一項新研究顯示，地球從“大氧化事件”到“生命大爆發”期間，大氣氧濃度不到現代數值的0.1%，不足以支持動物出現，出現了所謂“沉悶的十幾億年”。在大約6億年前到5億年前，大氣氧氣濃度突然升高，幾乎所有動物都在這一時期出現。

  如果從太空看地球，我們很難發現這里充滿各種各樣的生命。如果再離近些，我們就能看到茂密的森林，再離近些就能看到人類的活動，然后借助顯微鏡，我們就會發現，原來一沙一世界，微觀中也有這么多生物。

  如果我們換個角度，以運動的眼光看，即使處在太空觀察，地球本身也像是個生命體，陸地分裂成七大洲，大陸也會有移動，而各大洲中間有廣闊的水域。在海洋深處，生命也有跡可循。地球似乎通過翻山倒海等地質運動來實現著自我更新與重生。

  較為接近地面的巖層慢慢地翻到灼熱內地幔的上層，偶爾會相互擠壓碰撞，然后逐漸熔成巖漿。這種板塊構造過程是地球活動的典型例子。而人類感受到這種變化主要有兩種方式，一是比較常見的地震，另一種是相對少見的火山爆發。上個月夏威夷噴發的火山巖漿就與深層地幔的構造活動有關。

  但是，板塊構造的意義與結果不只是地震和火山那么簡單。現在，有一些新研究表明，地球的外部運動可能是地球擁有生命體的關鍵因素！地球的外層地殼能夠移動和變形，這可能是地球如此活躍的原因，在這一點上，其他行星沒法兒和地球相提并論。

  “想要理解我們的行星，想要理解地球對生命具有的宜居性，一個主要而關鍵的研究對象就是板塊構造。地球是如何成為宜居星球？究竟是什么使得地球承載了數十億年的生命？”華盛頓大學地質學家凱瑟琳⋅亨廷頓（Katharine Huntington）說道。“在地球漫長的歷史中，是板塊構造在調節著大氣。有了穩定適宜的大氣，才能保證水分的存在于氣候的溫和，才能為生命爆發提供條件。”

  在過去的幾年里，地質學家和天體生物學家越來越多地將板塊構造與地球的獨一無二聯系在一起。這些科學家已經證明，地球的大氣層既不太熱又不太冷的氣溫對地殼循環而言非常重要。水分會周期性地被地幔吸收并釋放，如果沒有這個過程，地球上可能就不會有海洋。板塊構造運動促成海岸線形成，也助推了潮汐運動，如果沒這個過程，賦予生命生機的營養物質可能就會一直沉在海底，那海洋也很難創造繁榮的生命。兩個板塊相遇時,一個板塊會下插到另一相對被動的板塊之下，下插板塊就是俯沖板塊，而被插的板塊就會抬高，如果沒有這個過程，海底就會變得完全寒冷，各種化學過程也會消失，這也就意味著生命可能永遠不會占據主導地位。一些研究人員認為，如果沒有大陸的運動，生命可能就進化不到這么復雜的形式。

  2015年，東京工業大學的詹姆斯⋅多姆（James Dohm）和丸山茂德（Shigenori Maruyama）為這種相互依賴創造了一個新名詞：宜居三位一體（Habitable Trinity）。這個詞組描述了，如果一個行星有充足水資源、大氣層和陸地這三個交換和循環材料，那么也就有了生命存在的先決條件。

  板塊構造究竟怎么對進化產生影響？板塊構造是不是進化的必要因素？回答這倆問題前得先解決一個地球科學領域的關鍵問題，即板塊是怎么開始移動的，以及板塊是何時開始運功的。地球的外殼為什么會移動？弄清這個問題不僅可以加深人們對地球的理解，還能加深人們對所有具有固體表面的行星或衛星的認識，進一步也就能試著理解這些星球是否也具有生命。

  2012年，著名電影導演詹姆斯⋅卡梅隆（James Cameron）成為第一個獨自下潛至地球上最深的馬里亞納海溝的人。卡梅隆在海平面以下10972.8米深處的挑戰者深淵（Challenger Deep）完成著陸。挑戰者深淵是馬里亞納海溝最深的位置，位于兩大板塊的交叉地帶。卡梅隆在這里收集了一些樣本，比如說板塊交界深處的生命發展的一些證據。

  太平洋板塊插入地幔，這一過程會使巖石中的水分升溫并釋放出來。還有個過程叫做蛇紋巖化，該過程是指中、低溫熱液對含鎂巖石交代而產生蛇紋石的一種水巖蝕變作用，在此過程中，水會從板塊里噗噗地涌出，然后上地幔的物理性質就被改變了。這一轉變使得甲烷和其他化合物通過海底熱泉滲出地幔。

  早期地球的類似過程可能為新陳代謝提供了原料，第一個細胞復制有可能就是在此過程中發生的。卡梅隆從收集了海底微生物席（microbial mats，在大約萬米海洋深處生長的微生物群），這些微生物所處之深連陽光都穿透不到，壓力也是海平面的1000倍以上。

  “這將板塊構造和生命聯系起來，這真的令人激動，”佛蒙特大學地質學家基思⋅克雷皮斯（Keith Klepeis）說道。“這給我們帶來了全新的視角，比如說地球上早期生命什么樣，比如說我們還能在太陽系以新視角尋找生命。”

  卡梅隆對板塊構造和海洋生物聯系的探險并不是獨一例。最近的研究將板塊構造與541萬年前寒武紀大爆發聯系了起來，彼時出現了一些列令人震驚的新生命，這是進化的爆炸性繁榮期。

  2015年12月，澳大利亞研究人員發布了一項研究，該研究對世界各地的約300個巖心進行了分析，部分巖心中的樣品有7億年的歷史。研究人員測量了磷以及微量元素如銅、鋅、硒和鈷，這些營養素對生命來說至關重要。海洋中有了大量的這類營養物質，就能激發浮游生物的快速增長。塔斯馬尼亞大學羅斯⋅拉奇（Ross Large）領導的團隊研究顯示，這些元素的濃度在5.6億至5.5億年前增加了一倍。

  拉奇和其團隊認為是板塊構造推動了這個過程。大陸板塊碰撞，巖石隆起，山脈也就形成了，而突出的山脈更易受到雨水的侵蝕。然后，風化作用就會慢慢地將營養從山上輸送到海洋中。

  或許更令人驚奇的是，拉奇和同事還發現，在最近的一段時期，這些元素的含量很低，而與此同時，大規模物種滅絕也在發生。拉奇表示，如果地球消耗磷以及其他微量元素的速度超過其再生速度，那么就會出現類似的營養物質缺乏期。

  構造活動在維持地球恒溫的長期穩定性方面也扮演著至關重要的角色。再考慮一下現在的二氧化碳情況，如果一個行星的二氧化碳過多，那金星可能就是它最終的結果，金星就像超高溫爐子一樣，表面溫度將近500攝氏度，而起大氣中二氧化碳含量達到驚人的97%。億萬年來，是構造運動幫地球調節了二氧化碳的含量。

  風化作用將營養從山上輸送到海里，這個外力作用也幫助大氣去除二氧化碳。第一步，大氣中的二氧化碳與水結合形成碳酸（一種有助于溶解巖石、加速風化過程的化合物）。然后雨水將溶解巖石中的碳酸和鈣沖刷攜帶至海洋。二氧化碳也會直接溶解到海洋中，與碳酸和溶解鈣結合形成石灰巖，石灰巖也就沉在了海底。最終，經過非常非常漫長的時間，這些隔離的二氧化碳就被地幔吸收了。

  “這是一種調節大氣中二氧化碳含量的非常了不起的方法，”亨廷頓說道。

　　圖片中間是位于美國阿拉斯加州中南部的德納里山（Mount Denali，原名麥金萊山）。由于板塊構造運動，德納里山每年以半毫米的速度上升。

  板塊運動甚至和大氣中最重要的氧氣也有關聯。

  在寒武紀生物爆發的20億年前，也就是太古宙時期，地球上幾乎沒多少氧氣。藻類開始通過光合作用產生氧氣，但大部分氧氣都被富含鐵元素的巖石消耗了，這些巖石利用氧氣來生銹！

  2016年發表的一項研究報告顯示，板塊構造開啟了一個兩步法，使得氧氣水平變高。在第一階段，俯沖導致地球的地幔發生變化并產生兩種地殼，即海洋與陸地。陸地板塊富含鐵元素的巖石更少，而富含石英的巖石更多，這就不會從大氣中吸收多少氧氣。

  然后，在接下來的10億年里，即25億年前至15億年前期間，巖石被風化，并將二氧化碳排放到空氣和海洋中。額外的二氧化碳會幫助藻類生長，這樣就能產生更多的氧氣，也就是足以引發寒武紀生物爆發的氧氣。

  板塊構造還可能促進了生命的進化。德克薩斯大學達拉斯分校的地質學家羅伯特⋅斯特恩（Robert Stern）認為板塊構造發生于10億年前至5.4億年前期間的新元古代的某段時期。 這就和7億年前地球上不同尋常的降溫相吻合了，地質學家和古氣候專家把這段降溫稱為“冰雪地球”（snowball Earth）。今年4月份，斯特恩和德克薩斯大學奧斯汀分校的納撒尼爾⋅米勒（Nathaniel Miller）發表的研究表明，板塊構造將會災變性地重新分配大陸并擾亂海洋和大氣。斯特恩認為這會對地球生命產生重大影響。

  “為了讓進化真正開始，就需要有隔離和競爭。如果陸海區域沒有真正的變化，也就不會有競爭動力和物種進化，”斯特恩說道。“板塊構造起了作用。一旦地球上有了生命，大陸和大陸架的分離以及陸地的移動就會把這些生命帶到不同的緯度進行重新組合。”

  斯特恩還認為板塊構造可能是先進物種進化的必要條件。他的理由是，陸地上干燥的土地是物種進化的必要，物種在這種環境下可以進化出能抓握及操控物體的四肢和雙手，而一個擁有海洋、陸地和板塊構造的行星，可以使物種形成和自然選擇的機會最大化。

  “我認為沒有板塊構造也會有生命，我真的這么認為。但我還認為如果沒有板塊構造，就不會有人類，”斯特恩說道。

  斯特恩設想，在遙遠的未來，軌道望眼鏡可以確定哪些外部行星有巖石，哪些有板塊構造。斯特恩還表示，我們的宇宙飛船應該先去沒有板塊構造的行星，這樣是為了避免對那里的復雜生命的進化造成破壞。

  但是，即使外部行星有板塊構造運動，其是否能進化出復雜生命，也要取決于過程何時開始，這是個很大也很開放性問題。

  地球形成于46億年前，最初是一個熾熱的熔巖球。“地球形成后的至少10億年里可能沒有任何可是別的板塊構造，主要是因為新生的地球實在太熱，”澳大利亞麥考瑞大學行星科學家克雷格⋅奧尼爾（Craig O’Neill）說道。

  那時，就像現在一樣，地球內層的對流使熱量和巖石發生了移動。地幔中的巖石被擠壓并在地球內部被加熱，上升到表面冷卻后密度變大了，然后巖石再次下沉，這個過程又重新開始。可以想象一下熔巖燈，和這個過程有點像。

  奧尼爾表示，通過對流傳送，早期地球甚至就出現了垂直運動，但當時的地幔相對較薄而且比較稀，因此無法產生破壞固體外殼的力。

  “俯沖沒有發生，也沒有水平運動，所以，在第一塊大陸形成之前，地球上只有一個所謂的‘蓋子’，并沒有不同的陸地板塊，”基思⋅克雷皮斯說道。

  奧尼爾在2016年發表的研究表明，早期地球可能更像木衛一。“那里火山運動非常活躍，而橫向運動不是很多，”奧尼爾說道。當行星開始冷卻，板塊就能更容易地與下面的地幔結合，從而使地球過渡到板塊構造的時代。

  那么，這就有了一個新問題，是什么打破了大蓋子并在一開始就餓創造了這些不同的板塊。

  一些研究人員認為侵入作用引起了這種變化。在過去的兩年里，有多組研究人員提出，太陽系誕生時遺留下來的小行星可能對地球的大蓋子產生撞擊。去年秋天，奧尼爾和同事發表的研究表明，地球形成5億年后，一群高速飛行小行星穿透地球上寒冷的地球到達了高溫的上地幔。2016年，丸山茂德和同事認為，帶有強大沖擊能量的小行星會帶來水分、削弱巖石，使得板塊運動得以啟動。

   但地球也可能不需要外界的幫助。地球自己的冷卻過程就可以將帶蓋子打成碎片。

圖注：是什么打破了地球的外殼？（圖/露西⋅雷丁-伊坎達）

  30億年前，地球上的某些區域可能有短暫的板塊構造活動，但并沒普及開來。最終，地殼上較冷的區域被向下拉，使附近的地殼變得薄弱。根據耶魯大學的大衛⋅伯科維奇（David Bercovici）和法國里昂大學楊尼克⋅理查德（Yanick Ricard）于2014年在《自然》（Nature）上發表的一篇論文顯示，當這種情況多次發生，薄弱的區域會逐漸退化為板塊的邊界。

  或許也會有相反的情況發生。冷地殼沒有往下俯沖或下推，而是熱地幔柱沖出地表，這種高溫的地幔柱滲透過地殼并融化了地殼，使得大蓋子產生分離。斯特恩和韓國高麗大學的斯考特⋅瓦塔姆（Scott Whattam）在2015年的一項研究中展示了該過程。

  根據這些理論，板塊構造可能在30億年前就開始并停止過幾次。當然，很難有確切的定論，因為證據比較零散。

  “海洋地殼只有2億年的歷史，所以我們正好就缺失了證明上述結論的證據，”奧尼爾說道。“自上世紀80年以來，地球化學的很多細分領域取得了很大的進展，但根本性問題依然存在。”

  奧尼爾表示，地球上最古老的巖石表明某種原始的或最初的俯沖可能發生在大約40億年前，但這些巖石研究起來又很晦澀。同時，在30億年前至20億年前期間的某個時期，地球的地幔明顯經歷了幾次化學變化，而冷卻活動可能是這種變化的原因，這最終導致了對流傳送模式的改變。一些地質學家認為這是地球上整個構造板塊逐漸開始活動和擴散的記錄。

  “真正的答案是什么？我們還不知道，”賓夕法尼亞州立大學地球物理學家布拉德⋅福利（Brad Foley）說道。“我們有最古老巖石的樣本，但我們找不出確鑿的證據來證明板塊構造或俯沖活動發生于某個時期，我們也確定不了那個時期未發生這種活動。”

  那么問題又來了，構造活動究竟是不是生命出現、進化乃至繁榮的必要條件呢？

  地球上有水，有運動著的地殼，這里充滿生命。而其他行星或衛星可能也有類似的構造活動，但并沒出現生命。這，就是問題難解之所在。

  拿土衛二來說，土衛二非常冰冷，是土星的第六大衛星。據卡西尼號探究發現，土衛二就存在地質噴發活動。而金星上我們就沒發現類似板塊的東西。火星上有太陽系中最大的火山奧林匹斯山，但火星的構造歷史很神秘。塔爾西斯高原坐落于火星赤道、水手峽谷的西邊，是一個高9公里、寬3000公里的廣大火山高原，奧林匹斯山就在這兒。這片火山高原質量極大，可能把火星的地殼都壓扁了，隨之產生的拉力甚至使火星的兩極發生移動。

  奧尼爾發表的研究表明，如果一個像火星大小的行星有充足的水，那么就可能出現地質構造活動。還有一些科學家認為火星的南半球的一些區域就像地球上的海底擴張運動。但根據人造衛星和火星上機器人的數據，很多科學家認為火星自誕生的40億年來沒有過類似的構造活動。

  “有些觀點認為在很早很早的時候火星上可能有構造活動，但我認為很可能從來沒有過這些活動，”福利說道。

  “如果我們對其他星球，像金星、火星以及木星的衛星有了更多了解，這將有助于我們更好地探索地球，這也是我們繼續探索其他星球的理由，”克雷皮斯說道。

  板塊構造仍有爭論，很正常，但地質學家認為在未來可能會找到答案。

  奧尼爾已經開始把板塊構造看作是巖態行星的中年階段。地球早期炙熱而混沌，中年會變成現在溫暖而構造活躍，到了晚年可能會陷入寒冷。行星在冷卻時很穩定，許多地質學家認為火星就是這種狀態。因為火星比地球小很多，因此其冷卻的也要更快。

  地球最終也會冷卻到使板塊構造停滯。在這發生前，新的超大陸將會起起落落，但到了某一刻，地震將不復存在，火山也將永久封閉，地球會像火星一樣走向凋零。

  5月份發射的洞察號火星著陸探測器（InSight Mars lander）預定于11月26日抵達，這將有助于平息這場爭論。洞察號上的三個儀器將測量火星地殼、地幔和地核的厚度及其組成，這將為“火星如何失去磁場”及“火星是否曾有板塊構造”提供新的證據。