小石頭引起的大麻煩

自20世紀(jì)80年代中期以來，馬克·哈里森在澳大利亞采集了20多萬塊巖石樣本，但其中只有一塊含有他一直在尋找的東西—兩個(gè)石墨斑點(diǎn)，每一個(gè)的大小還趕不上一個(gè)紅細(xì)胞。這兩個(gè)斑點(diǎn)也許小了點(diǎn)，卻能夠推翻我們有關(guān)地球生命的一切認(rèn)知。

哈里森是美國加州大學(xué)洛杉磯分校的地質(zhì)學(xué)家，他記得當(dāng)時(shí)自己心里是這么嘀咕的：“天哪，它們和生物的起源太像了?！边@意味著它們可能是由生命制造出來的，但這是如何做到的呢？這些石墨斑點(diǎn)是在一塊鋯石晶體中被發(fā)現(xiàn)的，而這塊鋯石在西澳大利亞的杰克山深處被埋藏了41億年。因此，它們似乎是在暗示，我們地球的宜居性比此前任何人想象的都至少要早3億年。

更重要的是，這些第一批生物體存在的時(shí)間比地球能承載任何生命的時(shí)間要早。在如此早期的時(shí)代，地球被認(rèn)為是由熔巖覆蓋的煉獄，并且還遭受到小天體的猛烈轟擊。如果哈里森的化石暗示的是真的，它們不僅會(huì)改寫生命和地球的歷史，甚至?xí)膶懻麄€(gè)太陽系的歷史。

在解釋所有這一切是如何開始的時(shí)候，科學(xué)家認(rèn)為現(xiàn)有的理論或多或少是有效的。大約46億年前，在一個(gè)不起眼星系的某個(gè)角落，一團(tuán)巨大的塵埃和氣體云開始坍縮成一個(gè)稠密的物質(zhì)球。隨著它吸引越來越多的周圍物質(zhì)，其核心處的溫度和壓強(qiáng)也在不斷升高，直到核聚變發(fā)生。這個(gè)過程會(huì)釋放出大量的能量，這一刻也標(biāo)志著我們的太陽成為一顆恒星。

當(dāng)新生恒星逐漸開始自轉(zhuǎn)時(shí)，圍繞它公轉(zhuǎn)的小天體開始碰撞凝聚到一起。在距離太陽較近的地方，大量的水冰因受熱而蒸發(fā)，只留下金屬化合物來形成較小的巖質(zhì)行星。在更遠(yuǎn)的地方，較低的溫度使得由冰和氣體構(gòu)成的巨行星得以形成。所有這些天體都幾乎位于同一個(gè)平面內(nèi)，并且以近圓形軌道運(yùn)動(dòng)。

雖然整個(gè)圖像很漂亮，但是隨著對(duì)細(xì)節(jié)的進(jìn)一步深入，它的不完整性就越發(fā)明顯。一方面，它很難解釋特洛伊小行星的數(shù)量和分布，因?yàn)橛袛?shù)千個(gè)這樣的小天體就尾隨在木星軌道之后。另一方面，位于海王星之外且冥王星就位于其中的柯伊伯帶也同樣難以自圓其說。與經(jīng)典的圖像相比，許多柯伊伯帶天體相對(duì)行星的軌道平面有很大的傾角。最令人費(fèi)解的，還是遠(yuǎn)古時(shí)期的狂轟濫炸在月球上留下的印跡?！鞍⒉_”號(hào)宇航員帶回地球的巖石表明，月球表面遍布的環(huán)形山是一次發(fā)生在39億年前的曠日持久的小天體轟擊的結(jié)果，這是經(jīng)典模型難以解釋的。

2005年，研究者對(duì)此給出了一個(gè)解釋，被稱為尼斯模型，得名于提出該模型的天文學(xué)家所在的法國城市。它對(duì)經(jīng)典的圖像做了細(xì)化，提出太陽系中的4顆巨行星起初要遠(yuǎn)比現(xiàn)在更靠近彼此的觀點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的，會(huì)引發(fā)持續(xù)數(shù)百萬年的引力角逐。在此期間，巨行星會(huì)遷移到它們目前所在的位置，這個(gè)過程會(huì)擾亂數(shù)以百萬計(jì)的小天體，使得它們?cè)谠缙诘奶栂抵袡M沖直撞。在木星引力的影響下，許多小天體成為尾隨木星的特洛伊小行星，而另一些則定居到了太陽系的外部區(qū)域，成為具有高軌道傾角的柯伊伯帶天體。

與此同時(shí)，位于火星和木星之間的小行星則從它們的軌道上脫離，其中很多會(huì)與太陽系最內(nèi)層的行星發(fā)生碰撞。這一劇烈活動(dòng)時(shí)期被稱為晚期大規(guī)模轟擊，它在月球上留下了密密麻麻的環(huán)形山，并重創(chuàng)了正處于早期發(fā)育階段的地球。

這一時(shí)期留存到現(xiàn)在的少量巖石告訴我們，早期的地球如同煉獄，被火山熔巖覆蓋。晚期大規(guī)模轟擊持續(xù)了幾億年，使得地球一直處于被稱為冥古代的極端地質(zhì)時(shí)期。在如此惡劣的環(huán)境下，生命是無法存在的。事實(shí)上，第一批由生物產(chǎn)生的碳可以追溯到約38億年前，與地球終于邁入平和時(shí)期以及來自外太陽系的轟擊放慢的時(shí)期同步。

因此，如果讓哈里森為之興奮的石墨斑點(diǎn)確實(shí)屬實(shí)，那么它不僅是地球上已知最古老生命形式的證據(jù)，也是這些生命出現(xiàn)在一個(gè)不可能年代的佐證。這里的關(guān)鍵就是巖石樣本中同位素碳13和碳12的比例。根據(jù)這個(gè)碳同位素的比值，可以判斷出它們是否具有生物學(xué)起源。

當(dāng)然，也有人呼吁研究者不應(yīng)該過快地下結(jié)論。畢竟，這只是由一塊鋯石得出的結(jié)論。不過，這塊鋯石也為尋找更多的樣本，進(jìn)而確定生命出現(xiàn)的確切時(shí)間奠定了基礎(chǔ)。

無論有沒有生命，這一來自杰克山的最新證據(jù)證明，地球環(huán)境極端惡劣的幼年時(shí)期要比天文學(xué)家認(rèn)為的更為短暫。1999年，地質(zhì)學(xué)家在這一地區(qū)發(fā)現(xiàn)的其他鋯石顯示，早在44億年前，地球表面的部分區(qū)域就已冷卻固化。更重要的是，研究者對(duì)巖石含氧量的測(cè)量表明，地球的溫度已經(jīng)下降到足以維持液態(tài)水的水平。

2013年，又出現(xiàn)了一些與地球和太陽系形成和演化經(jīng)典模型有出入的證據(jù)。當(dāng)時(shí)，科學(xué)家正在分析另一塊地球上最古老的巖石——它來自地球另一端的格陵蘭島。結(jié)果表明，早在41億年前，地球上就有了數(shù)量可觀的金和鉑，而在此前，人們普遍認(rèn)為這兩種金屬是由之后的晚期大規(guī)模轟擊帶到地球上的。

更大的危機(jī)出現(xiàn)在2015年。當(dāng)時(shí)，天文學(xué)家公布了他們對(duì)太陽系形成的最新模擬結(jié)果。他們的發(fā)現(xiàn)敲響了尼斯模型的喪鐘：在85%的情況下，內(nèi)太陽系中巖質(zhì)行星的個(gè)數(shù)少于目前我們觀測(cè)到的4個(gè);在大多數(shù)情況下，水星不會(huì)形成;得到一個(gè)看上去與太陽系相似的行星系統(tǒng)的概率只有1%。雖然這并不是尼斯模型第一次因?yàn)橛龅絾栴}而做出修改，但這一次似乎已不再是小修小補(bǔ)那么簡(jiǎn)單，得到外太陽系的結(jié)構(gòu)和維持內(nèi)太陽系的行星似乎是不可兼顧的事情。

其實(shí)，研究者對(duì)此有一個(gè)非常簡(jiǎn)單的解決方案。巨行星依然遷移，形成特洛伊小行星和柯伊伯帶，但遷移的時(shí)間要提前到最內(nèi)層的行星仍在形成之時(shí)。這樣一來，地球就能躲過一劫。到地球的形成過程完成時(shí)，巨行星的早期遷移會(huì)拋掉絕大部分大型小天體。相對(duì)之前的模型，這個(gè)地球形成過程的后半段會(huì)更為平靜。

這是一個(gè)很有吸引力的想法，不僅可以解釋太陽系為什么會(huì)演化成現(xiàn)在的樣子，也解釋了地球是如何在這么早的時(shí)期就變得宜居的。不過，這里仍然存在最后一個(gè)謎團(tuán)。如果巨行星的遷移發(fā)生在地球和月球成形之前，那么就必定需要其他事件對(duì)覆蓋月面的環(huán)形山負(fù)責(zé)。但是，是什么呢？

答案也許就在我們附近。在尼斯模型中，晚期大規(guī)模轟擊的大多數(shù)撞擊體都來自小行星帶。但是，月球環(huán)形山直徑的分布與小行星大小的分布并不相符。如果晚期大規(guī)模轟擊真的是由小行星造成的，那么月球上應(yīng)該存在更多的大型盆地，但事實(shí)并非如此。

也許，晚期大規(guī)模轟擊有另一個(gè)來源——火星。這個(gè)想法目前仍在起步階段，許多更具體的細(xì)節(jié)還需要澄清。有利于這個(gè)想法的一個(gè)事實(shí)是：火星的北半球地勢(shì)低洼，和南半球的高地相比十分平坦。許多人認(rèn)為這是一個(gè)由直徑2000千米的撞擊體撞擊形成的巨大盆地。這個(gè)撞擊過程拋射出的碎片在39億年前轟擊了地球和月球。

此外，科學(xué)界還有一個(gè)更加激進(jìn)的解釋，即39億年前對(duì)月球的轟擊仍有疑點(diǎn)。得出這一結(jié)論的“阿波羅”巖石樣本采集自月球的多個(gè)不同地點(diǎn)，其中大多數(shù)顯示撞擊的時(shí)間就在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)前后。但是，也有人認(rèn)為“阿波羅”巖石樣本可能都來自形成月球雨海盆地的撞擊事件，由此產(chǎn)生的巖質(zhì)殘骸會(huì)散布到月球表面的其他地方，于是乍看之下好像是同時(shí)發(fā)生過大規(guī)模的撞擊。因此他們認(rèn)為，39億年前的月球興許并沒有遭受到大規(guī)模的小天體轟擊。如果能證明造成月球上環(huán)形山的撞擊是細(xì)水長(zhǎng)流并非一蹴而就，那么尼斯模型就能得救。同樣重要的是，它也會(huì)對(duì)處于嬰兒期的地球的環(huán)境產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。如果撞擊的強(qiáng)度大幅下降的話，那么早期地球就不會(huì)猶如煉獄一般。

無論以哪種方式，只有地球越早地平靜下來，生命才能更快地出現(xiàn)，進(jìn)而在杰克山的鋯石中留下痕跡。把巨行星的遷移提前到更早的時(shí)間可以與之相一致。未來的研究工作將著眼于驗(yàn)證這一想法。哈里森已經(jīng)在另一塊杰克山的鋯石中發(fā)現(xiàn)了石墨斑點(diǎn)，接下來就將對(duì)其碳同位素的比值進(jìn)行分析。

如果哈里森的預(yù)感是正確的，那么曾經(jīng)認(rèn)為的出現(xiàn)在38億年前的最早生命形式就并非我們進(jìn)化樹的起點(diǎn)。相反，地球生命出現(xiàn)的時(shí)間可能提前數(shù)億年，幾乎就在地球成形之后。這也提升了生命形成的速度以及對(duì)環(huán)境的耐受程度，極大地增加了在宇宙惡劣環(huán)境中找到生命的可能性。對(duì)地球早期歷史的這一重新認(rèn)識(shí)可以指引我們走向更有趣的未來。