形成的，那么它很可能是非生物的。

这种“纸上谈兵”听起来很好。问题是，世界上没有一种仪器能够找出¹³CH₃D与¹²CH₂D₂的比值。传统的同位素分析基于质谱，也就是根据分子质量分离分子进而分析。这两种同位素异构体在质量上相差不到1%，这给区分两者带来了巨大的难题。更重要的是，同位素异构体的浓度极低，这对传统的分析提出了挑战。艾德·扬和其同事需要一种新仪器，提高质量分辨率和分子灵敏度。这就是为什么深碳观测计划的第一项行动是资助一台价值200万美元的原型机，它专门被设计用来测量甲烷的同位素异构体的比率。（美国国家科学基金会、美国能源部、壳牌石油公司和华盛顿卡内基研究所通力合作，同样支持了这项研究。）这是一项充满风险的尝试，制造这台仪器需要花费数年，接着再过几年我们才能知道它是否成功。但是，找到深部甲烷来源的答案后，我们可以更好地理解甲烷驱动的可能彻底改变地球气候的反馈回路，因此这种尝试富有价值。

变化的循环

回到新元古宙的地球上，在7亿年前第一次雪球事件的尾声，气候变化的临界点已经到达。二氧化碳不断增加起了很大的作用，甲烷从笼合物中突然被释放也可能发挥了作用。在地质学上的一瞬间，也许不到一千年，气候突然发生了改变。随着温度飙升到创纪录的水平，雪球地球变成了温室地球。

在很长一段时间里，也许是3 000万年，温暖的气候虽然占了上风，但温室却逐渐消失。大气中升高的二氧化碳浓度逐渐从极端水平降下来，一些温室气体通过与岩石的反应被去除。裸露的土地暴露在含有腐蚀性碳酸的降雨（高含量的大气二氧化碳产生的结果）中，迅速风化。矿物营养物质涌入，再加上阳光复苏，导致了藻类爆发式繁殖，它们疯狂消耗了温室气体。所有这些事件都被恰当地保存在碳的同位素记录中。

因此在接下来的1.5亿年里，地球在这两个极端之间循环。不是一次两次，而是至少三次，冰层形成又消退，全球气候从极寒到酷热再到极寒，来回摇摆地变化着。第一段时期称为斯图特冰期，大约在7.2亿年前达到顶峰，接下来是马林诺冰期，大约发生在6.5亿年前，而没那么严酷的噶斯奇厄斯冰期大约发生在5.8亿年前。遍布十几个国家的厚厚的岩石堆积揭示了这一戏剧性循环的细节。随着冰层消退，冰川留下了大量拔地而起的巨石和磨碎的岩石、成块状的冰碛岩和被磨光滑的圆形基岩。在那之后不久，厚厚的碳酸盐矿物结晶沉积物覆盖了冰碛岩层，这是海洋变暖出现的另一个典型迹象。碳酸盐在二氧化碳过于饱和的海洋中极为迅速地形成，几英尺长的巨大晶体铺满了浅海海底。这些快速形成的颗粒诉说着一个时代，这时，地球饱受折磨的表面已经失去了化学平衡，永远抛弃了它枯燥乏味的数十亿年停滞状态。

在1998年保罗·霍夫曼发表了关于雪球地球的文章之后的一段时间里，地质学家接受了冰冻星球的设想，但现在情况却变了。对气候建模的研究人员发现，很难出现一种情况能让地球完全被冰层包裹，因为计算表明，即使在显著冷却的时期，赤道也将保持着温和的气候。现在，野外地质学家发现了一些冰冻顶峰时期移动的冰、表面的波浪和洋流的证据，这至少说明，那时仍存在一些开放水域。对大多数地质学家而言，硬雪球已经被一种更温和的“泥球”设想取代，一种新的模型出现了。但霍夫曼反驳说，这些软泥湿冰可能代表了冰川最盛时期之前或之后的情况。

我们该如何区分它们呢？有一个吸引人的证据链可以支持硬雪球说，那就是条带状铁建造惊人而短暂的爆发与冰层覆盖地球的时间大致相同。这样的沉积很难解释，因为在10亿多年前，早在无聊的10亿年尚未开始之时，海洋中的铁就已经被剥离了。那么，海洋是如何重新获得铁的呢？一种模型认为，雪球时期冰封了海洋，切断了海洋水下所有的氧气。与此同时，海底热液喷口继续从地幔向深海输送新鲜的铁。铁的浓度逐渐上升，在冰期结束时就迅速沉积成新的条带状铁建造。

雪球，还是泥球，这样的争论在科学界并不是什么新鲜事了，不过这一次比大多数争论都要低调和友好。保罗·霍夫曼已经退休，新一代研究者开始迎接挑战，而答案仍然隐藏在岩石中。

冰的谜团

一个更大的谜团仍然存在。雪球/泥球地球的时期绝不是地球上出现的第一次冰期，也不是最后一次，但新元古宙的三个主要间隔期与其他时期相比显得尤为突出。据我们目前所知，无论是在此之前还是之后，地球上从未发生过如此极端的寒流。为什么会这样？地球历史上的这个短暂时期为何会与其他任何时期如此不同？

岩石记录中完好地保存着两个更早的冰期留下的痕迹，它们显然没有那么严酷。已知最早的冰层推进是一个相对短暂的事件，古老的南非克拉通的冰碛岩沉积物揭示了这一点，此事件大概发生在29亿年前的太古宙中期。地球上的冰盖从两极延伸出来要花这么长时间，这事情本身就有点神秘。在地球历史的早期，太阳要暗得多，在最初的数亿年里，它的亮度只有现在的70%，而在中太古宙的冰期，太阳的亮度也不超过现在的80%。由于来自太阳的能量要少得多，其他变暖的机制一定在起着作用。许多科学家认为，温室气体的含量一定很高，包括二氧化碳、甲烷和橙色的碳氢化合物形成的薄雾，这是被猜疑有缓和作用的主要因素。来自地球深部更动荡和剧烈的热流，以及更大规模的火山喷发，也一定在缓和气候方面起到了一定作用。

具有讽刺意味的是，地球的第一次冰期可能在一定程度上是温室气体过多造成的。如果大气的甲烷含量增加，那么平流层中的反应就会产生越来越多的碳氢化合物的大分子，这些大分子可能让早期地球拥有一片朦胧的橙色天空。如果雾变得太厚，那么一些来自太阳的能量就会被阻挡，而地球就会冷却。

在赤道的凯诺兰超大陆解体之后，第二次更长的冷却期来临，大约22亿年前到24亿年前大量的冰川沉积证明了这一点。大气模拟表明，在新形成的海岸线上，风化作用增强，沉积物堆积增多，在当时消耗了大量二氧化碳。与此同时，增加的氧气取代了大气中另一种重要的温室气体甲烷。较暗的太阳（可能是现在亮度的85%）不足以维持一个有效的温室环境，一段漫长的寒冷时期就此来临。

在接下来的14亿年里，也就是几乎三分之一的地球历史中，没有人发现冰期的踪迹，包括无聊的10亿年间。地球的气候似乎一直保持着完美的平衡，既没有太热，也不太冷。为了解释这么长一段时间内如此有限的变化，我们可以提出一系列可能的负反馈，所有这些负反馈都有可能导致停滞，但在没有明显影响的情况下，很难准确地找出原因。我们可以肯定的是，地球在大约7.4亿年前到达了一个临界点，雪球-温室的循环随之而来。

第二次大氧化事件

生命世界对这种极端的全球变化并不迟钝。至少在过去的35亿年里，地圈的变化深刻地影响了生物圈。当地球在极端的炎热和极端的寒冷之间动荡时，裸露而风化的大陆海岸有规律地为沿海生态系统提供了必需的营养物质。锰就是其中一种重要的矿物，它参与了光合作用，此外还带来了大量钼（用于处理氮）和铁（参与各种代谢作用）。但在所有化学元素中，磷可能是新元古宙海洋中最重要的元素。磷是所有生命所必需的，它能够帮助形成遗传分子DNA和RNA的骨架，并使许多细胞膜稳固下来，在所有细胞中，磷在储存和传递化学能方面都起着关键作用。

磷的故事让多米尼克·帕皮诺（Dominic Papineau）着迷，他是我的同事，在地球物理实验室进行博士后研究。从帕皮诺柔和的口音中，你很快就能听出他是法裔加拿大人。他在波士顿学院的办公室里摆满了岩石，这让人明显地感受出他对地球上最古老的岩层的热情。光滑的叠层石块和条带状铁建造证明了他的足迹遍布世界的许多偏远地区。

帕皮诺意识到，在一些生态系统中，微生物的生长程度与能利用的磷的含量直接相关。他设想有一个时期，大量营养物质史无前例地流入了新元古宙的沿岸浅海区域。在与雪球-温室循环相同的时间间隔中，一些世界上最大的磷块岩矿床集中形成了，这种矿床就是富含磷的细胞死亡后沉淀到海底形成的沉积物。帕皮诺周游世界，来到加拿大北部、芬兰、非洲和印度，寻找这些古老的磷块岩地层，研究它们独特的地质背景和迷人的化学成分。

磷驱动下的水华将大气氧气提升到一个新的水平，也许达到了15%的可呼吸的浓度。但矛盾的是，大量沉入海底的腐烂藻类会与水里的氧气迅速反应，使深海回到一种致命的缺氧状态。因此，在雪球时期之后，生命的复苏很可能导致了一个分层的海洋，在表层附近有一个富氧层，下面则是缺氧的水体。帕皮诺还认为，这与今天的沿海地区情况很相似。在今天的沿海地区，含有化肥的径流导致大量磷酸盐涌入，这可能也会刺激产生水华以及深水中缺氧的死亡区。

这使我们回到矿物演化的核心原则之一：地圈和生物圈的协同演化。矿物改变了生命，生命也改变着矿物。40年前，当我成为地球科学的研究生时，生物学似乎与地质学毫不相干。巨大的岩石循环被认为是独立于生命的循环。当我问我的导师是否应该把生物学课程作为最后的选修课时，他说服我改成量子力学。“你永远用不上生物学。”他笃定地对我说。

这个建议令人怀疑，因为从生命起源开始，在地球演化的每个阶段，生命都影响了地质学，地质学同样影响了生命。2006年，加利福尼亚大学河滨分校的地球化学家马丁·肯尼迪（Martin Kennedy）和四位合著者提出了一个格外新颖也带有一点推测的例子，来说明这种相关性。他们的文章名叫《黏土矿物工厂的开端》，发表在3月10日的《科学》杂志上。根据他们构思巧妙的论文，大气氧气从百分之几上升到现在水平的过程，是由于微生物和黏土矿物之间的正反馈而加速的。

黏土主要由超细颗粒的微小矿物块组成，这些矿物块会吸水，并形成黏糊的团块。如果你的脚或你的车曾经陷在又深又湿的黏土里，你就不会轻易忘记那种感觉。黏土矿物主要形成于风化作用，特别是在新元古宙晚期潮湿酸性条件下，通过化学蚀变的风化。肯尼迪和他的合作者认为，冰期后大陆的快速风化作用产生的黏土矿物比之前三次巨大的雪球-温室循环中产生的黏土矿物明显要多很多。更重要的是，越来越多的证据表明，大约在这个时候，微生物群落开始在沿海地区定居，微生物在把坚硬的岩石变成软黏土方面尤为有效。

黏土矿物最显著的特性之一是，它们能与有机生物分子结合。黏土矿物的增加会隔绝富含碳的生物质，而当黏土矿物被冲入海洋时，它们会将这些碳封存在厚厚的细粒沉积物中。根据肯尼迪提出的情景，碳的埋藏会导致氧气的增加，这进一步加速了陆地上黏土矿物的化学生产过程，从而导致更多的碳被埋藏。因此，“黏土矿物工厂”可能直接导致了大气氧气的增加，以及现代生命世界的进化。

动物的出现

在磷和其他营养物质的帮助下，温室藻类大量繁殖，这无疑导致了大气氧气急剧增加。黏土矿物工厂可能加强了这种影响。因此，到了大约6.5亿年前，大气氧气已经上升到了接近现在的水平。氧气的增加反过来又促进了复杂的多细胞生命的出现，因为只有在如此高的氧气水平下，生物才能采取水母和蠕虫那样需要能量的活跃生活方式。事实上，在化石记录中，已知最早的多细胞生物出现在大约6.3亿年前，就在第二次雪球地球的全球冰期之后。

要了解动物生命在新元古宙的兴起，我们首先要回溯到10亿多年前，也就是无聊的10亿年之前。稀有的化石证据表明，大约20亿年前，一种全新的单细胞生命开始兴起。在此之前，所有的细胞似乎都是分开的，可能会相互依赖。但是根据马萨诸塞大学阿默斯特分校的生物学家林恩·马古利斯（Lynn Margulis）首次阐述的一种革命性的想法，大约20亿年前，一个细胞吞噬了另一个完整的细胞，这个较大的细胞并没有消化那个饱满的细胞，而是在共生关系中“收编”了较小的细胞，这种共生关系永远地改变了地球的生命。

马古利斯是一位富有创意、精力充沛的人，涉猎范围很广。她的科学生涯一直致力于了解生物群体如何相互作用，并共同进化。她认为，在生命发展史上，共生关系和共享生物创新是一个无处不在的主题。她的想法惹怒了不少人，部分原因是它们偏离了达尔文进化论的正统观点，这种正统观点认为进化主要是通过突变和选择完成的。尽管争议不断，但马古利斯的胞内共生理论仍然很吸引人，并且现在几乎已被普遍接受了。现代植物、动物和真菌都是由许多具有内部结构的细胞组成的，比如线粒体就像微型发电厂，叶绿体能在光合生物中利用太阳能，而细胞核则保存着遗传分子DNA。它们和其他复杂细胞中的“细胞器”都拥有自己的细胞膜，在某些情况下，它们甚至还有自己的DNA。马古利斯提出，所有这些细胞器都是由早期更简单的细胞进化而来的，这些细胞被吞噬，最终开始执行某些特定的生化任务。根据我们最可靠的猜测，这种转变开始于约20亿年前，为更复杂的多细胞生命奠定了基础。

马古利斯还认为，生命进化是由不同生物的共生和特性共享所驱动的，她的这种观点已经超越了胞内共生（有时还会将她排除在主流之外）。她最近的一次“斗争”是在科罗拉多州丹佛市举办的一次地质学家会议上做了一场精彩的演讲陈述，目的是支持英国生物学家唐纳德·威廉森（Donald Williamson）的一个极具争议的想法。2009年，威廉森提出，蝴蝶代表了两种截然不同的动物的遗传物质的融合，那两种动物就是蠕虫状的毛虫和有翅膀的蝴蝶。当马古利斯利用她身为国家科学院院士的特权，帮助威廉森缩短同行评审程序，并在科学院权威期刊《美国国家科学院院刊》（Proceedings）上发表论文时，争议愈演愈烈。一些科学院院士非常愤怒，称这种假说是“胡说八道”，更适合《国家问询报》（National Enquirer）而非科学期刊。马古利斯反驳称，威廉森的文章值得认真研究并讨论。“我们没有要求任何人接受威廉森的观点，”她说，“只是在科学和学术的基础上对其进行评估，而非在不经思考的偏见基础上做出评价。”

不管那场辩论的最终结果如何，马古利斯的胞内共生理论现在已经成了一种惯常的观念。到了新元古宙，带有细胞核和其他内部结构的复杂细胞已经形成，准备跨越一个新的共生阈值。6亿多年前，单细胞生物学会了如何合作，如何聚集，如何特化，如何在群体中生长和移动。它们学着变成了动物。

最早关于动物主导的生态系统的化石证据来自埃迪卡拉纪，这一时期大约始于6.35亿年前，也就是三次雪球地球事件中第二次之后不久。第一批带有明显图案的化石是从南澳大利亚埃迪卡拉5.8亿年前的岩石中发现的（该时期因此得名）。这些软体动物可能与水母和蠕虫有亲缘关系，它们留下了完美的对称图像，就像是用线条精心装饰的薄饼，或者奇特的两英尺宽的带条纹叶子。随后，世界各地都发现了类似的化石，它们距今约5.45亿年到6.1亿年。最值得注意的是中国南方6.33亿年前富含磷酸盐的陡山沱组，那里保存着大量微型细胞，这些细胞被认为是动物的卵子和胚胎。这些结构在马林诺冰期后在浅海中生长，它们从各个方面看都和现代动物胚胎一样。

这样看来，严重的雪球-温室循环最终在现代世界的演化中扮演了核心角色。公平地说，我们多细胞生物的存在甚至都要归功于8亿年前的那一刻，当时地球达到了气候临界点，而在此之前的10多亿年时间里，稳定的阳光和吸热的二氧化碳使地球保持温暖。当二氧化碳被赤道大陆新的风化作用迅速消耗掉，具有反射性的冰从两极扩散到赤道时，地球的温度在千百万年间骤然下降，直到稳定的二氧化碳积聚，引发了同样迅速而失控的温室效应，海底快速释放出的甲烷或许还加剧了这种效应。

这些混乱的雪球-温室循环也许比地球历史上其他任何事件都更能说明，一颗行星失去平衡了。变幻莫测的新元古宙气候直接导致了大气氧气空前地增加，这一转变为第一批动植物以及它们在大陆上的定居铺平了道路。有了这样的生物创新，处于演化中的地球很快就出现了许多新奇的物种，比如会游泳、挖洞、爬行和飞行的生物，它们占领了越来越极端的栖息地，发展出了更极端的行为。事实上，随着6.5亿年前富氧大气的出现，在地球漫长的历史上，你这位时间旅行者第一次能够站在古老特异的景观上大口呼吸，而不会痛苦地死去。这也是第一次，你兴许会找到一些绿色的烂泥勉强当作一顿饭，并避免遭受致命剂量的紫外辐射。

埃迪卡拉生物想象图

如今，我们再次进入一段气候剧烈变化的时期，正反馈似乎占了上风。具有反射性的冰川正在加速融化，露出越来越多的海洋和陆地，吸收更多来自太阳的能量。树木被砍伐焚烧，从而将更多二氧化碳排放到大气中，同时主要消耗二氧化碳的森林规模缩减了。也许最重要的是，从永久冻土和深海冰层中加速释放的甲烷可能会使全球温度进一步升高，更多甲烷的释放打破了平衡。如果说我们这个时代可以从地球历史中学到什么教训的话，那么新元古宙气候的突然变化当属前列。尽管雪球-温室的变化为生命进化开启了新的机会，但每一次气候转变都让几乎所有生物死亡。

[1] 湿冰指与水混合的半融化的冰。——译者注

板 块构造拯救了地球。地球内部的对流缓慢而无情地推动了赤道附近广袤的罗迪尼亚超大陆分裂成更易于控制的小块。大陆块向极地方向移动，赤道不再堆满积冰的陆地，极端的雪球-温室循环也得到了缓和。大量新生的光合藻类生命有助于缓和二氧化碳的剧烈波动，同时将氧气浓度提高到接近现在的水平。自此，地球再也没有像显生宙之前那样忍受全球性的极端温度了。

在过去的5.42亿年里，地球上至少发生了五种变化。大陆继续移动，先是闭合了一片海洋，形成另一个巨大的超大陆，随后大陆分裂，形成了仍在不断扩大的大西洋。气候经历着从热到冷反复多次的变化，尽管没有达到新元古宙的那种雪球-温室的极端状况。氧气经历了第三次大富集事件，大气中的浓度下降了一半，之后又回升。海平面也在反复地发生变化，这极大地重塑了地球的海岸线。岩石记录揭示了海平面无数次的上升和下降，通常多达几百英尺。但最引人注目的是，生命从根本上发生了不可逆转的改变与进化。在所有这些转变中，生命和岩石已然在协同演化。

地球一直是一颗变化的星球，但显生宙的故事尤为惹人关注。由于岩石记录更为广泛和相对稳定，因此这一时期的变化也显得更加精妙和清晰。了解这段迷人故事的关键是大量保存完好的化石，这是因为生命发展出了制造耐用硬件的能力，比如牙齿、贝壳、骨骼和木头。动植物对地球近地表环境的变化极其敏感，因此，它们的化石遗迹记录了一段又一段的适应过程。微生物几乎可以经受住任何风暴，适应性极强，而且它们形状简单、不易辨认，化石记录稀少，意味着在微生物统治下的前寒武纪，我们没有在岩石记录中发现明显的大灭绝事件。但显生宙则是一个完全不同的故事。

地球地质演化螺旋图。图片来自美国地质勘探局

因此，在过去的5.42亿年里，我们从一种全新的角度审视地球。地球不再是一颗在数千万年甚至数亿年中缓慢变化的行星，而是一颗快速演化的星球，每数十万年就会产生明显的差异。部分原因是，我们有了更详细的记录，但这也是生命的本质。动物和植物，特别是那些在陆地上定居的生物，对地球的循环会做出迅速的反应，它们要么快速进化，要么死亡。随着古老物种的灭绝，新物种取而代之。

世界皆是舞台

在过去的5.5亿年里，移动的大陆继续为地球及其日益多样化的生物群的演化提供变化的舞台。这个故事的基本梗概很好理解，就是一个相当简单的三幕剧。

第一幕：在5.42亿年前的寒武纪开端，罗迪尼亚元古宙超大陆分裂成数个巨大而散乱的碎片。最大的一片从南极一直延伸到赤道，这是巨大的冈瓦纳古大陆，它以印度一个对地质学起到促进作用的地区命名。现今全部的南部大陆，加上一大片亚洲地区，都属于这片巨大的陆地，它从北到南延伸超过8 000英里。其他的后罗迪尼亚大陆都位于南半球，包括劳伦古大陆的核心（今天的北美洲和格陵兰岛）和其他几个大岛（包括欧洲大部分地区）。北半球主要是一片全球性的海洋，几乎没有陆地。在接下来的2.5亿年间，板块将所有大陆向北移动。劳伦古大陆的面积增加了一倍多，先是与后来成为欧洲的那部分陆地合并在一起，然后又合并了西伯利亚很大一部分。

第二幕：大约3亿年前，向北移动的冈瓦纳古大陆与劳伦古大陆相撞，形成了最近的超大陆——泛大陆。冈瓦纳古大陆和劳伦古大陆合并产生的最壮观的地质成果之一是，北美洲和非洲之间的古老海洋闭合了，这次碰撞孕育了阿巴拉契亚山脉。今天的阿拉巴契亚从缅因州一直延伸到佐治亚州，看起来就像是一个相对平缓而圆滑的山脉。这种平缓起伏的地形展现了侵蚀的力量，在3亿年前，这里参差不齐的山峰不断升高，甚至高达六七英里，成为地球历史上最雄伟的山脉之一，可以与现在的喜马拉雅山脉相媲美。不平衡的泛大陆几乎把地球上所有陆地集中到了地球的一侧，四分之三的陆地位于南半球。一亿年来，被称为“泛大洋”（Panthalassa，希腊语意为“所有海洋”）的超级海洋包围着泛大陆。

第三幕：大西洋开辟于1.75亿年前，当时，巨大的泛大陆开始分裂成七大块。首先，劳伦古大陆和冈瓦纳古大陆断裂，形成了最初的北大西洋，大陆的裂痕不断向西北和东南延伸。南极洲和澳大利亚从冈瓦纳古大陆上分裂出来，并向南移动，形成了各自独立的大陆。南美洲和非洲西岸之间的裂痕形成了南大西洋，而印度则从非洲东岸断裂开来，开始了长达5 000万年向北行进的征程，最终冲入了亚洲，形成了喜马拉雅山脉。

在这段漫长的历史中，不同的大陆都在匆忙地四处奔跑，结成伙伴，然后又分手，就像人类上演的戏剧一样。想要看到这场全球戏剧，只要在谷歌搜索“泛大陆动画”即可。在你观看的同时，别忘了，变化的大陆也带来了地球的其他改变。更长的海岸线促进了浅海更多生命的发展。极地的大陆促进了厚厚的冰原的形成，这反过来又降低了海平面。在更大的陆地上，生命在激烈的竞争中进化，但在孤立的大陆上，或在相距甚远的海洋中，进化是分别进行的。山脉和海洋的位置改变了气候。纵观历史，就像今天一样，地球上所有巨大的循环都在相互影响着。

动物爆发！

数十亿年来，地球微生物的生存范围随着气候、养分、阳光等因素而变化。来自浅水沉积物的新证据表明，新元古宙末期的大型水华事件并非仅仅是一些短暂的变化。绿色光合藻类首次进化出了新的策略，在沼泽地区找到立足之地。终于，在大陆边缘出现了绿色的海洋，而不再是火星那样的橙色和蓝色。随着大气氧气浓度的激增，平流层臭氧层也在急剧增厚。臭氧层是一道辐射的屏障，能够有效地保护地球固体表面免受太阳紫外线的致命伤害。这样一个保护层的出现是一个重要前提，让陆地生物圈的崛起成为可能，这个生物圈中出现了扎根地下的植物，以及四处游荡的动物。

但奇怪的是，动物又花了一亿年才完全爬上陆地。很长一段时间以来，大多数生物创新都发生在阳光照耀的浅海中。4 000万年来，多细胞水母和蠕虫似乎一直统治着冰期后的海洋。各种各样的软体动物很少保存在化石记录中，它们以海底碎屑为食，躲藏在微生物祖先留下的矿物之下。数千万年来，这种生态模式似乎一直普遍存在。

寒武纪物种大爆发。在距今约5.3亿年的寒武纪时期，地球上诞生出了各种各样的动物并迅速发展。节肢动物、软体动物、腕足动物、蠕形动物、鱼类动物和原始的脊椎动物等一系列与现代动物形态极为相像的动物纷纷亮相，形成了多门类动物同时存在的繁荣景象，这场物种大爆发持续了2 000万~2 500万年

这种模式在约5.3亿年前被一种惊人的进化技能彻底打破了，许多种动物学会了用坚硬的矿物建造自己的保护壳。虽然数十亿年来，生命一直在礁石一样的叠层石中沉积形成矿物层，但没有人知道这种进化是如何产生的。在5.8亿年前的噶斯奇厄斯冰期结束后，一种未知的动物不知在何处以何种方式进化出了一种绝妙的技能，它用常见的矿物，通常是碳酸钙或二氧化硅，生长出了自身保护性的坚硬部分。这样的创新在生存斗争中具有重要的意义，因为捕食者更愿意吃软体食物，而非浪费能量凿开坚硬的矿化外骨骼。很快，事情就变成了要么长出自己的壳，要么就去死。这些硬壳也产生了异常丰富的化石记录，沉积层中满是状如活物的遗迹，这标志着一个新时期的到来，它被称为寒武纪“爆发”。

爆发是一个具有误导性的名字。这不是一种突然的转变，“生物矿化”花了千百万年时间才流行起来。化石丰富的陡山沱组位于中国南部，那里保存着一些带硬刺的海绵，它们可能早在5.8亿年前就掌握了这个生存技能。到了约5.5亿年前的埃迪卡拉纪末期，各种类似蠕虫的生物已经学会了在海底将碳酸盐矿物加工成管状的护壳，作为自己的家园。

第一批可辨认的贝壳动物群虽然块头很小很脆弱，但它们出现在了约5.35亿年前世界各地的岩石中。（我记得我参与过一次特别的大学生野外考察，前往波士顿以北的马萨诸塞州海岸的纳汉特采集这些稀有化石。来自海洋的空气清凉无比，海浪打在风景如画的岩石海岸上，洁白松软的云朵飘过，还有湛蓝色的海洋，所有这些都令人难忘，但被风化的化石碎片小到几乎肉眼都看不见，就没那么值得回忆了。）

真正的“爆发”发生在几百万年后，大约5.3亿年前，那时，各种各样的带壳动物突然出现。一场进化的军备竞赛随即开始。装甲捕食者和装甲猎物的块头越来越大。牙齿和爪子出现了，骨质的保护层和锋利的防御刺也出现了。在热闹的古生代海洋的残酷世界里，眼睛成了必不可少的配置。随着无数代的带壳生物不断出现和死亡，它们的碳酸盐生物骨架形成了巨大而耐抗的石灰岩层，这些石灰岩层华丽地装点了地球过去5亿年的历史。化石堆积而成的雄伟的碳酸盐悬崖和山脊装点了全球，在几十个国家中成了主要的景观，形成了加拿大落基山脉的最高山峰和多佛瓷白色的悬崖，甚至覆盖了珠穆朗玛峰的山顶。

在寒武纪所有的进化创新中，被称为三叶虫的大眼睛海洋生物是最珍贵的，也是最“上镜”的。在这里，我需要声明一下。我喜欢三叶虫。在我七八岁的时候，在俄亥俄州克利夫兰市离家不远的地方，我发现了第一个近乎完整的三叶虫标本，从那时起我就一直在收集这种标本。我的藏品现在有两千多件，全都捐赠给了史密森尼学会。（你可以在国家自然博物馆的海洋厅看到一些最好的标本。）所以，我可能失之偏颇。

虽然生物矿化最初是逐渐发生的，但在5.3亿年前，带有坚硬部分的生命突然间变得无处不在。各种各样的长腿三叶虫和带条纹的蛤蜊，坚果一样的腕足介壳和精致的扇形苔藓虫，多孔的海绵和号角状的珊瑚，都被保存在全球各地一层又一层的沉积岩中。从蒙大拿到摩洛哥的岩石层序中，你可以把手放在确切的层上，也就是这种惊人的生物装甲发明真正成功的确切历史时间上。

在用于研究从软体动物到甲壳动物的突然转变的地点中，最令人印象深刻的地点之一是蒂奥特历史悠久的绿洲村庄，它坐落在摩洛哥西部的小阿特拉斯山脉风景如画的山脚下。数千英尺长的碳酸盐沉积物几乎垂直地立着，暴露在苏斯河陡峭的山谷中，它们提供了埃迪卡拉纪末期和寒武纪开端的连续记录。一层又一层薄薄的红棕色石灰岩中完全没有常见的化石。你可以沿着布满碎石的河床走上一英里，这里一年中的大部分时间都是干的，你只会偶尔看到一些虫穴的痕迹。

然后突然间，在村庄上方山坡上的一层石灰岩中，化石出现了。从远处看，这层水平的岩层似乎与上面或下面的没有什么不同。古老的Eofallotaspis或许是最早出现的三叶虫，标志着寒武纪大爆发的开始。在这些古老地层之上不远处的地层（也就是更年轻的地层）中，人们发现了新的物种，它们是两英寸长、呈独特椭圆形的Choubertella和Daguinaspis，后者是迄今为止最常见的物种。但其中最多产也最容易接近的露头恰好位于一位圣人的墓地中央。这座白色的小型圆顶建筑被布满三叶虫的矮岩墙包围，来访的地质学家是不能锤凿并用、扰乱这安静的地方的。但是，当地的孩子似乎是个例外，他们会敲着你的车窗，举起他们刚挖出的东西，把“蒂奥特的小虫子”卖给游客。

“嘿，先生，100迪拉姆！”大概12美元。

我没有讨价还价，全都买了。

相的变化

许多年来，我收集的化石主要是小虫子。敲开一块石头，在里面找到一只完整的三叶虫，这种兴奋无法言喻。渔民钓到大鱼，扑克牌玩家拿到一手“满堂红”的时候，一定都有这样的兴奋。对我来说，这种兴奋来自找到一种隐藏了5亿年的精致动物。

多年来，搜寻已经足够了。1970年春天，当时我还是一名大四学生，选修了备受尊敬的罗伯特·施罗克（Robert Shrock）的课程，那是我上的第一门真正的古生物学课程。施罗克在麻省理工学院任教近40年，在第二次世界大战之后的近20年间，他担任了麻省理工学院地质和地球物理系的系主任。他是这个领域的著名人物，出版了许多经典著作，最著名的可能要数《北美指准化石》（Index Fossils of North America），这是一本大部头的摄影作品集，包含了自寒武纪大爆发以来每个地质时期的典型物种。

罗伯特·施罗克是一位天才教师，总是面带笑容，天生善于让课堂充满幽默气氛，对专业有着不加掩饰的热情。他会生动地讲述往事，用一种循循善诱的方式教学。他讲述了一个世纪前在不列颠哥伦比亚省偶然发现的伯吉斯页岩，那是一处有5.05亿年历史的遗址，其中有许多无与伦比的软体化石，斯蒂芬·杰·古尔德（Stephen Jay Gould）的《奇妙的生命》（Wonderful Life）让这些化石变得众所周知。他描述了在新斯科舍省西海岸的乔金斯的一个3亿年前的树桩中，小青蛙的化石是如何被保存在细粒淤泥中的（这些小青蛙跳进挖空的树桩里，但无法跳出来）。他生动描绘了9 000万年前的画面，那时，一片广阔的内陆海洋覆盖了现在美国中西部的大平原，在海洋中，奇异的爬行动物和长得像乌贼一样的菊石在那里争夺霸主地位。

但故事出现了一个奇怪的转折。我的妻子玛吉（Margee，当时是韦尔斯利学院的大四学生）和我成了施罗克最后的两个学生。1970年春天，反对越南战争的学生抗议活动日益激烈，学校的课程被打乱，财物被损毁。考虑到这些普遍的干扰因素，麻省理工学院的行政部门让学生选择及格-不及格评分制[1]，以便代替期末考试。玛吉和我是仅有的两个选择要古生物学成绩的学生。我们耗费精力的期末考试在一周时间里零碎地进行，考试是在一个装有一百个化石的盘子里辨认出所有未知的标本，然后用手画出来。诚然，临摹自然是磨炼观察能力的好方法，但我并不是艺术家。每一笔素描都是一个小小的噩梦，我花了很长时间，耗费了许多块橡皮。

那是施罗克最后一节古生物学课。自从著名地震学家弗兰克·普赖斯（Frank Press）于1965年出任新的系主任，“卫兵换岗”就开始了，以定量研究和物理学为基础的地球科学取向迅速得到重视。手绘化石在这个现代世界中找不到立足之地，板块构造就像改造大陆一样，改变了我们的课程体系。

受到最后一堂课的启发，玛吉和我花了很多个周末在附近化石丰富的地方露营。在接下来的几年里，我们收集了马萨诸塞州南部的蕨类化石、宾夕法尼亚州东北部的珊瑚、纽约州东部的腕足动物，以及佛蒙特州西北部的三叶虫。施罗克的课教会我们以一种新的方式看待这些化石，每一种岩石和每一批化石都讲述了古代生态系统形形色色的故事。

我们认识到，在任何一个给定的时期，很多种不同类型的岩石，也就是不同的相都在形成，每种相所处的位置和水的深度都不同。砂岩形成于最靠近海滩的粗糙的浅水潮汐带，那里拥有大量结实的蛤蜊和蜗牛化石，它们的壳很厚，可以抵御海浪的拍打。而石灰岩代表着古老的珊瑚礁，因此拥有大量丰富的动物生命，包括有茎的海百合、海星、蜗牛、腕足类和其他动物群，它们在阳光照射的受保护的潟湖中繁衍。许多来自珊瑚礁生态系统的精美的三叶虫都有着大眼睛，可以360度观察周围环境。在离岸更远的地方，黑色页岩在黑暗的深水中缓慢堆积，那里的动物群通常包括滤食动物和盲眼三叶虫，它们与浅水的透光带的动物完全不同。

如果说每个露头都涂绘出一个时间和地点的画面，那么层层叠叠的岩石层序就讲述了一个丰富的变化故事。格外引人注目的层状岩石类型经常与具有经济价值的煤炭矿床有关（并且相应地进行了充分研究）。3亿年前，煤在沼泽海岸带大量形成，通常夹在砂岩层之间，而砂岩层又以页岩为边界。页岩、砂岩、煤、砂岩、页岩，这样的层序反复出现，暗示着海平面发生了显著变化，它不断下降、上升，然后又下降，这也许是对极地冰层和冰川的撤退和前进的反应。一个不可回避的结论是，数亿年来，海洋深度反复出现了数百英尺的变化。

对现代人来说，我们有巨大的沿海城市和广阔的海滨基础设施，海洋的高度（至少在潮汐涨落的范围内）似乎是固定的。很难想象哪怕只有10英尺的变化，更别说几百英尺了。但最近的沉积记录在这一点上相当明确。在过去的几万年里，海洋最高比今天高出150英尺，最低比现在低了300多英尺。毫无疑问，这种变化将再次出现，从根本上改变大陆海岸线的形态。这就是岩石及其化石生态系统所讲的故事。

陆地上的生命

地球历史上最具戏剧性的陆地变化一定要等到陆地植物出现才能发生，这种创新被4.75亿年前岩石中独特而坚固的微型化石孢子记录了下来。尽管还没有发现那个时期脆弱而易腐烂的植物化石，但那些最早的真正的植物可能与现在的苔类相似，它们是绿藻的无根后代，紧贴地面，只能在低洼潮湿的地方生存。在4 000多万年间，在世界各地的陆地岩层中，耐腐的孢子是陆地植物唯一的实体证据。这些顽强的绿色先锋的进化似乎稳定而缓慢。

大约4.3亿年前，全球孢子化石的多样性发生了显著改变，这表明陆地植物的分布产生了标志性变化。在接下来的3 000万年里，类似苔类植物的孢子不再那么丰富，而那些类似现代苔藓和简单维管植物的孢子占据了优势。这一时期来自苏格兰、玻利维亚、中国和澳大利亚的岩石中也保存着已知的最古老的植物化石，那些化石碎片疑似是石松和其他现代维管植物（具有充满水的内部管道系统的植物）的近亲。由于缺乏广泛的根系，这些矮小的植物只能生长在低洼潮湿的地区。

化石记录随着时间的推移而逐渐改良，因为早期植物变得更加广泛和坚韧。到4亿年前，原始维管植物已经开始在全球一度贫瘠的陆地上定居。它们看起来像细长而无叶的微型灌木，有绿色的茎和枝，高出地面几英寸，会寻求阳光进行光合作用。它们的根有力地穿透岩石地面，提供了一个坚固的锚，而毛细作用会帮助它们向上吸水。

尽管植物化石对生命在陆地上定居具有显见的重要性，但长期以来，化石植物一直被排在三叶虫和恐龙之后。作为捕食者和猎物，动物具有更动态的生活方式，在形态和行为上更加多种多样，也更像我们自己。更重要的是，植物化石往往是一些碎片，通常是一片单独的叶子或茎，抑或一片树皮或有明显图案的木头。用芝加哥大学古植物学家凯文·博伊斯（Kevin Boyce）的话说，植物缺乏“蛤蜊那样令人满意的完整度”，但植物仍然能讲述一些令人赞叹的故事。

2000年，我第一次见到了凯文，当时他是哈佛大学一名热情而富有创造力的研究生，与安迪·诺尔共事，他正在思考如何从地球上最古老的植物化石中梳理出这些故事。凯文是一个贪婪的读者，也是一位天才作家，他有一套讲故事的诀窍，是那种能将植物历史变得迷人的科学家。但想要讲述有关地球上最古老的植物的新故事，凯文需要有关植物化石的一些新数据。安迪让凯文来到地球物理实验室，学习元素、同位素和分子的微量分析技术，而这些技术之前从未系统地应用在植物化石上。

我们的第一个合作研究主要关注了苏格兰阿伯丁郡4亿年前莱尼（Rhynie）燧石中保存完好的植物化石。莱尼植物幸运地躲过了腐烂的命运，温泉用富含矿物质的水将植物组织包围、密封起来，细粒二氧化硅部分取代了被埋藏的植物物质。一个世纪前，地质学家在莱尼一个小村庄的石墙里发现了燧石的巨石。在大量挖掘后，他们才发现并挖掘了一小片真正的基岩。莱尼燧石标本一直很珍贵，而且很难获得，但是凯文·博伊斯得到了哈佛大学收藏的一块拳头大小的标本，还有封在玻璃中的两三英寸透明抛光岩石薄片，在显微镜下，它们可以被用来研究植物解剖学的细胞细节。这些化石揭示了一种奇特景观的片段，它乍看很熟悉，却又非常陌生，覆盖着茎状分枝植物，每一个都有绿色的光合茎，但没有叶子。

几十年前，从莱尼植物化石中提取信息的艰难尝试简直就是英雄的壮举。它需要准备数百个薄片，每个薄片都能为复杂的三维物体提供一个二维视角。想象你把最喜欢的花嵌入坚硬不透明的环氧树脂中，然后把环氧树脂切割成扁平的薄片，重新组装成整朵花，试图重新构建出花朵的形状。这就是研究莱尼的古植物学家先驱必须要做的事情。他们发现了一批奇怪的植物，细长而无叶，它们就是我们绿色世界的祖先。

凯文·博伊斯决定再次前往莱尼燧石区，梳理有关地球古植物群的新信息。他计划分析最新切割和打磨过的莱尼化石，这些化石的大小和形状跟25美分硬币相似。我们用了电子显微探针，这是一种绘制抛光岩石表面化学元素分布图的仪器，我们的载玻片上的燧石薄片就属于这种抛光表面，这种仪器对矿物学家来说很熟悉，但很少被古生物学家使用。我们希望检查原始的植物物质是否被保存了下来。探测的诀窍是将显微探针调至碳，相比于坚硬的岩石，这种元素在生命中更为常见。我们兴奋地发现，莱尼燧石的化石富含碳，并且是较轻的碳的同位素，这是其生物起源的一个引人注目的迹象。碳的分布完美地凸显了这些早期维管植物独特的管状结构。我们的第一篇论文绘制了各种古代植物化石在细胞尺度上的图像，发表在2001年的《美国国家科学院院刊》上。

下一步，凯文想看看他能否从化石中提取到生物分子信息。我们能从原始的植物组织中找到真正的分子片段吗？凯文·博伊斯把目光放在了一种25英尺高的跟树很相似的神秘生物上，这种生物叫作原杉藻（Prototaxites），在4亿年前，它是陆地上已知的最大生物。这种生物的化石非常神秘，它们似乎缺乏和小得多的共存植物相同的细胞结构，相反，它们的“树干”似乎是由复杂交错的管状结构构成的。博伊斯与地球物理实验室的玛丽莲·福格尔及乔治·科迪（George Cody）合作，能够从几个原杉藻标本中提取并分析清晰的分子碎片，这些碎片与相邻的植物化石的碎片大相径庭。他令人瞩目的结论是：原杉藻是一种巨大的真菌，很可能是地球历史上最大的伞菌。

凯文·博伊斯的研究强化了古植物学界的结论。4亿年前的地球景观终于变绿了，不过是以一种完全陌生的方式。矮小的茎状植物、巨大的树状真菌、一些小昆虫以及类似蜘蛛的动物共享着这片土地。

发明叶子

4亿年前，你可能会很舒服地生活在地球上。那时氧气和水都很充足，有植物和虫子当作食物，在庞大的原杉藻下能找到庇荫。但是，地球的风景看起来还是有些奇怪。有绿色的茎和绿色的树枝，但完全没有叶子。

事实上，最初的捕捉能量的微小叶子的出现花费了数千万年的时间，这是一次变革性的发展，它提高了植物王国为争取阳光而进行的进化斗争的“赌注”。长有最大叶子的最高植物享有优势，因此扇形的蕨类植物、分开的枝杈和坚固的木质树干进化了出来。到3.6亿年前，森林已经成为一种全新的陆地生态系统。在地球历史上，陆地第一次成为翠绿色的。

正如我们一再强调的，岩石与这种翠绿色的新生命发生了协同演化。快速扩张的陆生植物崛起，其中一些长得像树一样庞大，这产生了深远的矿物学影响。由于根系及其快速的生物化学分解模式，许多地表岩石的风化速率增加了一个数量级，包括玄武岩、花岗岩和石灰岩。由此形成的土壤中富含黏土矿物、有机物质以及微生物，土壤变得更深，分布得也更为广泛，它们为越来越多、越长越大的植物和真菌提供了一个更大的栖息地。

根系虽然隐藏在视野之外，但同样以惊人的方式进化。最重要的是植物根系和被称为菌根的巨大真菌丝网络之间出现了新的共生关系。这种惊人的进化策略影响着你今天看到的绝大多数植物。事实上，许多植物在缺乏真菌孢子的土壤中无法很好地生长。菌根真菌能有效地从土壤中提取磷酸盐和其他养分，并传递给植物，而植物反过来为真菌提供了稳定的能量丰富的葡萄糖和其他碳水化合物。地下的几何结构难以想象，但树木的根和地下的真菌丝网络通常比我们在地面上看到的树木要巨大得多。

随着可食用的植物在地球景观中越来越多，动物也经历了深刻的进化发展。无脊椎动物，包括昆虫、蜘蛛、蠕虫和其他小生物是第一批陆地探险家。脊椎动物最初以原始无颌鱼的样子出现在大约5亿年前，在第一次跌跌撞撞地试图登上陆地之前，它们在海洋中经历了1亿多年的进化。4.2亿年前，看起来像外星人的凶狠的盾皮鱼出现了，它们长着带有骨板的下颌。在接下来的2 000万年里，更为常见的软骨鲨和硬骨鱼出现，并不断地多样化。但陆地上完全没有脊椎动物。

最近在中国发现了3.95亿年前的鱼骨化石，这提供了一些最早的迹象，显示了从鳍到四足陆地动物的进化转变。在至少两千万年间，鱼类都在有时干燥的浅海环境中生活。一些鱼类发展出了原始的肺，冒险在陆地上停留的时间越来越长，但千百万年后，第一批带骨的动物才能够舒服地呼吸。已知最古老的四足陆地动物骨骼化石来自一种拥有鳍状脚的会行走的鱼，它们来自距今约3.75亿年的岩石。

昆明鱼化石，是目前已知最古老的脊椎动物化石之一

过去的20年，是古生物学发现的繁荣时期，从中国到美国宾夕法尼亚州，世界各地都涌现出了不起的发现。在这段时期，从鱼类到两栖动物的逐渐转变成为人们日渐关注的焦点。新的化石发现表明，中间形态持续了3 000万年，它们逐渐变得更适合陆地，但仍保留着明显的鱼一样的结构特征。第一批真正的两栖动物出现在约3.4亿年前，也就是所谓的石炭纪中期，那时，世界各地的低洼地区沼泽森林繁茂。这些原始陆地动物的头骨宽而平，有张开的腿和五趾脚，耳朵能在空气中听到声音，还拥有其他一些陆地适应能力，这些都明显不同于它们的鱼类祖先。到了石炭纪，地球的固体表面第一次演化成了一种惊人的现代外观，蕨状的高大树木长成了茂密的绿色森林，潮湿的沼泽出现，繁茂的草甸上居住着越来越多的昆虫、两栖动物和其他生物。由于生命的深远影响，地球近地表的岩石和矿物的多样性和分布状态也达到了接近今天的水平。

但请注意，并不是说地球已经接近了静止状态。气候起伏不定，干旱和洪水给陆地带来了压力，反常的小行星撞击和超级火山的爆发重创了生命，类似这样的事情我们可能希望永远也不要遇到。但事实证明，地球及其生物群对这种冲击具有很强的抗压性。无论何时，生命总会找到方法去适应现实世界。

第三次大氧化事件

到了3亿年前，地球上森林繁茂。事实上，大量多叶生物质开始生长并被掩埋，通过高温高压的过程“加工”大量死去的植物，一种新型岩石即富含碳的黑煤（因此被称为石炭纪）开始形成。这种有机碳封存的一个结果是，氧气再次大量进入大气中，就像之前新元古宙的氧化事件发生时一样。氧气逐渐从3.8亿年前大气中约18%的含量，增加到3.5亿年前的约25%，再到3亿年前的30%甚至更多。事实上，根据某些估计，大气的含氧量曾短暂地攀升到过35%以上，这远高于现在的水平。这些极端的数字并不完全来自猜测。来自石炭纪时期美丽的琥珀标本，也就是一种树液的化石，似乎保存着古代大气的气泡，这些气泡中仍含有30%或更多的氧气。

氧气上升对动物生命产生了有益的影响。更多氧气意味着更多能量，以及动物更高的新陈代谢率。一些生物利用这些额外的能量长得更大，可以说非常大。最惊人的是巨大的昆虫，比如两英尺翼展的巨型蜻蜓。氧气的增加也提高了大气密度，使得飞行和滑翔变得更容易。另一些动物不可避免地迁徙到了以前不适宜生存的更高海拔的地区，现在那里已经有了足够的空气供它们呼吸。

在数千万年间，泛大陆上的生命不断繁衍。这里气候温和，资源丰富，生命恣意地进化着。但是突然间，难以置信地，在2.51亿年前，在地球历史上最悲惨的灭绝事件中，生命崩塌了。

大灭绝和其他集群灭绝

在过去的5.4亿年间，化石记录不断地累积。它记录了大量生物发明，包括数十万种已知的珊瑚类、海百合类、腕足类、苔藓动物类、蛤蜊和螺类的化石物种，更不用说大量不同的微型动物了。已知的三叶虫物种有两万种，每年还有几十种新物种被记录下来，专家估计生物的多样性还远不止这些。我们知道三叶虫在地球上生存了仅仅约1.8亿年（大约在2.5亿年前到4.3亿年前），也就是说，平均每几千年就会出现一个新的三叶虫物种。考虑到化石生命丰富的多样性，在5亿多年的时间里，平均每个世纪一定都会出现几个新物种。

而化石记录中没那么明显的则是一些残酷的大规模死亡时期，也就是数百万物种的突然灭绝时期。相对来说，发现新东西较为容易。古生物学家无法抵挡“首次”或“最早”描述一个重要分类群或特征的诱惑。第一种植物、第一种两栖动物、第一只蟑螂和第一条蛇（尽管残留了微小的后腿）都成了化石新闻。最近的一篇论文甚至号称发现了地球上已知最古老的阴茎化石（来自一只4亿年前的蜘蛛），这是来自莱尼燧石的另一项惊人发现。

三叶虫化石

在化石记录中更难确认的是消失。我们需要在全球范围内，一层又一层、一个时间段接一个时间段地仔细梳理化石的差异，才能确认大灭绝。几十年的努力终于有了回报，人们发现了五次大灭绝的时间，也就是说，在过去的5.4亿年里，地球经历过五次令人毛骨悚然的时刻，超过半数物种灭绝了。随着越来越多数据的积累，其他没那么严重的物种灭绝事件似乎也有15次之多。

从化石记录中发现物种的突然消失并不容易。考虑到海洋多次进进退退，浅海反复开放又关闭，寒冷时期沉积的放缓，以及侵蚀造成的不可逆的损失，岩石记录质量参差且不完整，它就像是一本百科全书，中间许多页被随意地撕掉了，有几卷甚至完全找不到了。通常人们也很难得知地层的确切年龄，并把它们和地球另一端的岩层时间相匹配。因此，任何一组动物的消失都可能仅仅反映了记录中一段较长的空缺。然而，由于化石数据库的扩展，全世界的古生物学家能够比对记录，在生命出现和消亡的更常规背景下，最主要的灭绝事件就显得格外突出了。

2.51亿年前，古生代末期见证了最大规模的物种灭绝。据估计，70%的陆地物种和多达96%的海洋物种消失了，这是一场全球性的灾难，被称为“大灭绝”。这是一次在地球历史上空前绝后的事件，从来没有那么多生物（包括所有三叶虫）永远地消失。

关于大灭绝的原因，科学家仍然意见不一。这一定不是某个简单的原因造成的，比如一次巨大的小行星撞击，它也不是一下子发生的。事实上，多种增强的压力因素可能发挥了作用。首先，氧气水平从石炭纪35%的高点迅速下降。到了2.51亿年前，氧气水平又回到了约20%。这些氧气足以支持复杂的动物生命，但这种下降或许会给那些已经适应了在更高氧气水平下代谢的动物增加压力。古生代末期还经历了全球冷却和小型冰期，厚厚的冰层覆盖了泛大陆南极的部分区域。海平面因此大幅度下降，这会使世界上大部分大陆架暴露出来，从而造成额外的压力。大陆架是海洋中生产力最高的生物圈，因此，失去很大一部分浅水海岸带将限制珊瑚礁和其他各种浅水生态系统的发展，进而限制整个海洋食物链。

古生代末期大规模的火山活动与2.51亿年前的大灭绝几乎同时发生，它代表着地球生物圈再次遭到重大破坏，这是地圈对生物圈的另一种影响。西伯利亚火山持续的大规模喷发，喷出了100万立方英里的玄武岩，是地球历史上最大的火山事件之一，这一定严重影响了地球环境。几十万年间，火山灰和烟尘的大量释放会降低射入的阳光，使冰期加剧。大量有毒的含硫化合物的释放会导致酸雨和环境进一步恶化。

似乎所有这些环境的影响还不够，一些科学家认为，臭氧层的萎缩是地球最大规模物种灭绝的另一个可能的压力因素。从南极洲到格陵兰岛，在世界各地的古生代末期的岩石中，变异的孢子化石提供了吸引人的证据，甚至可能是确凿的证据。也许西伯利亚的火山喷发引发了大气中的化学反应，消耗了臭氧层，为导致突变的紫外辐射打开了一扇窗。

无论原因是什么，大灭绝都在地球的生物多样性上留下了一个令人震惊的窟窿。地球花了3 000万年才恢复过来，也的确是恢复了。并且，每次灭绝事件后都重复着一个主题：消失带来机遇。一个新的时代见证了新的动植物群发展，填补了空缺的位置，那就是中生代。

恐龙！

一个成功的出版商曾建议我，如果我想让科学书籍大卖，那么我应该从两个热门话题中选一个书写，那就是黑洞或恐龙。（出版商甚至在我的一本与黑洞完全无关的书的书名中加入了“黑洞”这个词。）

所以我们来说说恐龙。在大约2.3亿年前，恐龙作为古生代末期大灭绝的受益者出现了。这些迷人的爬行动物一开始生长缓慢，体形较小，但种类繁多，在超过1.6亿年的时间里发展占据了所有生态位。在大灭绝之后的一段时间里，恐龙与大型两栖动物竞争激烈，但2.05亿年前的另一次重大灭绝事件让大多数非恐龙的脊椎动物灭绝了，这次灭绝事件与另一次特大火山事件同时发生。紧接着就是恐龙大爆发。

恐龙是中生代动物群中最迷人和最具魅力的动物。迄今为止，这一时期最常见的化石是那些优雅盘绕的海洋头足类动物，被称为菊石。如果我不是在包含许多三叶虫的古生代岩石附近长大，而是在南达科他州中生代岩石的土地上长大的，我很可能会收集菊石。它们的壳异常美丽，具有对称的螺旋形状，表面带有虹彩。这些分节的头足类动物是分室鹦鹉螺（也叫珍珠鹦鹉螺）的远亲祖先，带有被称为缝合线的精致壳饰，这些缝合线曾将每个内部小室彼此隔开。与三叶虫不同，菊石壳无法提供完整的动物真实样貌。这些动物有大而突出的头，长着大眼睛，带有10个吸盘状触手，但都早已腐烂。剩下的只是这个有趣生物藏身其中的护甲。在1.6亿年中，菊石在中生代的海洋中演化，并变得更加多样。

中生代见证了其他许多重要的生物学发展。开花的植物在那时首次出现，第一批真正的哺乳动物也首次出现。就像地球历史中其他的重要部分一样，地球上这些生命世界的发展也伴随着许多地理和地形的变化。泛大陆开始分裂，大西洋诞生了。大气氧气继续下降到15%的极低水平，随后只反弹到了现在21%的水平。海平面一次又一次下降和上升，但没有证据表明，中生代出现过任何明显的冰期，甚至没有那种结束古生代的小型冰期。

恐龙世界

让我们快进到6 500万年前，这是地球历史上最黑暗的时刻之一。一颗直径约6英里的小行星撞在了现在的尤卡坦半岛附近。一场巨大的超级海啸席卷全球，随后大火燃烧了整个大陆。蒸发的岩石形成的巨大云层遮蔽了天空，光合作用几乎完全停止了。在遭受天外来客的重创之前，这个世界似乎就已危机重重。古生代末期的大灭绝事件带来的一种影响是，印度发生一系列火山喷发，这可能已经改变了地球的大气层，在几十万年间削弱了生态系统。另一种影响是，海平面的显著下降似乎暴露了大部分大陆架，扰乱了海洋的食物链，杀死了所有八种已知的菊石物种。海平面变化的原因并不清楚，因为当时并没有出现冰期。一些科学家推测，洋中脊变得没那么活跃了，从而导致冷却和收缩，随之而来的是整个洋底的下沉。

无论什么原因，单独的还是共同的，所有的恐龙都灭绝了，只剩下一个小的谱系，就是鸟类。最后一些菊石也灭绝了，这为哺乳动物的进化铺平了道路。这些类似啮齿动物的小型脊椎动物在它们较大的（也因此灭亡的）恐龙兄弟的陪伴下逐渐稳固地位，它们在中生代末期的灭绝中生存了下来，占据了几乎所有的生态位。在印度超级火山事件和小行星撞击之间的1 000万年内，哺乳动物已经变得多种多样。在1 500万年内，鲸、蝙蝠、马和大象的早期祖先已经进化了出来。

大灭绝一次又一次地挑战并筛选着地球上的生命。在过去5.4亿年中，地球反复经历着这种起起伏伏。但更早的时候呢？早于5.4亿年前的时代没有出现过大灭绝吗？古生物学家被这个问题难住了。在寒武纪大爆发之前，几乎没有特征性的化石记录。物种灭绝的统计数据需要大量独特的生物，比如恐龙和三叶虫。比5.4亿年前更早的时候，这些生物根本不存在。微生物生命是否经历过类似的重创和物种消失？一定发生过巨大的小行星撞击和破坏性的火山活动，它们曾抹去了地球表面绝大部分生物。在雪球地球时期，生命也一定遭受过严峻的挑战，或许在更早的冰期同样如此。自生命诞生之初开始，可能就发生过数百次大灭绝事件。但我们也许永远无法从零星的前寒武纪微观化石记录中了解这些事件。

人类时代

在地球历史的99.9%的时间里，都一直没有人类的身影。我们存在的时间对地球历史而言只是一眨眼的工夫。

最近智人的崛起可以追溯到6 500万年前，那时类似啮齿动物的幸存者从那颗曼哈顿大小的小行星的撞击事件中活了下来。在恐龙灭绝后的几百万年内，哺乳动物已经辐射到了空缺的生态位上，它们遍布田野和丛林，山脉和沙漠，天空和海洋。即便如此，过去的6 500万年并不轻松。许多新奇而惊人的哺乳动物分别在5 600万年前、3 700万年前和3 400万年前的大灭绝事件中消失了，而这些灭绝事件的原因仍然无从知晓。

人类是最后一次灾难的最终幸存者的后代。猴子、人猿和我们在约3 000万年前都有一个共同的灵长类祖先。最早的人科，包括直立行走的灵长类动物，大约出现在800万年前的中非地区。

与此同时，约2 000万年前重新开始的冰川作用在强度和频率上都有所增加。在过去300万年间，冰层从两极扩张到高纬度的大片地区，向南延伸到了美国中西部地区的北部，这样的情况可能出现了8次。虽然不如早期的雪球地球时期那般极端，但这些反复的冰期出现时，都伴随着海平面数百英尺的急剧下降。冰桥连接着亚洲和北美洲，让各种哺乳动物迁徙到“新大陆”，包括猛犸和乳齿象，最终还有人类。

这些冰期可能导致了另一个惊人的进化转折。根据一种有趣的理论，寒冷有利于那些较长时间待在母亲身边的幼崽生存，也有利于头部较大的幼崽生存（因为头部越大，热量损失越低）。头部更大意味着大脑也更大，而和母亲在一起的时间越多，意味着学习的时间就越多。最早的人类之一被称为能人（Homo habilis），意为“制造工具的人”，它们出现在250万年前的一次大冰期之后不久，这或许并非巧合。

人类最早的祖先之一——始祖地猿化石及其复原图。化石最早于1992年在埃塞俄比亚发现，代表了生活在440万年前的最早人科物种之一。科学家蒂姆·怀特将其命名为始祖地猿，对地猿始祖种的研究增进了人们对最早期人类形态、行为和生活环境的认识，启发了人们对人猿共同祖先和人类起源过程的新思考

在过去的几千年里，人类不得不忍受并适应着不断的变化。冰冻的冰层向前推进，接着就是异常温暖的“间冰期”；干旱出现，随后是洪水；海洋的范围先是明显缩小，之后又同样明显地大幅增加。不幸中的万幸是，这些循环大多是渐进发生的，它们跨越了许多代人，四处迁徙的人类有足够的时间转移并找到生路。这种适应只是生命应对变化的地球的一个最新例子。

事实上，过去5亿年的地球历史见证了生命与岩石之间最惊人的相互作用，在掌握技术的人类时代，这种协同演化仍在激烈地进行着。很久以前，岩石、水和空气创造了生命。反过来，生命创造了可呼吸的大气，让陆地变成绿色，并能安全地行走。生命把岩石变成了土壤，土壤反过来又孕育了更多生命，成为不断扩张的动植物群的家园。

纵观地球历史，空气、海洋、陆地和生命都被地球变化的力量所塑造，包括太阳光的能量和地球内部的热量，水的魔力，碳和氧的化学能量，还有地球深部不间断的对流，以及这些对流通过地震、火山爆发和不断漂移的大陆板块对地壳带来的破坏。在这些力量之中，我们这个物种被证明极具恢复力，灵活聪明，适应性很强。我们已经学会了一些技术性的诀窍，能按照我们自己的意愿塑造世界。我们开采和提炼金属，为土壤施肥，利用土壤耕作，我们使河流改道并对其加以利用，提炼和燃烧化石燃料。我们的行动并非没有后果。如果我们与我们星球家园的动态过程相互协调，我们每一天都能体验到它的创造力交织展现的方方面面。我们也就可以理解，这个世界是多么变化无常，它对我们转瞬即逝的愿景毫不关心。

[1] 只有及格或不及格，不细分等级的评分制度。——译者注

过 去是未来的序幕吗？对地球来说，答案既是肯定的，也是否定的。

像过去一样，地球仍将继续经历反复的变化。气候会一次又一次地变暖再变冷。冰期将再次出现，热带的极端时期也将再次到来。板块构造仍将继续，彻底地改变大陆，同时令海洋扩大或缩小。巨大的小行星撞击和超级火山也会再次侵扰生命。

但也会有一些变化是新的，就像最早的花岗岩地壳的出现一般，其中许多变化也将是不可逆转的。无数生物会灭绝，从地球上彻底消失。老虎、北极熊、座头鲸、大熊猫和大猩猩，所有这些动物都将难逃一劫。人类也很有可能会灭绝。

我们还不清楚地球历史的许多细节，也许这些就是不可知的。但是这颗星球丰富的历史，再加上自然法则，让我们对未来有了一种感知。让我们先把眼光放到遥远的未来，然后再一步一步地聚焦回现代。

最终阶段：50亿年后

地球在通往不可避免的终结之路上几乎已经走过半程。45亿年来，太阳一直稳定地发着光，随着时间的推移，它一点点变得越发明亮，这是因为它不断地“燃烧”大量储存的氢燃料。再过大约50亿年，太阳会继续通过将氢聚变成氦来产生核能。大多数恒星终其一生都是这么过来的。

最终，氢将会耗尽。一些较小的恒星到达这一阶段后体积会逐渐缩小，散发出去的能量会比以前少得多，最终消失掉。如果太阳变成这样一颗“红矮星”，那么地球最终的命运将是变成冻牢的固态星球。生命如果有幸存活下来，也只可能是一些生活在地下深处的顽强的微生物，在那里液态水仍然可能存在。

红巨星时代

但是，太阳不会以这种可怜的方式死去，因为它足够大，有一个后备的核计划。别忘了，每颗恒星都要平衡两种相对的力。一方面，引力将恒星向内拉，使其成为尽可能小的球体；另一方面，核反应像一系列连续的内部氢弹爆炸事件，会产生向外的推力，试图使恒星变得更大。太阳在目前熊熊燃烧氢的阶段，其直径已经稳定地达到了约87万英里，这个大小已经维持了45亿年，并将继续维持50亿年。

太阳足够大，因此，当燃烧氢的阶段最终结束时，一个充满能量的新阶段就会开始，它将开始燃烧氦。氦是氢聚变反应的副产品，可以与其他氦原子发生聚变，产生碳元素，但这种新的太阳策略将给太阳系靠内的行星带来灾难性的后果。由于氦反应的能量更高，太阳会膨胀得越来越大，就像一个疯狂过热的气球，变成一颗脉动的红巨星。它将越过水星轨道，吞没这颗小型行星。它也将超过我们的邻居金星的轨道，吞噬掉金星。它会膨胀到目前直径的100倍以上，甚至越过地球的轨道。

地球的最后时光的具体细节并不明确。根据一些不太乐观的情景设想，红巨星阶段的太阳将完全吞没地球，地球会在太阳大气中蒸发，不复存在。在其他一些模型中，太阳会在无法想象的太阳风中丢失超过目前三分之一的质量（这种太阳风也会不断冲击地球死气沉沉的表面）。随着太阳的质量变小，地球的轨道会向外推移，也许刚好可以避免被吞没的命运。但是，就算我们不被膨胀的太阳吞噬，曾经美丽的蓝色世界也将成为一颗绕行在太阳周围的荒芜的碳渣星球。稀少的地下微生物生态系统或许可以再持续10亿年，但陆地再也不可能是这般郁郁葱葱了。

荒漠世界：20亿年后

即使在目前燃烧氢的稳定状态下，太阳也在慢慢变得越来越热。起初，在45亿年前，太阳的亮度是现在的70%。24亿年前的大氧化事件表明，太阳的亮度可能是今天的85%。而10亿年后，太阳会变得更为明亮。

在一段时间里，也许是数亿年间，地球的反馈可能会减缓这种变化。更多热量意味着更多蒸发，从而产生更多的云，将更多的阳光反射回太空。更多热量意味着更快的岩石风化，这会消耗更多二氧化碳，降低温室气体的含量。因此，负反馈回路可能会让地球在很长一段时间里仍然适居。

未来荒漠世界

但一个转折点会出现。数十亿年前，较小的火星到达了那个关键时刻，它失去了几乎所有的地表水。10亿年后，地球上的海洋将开始以可怕的速度蒸发，大气将成为一个永远的桑拿房。冰盖和冰川不复存在，即使两极也会变成热带。在千百万年间，生命可能在这样的温室环境中繁衍。但随着太阳继续变暖，更多水蒸气进入大气，氢将以越来越快的速度流失到太空中，使地球逐渐干燥。也许再过20亿年，当所有海洋干涸时，地球表面将变得荒芜而炙热。生命就将面临绝境。

新泛大陆或阿美西亚：2.5亿年后

地球将不可避免地走向终结，但这条路非常非常非常漫长。对没那么遥远的未来的预测描绘出了一幅更为温和的画面，那是一颗动态但相对安全的星球。想要展望未来几亿年的故事，过去一定是了解未来的关键。

板块构造将继续在改造地球的过程中扮演关键角色。如今各大洲是分散的，宽广的海洋把美洲、欧亚大陆、非洲、澳大利亚以及南极大陆彼此分隔开来。但这些陆地一直在移动，速度大约是每年一两英寸，也就是说，每6 000万年就会移动1 000英里。通过研究海底玄武岩的年代，我们可以为每一块大陆建立相当精确的向量。洋中脊附近的玄武岩相当年轻，最多只有几百万年。相比之下，大陆边缘和俯冲带的玄武岩可能有超过2亿年的历史。了解所有这些海底的历史相当简单，我们倒放板块构造过程，即可一瞥过去2亿年中地球不断变化的大陆地形。从这些信息中，我们或许还可以预测出未来1亿多年的板块运动。

如果按照现在板块在全球的轨迹，似乎所有大陆都将再次碰撞。大约2.5亿年后，地球的大部分陆地将再次形成一个巨大的超大陆，一些有远见的地质学家已经将其命名为新泛大陆。然而，未来的确切情况仍然是一个尚无定论的问题。

组合新泛大陆是个棘手的游戏。根据目前的大陆运动可以很容易地预测未来一两千万年的情况。大西洋将增宽数百英里，太平洋则将相应地缩小。澳大利亚将向北朝着南亚移动，南极洲也将略偏离南极点，并向南亚方向移动。非洲也在逐渐向北移动，闭合地中海。再过几千万年，非洲将与欧洲南部相撞，在这个过程中，地中海会消失，并产生一个能和喜马拉雅山脉相媲美的巨大山脉，相比之下，阿尔卑斯山就会相形见绌。因此，两千万年后的世界地图看起来还会很熟悉，只是有点偏斜。以这样的方式展望未来一亿年还是相当可靠的，大多数建模的研究人员得到了相似的地理预测，那时，大西洋已经取代太平洋，成为地球上最庞大的水体。

但在那一时刻之后，模型出现了分歧。一个被称为外向型的学派认为，大西洋将继续变宽，最终，美洲将撞上亚洲、澳大利亚和南极洲。在这个超大陆形成阶段的后期，北美洲从东方而来，闭合太平洋，并撞击日本，而南美洲则从东南顺时针旋转，紧紧靠向赤道附近的南极洲。令人惊讶的是，所有板块似乎都能很好地拼在一起。新泛大陆被认为是一块巨大的陆地，沿着赤道从东向西延伸。

这种外向型设想的核心假设是，板块运动背后的巨大地幔对流单元将几近延续今天的模式。另一种观点被称为内向型，它采取了相反的策略，借助过去大西洋的开合周期进行预测。对过去10亿年的重建表明，大西洋（或说西边是美洲、东边是欧洲和非洲的海洋）在几亿年的周期里已经开合了三次，这一结果表明，地幔对流是变化的，且不是连贯的。岩石记录显示，大约6亿年前的劳伦古大陆和其他大陆的运动形成了大西洋的前身，称为巨神海（以希腊巨人伊阿珀托斯命名，他是阿特拉斯的父亲）。泛大陆合并，巨神海消失。当这个超大陆在1.75亿年前开始分裂时，大西洋形成了。

根据内向型支持者（或许最好不要称他们为“内向的人”）的观点，仍在不断拓宽的大西洋将遵循同样的模式。它将在约1亿年后减速、停止并逆转。在大约2亿年后，美洲将再次与欧洲及非洲碰撞。同时，澳大利亚和南极洲将和东南亚相接，完成未来“阿美西亚”超大陆的版图。这片巨大的陆地，形状像一个偏向一旁的L，它利用与新泛大陆一样的板块，但这一次，美洲在西侧。

目前来看，无论是外向型还是内向型的超大陆模型，似乎都有其优点，它们仍在相互竞争。不管这场友好的辩论结果如何，所有人都一致认为，2.5亿年后的地球地形，虽然会和现在千差万别，但将与古代相呼应。赤道上大陆的短暂聚集将降低冰期的影响，并缓和海平面的变化。当大陆碰撞，山脉就会隆起，气候和植被的模式会发生变化，大气二氧化碳和氧气的水平也会发生波动。这些变化仍将是地球故事的核心。

撞击：5 000万年后

最近一项关于人类最有可能死因的调查表明，人类死于小行星撞击的概率很低，大约只有十万分之一。从统计学上讲，这和闪电或海啸致死的概率相近。但这种预测性的比较存在一个明显缺陷。一次闪电杀死一个人的事件每年大概会发生60次。相比之下，小行星撞击可能几千年来都没有造成过任何人死亡。但在某个倒霉的一天，一次小型撞击就可能杀死所有人。

你大可不必担心这件事情，我们之后的百代人也不必为此担心。但我们可以肯定的是，杀死恐龙的那种巨大撞击事件有一天会再次发生。在接下来的5 000万年里，地球至少会遭受一次大的撞击，甚至更多次。这只是时间和概率的问题。最有可能的元凶是所谓的越地小行星，这种天体的轨道呈明显的椭圆形，它们会穿过地球绕太阳运行的更接近圆形的轨道。我们已经知道至少300个小行星可能会成为这种潜在的杀手，而且在未来几十年中，其中一些小行星将以令人惶恐的近距离掠过地球。1995年2月22日，一颗刚被发现并被命名为“1995 CR”的小行星飞掠而过，它与地球之间的距离不足几个地月距离。2004年9月29日，1.5英里宽、3英里长的长型小行星图塔蒂斯（Toutatis）以更近的距离飞掠过地球。2029年，直径900英尺的小行星阿波菲斯（Apophis）预计将以更近的距离掠过地球，甚至出现在月球轨道之内。这次让人不安的相遇将不可逆转地改变阿波菲斯的轨道，可能致使它在未来更接近地球。

每存在一颗已知的越地小行星，都可能意味着还有十几颗甚至更多这样的小行星尚未被发现。这些天体中的一个最终被观测到时，它可能已经离我们太近了，我们对它已然束手无策。如果我们正好在靶心中央，那可能也仅有提前几天的警告让我们来解决问题。无情的统计讲述了概率的故事。地球几乎每年都被约25英尺长的岩石砸中。由于大气层的“制动”作用，大多数这种炮弹在撞击到地表之前就会爆炸，并裂成小块。但是，直径大于100英尺的天体，大约每1 000年会降临地球一次，造成严重的局部破坏。比如，1908年6月，这样一次撞击夷平了俄国通古斯卡河附近的一片森林。危险系数极高的直径半英里的巨石平均每50万年撞击地球一次，而直径达3英里的小行星大约每1 000万年撞击地球一次。

撞击的后果因小行星的大小和撞击位置的差异而有所不同。一块直径10英里的巨石无论落在何处，几乎都可以摧毁地球上的任何地方。（相比之下，6 500万年前那颗杀死恐龙的小行星的直径约为6英里。）如果一个直径10英里的天体撞击到海洋中（鉴于陆地和海洋的分布，这个概率大概是70%），那么结果就会产生滔天巨浪，席卷地球所有角落，可能只有地球上最高的山峰可以幸免。没有东西能在海拔几千英尺以内的地方生存下来，所有沿海城市都会彻底消失。

这样一个直径10英里的小行星如果撞击到陆地，可能会对当地造成更大的直接破坏。无论哪片大陆不幸成为目标，1 000英里范围内的一切都将被抹去，大规模的火灾势必席卷整个大陆。在短时间内，相距较远的陆地可能有幸躲过惨烈的后果，但这样的撞击会使大量岩石和土壤蒸发，在一年甚至更长的时间里，它们会在大气中形成遮蔽阳光的云层。光合作用将几乎完全停止，植物将被摧毁，食物链进而崩溃。少数人也许能在这种恐怖的情景中幸存下来，但我们的文明无疑将被毁灭。

较小的小行星会造成较小规模的死亡和破坏，但是任何直径超过几百英尺的小行星，无论撞击到陆地还是海洋，都会带来超出我们想象的更大的自然灾害。这该怎么办？在当今面临如此多紧迫问题的情况下，我们是否应该忽视这种威胁，因为它太过遥远、太无关紧要？我们能做些什么来让一块大石头转向呢？

已故的卡尔·萨根（Carl Sagan）或许是近半个世纪以来最有魅力、最具影响力的科学代言人，他对小行星有很多想法。无论是公开场合还是私下里，他都主张国际社会应当采取一致的行动，其中最著名的要数他那史诗般的电视纪录片《宇宙》。他以讲述坎特伯雷大教堂修士的生动故事作为铺垫。1178年夏天，这些修士见证了一次月球上的猛烈爆炸，那是不到1 000年前的一次小行星撞击事件。如果这样的撞击发生在地球上，不计其数的人将丧命。“地球是巨大的宇宙竞技场中一个非常微小的舞台，”他说，“没有迹象表明会有来自宇宙别处的帮助。”

避免这类事件最简单的第一步就是，尽我们所能监测到那些难以捉摸的越地小行星，也就是尽可能地了解我们的敌人。我们需要配备带有自动化数字处理器的望远镜，来定位越地小行星，绘制它们的轨道，并预测它们将来的路径。这样的努力成本相对较小，而且已经在进行中。我们可以开展更多工作，但至少我们正在尽力而为。

那么，如果有一天我们发现了一大块岩石，预计几年后它将砸向地球，我们该怎么办呢？对于萨根以及科学界和军事领域的另一些人来说，小行星偏转是一种显而易见的策略。如果发射得足够早，即便是火箭发动机一个很小的推力，或者几次恰当的核爆炸，都可能改变小行星的轨道，将一次碰撞变成死里逃生。他认为，这种最终的必要性提供了充分的理由，足以开启坚定的太空探索计划。在1993年一篇富有先见之明的文章中，萨根写道：“由于小行星和彗星的危害一定也会影响银河系中其他有人居住的行星，如果存在这样的行星，那么各个行星上的智慧生命将不得不在政治上统一他们的家园，离开他们的星球，搬到邻近的星球上去。他们最终的选择和我们一样，都是宇宙航行或者灭绝。”

宇宙航行还是灭绝。为了长久生存，我们必须走出地球去占领邻近的星球。首先是在月球上建立基地，尽管从生活和工作的角度来说，我们这颗看起来泛着光亮的卫星仍将一直是个条件艰苦的地方。下一步是火星，那里有更丰富的资源，特别是大量冰冻的地下水，还有阳光、矿物和稀薄的大气。但这既不容易，代价也不会小。火星也不一定会很快成为一个欣欣向荣的殖民地。但定居于我们这个有潜力的邻居，或再将那里改造得更像地球，很可能是我们物种进化的下一个重要阶段。

两个明显的障碍可能会推迟甚至阻止建立火星基地。首先是钱。设计并实施一次火星登陆将花费数百亿美元，远远超出了NASA最大的预算，甚至在经济环境最好的时候也达不到。全球合作可能是唯一的选择，但如此大规模的国际计划是前所未有的。

宇航员的生存是另一个同样令人生畏的挑战，因为人们几乎不可能确保火星往返之旅绝对安全。太空环境严酷，即使是最坚固的太空舱，也无法阻挡无数沙粒大小的陨石子弹刺穿那层薄壳，无法预测太阳爆发带来的致命辐射。“阿波罗号”的宇航员进行了为期一周的月球之旅，他们非常幸运，没有发生什么不测之事。但一次火星之旅将花费数月时间，所有太空任务都带有赌博的成分，更多时间意味着更大的风险。

更重要的是，目前没有任何火箭技术可以让飞船携带足够的燃料到达火星并返回。一些发明家想到通过处理火星上的水来合成足量的燃料，补充燃料箱，但这项技术只是一个梦想，可能还有很长的路要走。也许更合理的选择是单程旅行，这种选择与NASA的传统相悖，但在高涨的社会舆论中越来越受推崇。如果我们派出一支探险队，他们没有燃料，但携带着可供使用多年的物资，有坚固的住所和温室，有一些种子，有大量氧气和水，有各种工具，可以从这颗红色星球上获取更多创造生命的资源，那么这样一次探险可能就会成功。这极度危险，但许多人类先锋的发现之旅就是如此，比如1519—1521年麦哲伦的环球航行，1804—1806年刘易斯和克拉克向西的探索旅行，以及20世纪初彼利和阿蒙森的极地探险。人类并没有失去这种冒险的欲望。如果NASA发布一张单程火星之旅的报名表，成千上万的科学家会即刻自愿报名。

5 000万年后，地球仍是一个生机勃勃的世界，它的蓝色海洋和绿色大陆发生了变化，但仍然可以辨认出来。我们人类的命运就没那么确定了。也许我们会灭绝。如果是这样，5 000万年足以抹去我们短暂统治的几乎所有痕迹，每一座城市、每一条高速公路和每一座纪念碑都会在千百万年前就风化殆尽。外星古生物学家不得不长期艰难地寻找我们这个消失的物种留下的最细微的近地表痕迹。

但是，人类也有可能生存下来并逐渐进化，向地球之外迁徙，先是占领我们邻近的行星，然后是我们邻近的恒星。如果是这样，如果我们的后代能进入太空，那么地球肯定会受到前所未有的重视，它会被当成保护区、博物馆、神殿和朝圣之地。也许只有离开我们的世界，人类才能真正感激我们诞生的地方。

地球的变化图：100万年后

在许多方面，100万年后的地球不会发生太大变化。当然，这些大陆会移动，但与它们目前的位置相比，移动距离不超过三四十英里。太阳仍会照耀大地，每24小时升起一次，而月亮仍会每个月绕地球运行一圈。

但有些事情会发生很大改变。在全球许多地方，不可阻挡的地质作用将改变地貌，最明显的变化将影响脆弱的海岸线。马里兰州卡尔弗特县是我最喜欢的地方之一，那里有数英里长的快速侵蚀的中新世悬崖，以及无穷无尽的化石储藏，这些都将完全消失。毕竟，这个县只有5英里宽，而且在以每年1英尺的速度变窄。照这个速度，卡尔弗特县连存在5万年都办不到，更不用说100万年了。

在其他州，地质过程会增加有价值的新地产。在夏威夷大岛东南海岸附近，一座新的海底火山已经有近两英里高（尽管它仍未露出海面），且每年都还在变高。100万年后，一座已被命名为罗希（Loihi）的新岛屿将从海浪之下升起。当然，西北部更古老的死火山岛屿，包括毛伊岛、瓦胡岛和考爱岛，都会随着海风和海浪的侵蚀慢慢变小。

说到海浪，科学家通过研究岩石记录寻找未来的线索，他们得出结论，海洋的前进和后退将极大地改变地球地形。随着大大小小的熔岩在海底凝固，裂谷火山活动的速率变化会带来一种长期影响。在海洋火山活动的间歇期，海底岩石冷却并沉降，海平面会显著下降。就像许多人猜想的，这在中生代晚期灭绝之前海平面急剧下降的时期曾发生过。地中海这样的大型内海的存在与消失，以及大陆的聚合与分裂，都造成了近岸浅海的范围发生重大变化，而浅海在100万年后对地圈和生物圈的形成又起到了重要作用。

100万年相当于几万代人，也就是数百倍的人类历史记录。如果我们生存了下来，地球表面可能会被我们不断发展的技术力量改变，并以我们无法想象的方式发生变化。但如果我们灭绝了，地球很可能会像现在一样继续坚持下去。陆地和海洋的生命会继续繁衍生息，地圈和生物圈的协同演化将很快恢复到工业化前的平衡状态。

超级火山：10万年后

与超级火山或溢流玄武岩造成的缓慢死亡相比，小行星撞击的突然灾难就显得黯然失色了。与地球上最主要的五次大灭绝间隔期相伴随的，包括巨石从天而降的那一次，是改变地球的火山活动。

这不能和一般的火山致死事件及其各种形式的破坏相混，其中包括急剧的熔岩流，就像居住在基拉韦厄火山山坡上的那些夏威夷岛民所熟悉的那样，熔岩流所经之处，所有的住宅都会被完全毁坏。它们是局部性的，具有可预测性，相对很容易避免。在常见的火山活动中，更致命的是充满碎屑的火山爆发和掉落的火山灰，这种火山爆发会喷出蒸气并释放大量炽热的火山灰，这些火山灰会以每小时100多英里的速度从山上冲下，把沿途的一切都烧成灰烬并掩埋。想想1980年华盛顿州圣海伦斯的火山爆发，和1991年6月菲律宾皮纳图博的火山喷发，要不是事先警告并进行大规模疏散，这两次爆发都会导致成千上万人死亡。更糟糕的是第三种常见火山活动，那就是大量细粒的灰尘和有毒气体喷射到大气中。

2010年4月的埃亚菲亚德拉和2011年5月的格里姆发生的两次冰岛火山灰喷发的规模相对较小，释放的碎片不到一立方英里。尽管如此，它们还是让欧洲的航空业中断了几天，并引发附近地区许多人的健康问题。1783年6月的拉基火山爆发是历史上规模最大的火山爆发之一，据估计，这次爆发释放了约五立方英里的玄武岩及相应的火山灰和气体，足以在欧洲上空造成持续存在的有毒烟雾。冰岛四分之一的人口死亡，一些人很快死于酸性的火山气体，更多人则是死于之后冬天发生的饥荒。这场灾难还影响了东南方一千多英里的土地，数以万计的欧洲人也死于拉基火山的长期影响，这些人大部分生活在不列颠群岛。1883年8月喀拉喀托火山爆发，随后的海啸席卷了爪哇岛和苏门答腊岛附近的海岸线，这造成了更多人死亡。而1815年4月坦博拉火山猛烈的爆发，产生了惊人的12立方英里的熔岩，这是所有火山爆发中最致命的一次。7万多人因此丧生，其中大部分是农业歉收和随后的大规模饥荒造成的。坦博拉向高空大气释放了大量阻挡阳光的含硫化合物，使1816年成为北半球“没有夏天的一年”。

超级火山喷出的蒸气

历史上的这种爆发让现代人无法想象，这是有原因的。尽管从死亡人数来看，这些火山事件比不上近几年印度洋和海地的地震，但是地震和火山之间有一个重要而骇人的区别：最大的地震规模受到岩石强度的限制。坚硬的岩石在破裂之前只能承受一定限度的应力，这个极限可以产生一场破坏性极强但限于局部的地震，也就是里氏9级地震。

相比之下，火山爆发在规模上没有明显的上限。事实上，地质记录提供了确凿的证据，表明历史上规模最大的火山爆发比人类有记载的爆发事件规模大100倍。这样的超级火山爆发会遮蔽全世界的天空许多年，改变远不止数千平方英里而是数百万平方英里的景观。最近的一次超级火山爆发发生在26 500年前新西兰北岛的陶波火山，它很可能释放了200多立方英里的熔岩和火山灰。苏门答腊岛的多巴火山曾在7.4万年前喷发，它释放了约672立方英里的喷发物。再有一场这样的灾难，现代社会遭受的影响将难以想象。

然而，尽管这些超级火山爆发比历史上有记载的任何一次大灾难规模都要大得多，它们仍然比不上导致大灭绝的大规模溢流玄武岩。与超级火山一次性的爆发不同，溢流玄武岩代表着持续数千年的剧烈火山活动。最大的事件都和全球性的大灭绝同时发生，它们产生了数十万到数百万立方英里的熔岩。目前已知最大的一次发生在2.51亿年前的西伯利亚，当时也是地球上最大的灭绝时期，现在在那里已经发现了50多万平方英里的玄武岩流。6 500万年前的恐龙灭绝通常被认为是小行星撞击导致的，但它也与印度巨大的溢流玄武岩——德干暗色岩同时出现，这片玄武岩面积近20万平方英里，代表了超过12万立方英里的新岩石。

这些巨大的地表特征不可能来自地壳和上地幔简单的再加工过程。目前有关溢流玄武岩形成的模型设想地球回归了最早的垂直构造时代，巨大的岩浆气泡从过热的核幔边界缓缓上升，致使地壳破裂，岩浆从寒冷的地表喷涌而出。这样的事件现在很少发生。一种情景假设是，溢流玄武岩之间大约有3 000万年的间隔，在这种情况下，下一次巨大的玄武岩似乎早就该来了。

我们的科技社会肯定会接收到有关这种事件的警告。地震学家将能追踪高温熔融的热流柱上升的过程。我们可能有几百年的时间来为这种灾难做准备。但是，如果人类进入了下一个超级火山时代，我们对地球上这种最激烈的爆发将束手无策。

冰的因素：5万年后

在可预见的未来里，决定地球大陆轮廓的最大因素是冰。在几百年或几千年这样较短的时间尺度上，海洋的深度与地球冻结的水的总量密切相关，包括冰盖、冰川和大陆冰原。这是一个简单的等式：陆地上结冰的水越多，海平面就越低。

过去是预测未来的关键，但我们怎么能知道历史上海洋的深度呢？卫星对海平面的观测固然非常精确，但这仅限于过去20年间。验潮仪的测量虽然没那么精确，而且会受到局部情况的影响，但它们能够追溯到约一个半世纪以前。海岸地质学家可以采用的方法是为古老的海岸线标记绘图。升高的海滩阶地就属于这样的标记，我们可以在上万年前沉积的近岸堆积中发现它，不过其升高的特征只能可靠地揭示水位较高时期的状况。珊瑚一定生长在海洋的浅水日照区域，珊瑚的位置可以提供更久远的记录，但这样的岩层通常会经历隆起、沉降或倾斜的事件，它们都会混淆记录。

许多科学家现在把注意力放在一种不太明显的海平面指标上，那就是微小的贝壳中氧同位素的变化比率。这样的比率能告诉我们的比天体到太阳的距离（也就是我们第二章讨论的）所能告诉我们的要多得多。由于氧同位素对温度十分敏感的特性，它也是揭示地球冰层的历史体积和远古海平面变化的关键。

即便如此，冰的体积和氧同位素之间的关系还是难以捉摸。到目前为止，最丰富的氧同位素是较轻的氧-16（有8个质子和8个中子），它约占我们呼吸的氧的99.8%。大约每500个氧原子中就有1个原子是较重的氧-18（有8个质子和10个中子）。这意味着，海洋中每500个水分子中就有1个比平均值要重。当太阳加热赤道的海水时，含有较轻的氧-16的水比含氧-18的水蒸发得要快一些，这就让低纬度云层中的水比海洋中的水平均要轻一些。当云层上升到较冷的区域时，含有较重的氧-18同位素的水凝结成雨滴的速度比含氧-16的要快一点，云中的氧变得比以前更轻。当云层不可避免地移向两极时，它们中水分子的氧比海水中的氧要轻得多。当这些极地的云层将其中的水释放到冰盖和冰川上时，更多较轻的同位素被锁在冰层中，使海洋中的分子变得更重。

在全球冷却达到顶峰的时期，地球上超过5%的水可以被冻成固体，海洋中的氧-18变得格外丰富。在全球变暖和冰川消退的时期，海洋中氧-18的水平下降。因此，逐层仔细测量海岸沉积物中氧同位素的比值可以揭示地球表面有没有冰，有的话冰是如何随时间变化的。

罗格斯大学的地质学家肯·米勒（Ken Miller）和其同事一直致力于这项艰难的工作，他们花了几十年时间仔细研究了覆盖新泽西沿海地区的厚厚的海洋沉积物。这些沉积物的记录可以追溯到一亿年前，其中包含着大量被称为有孔虫的微型化石壳。每一个微小的有孔虫都保存着它们生长时海洋中氧同位素的含量。通过对新泽西沉积物中氧同位素的逐层测量，可以简单准确地估计出随时间变化的冰量。

在近期的地质历史中，冰层似乎时常增增减减，在几千年的时间尺度上，海平面也相应地发生了巨大变化。在最近冰期的顶点，地球上超过5%的水结成了冰，使海平面比现在低了大约300英尺。人们认为，大约两万年前，在这样的低海平面时期，亚洲和北美之间出现了一座陆桥，横跨现在的白令海峡，这是人类和其他哺乳动物进入新世界的最初通道。在这段冰冻的时间里，还没有英吉利海峡，一个干燥的山谷把不列颠群岛和法国连在一起。相反，在全球变暖最严重的时期，大片冰川消失，冰盖消退，海平面不断上升，比今天高出300英尺，淹没了全球数十万平方英里的沿海地区。

米勒和其同事发现，在过去900万年里出现了超过100次冰川进退的循环，仅在过去的100万年里，这样的事件就发生了至少12次，这些变化表明，海平面的剧烈波动达600英尺。尽管每次循环的细节或许有所不同，但这些事件显然是周期性的，与所谓的米兰科维奇旋回相关，这个旋回是以塞尔维亚天体物理学家米卢廷·米兰科维奇（Milutin Milankovitch）命名的，他在约一个世纪前发现了它。他发现，众所周知的地球绕太阳公转的变化，包括地球的倾角、椭圆轨道和自转轴的轻微摆动，分别会导致气候以大约20年、41年和10万年的周期发生变化。这些变化都会影响照射地球的阳光量，从而对全球气候产生深远的影响。

那么，接下来的5万年呢？我们相信海平面一定会继续大幅度地变化，还会出现更多次的上升和下降。有时，很有可能是在接下来的两万年里，冰盖会增大，冰川会前进，海平面会下降200英尺甚至更多，这样的海平面高度在过去100万年中至少出现过8次。这种变化将对全球的海岸线产生巨大影响。美国东海岸将向东移动许多英里，浅海地区的大陆坡会被暴露出来。从波士顿到迈阿密，东海岸的所有大型港口都将成为又高又干旱的内陆城市。一座新的陆桥将连接阿拉斯加和俄罗斯，不列颠群岛可能会再次成为欧洲大陆的一部分。与此同时，沿大陆架地区形成的世界上最高产量的渔场将变成旱地。

对海平面而言，有下降就必有上升。或许很有可能，在接下来的1 000年里，海平面会上升100英尺甚至更多。这种程度的海平面上升从地质标准来看是相当温和的，但它将使美国地图几乎变得无法辨认。海平面上升100英尺会淹没东海岸的大部分沿海平原，使海岸线向西移动100英里。所有主要的沿海城市，包括波士顿、纽约、费城、威尔明顿、巴尔的摩、华盛顿、查尔斯顿、萨凡纳、杰克逊维尔、迈阿密等城市，都将被淹没。洛杉矶、旧金山、圣迭戈和西雅图也将消失在海浪之下。几乎整个佛罗里达州都将不复存在，那里独具特色的半岛也会淹没在浅海中。特拉华州和路易斯安那州的大部分城市也将被淹没在水下。世界上的其他地区，海平面上升100英尺带来的后果将更加严重。对荷兰、孟加拉国和马尔代夫这样的国家来说，整个国家都会消失。

地质记录非常明确地表明，这些变化将再次发生。如果像大多数专家怀疑的那样，地球正在迅速变暖，那么海平面将迅速上升，可能以每10年一英尺的速度上升。仅仅在长期的全球变暖过程中，海水的热膨胀就能够使平均海平面上升10英尺。这样的变化将给人类社会带来挑战，但对地球的影响并不大。

毕竟，地球是不会终结的，但我们的世界会。

变暖：100年后

我们大多数人对未来的几十亿年，或几百万年，甚至一千年都不太关心。我们大多数人都只关注短期问题——10年后我将怎么供孩子上大学？明年我能升职吗？下周股市会上涨吗？晚饭吃什么？

这样说来，我们没什么可担心的。除非发生不可预见的巨大灾难，否则明年以及10年后的地球看起来都和今天差不多。即使我们经历了一个异常炎热的夏天，度过了一个农作物枯萎的干旱期，或者遭受了一场异常猛烈的风暴，一年和另一年的差异都可能是非常小的，我们根本察觉不到。

完全可以肯定的是，地球会继续变化。当前的指标表明，全球变暖和冰川融化即将到来，这很可能是受人类活动影响并加速发生的。在接下来的100年里，这种变暖的后果将以诸多不同的方式影响到许多人。

2007年夏天，我参加了一场科维里未来研讨会，会议在伊卢利萨特举办，那是格陵兰岛西海岸的一个小渔村，在北极圈以南不远的地方。对讨论未来而言，这是一个幸运的选择，因为在我们舒适的北极酒店的会议中心之外，变化就在发生。一千年来，这个港口位于巨大的伊卢利萨特冰川裂冰作用的前端附近，这里曾是一个资源丰富的渔场。一千年来，由于港口每年都会结冰，渔民们都会在冬天冰钓。这种情况一直维持到进入千禧年。2000年，这个港口第一次（至少在一千年口口相传的历史中）保持开放，没有冻上。这座巨大的冰川是一处联合国世界遗产，它正在以惊人的速度后退，经过几十年的稳定期后，它在三年内后退了近6英里。另一个变化是，一千年来，伊卢利萨特和附近的原住民村落一直没有虫害，但是从2007年开始，蚊子和黑蝇会在每年8月入侵这里。这些都是奇闻逸事，但也明确表明了重大而不可逆转的变化。

类似的变化全球都在发生。切萨皮克湾的船工报告，与几十年前相比，高潮的水位仍在持续上涨。撒哈拉沙漠北部逐年向北推进，曾经肥沃的摩洛哥农田土地变成了沙漠，南极冰架正在以越来越快的速度融化并崩塌，全球平均气温和水温都在上升。这些都是持续变暖模式的一部分，这种模式地球在过去经历过无数次，在未来也将经历无数次。

变暖还可能产生其他影响，有时这些影响是自相矛盾的。墨西哥湾流是一股巨大的洋流，它让温暖的海水从赤道流到北大西洋，湾流的动力来自赤道和更高纬度地区之间强烈的温差。如果像一些气候模型所显示的，全球变暖降低了这种温度对比，那么墨西哥湾流可能会变弱，甚至停止。讽刺的是，一个直接的后果是不列颠群岛和北欧比现在要冷得多，因为那里的气候受墨西哥湾流的温和影响。其他洋流，例如从印度洋到经过非洲之角到南大西洋的洋流，也会受到类似的影响，可能导致温和的南非气候发生类似的变化，或者导致季风雨发生变化，这些降雨使亚洲部分地区现在保持着湿润和肥沃。

当冰融化时，海平面上升。一些严肃的预测显示，在下个世纪里，海平面的上升幅度可能高达两三英尺，尽管根据近期的岩石记录，海平面时不时会出现每十年加快升高几英寸的情况。这样的海平面变化将会影响全世界许多沿海的居民，可能会让从缅因州到佛罗里达州的土木工程师和海滨业主们头疼不已，但在人口最密集的沿海地区，海平面升高几英尺或许是可控的变化。在这段时间里，也就是一两代人的时间里，大多数居民不会为了海水侵占陆地的问题过于担心。

一些动植物物种可能就没那么幸运了。北极冰层的消失将缩小北极熊最熟悉的栖息地，这给正在减少的北极熊种群增加了更多挑战。气候带向两极的迅速变化也可能给其他许多受到威胁的物种带来生存压力，尤其是鸟类，因为它们特别容易受到迁徙筑巢和觅食区变化的影响。最近一份报告估计，全球平均温度上升个几度，可能就会导致欧洲的鸟类灭绝率接近40%，在澳大利亚东北部繁茂的雨林中，鸟类灭绝率则会超过70%，而这种温度的上升完全在一些气候模型对下个世纪的预测范围之中。另一份发人深省的国际报告发现，在已知的约6 000种青蛙、蟾蜍和蝾螈中，近三分之一面临着同样的威胁，这主要是由于一种致命的两栖动物真菌疾病会在温暖的环境中快速传播。不管下个世纪还会发生什么，我们的确进入了一个加速灭绝的时代。

下个世纪中的一些变革性事件也会是瞬时发生的，它们有些一定会发生，有些则是很大概率会发生，比如大地震的破坏、超级火山的喷发，或是一英里宽的小行星的撞击。人类社会往往无法应对百年一遇的风暴或地震，更不用说应对千年一遇的真正灾难了。当我们阅读地球的故事时，我们会看到这些令人震惊的事件是常态，它们无法避免，是我们星球历史的一部分。然而，我们却把城市建在活火山的两侧，以及地球上一些最活跃的断层带上，期望在所处的这个时代，我们能躲过构造问题的“子弹”（甚至来自宇宙的“导弹”）。

在极缓慢和极快速的事件之间，是波动的地质过程，这些过程通常需要数百或数千年的时间，比如气候、海平面和生态系统的变化，一般就需要几代人的时间才会被注意到。我们最关心的应该是这些变化的速度，而不是变化本身。因为气候、海平面和生态系统都会达到一个临界点。如果推得太远，正反馈循环就会起作用。通常需要1 000年时间的事情，可能就会在10年或20年的时间里发生。

自满自大很容易，尤其是在对岩石进行错误解读的情况下。在2010年之前的一段时间里，由于对5 600万年前的类似情景正在进行的研究，人们对现代的担忧得到了某种程度上的缓解。当时，一次大灭绝极大地影响了哺乳动物早期的进化和扩散。这次严酷的事件被称为古新世-始新世最热事件，简称PETM，它见证了数千种物种相对突然的消失。PETM对我们这个时代很重要，因为它是地球历史上有较好记录的温度变化最快的时期。火山事件引起了大气二氧化碳和甲烷浓度相对快速的增加，这两种吸热的气体所导致的温室效应，引发了一千多年的正反馈和相应的温和的全球变暖。一些研究人员认为，PETM与今天的情况非常类似，这当然是很糟糕的，全球温度上升了近10度，海平面迅速上升，海洋酸化，生态系统明显地向两极移动，但还没有达到威胁大多数动植物生存的灾难性的程度。

宾夕法尼亚州立大学的地质学家李·孔普（Lee Kump）和他的同事最近得到了一些惊人的发现，这可能已经摧毁了任何保持乐观的理由。2008年，孔普的团队得到了一个从挪威采样的钻孔岩芯，其中保存了PETM整个时期的记录，沉积岩一层一层地详细记录了大气二氧化碳和气候变化的速率。坏消息是，10多年来一直被认为是地球历史上最快速的气候破坏的PETM其实是由大气变化引发的，而那种大气变化的强度不足如今的十分之一。在PETM的灭绝场景中，用一千年时间形成的大气成分和平均温度的全球变化，在过去一百年就已经被超越了，因为人类燃烧了大量富含碳的燃料。

这种快速变化史无前例，也没有人知道地球将做如何反应。2011年8月，在布拉格举办的3 000名地球化学家参与的会议上，熟悉新的PETM数据的气候专家很冷静。尽管这些谨慎的专家所做的公开预测仍然十分保守，但我在酒后闲聊时听到的评论是悲观的，令人害怕。如果温室气体的浓度上升过快，没有已知的机制可以吸收多余的气体。变暖会引发大量甲烷释放，并引起这种情况可能带来的正反馈吗？海平面会像过去屡次发生的那样，迅速上升几百英尺吗？我们正闯入无知之地，在地球上进行一次构思不周的全球规模的实验，它也许与以往任何一次都不同。

全球变暖已经导致格陵兰岛冰层加速融化，居民外迁

岩石证据所揭示的是，尽管生命本身是坚韧的，也会一直保持如此，但在气候突变时期，生物圈在临界点上会经受巨大的压力。生物生产力，包括农业生产力，在一段时间里必定会急剧下降。在如此动荡的条件下，像我们这样的大型动物将付出最昂贵的代价。当然，岩石和生命的协同演化一定会继续，但人类在这数十亿年的传奇故事中的角色仍然是不可知的。

我们已经到了这样一个临界点了吗？也许这十年不会，也许我们这辈子也不会。但关于临界点的问题是，在它来临之前，你永远无法确定自己是否处于一个临界点上。房地产泡沫破裂、股市崩盘，我们只有在回顾时才会意识到发生的事情，但那时想要恢复现状就太晚了。地球的故事中并没有出现过这样的情况。

结语

气候变化，海平面升降，风雨变幻，地表和海洋中生命的分布也在改变。就像数十亿年来一样，岩石和生命的协同演化仍在继续。人类无法阻止全球变化，正如我们无法改变地球在宇宙中的轨迹那样。

我们也无法摧毁地球上的生命，甚至无法阻止它们势不可当的进化。生命生长在地球的每一个角落。生命存在于北极冰盖中，存在于沸腾的酸性池塘里，存在于数英里深的岩石包裹的孔隙中，存在于数英里之上在风中传播的微尘中。不管我们是导致全球温度上升了十几度，还是污染了我们的空气和水，或是消灭了海洋中的鱼类，甚至在全球战争中投放了大量核武器，无论我们要为自己的愚蠢行为承担怎样的后果，生命都将继续下去。人类可能会永远地消失，但微生物生命不会就此停止。在未来的数十亿年里，地球将继续每天绕着地轴自转，每年绕着太阳公转。几十亿年过去，我们的星球仍将是一个有生命的星球，拥有着蓝色的海洋、绿色的土地和流动的白云。无论人类存在与否，从太空中看起来，地球的美丽不会亚于今天。

毫无疑问，在过去的一个世纪里，人类活动引发了大气成分的巨大变化，而气候变化一定会像物理定律一样随之发生。二氧化碳和甲烷都是有效的温室气体，它们的浓度在以数亿年来以无可比拟的速度上升。我们快速地砍伐热带雨林，消耗海洋生物，还不断破坏全球各地的栖息地，这些都加剧了这种变化。由于我们的行为，地球会变得更热，冰会融化，海洋会上升。但这对地球来说并不是什么新鲜事。那么，我们为什么要关注人类的行为是否会加速变化过程呢？

首先，想象一下在海洋生物大量死亡或者农业产量突然减半后，世界将遭受的痛苦。如果百万平方英里最高产的农田被洪水淹没，海港被淹，人们失去了生计，那会怎样呢？想象一下10亿人无家可归的苦难。

如果我们愿意采取行动，那肯定不是为了“拯救地球”。在经历了45亿年持续而巨大的变化后，地球不需要被拯救。也许一些伦理学家会把力量用在拯救鲸鱼或北极熊上，因为它们的损失将是永久的，不可否认那的确令人伤感。但是，即使是这些大兽的灭绝，抑或是大象、熊猫、犀牛以及其他一百万种或具有魅力或平凡的物种的灭绝，对地球来说也都不过是暂时的损失。巨大而神奇的新动物在某个地质时刻一定会进化出来，填补这些空缺的生态位，也许不超过一百万年就会进化出来。像我们这样的大型哺乳动物可能会遭遇大灭绝，但其他脊椎动物，或许是鸟类，会取代我们的位置。也许最近被证明进化速度特别快的企鹅会变异，并分散填满生态位。可能就会出现像鲸鱼一样的企鹅、像老虎一样的企鹅或像马一样的企鹅；可能企鹅会发展出巨大的大脑和用来抓握的手指。无论我们做什么，地球仍将是一个丰富的生命世界。

如果我们选择担心，首先最应该担心的是我们人类，因为我们的处境是最危险的。地球会筛掉浪费和错误，生命的壮丽将继续下去，但人类社会，至少在目前这种挥霍的方式下，可能挺不过去。我们人类有种令人警醒的潜力，会通过欠考虑的作为或不作为，给我们自身这个物种带来无穷的痛苦和毁灭。随着我们以越来越快的速度持续改变我们的家园——卡尔·萨根称它为“暗淡蓝点”——留给我们有效行动的时间也在不断减少。

在这一点上，地球并不是沉默的，它的故事可以从丰富的岩石记录中读到。几千年来，我们已有足够的智慧去挖掘地球的故事，以了解我们的家园。希望我们能及时从中吸取教训。

致谢

许多朋友和同事为这本书的构思和出版做出了贡献。我由衷地感谢四位科学家，他们在2008年接受了矿物演化的初步概念。矿物学家罗伯特·唐斯是我一直以来的朋友和合作者，他在矿物的性质和分布方面提供了大量专业知识。约翰斯·霍普金斯大学的岩石学家约翰·费里，我在研究生院时就认识他，他为矿物学的新方法提供了一个复杂的理论框架。地球生物学家多米尼克·帕皮诺是地球物理实验室的前博士后研究员，现就职于波士顿学院，是矿物演化概念最早的贡献者之一，也是最具洞察力和建设性的批评者之一，尽管他在卡内基的其他导师给了反对意见。约翰斯·霍普金斯大学的地球化学家迪米特里·斯韦尔詹斯基是过去几年我最亲密的同事，他为矿物演化概念的发展贡献了大量想法和见解。这四位朋友是矿物演化思想最早的拥护者，他们都是善于表达、高效的合作者。没有他们的帮助，这本书是不可能完成的。

我们从加拿大地质调查局的前寒武纪地质学家沃特·布莱克、史密森尼学会的陨石专家蒂莫西·麦考伊和亚利桑那大学的生物矿物专家杨和雄那里获得了宝贵的见解。他们参与了最初发表这些想法的过程。随后与戴维·阿佐理尼、安德烈·贝克、戴维·比什、罗德尼·尤因、詹姆斯·法夸尔、约书亚·戈尔登、安德鲁·诺尔、梅丽莎·麦克米伦、乔利恩·拉尔夫和约翰·瓦利的合作进一步扩展了这个概念，并带领我们走向令人兴奋的新方向。我特别感谢爱德华·格鲁，他对稀有元素铍和硼的矿物演化研究，使这一领域达到了一个定量的新水平。

如果不是因为我在生命起源领域的许多同事，这本书也不可能完成。特别感谢亨德森·詹姆斯·克里夫斯、乔治·科迪、戴维·迪默、沙琳·埃斯特拉达、卡罗琳·琼森、克里斯托弗·琼森、南希·李、卡塔琳娜·克洛奇、小野正平和阿德里安·比列加斯-希门尼斯。我也从与哈佛大学古生物学家安德鲁·诺尔和他的几个同事的合作中受益良多，特别是查尔斯·凯文·博伊斯、诺拉·诺夫克和尼尔·古普塔。

我得到了我在深碳观测计划的同事康妮·贝特卡、安德烈·马格南和劳伦·克莱恩以及阿尔弗雷德·P.斯隆基金会的杰西·奥苏贝尔的不懈支持，斯隆基金会为发起这项全球工作提供了慷慨的支持。在我写这本书的时候，他们包容了我的分心。我在乔治梅森大学的同事，特别是理查德·迪奇奥、哈罗德·莫罗维茨和詹姆斯·特雷费尔，在矿物演化概念的发展过程中进行了许多富有启发性的讨论。我还要感谢地球物理实验室主任罗素·赫姆利，他为这个项目提供了无限的支持和鼓励。

在这本书的研究过程中，许多科学家提供了宝贵的建议和信息。我感谢罗伯特·布兰肯希普、艾伦·博斯、约亨·布罗克斯、唐纳德·坎菲尔德、琳达·埃尔金斯-坦顿、埃里克·奥里、琳达·卡、林恩·马古利斯、肯·米勒、拉里·尼特勒、彼得·奥尔森、约翰·罗杰斯、亨德里克·沙茨、斯科特·谢泼德、史蒂夫·舍利、罗杰·萨蒙斯和马丁·范克兰登克。

平装版本也得益于阿里尔·安巴尔、克里斯·麦凯和布鲁斯·舍伍德的仔细评论和修改。我感谢维京的编辑和制作团队在这本书的出版过程中热情而专业的精神。亚历山德拉·卢萨尔迪首先对这本书表示支持，并在出版过程中的各个阶段提供了批判性的建议。利兹·范霍泽提供了宝贵的编辑指导，并以创造性、高效性和幽默感将手稿编辑到终稿。我还要感谢布鲁斯·吉福德和珍妮特·毕尔。

这本书的初衷是与威廉莫里斯奋进公司的埃里克·卢普弗尔合作的，他在项目的每个阶段都提供了深思熟虑的分析、及时的建议和长久的支持。我亏欠他太多了。

从2006年12月6日第一次提出矿物演化概念之前很久开始，直到创作这本书的时候，玛格丽特·哈森一直在发展矿物演化的过程中帮助我。她对这个领域具有敏锐的眼光和富有感染力的热情，她对我所有的手稿提出了广泛的建议和精辟的评论，她对紧张的研究事业的成功和失败抱有发自内心的喜悦和温和的同情，这对于我坚持下来功不可没。

图书在版编目（CIP）数据

地球的故事 : 从一粒星尘到充满生命的世界，45亿年的地球演化史诗 / （美）罗伯特·哈森著 ; 刘小鸥译. -- 北京 : 中信出版社，2021.2

书名原文: The Story of Earth: The First 4.5 Billion Years, from Stardust to Living Planet

ISBN 978-7-5217-2331-1

Ⅰ . ①地… Ⅱ . ①罗… ②刘… Ⅲ . ①地球演化－普及读物 Ⅳ . ①P311-49

中国版本图书馆CIP数据核字(2020) 第232184号

THE STORY OF EARTH by Robert M. Hazen

Copyright © Robert M. Hazen, 2012

Simplified Chinese translation copyright © 2021 CITIC Press Corporation

This edition arranged with C. Fletcher & Company,

LLC through Andrew Nurnberg Associates International Limited

ALL RIGHTS RESERVED

地球的故事——从一粒星尘到充满生命的世界，45亿年的地球演化史诗

著者：[ 美] 罗伯特·哈森

译者：刘小鸥

出版发行：中信出版集团股份有限公司

（北京市朝阳区惠新东街甲4号富盛大厦2座 邮编100029）

字数：210千字

版次：2021年2月第1版

京权图字：01-2020-4089

书号：ISBN 978-7-5217-2331-1

版权所有·侵权必究

Table of Contents

扉页

目录

前言

第一章 诞生 地球的形成 地球形成前的数十亿年

第二章 大撞击 月球的形成 地球的年龄：0到约5 000万年

第三章 黑地球 最早的玄武岩地壳 地球年龄：5 000万年到1亿年

第四章 蓝地球 海洋的形成 地球年龄：1亿年到2亿年

第五章 灰地球 最早的花岗岩地壳 地球年龄：2亿年到5亿年

第六章 活地球生命起源 地球年龄：5亿年到10亿年

第七章 红地球 光合作用和大氧化事件 地球年龄：10亿年到27亿年

第八章 闷地球 矿物革命 地球年龄：27亿年到37亿年

第九章 白地球 雪球-温室循环 地球年龄：37亿年到40亿年

第十章 绿地球 陆地生物圈的崛起 地球年龄：40亿年到45亿年（最近的5.42亿年）

第十一章 未来 变化中的星球图景 地球年龄：接下来的50亿年

结语

致谢

版权页