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当矿物遇到生命……

2019-1-28 9:34:30 作者:大科技

矿物是天然形成的单质或化合物,通常被认为是在一定的地质和物理化学条件下产生的。大多数人可能不会觉得坚硬的矿物和丰富多彩的生命有什么联系。毕竟,冷冰冰的花岗岩和芬芳的玫瑰之间确实看不出什么共同点。

然而,事实上,地球上大多数矿物的产生都离不开生物的作用,岩石圈和生物圈之间的关系是十分紧密的。那么让我们一起穿越时光,来看看生命和石头惊人的联系。

最初的矿物

宇宙的第一批矿物来源于恒星的锻造。在宇宙形成几百万年后,第一批恒星发生爆炸,那些膨胀出去的残骸逐渐冷却,内部的碳原子抓住机会,凝聚成致密的钻石,还有一些其他种类的微小晶体,它们就是矿物。那时可能出现了十几种矿物,包括石墨、刚玉、碳硅石等。这些古老的晶体种类至今仍会以星际尘埃的形式不时坠落到地球上。

所以早在地球产生之前,就有矿藏了。大约45亿年前,当原始的太阳向外释放光亮时,一团团燃烧的羽毛状热焰也从太阳喷射而出,这些高温火焰进入周围由尘埃和气体构成的星云盘。最初十几种矿物熔化,并相互融合,产生出60多种不同的矿物,引力作用使尘埃和气体物质聚积起来,形成越来越大的小行星体。在此过程中,这60多种矿物又在环境的作用下演变成100多种。高温、压力以及水的作用将原生的晶体物质转化为新的形式,而岩石之间的碰撞形成巨大冲击,进而激发更多新矿物的形成。

地球诞生后,密度大的金属铁、镍随着地幔下沉,成为构成地心的主要元素。地壳环绕于地表,蕴藏有品种丰富的矿物元素。由于地表有水,地球内部蕴含热量,以及板块构造形成的岩石循环系统,种种有利条件使得早期的地球成为了催生矿物的发动机。再加上物理和化学的作用因素,一起构造了1500多种不同的矿物种类。到了今天,人们已知的地球矿物已经超过5000种。那么其余3500多种矿物是如何形成的呢?科学家们认为,这些重要的矿物多数是因生物作用而产生的。

生命的孕育离不开矿物

大约40亿年前,地球笼罩在浓密的橙色有毒大气中,那时陆地和海洋都非常贫瘠,紫外线辐射异常强烈,火山频繁爆发,小行星和彗星还常常撞击地球。在如此恶劣的环境下,生命是如何孕育出来的呢?

科学家发现,生命是躲在深深的海底,避开了地面那恶劣的环境而诞生的。在那里,有营养丰富的深海热泉,海水富含二氧化碳,热液富含氢气,而且还富含铁、镍和硫化钼等催化剂。正是在这些物质的作用下,无机分子开始转化为生命的最初形式——有机分子,原始生命的大门就是这样拉开帷幕的。

由此可以看出,只有加入了铁、镍和硫化钼等催化剂,那些无生命的简单生物分子才有可能聚集、结合,生成复杂的重要生物大分子。最早的微生物属于化能无机自养型细胞,它们加速了铁、硫、碳等不稳定矿物的分解,在此过程中获取了微小的能量,进而才能够从零开始构建自己的生物分子。即便在高等动物体内,这些矿物催化剂依然被细胞利用,通过催化把二氧化碳转变成有机分子。

新矿物的产生离不开生命

一方面,微生物依赖矿物而获得能量;另一方面,那些能从岩石矿物中获取能量的微生物改变了地表的样貌。大约在26亿年前,大气中的游离氧含量突然开始增加。这就是大氧化事件,它发挥了更重大的作用,成为地球矿物演变过程中最戏剧性的事件。

在大氧化事件初期,地球岩石在化学属性和物理性质方面发生了巨大的变化。那时候沿着海岸线在矿物质营养丰富的区域,光合微生物开始吸收太阳能量来进行自身的发展,而在这一过程中氧气作为副产品被制造出来。氧气是一种危险的、具有腐蚀性的气体,它不断地发动化学“攻击”,改变着许多岩石和矿物的状态,把它们氧化了,变成新的形式。铁锈又是藻类的营养物质。大气中氧气成分的增加意味着会产生越来越多的铁锈,为制造氧气能力很强的藻类提供更好的生存环境,而这些藻类又会生产出更多氧气。这种互利互惠的循环20亿年中一直在近地表环境中持续,使得矿物变得越来越多样。

以铜为例,在大氧化事件之前,地球上最多拥有20多种含铜的矿物。然而现在,世界上有超过600多种不同的铜矿物已经分门别类,包括那些散发华丽蓝色和绿色的蓝铜矿、孔雀石以及绿松石。如果没有生物光合作用的参与,没有氧气的影响,许多矿物就不可能与铜、氧以及其他元素紧密结合,形成数百种独特的新矿物质。

此外,世界上存在200多种能与氧发生反应的矿物,包括铀、镍、钴、钼、铅、砷、碳、硫等,与它们相关的矿物质的形成90%的功劳要归于生物的作用。

在大气中氧含量逐步上升的同时,二氧化碳的含量逐步下降,这导致海洋酸度降低,促使海洋中形成由石灰岩构成的珊瑚礁,而这些礁石进一步为光合微生物提供了更稳定的环境。由光合微生物释放出的氧也加速了大气层上部臭氧层的形成,阻止了阳光中有害的紫外线辐射,从而使得浅海沿岸区域成为适合孕育生命的优质港湾。

生命因矿物而诞生,然后又反过来丰富了矿物的多样性。20多亿年来,地球表面附近的每一个层面都显示了生命与岩石的相互作用。它们通过无数个循环互利的轮回构造着彼此。只有一个有生命的星球才有能力呈现出这种伟大的矿物繁殖力来。

甚至有人认为,板块构造也可能在很大程度上受到了生物的影响。微生物的风化作用极大地促进了粘土的产生,松散的粘土如同润滑剂一般,使得板块之间的运动更加容易,加速了板块移动。很多地质学家认为这种观点很荒唐。毕竟,板块构造和非微生物粘土已经存在数十亿年了。但能够出现这样的假设,说明生物与地球协同进化的观念在一定程度上给科学家提供了一种新的思考视角。

植物的塑造力

从一个火山不断爆炸的红色星球,到一个水资源充沛的蓝色星球,再到一个富含氧、生出锈的红色陆地,地球已经发生了许多次变化。然而,没有任何变化像地球的绿化和生物圈的繁荣这般突然、迅速、势不可挡。6.5亿年前,冰期进入尾声,光合藻类繁盛蓬勃,大气中的氧含量从过去的1%升到了近20%,已接近现在大气的含氧量。含氧量的增加意味着臭氧层也得到了加强,削弱了紫外线的伤害,贫瘠的陆地得到了臭氧层的庇护,成为适宜生物迁移的生存环境。

第一批陆生植物根系很小,与它们依赖的浅层土壤十分相衬。而这些小小的根系实际上并不满足,它们不断向地下窥探,拨开坚硬的岩层,加速了岩石的破裂和土壤化。而生物圈的进化又造就出更有野心的植物,它们个头更高,根系更发达,延伸到地下更深的地方,不断加速岩石的瓦解、土壤的生成。

在大约4000万年的时光里,陆地上的植物就衍生出15米高的大树以及巨型树状真菌。这些植物不断播散自己的种子,伴随着增加的降水以及其他侵蚀作用,为植物的成长造就出更适宜的环境。这里很快成为生物萌发的重要基地,生物的种类迅速增加,出现了一条完整的生物链,从昆虫到两栖动物,从恐龙到繁盛的动物家族,最后人类也出现了。

人类带来的巨大变化

地球正在进行的矿物进化,给了人类家园在太阳系行星中的独特之处。被太阳烘烤着的水星和月亮都缺乏矿物资源,那些星球上矿物种类不足300种。温暖且潮湿的火星矿物进化的过程也十分缓慢,矿物种类比水星和月亮略多,但也不超过几百种。地球独特的5000种矿物库是岩石圈和生物圈共同进化造就的富饶宝藏。

回顾地球45亿年的历史,人类生活在这个传奇般的、协同进化的新时代。在这样的新时代,岩石圈和生物圈互利互惠的相互作用发展得更迅速,出现了非常特别的有机生物体:智人。在过去的1万年中,人类开采矿藏,进行农业耕作,在田地中施用化肥,将森林踏平,修建城市和道路,在沿海、沿河区域修筑防洪工事,制造出无数新的化学品,不断加速化石燃料的燃烧。人类的生存痕迹已使许多地球近地表化学循环开始改变。

而这是一种急速的变化,比过去跨越数百万年的地质时间内的变化要快很多。虽然不能预见到这些变化会对未来造成怎样的影响,但我们应当去尝试预测。毕竟,不管人类物种是否存活下来,地球都将继续进化,成为一个充满活力的生命世界。但要拯救人类自己,我们就需要对岩石圈和生物圈之间奇异而又密切的联系有更好的了解。△

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