Ⅰ 回望过去，探寻地球生命之初的精彩绝伦
Looking Back to Explore Fantastic Stories of the Early Earth

古老生命的新故事

地质学家与生物学家联手探究地球早期细胞的生命史。

莎拉·威廉姆斯

地球上诞生的第一个生命是单细胞生物，它们既没有留下脚印，也没有留下咬痕，更没有留下骨头。它们“蜗居”在地球的某一个偏僻的小角落里繁衍生息。科学家们绞尽脑汁地想刻画出这些单细胞生物的模样，但是几个世纪过去了，还是依然只能停留在对生物学证据的依赖上面。他们希望通过研究古生物和现代生物之间的共性，推断原始细胞中的组成成分。而生物学家们更是“脑洞大开”，他们通过逆向推理，已经提出了一系列有关单细胞生物形成时间和地点的假设。然而，到目前为止，这些都只是“异想天开”，并没有办法证明。

不过好消息是，最近地质学家们也加入了研究的行列，助生物学家们一臂之力。借助生物学家们的指引，地质学家们开始研究地球上年代最古老的岩石，希望借此找到第一批细胞生物留下来的痕迹。同时，借助地质学家们的指引，生物学家们也开始研究远古时期“稀奇古怪”的环境，寻找早期细胞生物的宿营地。地理界和生物界的强强联手，使得古代生命形成时期的场景逐渐清晰起来。

根据教科书上的定义，生物体是可以改变周围环境的，它们与自然界进行能量交换与物质交换。因此早期的单细胞生物一定也会留下一些永久的化学印记，证明它们在这个世界上存在过。因为这些化学元素特定的化合形式，只有通过生物体的新陈代谢才能形成。但是如今，包含这些重要化学线索的物质少之又少，它们大部分都被埋藏在深深的地下，仿佛在向科学家们表示：“能奈我何？”只有当火山喷发或者山脉隆起的时候，它们才有可能“重见天日”，当然这个概率和中彩票无异。不过，这依然阻挡不了地质学家们的雄心壮志，他们不仅决心找到这些携带生命信息的岩石，还要认真地研究它们。

美国科罗拉多大学博尔德分校的斯蒂芬·斯蒂芬（Stephen Mojzsis）形象地表示：“这些地质学记录就像是铺在老房子里的地毯。在长达几个世纪的时间里，人们在这‘地毯’上面肆意地践踏，导致它已经完全‘起毛’了，只剩下丝丝缕缕的彩色‘线团’。但是如果你观察得足够仔细，还是能在这些为数不多的‘线团’中发现端倪，你可以从中看到‘地毯’原来的样子。”

事实上，这项工作远远不止这些。寻找早期生命留下的这些“线团”只是这项挑战中的冰山一角。地质学家们还要研究这些“线团”是在哪里被“纺织”成型的。关于这个问题，目前地质学家们分成了两支研究小分队。其中一队将研究的重点放在深海区域，因为他们在水下发现了一种新型的排风孔。另外一队则将目光放在了蒸汽缭绕的池塘，因为他们的盟友生物学家认为，这里可以满足生命所需的一切必要条件。

在这段伟大的征程中，地质学家们和生物学家们携手并肩，大步前行。他们互相监督，彼此检查，积极寻找一切微小的可能。

“我们现在急需一批能够从地球演变与地质状况的角度上考虑问题的生物学家，而不是拘泥于用试管做实验，因为很显然，在早期地球上根本不存在试管。”斯坦福大学的地球物理学家诺姆·斯里普（Norm Sleep）表示：“我认为我应该为这些生物学家们提供一份早期环境的详单。”

岩之生命

45亿年前左右，地球“宝宝”诞生。那时的地球像一个“火球”，炽热无比，极不稳定。1.5亿年后，成型不久的地球遭受了一次小行星的撞击。这一撞使地球发生了翻天覆地的变化，也“撞”出了月球。

“每一次可能孕育出生命的地球事件，都被规规整整地列了出来，”斯蒂芬表示，“这其中就包括月球诞生记。这次事件让地球重新变成熔融状态，而且让整个地球都从头开始，你可以想象这是一场怎样的灾难。任何生命都不可能在这场灾难中活下来。”不过，黑夜褪去，光明终究会来临。随着地球在冥古宙时期渐渐冷却，它慢慢变得适宜居住。到了38亿年前的太古宙初期，已经有生命开始繁衍生息。

你可能想问，为什么地质学家们知道这个时候就有生命了呢？这是因为他们发现，太古宇地层中的碳含量非常高。在生命体出现之前，地球上的碳大部分都存在于大气中。但是这一切都因光合作用而改变。光合作用是可以为生命体提供能量的一系列化学反应，这个过程中会生成固体形式的碳，它们在地表上逐渐富集。因此，这些富含碳的岩石意味着光合作用的出现。当然，除了碳，还有更多其他的元素。科学家们发现，古代岩石中含有红色的“带状铁层”，这也暗示着光合作用。因为只有光合作用才会释放出氧气，之后氧气将铁氧化成红色的高价铁（详见Science News 2009年6月20日第24页）。

美国斯坦福大学的地球化学家丹尼斯·伯德（Dennis Bird）表示：“这些光合作用产生的时间大约是在38亿年前。不过，光合作用是一种十分高级的化学反应，并不是与生俱来的。生命体需要一段时间才能把它‘发明’出来。而这段时间具体是多少就不好表示了，因为历史越久远，数据量就越少。”

研究人员的“获得感”变得越来越少，因为想要获得一块冥古宙的岩石比登天还难。在长达40亿年的历史长河中，地球上所有地层的岩石和矿物都在不断地循环，一刻都没有停止过。如今，地球上最古老的岩石基本都埋在地幔深处，深度至少在几千米以上。此外，正所谓“祸不单行”，这个层位的岩石不仅非常黏稠，而且温度高达数千摄氏度。地幔就像一个大熔炉，将不同年代不同区域的岩石“混”在一起“搅拌”。当这些岩石有朝一日重回地表的时候，它们已经变得“面目全非”了。

斯里普表示：“到目前为止，我们获得的有关冥古宙的直接证据只是一些矿物晶体，它们的大小刚好适合放在顶针的上面。”

这些矿物晶体大部分是锆石。锆石的物理化学性质十分稳定，即使在地幔“大熔炉”中也完好无损。此外，还有一些锆石像粒粒稻谷，藏在澳大利亚西部的一些更年轻的岩石之中（详见Science News 1983年6月18日）。锆石晶体结构中含有氧元素和钛元素，通过研究氧和钛的类型和含量，可以计算出锆石晶体形成时的温度，而且还能知道它是否和水发生过作用。不仅如此，锆石还可以作为大陆形成的相关证据。

残缺的历史

即使地质学家们发现了冥古宙时期的岩石，也只相当于杯水车薪，因为接下来的问题更棘手。他们要在这些岩石中寻找生命的信号，但殊不知，不同时期和不同地区的细胞，它们的化学成分可谓千差万别。斯里普和伯德理清头绪，综合分析，38亿年前的生命体应该会留下什么样的地质学信息？现在，他们开始向其他的地质学家们请求外援，希望地质学家们一同寻找这些化学信息。

斯里普表示：“虽然岩石学家们一辈子都在研究地幔，但是他们没有接受过古生物学家那样的培训，所以有时候，在我们看来弥足珍贵的岩石被他们随手一扔就扔掉了。”

科学家们在最近的一期的《地球与行星科学年度综述》中提出，岩石中的一些化学物质，可能是古生物留下来的重要线索，这些化学物质包括：硫酸盐、铁、铀、镍和氮。当然，这份名单也是地质学家和生物学家共同合作的结晶。首先，他们需要探讨很多重要问题，比如：这些生物体如何新陈代谢，它们如何繁殖，以及它们如何对周围环境进行反馈调节等。之后，地质学家们根据这些信息，把专家们认为有可能是古生物体的痕迹东拼西凑地整合到一起。研究团队在报告中指出，这些重要的化学信号，虽然历经了自冥古宙以来漫长而又剧烈的岩石圈大循环，但它们完好无损，历久弥新。

虽然这些元素的存在并不意味着鲜活的生命，但是只要这其中的任何一种元素，它们一团团一簇簇地聚合在一起，就可以成为探寻古生物的线索。

“我们根据这些生命信息的提示，专注于寻找我们想要的东西。”德国杜塞尔多夫海因里希·海涅大学的进化生物学家比尔·马丁（Bill Martin）表示：“如果我们不知道寻找什么，那就真的完蛋了。所以我感到十分庆幸的一点是，我们的目标很明确，知道我们要找什么，而且我们对于未来充满期待，这些生命信号一定能让我们重回冥古宙时期。”

科学家们已经知道去哪里寻找这些生命信号了，一是澳大利亚的西部，二是格陵兰岛的西南海岸。这两个地方因盛产30亿年前的岩石而闻名于世。当然，还有其他的地方也有这样的“古董”。“寻宝”的过程漫长而艰辛，但是一旦找到它们，科学家们就可以很轻松地确定生命形成的时间。目前，生命形成的“窗口期”依然长达近十亿年。

时间跑得再快，也跑不过人类认知前进的速度。人类借助不断前行的认知能力，回顾早已远去的历史。通过研究这些岩石中的化学物质，科学家们将逐步了解早期细胞的生存方式，以及它们当时赖以生存的环境。

下一盘大棋

大多数的生物学家都认为早期的生命是水生的，因为在当下，所有的生物都离不开水，所有分子都需要在特定的液态环境下才能进行相互作用。但是，是否早期的细胞也生活在水中——咸咸的海洋抑或是淡淡的湖泊，这些都还没有得出定论，科学家们仍为此争得“脸红脖子粗”。不过关于这个问题，地质学家们又可以发挥他们的优势了，他们回溯了早期地球的自然环境状况，并且探究了当时地球上的一系列化学过程。

2000年，一个偶然的机会让科学家们更加相信生命起源于水中。这一年，科学家们组成远征队伍奔赴大西洋进行深海探查，在大西洋中部发现了一种新型排气孔。它们位于深深的洋底，就像迷失的城市，不为人知，与世隔绝。科学家们对这些排气孔的化学成分和地质状况进行了分析，发现它们比较适合微生物生存。因此，包括马丁在内的一些生物学家认为，这类地点应该是早期生命最主要的聚居地。

由于大部分的深海排气孔都是靠洋底火山的热量驱动，所以它们排出的气体会使周围的海水呈现酸性。但是这些坐落于“迷失城市”之中的排气孔，是靠地幔岩石和海水的相互作用驱动的，因此它们会创造出一种非常难得的碱性环境。这对于生命来说，无疑是“喜大普奔”。

这些排气孔会喷出甲烷和氢气到海水中，然后它们相互作用形成烟囱状的石灰岩、醋酸盐（早期生命的一种潜在能量来源）和碳氢化合物（生命的重要基石）。除此之外，“石灰岩烟囱”上还有一些细孔，这刚好可以有效防止化学物质被水冲走，并使它们在这些“庇护所”里发生化学反应。

马丁目前与地质学家们进行合作，也是“迷失城市”派的成员之一。他表示：“‘石灰岩烟囱’上的这些微型小‘包间’相当于细胞膜的作用，不过它的方式显然更直接，直接将各种化学物质“强拉硬拽”在一起，阻止它们出去。”而殊不知，这正好应验了“鹬蚌相争，渔翁得利”，这些化学物质可能被早期细胞视为美食，它们可以在“包间”内毫不费力地享用它们。马丁感叹道：“‘迷失城市’的发现是这一领域过去几十年以来最令人激动的事了。”

虽然如今位于“迷失城市”的这些排气孔可能不会超过40亿年的历史，但是一定还有一些类似“迷失城市”的地方，那里的排气孔会向原始海洋中排放足以维持生命的化学物质。在这项研究中，地质学家们负责判断排气孔是否存在，而生物学家们负责判断环境是否适宜生存。

然而，德国奥斯纳布吕克大学的阿曼·穆尔基德亚尼安（Armen Mulkidjanian）却有不同意见。他正在研究现代单细胞生物的共同点，这是很多进化生物学家都津津乐道的一个话题。他们认为，让研究人员“头疼不已”的这类生物体应该归属于两大类，一是细菌域，二是古生菌域。而细菌域生物和古生菌域生物在35亿年前拥有共同的祖先。

当然，地球上的第一批细胞生物可能会比这个所谓的“祖先”年代更久远，但是只有在对“祖先”的研究基础上，才可能绘制出比它更古老的细胞的模样。到目前为止，研究人员已经发现，细菌域生物和古生菌域生物有60对基因是相同的。因此他们推断，这位“祖先”也应该含有这60对基因。科学家们将这位“祖先”简称为LUCA（Last Universal Common Ancestor），意为“地球上最后一个共同的祖先”。

穆尔基德亚尼安表示：“这些基因会编码出原始生物的蛋白质，而我们目前是要研究出每一种蛋白质各需要什么类型的有机离子。”他的团队2012年年初在《美国国家科学院学报》上发表了一篇文章，指出这些蛋白质对钾元素的需求量特别高，超出其他任何一种元素。同时，他们还表示，钠元素会抑制很多细胞组分的活性，以至于会对基因编码蛋白质的过程产生影响。

穆尔基德亚尼安介绍道：“早期的细胞膜通透性非常强，虽然能留住蛋白质和核苷酸，但是却留不住钾元素。”这就意味着这位“祖先”必须生活在钾元素多于钠元素的地方，才能维持生命。这其实是它必须要做的利弊权衡。

所以，现在又到了生物学家向地质学家“虚心请教”的时候了。什么地方的钾元素多于钠元素呢？地质学家们表示，他们对冥古宙的岩石进行了研究，所有的证据都表明，原始海洋中钠的浓度非常高。不过话锋一转，有一个地方却是例外，钾元素将钠元素反超，这便是由火山蒸汽形成的湖泊。而冥古宙这样的火山可以说是随处可见。

当岩浆将周围的岩石加热时，岩石中的水分便会蒸发。这时，它们往往会“拖家带口”，携带着一些特定的元素一起“逃逸”，但却将另外的元素留在原地。当这些蒸汽凝结成水重回地表的时候，淡水湖泊便形成了。这些湖泊可谓高营养，不仅富含钾，还富含锌和磷酸盐，它们都是早期细胞新陈代谢必需的最基本物质。这是生物学家和地质学家的又一个完美结晶。因为这颗“祖先”细胞所需的物质刚好在地质学家们描述的地热场中可以找到，正如穆尔基德亚尼安所说：“这些地质学领域知识刚好合我们的胃口。”

关于生命的起源，究竟发生在海水、湖泊，还是其他地方，终究还只是猜测，所能获得的证据依然少之又少。同样，对于早期生命的模样以及它出现的时间，也没有定论。但是随着地质学家和生物学家继续“强强联手”，一定会找到更多的新证据，让目前的研究变得焕然一新。

对于地质学家来说，未来的挑战在于寻找更多的古代岩石，并且基于对它们的综合分析，描绘出一幅冥古宙更详尽更完美的画卷。对于生物学家来说，未来的任务是将早期细胞的一系列理论与地质学家们描绘的这幅画卷结合起来，达到新的高度。

马丁表示：“我们立志要让微生物学与地球化学走得更近，然后携手并肩，走得更远。”

随着不断有新的锆石“重见天日”，以及从化学角度上对宜居环境的探究步步深入，这个有关生命起源的故事将会逐渐完善，最终取得一个完美的结局。

幼年地球的脉搏——长达20亿年的爆炸

小行星撞击地球的时间比之前预想的更长。

纳迪亚·德雷克

众所周知，地球在形成之日起，就开始不断迎接外太空小行星的“沉重打击”，这已经不是什么秘密。而最新的研究更是表明，地球遭受这种“打击”的时间远比我们原本想象的要长。

在这之前，科学家们原本认为，这些事件发生于“大冲撞晚期”，最多也就持续几亿年而已。但是据最近一份发表在2012年5月3日《自然》杂志上的研究表明，经过科学家们的模拟计算，这场“星球大战”竟然持续了至少20亿年。

本研究的合著者、美国科罗拉多博尔德西南研究所的威廉·博特克（William Bottke）表示：“目前来看，这些小行星的冲撞很可能导致了生物圈发生严重变化。”

通过对早期的太阳系进行重建，科学家们发现，这些“轰炸”活动大约开始于41亿年前，而导火索是那段时期外行星正在进行的大规模重组。那时，木星和土星经常向外甩出一些小行星和彗星，顺带着甩出很多冰团。此外，它们的轨道也正在发生变化，而轨道的变化引起了剧烈的引力潮汐，这就使得冰团被甩得更远。

先前的研究表明，这场宇宙“动乱”在大约37亿年前就结束了，但是最新的证据表明这个数字应该改写为18亿年前。“可是，这么多的入侵者究竟是来自哪里呢？我们可能忽略了一些东西。”博特克表示。

根据博特克最新的研究，彼时的小行星带的内边缘应该在如今火星的位置附近，当然，如今它已经移动到了地日距离2.1倍的地方。根据博特克的模拟，由于外太阳系一直“躁动不安”，不断地向内太阳系地区抛射小行星，搅乱了原本平静的太阳系扩张秩序。这些小行星比现在我们周围的小行星更加炽热，它们可以为一些更现代的冲撞事件提供证据。

更长久的撞击时间可以解释为什么地球沉积层中存在一些微小的“撞击球”。由于小行星的猛烈撞击，岩石将汽化，并呈羽毛状向外抛射，最终扩散到全球，并且浓缩成透明小球，当然此时的它只有其中一部分物质是来自外太空了。通过对这些小球的年代进行测定，可以发现小行星撞击地球的频率正在逐渐下降。“可以说，这是地质学与模型计算的一次完美联姻。”美国斯坦福大学的地质学家唐纳德·劳（Donald Lowe）表示。

另一项研究的合著者、美国普渡大学的布兰登·约翰逊（Brandon Johnson）表示，虽然很多撞击坑可能会慢慢被一些构造活动破坏掉，但是由这些小球组成的沉积层却将会持久存在。“所以，如果你能发现这种沉积层，你就可以通过测量它的厚度来估算这颗小行星的大小。”

澳大利亚古化石：“水生”还是“陆生”？

部分古代海洋生物化石可能是“陆生”。

苏珊·米利厄斯

曾经，科学家们认为澳大利亚的很多化石都是海洋生命大爆炸的证据。而如今又出现了另外一种声音，有研究人员提出，其中的很多化石其实是陆生生物，不过这种说法饱受争议。

埃迪卡拉生物群，是指距今大约5.75亿年至5.42亿年期间的生物大爆发，以澳大利亚的埃迪卡拉山脉命名。如今已经在全世界的30多个地方发现了埃迪卡拉动物群的痕迹，这些生物有的长得像光盘，有的则像叶片，都是非常普通的形状，同时还拥有软绵绵的质感。古生物学家普遍认为它们属于某种海洋生物。

但是一项新的发现打破了沉寂。一些研究人员对这些化石进行了详细分析并指出，这些埃迪卡拉动物群化石其实是石化的土壤或古土壤，而并非是海底岩石。美国俄勒冈州尤金大学的格雷戈里·瑞塔莱克（Gregory Retallack）表示，根据这些化石的位置布局和岩石中的微型导管可以判断，至少有一部分埃迪卡拉动物应该是陆地土壤中的“居民”。

当然，瑞塔莱克的研究之路历经坎坷，饱受争议。在这之前他曾经提出，埃迪卡拉生物群并不是“水生的”，而是陆生的地衣。当时就遭到了很多异议。如今，他又将这项新发现发表在2012年12月12日的《自然》杂志上，他已经做好了迎接新一轮“口水战”的准备。

加拿大金斯顿女王大学的埃迪卡拉资深研究员盖伊·纳博讷（Guy Narbonne）称，如果埃迪卡拉的生物真的是陆生的话，它的意义非同一般，绝不仅仅是重新研究地球早期复杂多细胞生物的生存区域这么简单。虽然他并不同意这项新的论断，但是假如它成立，将意味着几十年来的古环境研究都是建立在一个有缺陷的假设上的。

瑞塔莱克是古土壤领域的专家，但是他也只是从最近几年才开始仔细研究澳大利亚的地质结构，而地质结构与埃迪卡拉动物群的特性息息相关。瑞塔莱克介绍道，当地岩石中的钛元素和一些其他元素都呈现出了与土壤类似的层理特征。碳和氧表现出一些罕见的同位素，而它们也在互相发生作用。

瑞塔莱克注意到，石膏晶体和一些其他的瘤状物与沙粒混合在一起，如果它是在水下形成的，这些沙粒肯定不会存在。他还注意到，化石表面呈现出的是像大象一样的龟裂状纹理。此外，化石呈现红色，根据推测，它不太可能像是现代风化，更像古代风化，也说明它曾暴露于空气中。

“但是，这不能让人信服。”美国布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学的肖书海（Shuhai Xiao）对这项研究持怀疑态度。他还是认为“水成说”可以解释埃迪卡拉生物群的一些细节问题。

二叠纪的堪萨斯——74摄氏度的炼狱

艾琳·韦曼

如果用三个字描述二叠纪，那就是：热，热，热！根据《地质学》（Geology）2013年3月18日的研究报告，在2.7亿年前，赤道附近的气温可能高达74摄氏度（165华氏度）。如今地球上无论哪个地方的温度，对于这个数字来说，都是小巫见大巫了。

尼尔·泰伯（Neil Tabor）是美国达拉斯南卫理公会大学的地球沉积化学家，他没有参与这项研究。对于这个温度，他不禁感叹：“我甚至都不敢想象这是一幅怎样的景象。”我们知道，在2.52亿年前的二叠纪末期，发生了一场大灭绝。但是在这之前，一些热带地区的动植物离奇消失。或许，这个极端温度便是它们消失的原因。在这样的温度下，只有那些喜欢“极限挑战”的微生物才能存活下来。

证据就藏在堪萨斯的沉积物中。在二叠纪时期，几个大陆聚合形成盘古大陆，此时的堪萨斯位于赤道附近。而堪萨斯的西部还是一片沙漠，不断有盐湖形成并蒸干，留下了盐类沉积。美国摩根顿西维吉尼亚大学的地质学家凯萨琳·贝尼逊（Kathleen Benison）和同事认为，那时的气温达到了50摄氏度，不过还是没有超过如今美国加利福尼亚州死亡谷的温度。

同样来自西维吉尼亚大学的杰伊·扎比图（Jay Zambito），与贝尼逊一道，对堪萨斯西部的其他地点也进行了调查，而这些地点的历史气温竟然更高。这让他们大吃一惊。这些研究结果主要是基于对岩盐晶体进行的实验。岩盐晶体是在盐湖蒸发的过程中形成的，在这个过程中，盐湖中的一些微型气泡会被“禁锢”在岩盐晶体之中。因此，科学家们通过对这些气泡进行实验，估算出它们形成时的温度，这便是古盐湖的温度。

贝尼逊介绍道：“每一个微型气泡，都代表着一个特定时间、特定地点的环境状况。”她还补充道，由于这些盐湖一般只有数十厘米深，所以这些微型气泡可以很好地反映出空气温度。

研究团队收集了大致在600米至800米深之间的湖底沉积物，并将它们分成15层，共得到将近400个可以反映气温的实验样本。然而，这些样本对应的时间还并没有完全确定。虽然这部分记录反映的时间整体在2.7亿年前左右，但是这段记录的时间跨度仍然未知。

在这段历史时期的开端和结尾，平均气温仅为二三十摄氏度。但在中间时期却达到“巅峰时刻”，平均气温蹿升至接近45摄氏度。并且在这个时期，白天气温如同过山车一般，在25摄氏度至74摄氏度之间浮动。为了探究这种现象是否是整个区域的共性，贝尼逊和扎比图计划扩大他们的研究范围，研究更多地区的历史温度。

然而，其他一些研究人员却并不买他们的账，不相信他们发现了极高气温。加拿大卡尔加里大学的地球化学家罗恩·斯宾塞（Ron Spencer）表示：“他们能不能测量到空气温度都是个问题。”因为在现代沙漠中，由于盐湖具有更好的保热能力，一些浅盐湖的湖水温度比空气温度还要高，甚至高很多。

退一步来说，如果他们所说的气温是正确的，那么又出现了一个新问题。“为什么这个地方能在那时出现这样的极限温度？”泰伯表示。而气候模型也不能解释为什么在这样的条件下，仍然有液态的地表水存在。

北美西部地貌演化“两步曲”

北美洲地质历史比之前认为的更加错综复杂。

艾琳·韦曼

正如罗马不是一天建成的，北美洲西部也不是一朝一夕就形成的。研究人员发现，太平洋海底的很多板块碎片要么滑到了北美洲板块的下部，要么互相滑到了彼此的下部。而这会形成一个传送带，将来自不同方向的岛屿统统运送到北美洲的西部，形成了这一区域崎岖复杂的地形。

东·福赛斯（Don Forsyth）是美国罗得岛普罗维登斯布朗大学的地球物理学家，他没有参与此项研究。他表示：“这项研究让我们对北美洲的地质历史有了颠覆性的认识，这简直是一场小型革命。”

过去的2亿年里，一些板块碎片堆积拼接，形成了如今落基山脉以西的北美洲。这些活动始于北美洲从盘古大陆解体并向西漂移的前不久。

地质学家们认为，在那个时期，一块被称为“法拉龙板块”的海底板块碎片，俯冲到北美洲西部边缘的地幔之中。它的俯冲非常轻快有力，以至于北美洲大陆就像一辆推土机一样，将法拉龙板块上方的小岛给“铲”了下来。

德国慕尼黑大学的卡琳·西格罗（Karin Sigloch）与加拿大不列颠哥伦比亚地质研究所的米切尔·米哈纳克（Mitchell Mihalynuk）在2013年4月4日的《自然》杂志上发表了一篇文章，他们对地球内部进行了三维透视研究，发现了一段很复杂的地质演化史。

地震波在这些俯冲的板块碎片中的传播速度比周围的地幔物质要快。西格罗利用了这一点，采用振动学方法生成了北美洲地下2000公里的板块图像。结果显示，板块的俯冲包含了一个“双循环”过程，这个过程使得北美洲西部的地壳碎块更好地“缝合”到一起。

西格罗和米哈纳克注意到了其中一块板块碎片，它在之前的图像中被解译为法拉龙板块的东半部分。如果按照传统观点，认为它是简简单单俯冲到北美洲下部的话，那么它的形状与理论上的并不一致。研究人员指出，这块板块碎片其实是两个最新发现的海底板块的残余部分，它们在历史上曾经向着远离北美洲西海岸的方向漂移过。

研究人员推测，随着北美洲板块向西漂移，这些海底板块碎片一个接一个地俯冲到法拉龙板块以及其他向西漂移板块的下部。这时，俯冲带附近开始形成岛屿，并且逐渐增多。当这些海底板块碎片全部沉入到地幔中后，法拉龙板块开始向东漂移，并且开始向北美洲板块的下部俯冲。而在前期俯冲阶段形成的第一批岛屿此时被“揉捏”到了北美洲大陆上，之后法拉龙板块上的岛屿也开始沿着大陆的边缘堆积起来。

福赛斯最后表示，只有进行更多的测试，才能看出这套新理论是否比原来的传统观点能更好地解释北美洲西部复杂的地质状况。

年幼的地球，如何俘获你温暖的心？

科学家们力争破解“早期太阳疲乏悖论”，探究早期地球“保温”原理。

艾琳·韦曼

这是一个气候难题。让我们首先重回地球的婴儿期时代——大约45~25亿年前。那个时候的太阳要比现在黯淡得多，地球也得不到很多的辐射能，所以按理来说，那时的地球应该是一片冰冻荒原。然而，种种迹象却表明，那时，丰盈的液态水正欢快地流淌在这个年轻的星球上。甚至，正是在那个时候，地球上的第一个生命懵懵懂懂地苏醒了。科学家们将这个难题称之为“年轻太阳的衰弱悖论”。

这个悖论是1972年由卡尔·萨根（Carl Sagan）和乔治·马伦（George Mullen）提出的。那时，研究人员已经发现，在恒星的婴儿期，随着其内核中的氢发生核聚变而生成氦，整个恒星的亮度会随之增加。但是，研究人员逆向推演的结果却表明，在地球的前一半历史时期里，太阳的辐射要比现在少20%~30%。

支撑这个悖论的证据来自于岩石向我们提供的信息。根据这些信息，早在太古宙时期，也就是38亿~25亿年前，就已经有液态水了。这是因为，地质学家发现了古老的枕状熔岩，它是一种瘤状的火山岩，只有当火山在水下喷发的时候才有可能形成。此外，科学家们还发现了波纹状的侵蚀现象，它是沉积岩被流水侵蚀的结果。

虽然目前还没有发现冥古宙早期，也就是45亿~38亿年前的岩石，（详见Science News 2012年5月29日，第22页），但是，科学家们发现，在一些较年轻的岩石中含有冥古宙时期的锆石矿物，通过对这些岩石的研究，科学家们指出，液态水至少在42亿年前就已经“闪亮登场”了。

那个时候，由地球自身的构造运动产生的热量大部分已经被消耗殆尽了，所以不能用它来解释气候变暖现象。唯一的解释只能是，有一股未知的神秘力量让我们这个星球升了温。目前，我们还没有办法找出它究竟是什么，因为连最基本的数据——地球早期的气候因子数据都遗失不见，“这都要归咎于地球整个系统太过于活跃，以至于这些证据很快便被抹掉了。”美国芝加哥大学的行星科学家罗宾·华兹华斯（Robin Wordsworth）表示。

不过，庆幸的是，理论知识倒是一点都不缺。在过去的40年里，气候科学家已经针对各种现象——无论是大气中超高浓度的温室气体，还是不断改变的地日距离，都提出了一系列的解释。这些解释有一些看上去貌似可信，但即使是最可信的假设也都给科学家们的研究带来了很大障碍。

尽管如此，随着科学家们对地下矿物的研究不断深入，也获得了更多的地质线索。他们对早期地球气候的有关假设进行精炼，相信离最终的成功已经不远了。德国波茨坦气候效应研究所的古气候学家格奥尔格·弗伊尔纳（Georg Feulner）表示：“我很有信心，未来几年，我们会解开这个早期太阳悖论问题。”如果这个问题能解决，那么它不仅对早期的地球适用，而且对那些有可能适宜居住的系外行星也适用。

超级温室气体

气候科学家们坦陈，关于幼年太阳如此疲弱的悖论，可能不是一个答案就能解释得清楚的。正如弗伊尔纳所说，冥古宙和太古宙延续了20多亿年，什么都有可能发生，很有可能是很多因素共同作用导致了地球变暖。

鉴于冥古宙的地质学记录太少，气候科学家们将注意力转移到更容易研究的太古宙上，以求找到解释太阳悖论的答案。然而，这同样让他们伤透脑筋，因为科学家们无从知晓那个时候的全球气温是怎么样的，只知道它可以支撑液态水存在。“这才是最令人沮丧的事情。”美国宾夕法尼亚州立大学帕克分校的行星科学家詹姆斯·卡斯汀（James Kasting）表示。

鉴于这些局限性，现在的目的就是要建立一种场景，然后将地球平均气温置于这个场景中，使它要么至少高于冰点，要么接近今天的气温。很多气候科学家一致认为，如果温室效应以某种形式加强的话，有可能会让地球升温。有些温室气体，比如二氧化碳，允许阳光射入大气层，而经地面反射后的它却无法逃逸出去，像进了陷阱一样。如果温室气体的浓度够高，它就足以让地球保温。但最棘手的问题是找出哪些温室气体起了作用。

早在1972年，萨根和马伦就认为，氨气是解决这个问题的关键。这种理论认为，如果早期地球大气含有大量的氨气，那么它就可以通过雷击作用产生构成早期生命体的分子，不过这种理论现在来看已经过时了。20世纪70年代至80年代，其他研究人员发现这种理论存在重大缺陷。因为尽管氨气可能有很强的温室效应，但是紫外线可以很轻易地将氨气分解，它可以在十年的时间内将氨气的数量减少到大气层保温所需的标准之下。如果想让这个理论成立，必须让火山强有力地持续爆发，来源源不断地产生氨气，而这显然是不可能的。

目前科学家们提出了一种更能说得通的解释。那就是早期的地球通过火山爆发和风化作用这二者的平衡，使得二氧化碳含量一直保持稳定（这是由于，风化作用通过一系列的化学反应，将大气中的二氧化碳气体分解掉，而碳元素则最终存储在海底的沉积层中）。但是这样的话，需要的二氧化碳就太多了。卡斯汀的团队经过计算发现，在太古宙早期，如果要通过二氧化碳来弥补太阳辐射的短缺，那么地球所需的二氧化碳量将是人类工业化之前大气二氧化碳量的1000倍。而在太古宙后期，随着太阳辐射的增加，这个数字减为工业化之前大气二氧化碳量的300倍。

然而这与氨气假说一样，也存在漏洞。因为地球化学研究的有关证据表明，太古宙的二氧化碳含量可能并没有那么高。最近，美国安阿伯市密歇根大学的地质学家南森·谢尔登（Nathan Sheldon）和同事们分析了美国明尼苏达州26.9亿年前的土壤化石。通过比较古土壤与下部基岩的化学组成，研究人员估算出土壤被风化的程度，进而推算出太古宙大气中的二氧化碳含量。经过计算发现，这个数字最有可能是人类工业化之前二氧化碳含量的40倍。谢尔登和同事们将这项研究结果发表在2011年的《前寒武纪研究》上，并补充道：“这显然并不足以弥补幼年太阳极其稀少的辐射量。”

谢尔登和卡斯汀一致认为，甲烷可以为二氧化碳的增温效应助一臂之力。可以说，甲烷是温室气体中的“潜力股”，它捕获热量的效能大约是二氧化碳的20倍。而且对甲烷来说，更庆幸的一点是，由于太古代氧气十分稀缺，所以它可以在长达数千年的时间里免于被分解的“不幸命运”。

卡斯汀的计算结果为，如果想让太古代中期的温度达到现如今这样的水平，需要大气中含有至少千分之一体积的甲烷，并配之以工业化前期100倍之多的二氧化碳。如果二氧化碳含量很高，就可以防止甲烷的浓度过高，因为过高浓度的甲烷会形成一层致密的甲烷气层，它会反射太阳光线，使地球变冷。他将这项研究成果发表在2008年的《太空生物学》（Astrobiology）上。

现如今，由于甲烷与氧气的相互作用，导致甲烷浓度仅仅为十亿分之几。当然，目前还不能够断定27亿年前地球上的甲烷是否比现在多。谢尔登解释道：“这是因为，虽然对于二氧化碳来说，我们已经找到了不错的方法来研究。可是对于甲烷，目前还并没有找到合适的代用指标。”不过，一些细菌可能会给我们一些提示，这些细菌是制造今天大部分甲烷的“发生器”，当然，这是它们进化的结果。如果在氧气稀缺的那个时代，它们也能有今天这样的产能效率的话，那么当时的甲烷总量将是今天的1000倍。这对于弥补太阳匮乏的辐射量完全足够了。而且目前有一个迹象表明那时存在大量的甲烷，那就是冰川。到了太古宙晚期，由于氧气增多，甲烷的“生存环境”受到了极大的威胁，含量急剧减小。用这个说法来解释温度降低貌似是说得通的。

温室气体——小助手帮大忙

科学家们相信，除了二氧化碳和甲烷，一定还有更多的气体在帮助地球渡过难关。在最近的这些年里，一些学者就专注于寻找其他能使地球升温的气体。这时，氮气和氢气进入了人们的视线。

氮气是现如今大气层中的“老大哥”，它占了超过四分之三的比重，而那个时候它的浓度比现在更高。尽管它并不是温室气体，但是它可以帮助温室气体增强温室效应。加拿大维多利亚大学的地球科学家科林·戈德布拉特（Colin Goldblatt）表示，如果氮气含量够高的话，即使二氧化碳没有那么多，液态水也同样可以存在。这样的话就可以将一些地球化学方面的反面质疑通通驳斥掉。

氮气会增加温室效应的原理在于，它可以增加气体分子之间碰撞的几率。如果温室气体分子被撞击，就会改变振动方式，而振动方式恰恰是决定它吸收太阳辐射量的重要因素。古德博莱特表示，如果给它的撞击足够多，那这些温室气体分子就会吸收更宽波长范围内的太阳辐射。最终的结果就是，温室气体吸收了更多的能量。

戈德布拉特介绍道，氮气做的无非就是给温室气体更多的撞击。根据戈德布拉特和同事们发表在2009年《自然地球科学》上的论文，在25亿年前，如果二氧化碳的含量像地质学记录估算的那么多，并且当时还含有一定量甲烷的话，那么再给它添加今天两倍数量的氮气，就可以解决当时的太阳辐射量短缺的问题。（但同时他也补充道，如果大气中的氮气浓度过高，它们就会使入射的太阳光线出现散射，这样反而会让地球冷却。）

氢气也助一臂之力。华兹华斯解释道，如果当时氨气和氢气的含量都够高的话，它们之间就会频繁地发生碰撞，形成很多氮-氢分子团，这些分子团可以短暂地维持一段时间。而且最重要的是，它们的振动方式和原先各自的振动方式不同，正是这特殊的振动方式会促进温室气体的温室效应。而且氮-氢分子团可以作为二氧化碳和甲烷的补充，可以吸收很多它们吸收不到的太阳辐射，使得地球气温上升数摄氏度，具体的数字取决于氮气和氢气各自的含量。华兹华斯与同在美国芝加哥大学的雷蒙德·皮埃安贝尔特（Raymond Pierrehumbert）将这项研究发表在2013年1月的《科学》杂志上。

然而，就像二氧化碳和甲烷一样，我们也很难估算出太古宙的大气中到底有多少氮气和氢气。戈德布拉特分析道，太古宙时期的氮现在都已经存储在地壳和地幔当中了，当时氮的数量特别多，很有可能是现在的两倍。与此同时，卡斯汀表示，在冥古宙时期，在那些制造甲烷的微生物还没有出现之前，氢气可能是完全的“自由主义者”。而当到了太古宙早期，这些微生物进化之后，便开始“狼吞虎咽”地吞噬氢气，制造甲烷。

如果想评估这些“百家争鸣”的解释到底谁是谁非，就需要某种古代气压计，戈德布拉特表示。如果科学家们能知道太古宙的大气压是多少，就可以确定是否应该向模型中大量地注入气体，让模型中的气体压力也增大。这是解决早期太阳疲乏悖论的一个行之有效的方法。

2012年，研究人员想出了一个估算大气压的办法：雨滴化石。美国莫菲特菲尔德国家宇航局艾姆斯研究中心的研究员圣乔恩·索姆（Sanjoy Som）和同事们研究了火山灰中的27亿年前雨滴溅落的痕迹，以此估算当时的大气压。不过，这二者要通过一系列长论断才能联系起来。

雨滴溅落的形状一定程度上取决于它在空气中降落的速度。而它的降落速度又取决于空气密度，它会多多少少地给雨滴制造些摩擦。

索姆的团队在室内模拟雨滴溅落，分析它溅落的痕迹，并将结果发表在2012年的《自然》杂志上。他们的结论是，太古宙晚期的大气密度不超过今天的两倍。

由于空气密度与大气压成正比，于是气候科学家们就按照最大上限，向模拟太古宙晚期大气的模型中充入气体，直到再也充不进去为止。华兹华斯解释，对于二氧化碳和甲烷假说，科学家们通常依靠增加二氧化碳和甲烷的浓度来检验，所以这种方法不是一个好的反证法。但是对于氮气假说来讲，这种方法就可以很好地反证。

华兹华斯进一步表示，目前对于太古宙的大气密度，仅有这一种估算方法。所以，如果想要下结论，到底当时大气密度是怎样改变的，还为时过早。

3D气候模拟

现在，科学家们对于早期太阳疲乏悖论问题，无一例外地采取了一维的气候模拟方法。下一步，要着眼于更复杂的三维模拟方法，这样才能真正理解地球早期的气候到底是什么样的。

一维模拟相当于对大气进行水平方向的“切片”，然后观察太阳辐射如何通过这些“切片”，并经过地面反射返回。华兹华斯介绍道，这种方法对于评估某一种温室气体的效应和强度来讲，确实很有用，但是当你想研究气候真实样子的时候，这种方法就未免太过于理想化了。

三维模拟方法将地表热量传输添加了进来。同时，还考虑了其他因素，比如风和云层的影响。卡斯汀感叹：“3D模拟方法实在很复杂。”

2012年12月，弗伊尔纳和同事们在《地球物理研究快报》上发表了第一份关于太古宙气候的三维综合模拟研究。弗伊尔纳坦言，研究人员对于三维模拟方法非常谨慎，因为很多因素都还是未知的，这些因素很可能对于最终结果起不到什么作用。但是弗伊尔纳同样也表示，在一维模拟方法中有两个没有考虑在内的因素，在三维模拟中起了大作用——地球自转和海冰。

由于太古宙时地月距离比较近，导致地球的自转速度比现在要快，可能当时的一天只有15个小时。我们知道地球上的热量通过大气和海洋，从热带地区传递到极地地区。而更快的自转速度会改变热量的传输方式。海冰对气温的影响则在于，它会比陆地和海洋反射更多的太阳光线，这无疑会使地球变冷。

在研究早期地球保持温暖所需二氧化碳量的问题上，如果采用简单的模拟方法，则会与目前的一些地球化学证据出现矛盾。而如果将自转、海冰等因素考虑在内，得到的模拟结果是简单模拟方法结果的7倍。当然，这只是其中一项研究的一个结果。弗伊尔纳相信，随着其他团队也开始使用3D模拟，我们将会对早期太阳疲乏悖论有一个更好的理解。

开辟疆土

随着气候科学家们研究地球在太阳疲乏时期里如何保持温暖，他们也自然而然地扩展了可适宜居住星球的定义。

目前寻找太阳系以外有生命存在的星球，是基于寻找理论上的可居住地带来进行的。理论可居住地带是指恒星周边存在液态水的区域。“现在我们可以将这个可居住区域的范围划得更广。”戈德布拉特表示，如果行星的大气层中有大量的氮气或氢气，这个行星的温室效应就比我们原先预想的要高很多。同时，华兹华斯也补充道，即使它是不围绕任何恒星旋转的“自由主义者”，如果它的大气化学成分符合的话，也可能拥有液态水。

当然，到目前为止，这些都只是推测。这些“行星猎手”们还需要进行一系列详细计算，才能确定太阳疲乏悖论的研究结果是否也能应用到寻找外太空生命的伟大事业当中。

漫长而蜿蜒的科罗拉多大峡谷

亚历山德拉·卫兹

站在美国科罗拉多州莱夫小镇上方的高地上，安德烈斯·阿斯兰（Andres Aslan）的心情久久不能平静。这位来自附近科罗拉多州梅萨大学的又高又瘦的地质学家，平常说话总是像教授一样低调。然而站在这里，注视着蜿蜒的河谷在秋天杨木的映衬下熠熠生辉，他的激情也被点燃起来：“就是这里了！”他热烈地挥舞着双手，抬高了音调：“这可能是全世界最重要的地点！”

阿斯兰所称的重要的东西，被称之为“唐根巴甫”（Taughenbaugh），是他脚下的一些砾石。175万年前它们曾位于科罗拉多河河畔。如今的科罗拉多大峡谷沿着曾经的河谷发育而成。经过数百万年的风风雨雨，滔滔河水将曾经的台地和河谷间的岩石层剥蚀殆尽。

阿斯兰已经在“唐根巴甫”和周围的台地考察了很多年，收集了一些线索，探究这条著名的河流如何缔造出这片宏伟壮丽的景象。他希望解开一项悬而未决的美国西部地区地质之谜：汹涌澎湃的科罗拉多河是何时形成的，是怎样形成的？

从源头开始，科罗拉多河便开始了它漫长的西南方向之旅。它穿过犹他州的红岩区，雕刻出了举世无双的拱门国家公园与峡谷地国家公园景观。一路上它历经水坝的阻挡，也历经人类为饮水和灌溉而进行的无尽索取，最终它穿过墨西哥，以涓涓细流汇入加利福尼亚湾，结束了它2300公里的旅程。

科罗拉多河是全世界最有故事的一条河流。它高深的峡谷为美国西部第一批地质勘探队提供了道路；它潺潺的流水滋养了从凤凰城到洛杉矶再到墨西卡利沿路数百万种沙漠生物。然而，科学家们却对科罗拉多河的历史了解甚少。

如今，科学家们已经知道在大约1100万年前，雨水汇入落基山西部的一条所谓的“古科罗拉多河”。大约500万年前，河水冲出了加利福尼亚湾，使得整条河流系统的河水都被排干。不过除此之外，还有许多未解之谜。

一个最大的谜团就在于，科罗拉多河的“举世壮举”——科罗拉多大峡谷，是何时形成，以及怎样形成的？最近几年，地质学家们针对这个问题分成了两大派系。一部分人认为，大峡谷的凿刻，并不是形成于600万年左右，而是可以追溯到7000万年之前。如果这个论断成立，那么自从恐龙时代起，科罗拉多河就已经在如今这么深的河谷上流淌了。但是另一部分人对此不敢苟同。两个阵营团队针对大峡谷的岩石研究问题，仍在持续争论。

如今，最新的一项研究为科罗拉多河和大峡谷的神秘故事点亮了一盏明灯。古砂岩中的矿物晶体可以作为河流演化历史中关键阶段的时间标签。块状的磷灰石矿物可以帮助我们判断一些特定的岩石何时出露于地表，进而揭示大峡谷何时形成。而一些老式的地质地图，比如阿斯兰所作的地图，一般是将很多小型河流的地图拼接成一幅完整地图，以此展示科罗拉多大峡谷的演化历史。“这是全世界最迷人的河流，”美国阿尔伯克基新墨西哥州州立大学的地质学家卡尔·卡尔斯特罗姆（Karl Karlstrom）感叹：“它雕刻出了地球上最惊艳的景观，它是大自然的天然实验室。”

向着历史打钻

在美国内战之后的几年里，探险家约翰·卫斯理鲍威尔（John Wesley Powell）测量了大峡谷的长度，并试图搞懂大峡谷的来历。鲍威尔当时已经知道，水是缔造这个地貌景观的最重要因素。“大峡谷的形成归功于降雨和河流，”他在笔记中写道：“尽管这里离暴风雨区很远，而且一年中的大部分时间里天空中都万里无云，但是即使是断断续续的阵雨也可以在历史的日月积累中完成一项卓越的成就。”

毕竟，即使是万里长江也是从涓涓细流逐渐形成的。一开始，雨水在地表冲刷形成冲沟，时间长了，越来越多的冲沟连接在一起，形成了树枝状的庞大河流系统。

鲍威尔认为，科罗拉多河是一个古老的疏水系统，已经沿着今天从落基山脉到太平洋的河道流淌了几千万年。不过，在这之后，地质学家们发现这个说法存在很多问题，因为科罗拉多河的演化并没有这么简单。除此之外，并没有证据表明科罗拉多河在600万年之前冲出了科罗拉多高原的西部边缘。科罗拉多高原是指包括犹他州、科罗拉多州、新墨西哥州和亚利桑那州的四角区域。如果鲍威尔的说法成立，一条奔腾的江河冲出高原一定会留下大量的河流砾石沉积，但是至今还没有人发现任何一颗沉积砾石。

事实上，随着更多的地质学家开始研究科罗拉多河的历史，故事也开始变得愈加扑朔迷离。这一定程度上是由于，研究一个由河水“撕裂”出来的景观实在太难了。“基本没有什么数据能支撑我们继续开展，”美国亚利桑那州州立大学的地貌学家科琳·惠普尔（Kelin Whipple）表示：“这完全是一个侵蚀系统，这段历史甚至快得没有给我们留下什么线索。”

在研究科罗拉多的众多科学家中，阿斯兰可以说是很幸运的。因为就在莱夫小镇旁边一座被称为“大台地”的山上，他和同事们发现了古河道遗留下来的一层厚厚的砾石沉积。历史上附近的一座火山曾经喷发过，熔融的岩浆将这些沉积物掩埋，使得它们坚如磐石。研究人员测量了岩浆岩中放射性元素的含量，表明岩浆在1070万年前流淌在“大台地”上。这就意味着河流沉积物的历史一定比它更久远，或许科罗拉多河在这个区域的历史可以追溯到1100万年之前。研究团队将这项成果发表在2010年的《美国地质学会野外指南》中。

现在，阿斯兰打算把历史追溯到更远。他将希望寄托在莱夫小镇周围蓬勃发展的钻井业中，希望从天然气开采领域获得一臂之力。如今的莱夫小镇放眼望去已经满是钻井，卡车一辆接一辆地在乡间小路上呼啸而过。阿斯兰招呼旁边参观的地质学家们聚拢过来，一位身穿亮粉色科罗拉多平顶山纪念衫的学生也加入了进来。她名叫芭芭拉·艾伦（Barbara Allen），正在攻读地质学学位，同时也在WPS能源公司工作，这家公司平时在附近一座被称为“熨斗”（Flatiron）的台地上钻井。

阿斯兰带领团队开始攀登，向着露头的科罗拉多河沉积物大步向前，它就藏在下一座山头的后边。在阿斯兰和艾伦搜寻地质线索的同时，艾伦则提醒团队成员注意脚下的麋鹿粪便。

如同“大台地”一样，还有很多地方的科罗拉多河沉积物也被岩浆掩埋而得以保存下来。WPS公司在这些台地上钻井探寻天然气，这些井深达数千英尺。艾伦的工作便是与工程师们抢时间，当他们开始钻井时，艾伦就迅速跑过来，收集河流沉积物样品。这些样品对于钻井工人来说是无用的，被丢弃一旁。艾伦表示：“现在他们只要一看到我跑过来就知道我要干什么了。”

阿斯兰希望能找到一些钻井岩屑，它们包裹着数百万年前的科罗拉多河砾石沉积。然而他最终认识到，WPS钻井的这些地层中并没有河流砾石沉积。不过即使如此，他仍然在莱夫小镇附近的台地上继续寻找更多线索，探寻数百万年前科罗拉多河流经这个村庄的痕迹。

古河流的遗迹

如果想要获得科罗拉多河更多的信息，就必须沿着河流一路走到位于亚利桑那-加利福尼亚-墨西哥交界附近的河流汇流点。地质学家们已经收集了这个地区500多万年来的洪水记录。他们表示，这里一定汇集了科罗拉多河最猛烈的洪水。

在更远的加利福尼亚南部和墨西哥北部，圣安德烈亚斯断层的运动使得一大块陆地，也就是我们熟知的索尔顿海槽沉到海平面以下。美国尤金俄勒冈大学的地质学家丽贝卡·多西（Rebecca Dorsey）就在这片区域寻找古河流的线索。由于海拔较低，这里的地形就像一个水槽，可以积攒很多沉积物。多西已经在这里发现了大量530万年前的河流沉积地层。对矿物颗粒的研究结果表明，这些沉积物来自于整个现代科罗拉多河流域。

在过去的1000万年里，大约有1000万立方千米的岩石被科罗拉多河裹挟，跨越整个美国西部地区，并在西南地区沉积下来。这些岩石足够填满1亿个美国宇航局位于卡纳维拉尔角的飞行器装配车间。“这些岩石被生生地从科罗拉多高原剥离下来，而这都是水的功劳。”多西表示。她与科罗拉多西德尔治大章克申地质学会的格雷格·拉齐尔（Greg Lazear）一道，在2013年8月份的《岩石圈》上介绍了他们的计算过程。

因此，河水从至少1100万年前，就从科罗拉多的西部发源了；600万年前，就已经流淌到加利福尼亚了。在这之间，河水可能向北冲出了科罗拉多高原，穿过了爱达荷州，到达更远的地方。或者也有可能形成了一个大湖泊，就像今天4400平方公里的大盐湖一样。按照这个说法，直到有另一条河流将湖泊的湖水袭夺，湖泊才逐渐消失。之后河流冲出高原，形成科罗拉多大峡谷。

根据这个经典理论，接下来就到了形成大峡谷的时间了。大部分地质学家认为，科罗拉多河从600万年前开始凿刻大峡谷。（峡谷峭壁上的出露岩石历史更久远，可以追溯到18亿年前。）

数据的决战

但是另一些地质学家认为，峡谷在这之前就已经开始形成了。证据就是磷灰石晶体的形态。这种矿物的岩石在峡谷沿线433公里范围内都很常见。从2008年起，美国科罗拉多州州立大学博尔德分校的丽贝卡·弗劳尔斯（Rebecca Flowers）和同事们就开始研究磷灰石中的氦元素。它在铀衰变的时候形成，因此可以用来回溯岩石冷却的历史。

研究的关键就在于一则原理：当温度高于50摄氏度时，磷灰石晶体中的氦会逃逸并永久性散失。所以如果你在磷灰石晶体中发现了氦，就可以断定岩石的所处环境一定低于50摄氏度。氦含量越多，就意味着它处在较冷环境中的时间越长。此外，当岩石从深埋的地下被移动到地表时，岩石就会变冷。所以，如果河流将岩石上方的岩层剥蚀掉，这个过程就可以实现。弗劳尔斯和同事们利用大峡谷出露岩石中的氦元素计算岩石开始变冷的时间，当然，这就是大峡谷开始形成的时间。

“这些岩石的变冷已经有很长很长时间了，”弗劳尔斯表示，这大概有7000万年了。她和美国加利福尼亚州理工学院的肯尼斯·法利（Kenneth Farley）将他们的成果发表在2012年的《科学》杂志上（详见Science News2013年1月12日第15页）。

弗劳尔斯是一家声誉很高的地质年代学实验室的负责人。但是长期在大峡谷中徒步和漂流的卡尔斯特罗姆的一些观点却让她的研究过程并不顺利。“她的研究与几十年来的地质学认知背道而驰。”卡尔斯特罗姆表示。他向《科学》杂志提出了他在科技学术上的质疑，并在弗劳尔斯的文章发表数周之后的一场会议上，以及2013年10月美国丹佛国家地质学会会议的四场后续会议上，频频向她本人发问。

丹佛的这些会议让地质学家们近距离地向对方发射友谊的炮火。弗劳尔斯、卡尔斯特罗姆和其他参与这场大峡谷测龄游戏的“玩家”们靠着会议室的墙排成一列，来回地传递着麦克风话筒，针对磷灰石颗粒的研究问题不断抛出他们的论点。

弗劳尔斯坚定地站在她的立场上，即使卡尔斯特罗姆又突然拿出另一组数据。

2013年4月，在美国地质调查局约翰·李（John Lee）的带领下，卡尔斯特罗姆和同事们在《岩石圈》上发表了一篇文章。他们对大峡谷的几十个岩石样本进行实验，得到了另一组利用氦测年的数据。他们采用的是与弗劳尔斯相同的氦测年方法，此外，他们还采用了另一项技术：观测放射性原子天然裂变并且在磷灰石晶体中移动留下的痕迹。

如果温度高于110摄氏度，晶体会自发地恢复原状，但很少会有“裂变径迹”保留下来。随着温度降至110摄氏度以下，越来越多的“裂变径迹”会保留在晶体之中。这就意味着，残留在晶体中的“裂变径迹”某种意义上是一种“计时器”，通过它可以计算出磷灰石从何时开始冷却，以及冷却的速度。约翰·李的研究团队指出，至少对于大峡谷东部地区来说，在2500万年之前，或者比这更晚的时间里，都还没有形成今天这样深的峡谷。

让人搞不懂的是，为什么“年轻峡谷”和“年老峡谷”两个阵营团队会如此对立。其实，在某种程度上，他们的分歧就集中于如何解释磷灰石晶体中的年代记录。而在很多地方，弗劳尔斯团队使用的数据和约翰·李团队使用的数据本质上是完全一样的，区别就在于研究人员如何根据这些数据推断岩石的历史温度。例如，在研究地表冷却的过程中，设置的极其细微的温度差异，也会在结果中体现出巨大的不同，看上去好像是磷灰石晶体已经埋藏了很长时间。

卡尔斯特罗姆认为，也许有一种可以兼顾所有数据的方法。因为存在一种可能性：不同区域的小峡谷可能形成于不同的时期。卡尔斯特罗姆表示：“整个河道的冷却历史可能并不一致，有的地方冷却得快，有的地方冷却得慢，这体现在沿岸并不规则的悬崖上。”但是这些小尺度的“气候碎片”可能会混淆整个河流的气候历史研究。

这道“剪不断，理还乱”的科研难题，最终的答案可能需要将高质量的地质地图与岩石冷却数据结合起来。如今，一些研究人员已经开始使用第三种测年方法，也就是测量磷灰石中氦同位素的比例。它可以回溯岩石最近的一段冷却历史，也就是从60摄氏度降至30摄氏度的变化历史。目前这三种方法已经形成“三足鼎立”之势，只有用所有的方法对大量岩石进行测年实验，才能让地质学家们最终达成一致。

不管这场辩论战未来结果如何，科罗拉多河仍然会像之前一样欢快地流淌，尽它所能地向人们提供它的一切。它仍然会在落基山的西部滴滴汇流，穿过广袤的科罗拉多高原台地，沿着科罗拉多大峡谷奔腾而过，最终注入大海。

水系的进化

锡德·珀金斯

河流对地形纵向和横向的侵蚀受各种因素的影响，包括地形的倾斜度以及径流的分布情况。在2014年3月7日的《科学》杂志上，瑞士苏黎世联邦理工学院的地质学家肖恩·威利特和他的同事将所有的这些因子都归结为一个参数，叫作χ（希腊字母chi）。χ的值随着距河口距离的增加而增加。科学家计算了χ的值，并绘制了不同河网的χ值地图，包括了美国的东南部。如果说一个流域边界（白线）两侧的χ值相似，那么分割相邻河网的脊就相对稳定。但是如果两侧χ值存在显著差异，就比如说沿蓝岭山脉山顶的水域边界（粗白线），则这种差异标志着河网仍在进化，分水岭位置还在改变。研究员们介绍道：“蓝岭山脉的分水岭自2亿多年前断裂初期形成大西洋之时就一直在向内陆迁移。”

“小”矿物塑造“大”板块

微小矿物造成的岩石裂缝可能是地球板块形成的原因。

内奥米·路毕克

也许你很难相信，早期地球表面上的第一条裂缝竟然与1毫米粒径的微小矿物有关。根据两位科学家提出的假设，早期的裂缝是由于这些矿物的“磨损”而产生的。《自然》杂志2014年4月24日发表了一项研究成果，这项研究表明，经过计算机的模拟，发现这些细小矿物通过一系列变化可以产生缝隙，分割出了最初的板块，并催生了板块构造运动。

地球的地壳被分成了几大板块，它们都在不断运动。在断裂带，一个板块可能与另外一个板块发生碰撞。而在俯冲带，一个板块可能俯冲到另外一个板块的下方，这些活动的结果就是引发地震或火山。当板块分裂时，会有新的地壳产生。金星是地球的近邻，也像地球的“双胞胎”，无论从大小还是物质组成上都与地球很相似。历史上，它可能具备板块运动的先天条件，但是它却没有发生板块运动。

很长一段时间里，科学家们都想搞清楚板块构造运动的缘由。45亿年前，也就是地球形成初期，地球的中心逐渐浓缩成一个致密的铁质内核。内核被地幔包裹，而地幔是缓缓流动的熔岩。地幔的外部是一层坚硬的“表皮”，被称为岩石圈。由于冷热物质的轻重差异，导致热的岩浆会上升，而冷的地壳则会下沉。科学家们认为，在地球初期，岩石圈中大块的较冷岩石会周期性地沉入地幔，或者融化并“滴”进地幔中。

“这种滴落方式会使岩石圈遭受破坏。”美国耶鲁大学的地球物理学家大卫·伯科维奇（David Bercovici）如是表示。他与法国里昂大学的杨尼克·理查德（Yanick Ricard）正在研发一种新的模拟算法。他们表示，这种循环往复的机械式损伤会使造岩矿物不断变少，并且更容易被磨损。科学家们对毫米级及以下粒级的晶体进行了观察，设计出了一般情况下岩石圈矿物变化的模型。结果显示，随着微小晶体的粒径不断缩小，它的变形程度也会越来越大。而造岩矿物晶体的粒径越小，就越容易导致宏观尺度上岩石的变形。

由于造岩矿物所受的破坏有增无减，导致岩石圈中始终存在着狭窄的侵蚀通道。

研究人员认为，地幔对流的压力会“撕扯”这些岩石圈中的薄弱地点，而它们的移动促使形成最初的俯冲带。在接下来长达大约10亿年的时间里，这种活动都在间歇式地进行。足够的“滴落”与“撕扯”会逐渐建立起一种模式，推动板块构造运动的进行。

在地球上，岩石圈的造岩矿物一直都是不断损耗的，不会增长，也就是说它不会融入其他的岩石中产生更大的颗粒。与此形成鲜明对比的是金星。科学家们对金星进行了模拟，发现它的岩石圈始终保持比地球岩石圈高200~400摄氏度的温度，而它的矿物却可以不断增长。

美国索科罗新墨西哥州理工大学的地球化学家肯特·康迪（Kent Condie）认为，这个模型为板块构造运动的起源提供了一种解释，但是它缺少有关新岩石圈形成的机理。他表示：“到目前为止，还没有人能给出一个让人满意的答案，究竟为什么板块会运动。”究其原因，其中之一是缺少那个时代的物理记录。除了很少量的古代沉积之外，大部分40亿年前至30亿年前的岩石已经随着板块运动而深深地沉入地下了。

被扼杀在摇篮之中的早期生命

小行星撞击地球事件持续至距今43亿年前。

托马斯·桑勒

直径大于美国犹他州的太空巨石不断轰炸着早期的地球，可能一再地扼杀了早期地球表面存在的所有生命体。科学家们在2014年7月31日《自然》杂志上发表了他们的研究结果，他们认为最后一颗致命岩石对地球的撞击大概发生在43亿年以前。这也为推断地球上生命开始出现的时间设定了一个最高上限。

大概在地球起源的距今46亿年至38亿年以前，整个星球一片死寂。科学家称这段极长的时期好比十八层地狱，冥王之后的冥古宙，阴间的希腊神话。太阳系诞生留下的碎屑不断飞向地球，将地球上早期的海洋蒸干，并使地球表面覆盖着滚滚熔岩（《科学新闻》2012年5月19日，第22页）。

但是科学家们认为，就是在这个混沌的时期，地球上开始出现了生命。

美国科罗拉多州博尔德西南研究所的行星学家西蒙尼·马尔基认为：“如果在最后的消灭行动发生以前，地球上出现了生命体，那么他们也已经从地球上被彻底抹去了。生命的发展又必须从头开始了。”

冥古宙时期，大量的物质轰击着地球，使其发表面不断伸展，延伸的长度达到了珠穆朗玛峰的高度。伸展作用促成了板块构造的开始（《科学新闻》2014年5月17日，第14页）。但是地球上能够找到的早于38亿年前的岩石太少，科学家无从获取早期地球撞击的自然历史记录。

为了重构早期地球发生的岩石撞击，马尔基和他的研究团队着手研究相对稳定的月球。月球上没有像板块构造运动这样的再循环活动，因此它的表面还留有早期小行星撞击产生的疤痕。科学家们使用撞击坑计数的方法，确定了古老的月球撞击产生的年代。撞击坑随着时间的推移，下落的陨石会逐渐将其破坏。科学家们同时对比阿波罗计划从月球上采集的月球撞击坑附近的岩石，以它们的年代作为校准修正。通过计数稍小、较新的撞击坑的数量，来推断包围这些新坑的大坑的近似年代。马尔基的团队就是利用从月球上得到的这些信息，假设在两者撞击历史类似的条件下，估计出了撞击早期地球的小行星的数量、大小以及撞击频率。

马尔基的团队接着进行了早期地球小行星轰击的计算机模拟，并发现随着时间的推移，撞击的规模减小、频率降低。除此之外，他们还发现，早期地球表面的每个角落，都会在某个时期被溢出岩浆的陨石坑所覆盖。

科研人员们说，在此期间，地球受到过大约3~7个大于500千米宽的小行星产生的撞击。每一次撞击都会将地球上所有的水体都蒸干，并摧毁掉地球表面的所有生物。马尔基团队估计，最后一次的致命撞击发生在距今42.7亿年。而地球上生命存在的证据可以追溯到38亿年以前，虽然这项证据也同样备受争议。

美国加利福尼亚州拉荷亚斯克里普斯海洋研究所的地球化学家杰佛里·巴达认为，对早期小行星撞击的深入了解可以帮助科研人员研究生命起源，“地球上出现生命的时间应该是在这些致命的撞击发生之后，生命不可能在此之前产生并从那些撞击中幸存下来”。

消逝的古海，年迈的撒哈拉

古地中海的萎缩“蒸干”了北非大地，撒哈拉沙漠的历史向后延伸一倍。

托马斯·桑勒

根据《自然》杂志2014年9月18日的一份研究报告，撒哈拉沙漠的年龄可能比科学家们预想的还要早数百万年。研究团队对古气候进行了重建，结果表明，700万年之前，随着古地中海的萎缩，撒哈拉沙漠开始形成。

“我们没有预料到海退现象将会产生如此大的影响，确实让人感到惊奇，”该项研究的牵头作者，挪威卑尔根比耶克内斯气候研究中心的研究员张中石（Zhongshi Zhang）称：“这完全颠覆了很多人对于撒哈拉形成的认知。”

大多数科学家们之前认为，撒哈拉的干旱气候不会超过200万年至300万年。那个时候，北半球的冰期改变了大气环流模式，吸干了非洲北部的水分。然而并不是所有专家都对此认同，张中石和同事们揭示出，在这之前的数百万年里，在夏季风的作用下，海洋逐渐萎缩，受此影响，非洲北部的降雨量从这时起就已经开始减少了。

这样说来，撒哈拉的形成年代与黑猩猩和人类产生血缘隔离的年代十分接近，该研究的合著者、法国伊维特河畔吉夫环境气候科学实验室的地球科学家吉勒斯·拉姆施泰因（Gilles Ramstein）介绍道。

大约2亿年前，盘古大陆解体，非洲大陆和欧洲大陆之间的裂隙逐渐扩大，形成了一片汪洋大海，被称为特提斯海。大约1亿年后，两个大陆开始合拢，特提斯海开始收缩。直到距今550万年之前，特提斯海进一步萎缩，分裂成了如今的地中海、里海和黑海。

通过对大气气候进行模拟，张中石和同事们研究特提斯海的萎缩导致的气候变化情况。在特提斯海的昌盛期，周边大陆与海水表面之间的冷热温差使高空中形成了一条传送带，通过夏季风的作用将热带大西洋的水分传输到整个非洲北部。

研究人员解释道，随着特提斯海逐渐萎缩，裸露地表逐渐增多，水分传输带的作用也开始减弱，这直接导致了撒哈拉地区的降雨量逐年减少。日积月累，这些地区就成了沙漠。

这项研究成果为几年前的一项发现提供了有力的证据。2006年，科学家们在乍得发现了石化的沙丘。而它附近的化石表明，沙丘的年代应该在700万年之前。当时，这项发现引起了激烈的争论，却缺乏有说服力的解释。张中石表示：“现在我们终于提出了一项机理，能够解释这个沙丘古老的年代了。”

然而，针对2006年的这项发现还存在一项争议，还是未能解释清楚。“这仅仅是基于一丁点地质学证据提出的数学猜测，”德国科隆大学的地质学家斯蒂芬·克勒珀林（Stefan Kröpelin）表示：“一个沙丘根本不能叫作沙漠，更何况这还是世界上最大的热带沙漠。”

不过，暂且不管撒哈拉沙漠到底何时形成，逐渐萎缩的特提斯海可能确实使得非洲北部的气候变得不稳定。拉姆施泰因解释，这种不稳定性可以帮助我们理解另一项内容。我们都知道由于地球倾角和轨道的周期性变化，地表获得的太阳辐射量也在发生细微的渐变。而现在我们可以理解，为什么这种微小的变化会引起撒哈拉沙漠产生以几千年为周期的干湿演替变化。

拉姆施泰因进一步介绍道，北非的这种周期性气候变化以及撒哈拉的形成过程，可能会影响人类的早期进化以及之后在这个区域的迁移过程。

但是美国麻省理工大学的古气候学家大卫·麦基（David McGee）却反驳称，大尺度的气候变化所产生的任何影响都很难确定。早期的原始人类可能居住在小尺度的环境气候当中，比如湖岸边混杂着森林的草原。这种小气候与其所在区域的支配性气候有着本质不同。

“这些小尺度的环境气候对于这样一种气候模型来说确实是一个限制，”麦基表示：“虽然这项工作提出了一项理论，解释了700万年之前非洲气候变化的缘由，但是它与我们早期祖先的活动状况并没有直接关联。”

探索地球和宇宙中的“水世界”

克里斯多夫·克罗克特

其他星球上的海洋可能与地球上平静的蓝色大海千差万别。在适当的高压环境下，水可以以一种怪异的超临界状态的形式存在，它既不是液体，也不是气体。而理解这种异常地貌的关键或许就在我们身边，就在我们所处的地球的海底火山附近。

《海洋世界》一书探究了地球以及其他星球海洋内部的活动方式。在最新研究的基础上，贾恩·扎拉斯维奇和马克·威廉姆斯追溯了地球上水的历史。两位作者所叙述的故事发生于宇宙大爆炸之后不久，水蒸气在黑洞周围旋绕。之后，作者描述了可能将水带上地球的彗星和小行星，通过深海洋流追踪水的动态，并重新评估了水在生命起源中扮演的角色。

太阳系中的其他星球为我们展现了多样的海洋形成和进化方式。扎拉斯维奇和威廉姆斯注意到了木星和土星的卫星，其液态的盐水海洋藏身于厚实的冰壳之下。地球的两位邻居，金星和火星，曾经也拥有过水。当我们星球的海洋里的水随着时间不断流失，到下个10亿年地球上还有多少水的储备呢？金星或许可以给我们提供这个答案的线索。

扎拉斯维奇是位地质学家，威廉姆斯是位古生物学家，他们无惧于超越他们自身的研究领域，在天体物理学、行星科学、海洋学以及微生物学领域广泛涉猎。如果说这本书听上去野心勃勃，没错，确实是的。但是作者们清晰、描述性的文字给人以阅读的乐趣。全书穿插着各种奇闻异事，读起来就不会像是读课本一样；作者还描述了贩卖奴隶的船只是如何发现了深海冰水，以及电影《未来水世界》中对气候的误解。

作者在太阳系形成之始至地球的最终的荒漠化之间稍作停顿，考虑了人类在海洋形成中扮演的角色。毫无疑问，人类带来的并不是什么好的影响。过度捕鱼，温度提升以及威胁甚至可能毁灭生态系统的酸化。如果采取积极有效的措施、这些趋势都是有可能发生逆转的。但是从政治的角度看，这种逆转在现实中似乎是无法达成的。作者写道：“假如说我们发现了宇宙中奇异的海洋资源，而正在此时，我们毁了身边这片美丽而独特的海洋，这是多么讽刺啊。”

消逝的海洋——盘古大陆的覆灭之谜

古特提斯海的萎缩引发对盘古大陆解体的再思考。

托马斯·桑勒

盘古大陆解体的相关研究是一项户外工作。

一项发表在2015年2月27日《地质学》上的新研究显示，科学家们对2亿年前的地壳运动进行了复核，结果表明，盘古大陆分裂的原因竟是古印度洋的收缩。这就表明，科学家们必须对盘古大陆分裂的机理进行重新研究。

一名未涉及这项研究的加拿大维多利亚大学地质学家斯蒂芬·约翰斯顿（Stephen Johnston）表示：“这意味着，原先我们对盘古大陆掌握的一切成果现在都变成悬而未决的了。”大约3亿年前，几个主要的陆地板块挤压在一起，形成了盘古大陆（详见Science News 2012年6月18日在线版）。大约1亿年之后，盘古大陆开始分裂。科学家们一般认为，这是由于在北美洲与非洲的边界上，地壳内部会向外喷射出一些物质，将大陆硬生生地“撑开”，形成了大西洋。

由于地球的表面积和体积是不变的，所以如果在大西洋洋底形成了新的地壳，那么一定在某一个位置上做出相应的补偿。在那个位置上，地表的物质将会在俯冲带的带动下潜入地表深处，从而使板块的面积相应减少。

科学家提出了两个有可能发生地壳消亡的地点，一是古印度洋，二是太平洋。古印度洋便是特提斯海，随着早期的非洲大陆和欧亚大陆不断漂移，特提斯海发生收缩。而在东边，北美大陆的西边缘也可能将古太平洋无情“碾压”。

而如果要确定到底是哪个海洋的消亡弥补了大西洋的增长，是很困难的，这是因为地球是一个球体。如果你在平面地图上定点表示出地球两极，就势必意味着原本互相平行的两个区域出现扭曲。加拿大新斯科舍省哈利法克斯市能源部的地球科学家弗雷泽·科皮（Fraser Keppie）解释道，正是由于这些区域相互平行，所以容易形成板块“传送带”，它连接了板块的发育地带与消亡地带。由于大陆在地球上的移动属于圆周运动，所以科皮创造了一种圆形地图，它以南欧附近的一个定点为圆心，所有的大陆都像时钟指针一样围绕着这个定点旋转。

科皮注意到，无论是特提斯海板块下沉的边界，还是大西洋发育地区的裂隙，都在从圆心向外扩张。另一方面，沿着圆的外缘分布的古太平洋边界，则是与这二者相互垂直。因此科皮总结道，这种布局意味着，随着这些大陆绕着圆心旋转，大西洋的发育其实是与特提斯海的消亡有关，而并不是与古太平洋有关。

科皮指出，特提斯海并不仅仅是盘古大陆分裂的参与者，而是它背后真正的“始作俑者”。盘古大陆的分裂不是由于地壳内部的物质将其“撑开”的，而是被生生地“拉裂”开的。随着重力作用将特提斯海拉进俯冲带区域，它会在盘古大陆的亚欧大陆边缘区域猛地一拉。如果它的力量够大的话，就可能将整个大陆一分两半，使得非洲和北美洲从此分开，同时，在原先两个古陆挤压形成盘古大陆的缝合线位置会形成一个脆弱区。

科皮进一步表示，这个“拉裂”理论比现在普遍认可的理论更有说服力，因为原先的理论是建立在这样一个假设上：地壳喷射出新物质的位置刚好位于盘古大陆的其中一条缝合线处。当然这纯属巧合。

约翰斯顿补充道，对于这个新理论，科皮并没有最终决定权。但是他的预测，可以进一步被地质学家检验，比如只要在太平洋中寻找古断层就可以，这样就可以证明这里曾经发生过两个板块的挤压摩擦。

南北美洲何时“牵手”

巴拿马地区的矿物晶体暗示南北美洲很早便已“合体”。

托马斯·桑勒

南北美洲的“牵手”可能要比科学家们之前认为的还要早1000万年。

很多科学家认为，分隔南北美洲的海上通道在300万年之前就闭合了，这引发了动物大迁徙，以及北半球的冰河时代。但是，通过对南美洲古河床出土的矿物晶体进行分析发现，两大洲可能在1300万年之前就已经相连了。这项研究已经发表在2015年4月10日的《科学》杂志上。尽管并不是所有专家都对此结果认同，但是研究人员有理有据地指出，出土的矿物晶体源于巴拿马，它沿着河流顺流而下，而这条河流横跨了两大洲，这足以证明两大洲的相连。

“我们在哥伦比亚发现的这些残存晶体都只来自于巴拿马。”本研究的合著者、哥伦比亚波哥大安第斯大学的地质学家卡米洛·蒙特斯（Camilo Montes）介绍称，“1300万年前，在两大洲连接区域的陆地上，曾经有一条河流流过。”

然而，罗伯特·托拉德（Robert Stallard）提出了反对意见。托拉德是美国科罗拉多州博尔德国家地质调查局国家研究规划中心的水文专家。他指出，虽然这项发现十分有趣，但是不能作为两大洲早期相连的证据，因为这些矿物晶体有可能来自于巴拿马以外的其他地区。“即使海上通道没有闭合，也还有很多机会可以让这些晶体进入哥伦比亚。”

大约2亿年前，随着盘古大陆解体，两个美洲大陆也“分道扬镳”。之后，它们又重新慢慢地“相向而行”。到了大约2000万年前，两个大陆之间只剩下一条狭窄的海上通道，连通着大西洋和太平洋的海水，它被称为中美洲海上通道。随后，加勒比海板块上的厚重火山岩层猛烈地撞击了南美洲的西北部，并抬升至海平面之上，阻断了中美洲海上通道。

科学家们最初是基于板块在大尺度上的影响来断定海上通道的闭合时间，比如动物数量以及气候变化。在300万年之前，很多哺乳动物都横穿了新形成的“大陆桥”。而另一方面，也有很多淡水鱼类沿着海上通道顺流而下。在同一时间，由于大西洋与太平洋的海水彼此分隔，大洋洋流的走向也被打乱，这加剧了墨西哥湾暖流，也导致了北半球的冰河时代。

当蒙特斯和同事们在哥伦比亚北部的河床和流域盆地采挖岩石时，他们发现了锆石晶体。它是一种古老的岩石碎屑，嵌入在一些较年轻的岩石之中。它于熔融岩石冷却凝固的时候形成。由于它的结构中含有放射性铀原子，所以利用锆石测年会相对容易一些。有时，锆石周围的岩石年龄在1100万年至1300万年左右，而锆石的年龄却可以高达6500万年。

蒙特斯介绍道，锆石可以作为研究矿物晶体来源的线索。在这个案例中，他沿着锆石的痕迹追溯到了巴拿马。他发现，锆石经过了风蚀和水蚀，这说明它当时可能处于一个古老的河流系统之中，而河流将它从巴拿马一路运送到了南美洲。

然而，托拉德反驳道，即使海上通道没有关闭，现哥伦比亚东部的火山岩同样含有锆石成分，也可以被当成测年的材料。

蒙特斯分析认为，如果“大陆桥”的年代更老，则意味着科学家们需要对中美洲海上通道闭合的影响进行重新研究。比如，“大陆桥”上将会有茂密的丛林，这会阻挡两大洲之间的动物迁徙。直到大约300万年之前，随着这个区域的气候转冷（原因与海上通道的闭合无关），丛林变得稀疏，动物们才有可能重新穿越。

然而，巴拿马史密森尼热带研究所的地质学家安东尼·科茨（Anthony Coates）认为，即使1300万年前确实有一条河流从巴拿马流向南美洲，也并不代表两大美洲完全相连。

科茨表示：“即使他们关于锆石所做的一切都正确，但是仅仅凭借最南端某一个点的连通性并不能代表其他地方海上通道的状况。从北美洲南部北上墨西哥的这一路上，还有很多其他的缺口。”

水，无处不在

地球上每一滴H2O都是太空中的岩石送达的，不过是哪些岩石呢？

克里斯多夫·克罗克特

地球，一个拥有海洋、河流和雨林的星球，却生长在一片星际沙漠之中。

46亿年以前，太阳系刚刚形成，钙碎片和一些富含铝的矿物质结合在一起，构成了不断增大的卵石并聚集在一起，进而形成了岩态行星，其中就包括了地球。

然而，除了在地球上，在其他任何地方，都找不到地球的特征组分。年轻的太阳所散发的热量可以蒸发掉任何胆敢靠近内行星的冰块。地球相对微弱的引力无法吸引抓取水蒸气或是任何类似的其他气体。现在的地球已经是一个依靠水运行的行星。水控制着气候，形成并改造不同的地貌，是生命必不可少的组成部分。人类出生时身体中约78%都是水——基本上就是一包湿乎乎的填料（A sack of the wet stuff）。

地球为了获取水资源，需要从其他地方寻求帮助。

研究员们最近找到了地球上“水体入门工具”（Aquatic starter kit）的踪迹，它们被藏在多个降落在地球表面的岩石块——陨石之中。这些陨石是火星和木星之间的小行星带中的次大实体，维斯塔小行星的馈赠。据推测，维斯塔小行星形成的时间早于地球，大约在太阳系产生后的800万年至2000万年间（地球的形成需要3000万年至1亿年）。

最近的研究表明，在岩态行星出现的很久以前，冰态小行星在木星外侧形成，继而填满了内太阳系。这些太空岩石受木星和土星引力的影响，将水借由维斯塔小行星，投掷至地球。这两颗巨型行星在该过程中起到的究竟是助力还是阻力还不能确定。但是如果这个过程在其他地方也可以发生的话，其他的星球上说不定也会有大量水的存在，为银河系中其他生命的繁荣提供机会。

彗星还是小行星

研究员们在过去的几十年间，不断争论是否是彗星或是小行星向地球输送了水。在研究最开始的时候，彗星似乎是一个可能的水源。彗星起源于海王星运行轨道的外侧，是太阳系中的深冻存储单元。彗星内部有很多冰从太阳系形成开始之时就被封锁了起来。一些彗星在近距离擦过行星或是经过其他恒星时，会偶尔向内移动。因此，在早期太阳系的混沌时期，地球可能曾与彗星发生撞击，大量水就这样被送上地球，充满海洋。

但是最近几年，彗星撞击猜想的支持者不断减少。华盛顿卡内基科学研究所的宇宙化学家康奈尔·亚历山大认为：“彗星如果要造成撞击，其位置似乎太靠外了。”目前实验检测的多数彗星内的水都与地球上海洋中的不相匹配。另外，想要将一个彗星推向地球异常艰难，更不用说将它们整个扭转的难度。亚历山大认为：“在地球海洋水源的讨论中不应该再探讨这种猜想了。”

问题有一部分出于地球上的水与大部分彗星中的水在成分上有细微的化学性质差异。水分子具有一种简单的分子结构，就像一对米奇鼠的耳朵一样：两个氢原子抓住了一个氧原子。不过有的时候，比氢原子稍重一些的重氢原子会偷跑进水分子的氢氧结构中。重氢的原子核包含了一个质子和一个中子；而氢原子的原子核中仅有一个质子。地球上，每100万个水分子中只有大概156个分子包含重氢原子。

研究员们一直以来都使用重氢的相对数量来比较氢原子，这种方法叫作D/H比，可以用来追踪水源。温度较低时，重氢在冰中出现的频率开始增大。因此，像彗星这样形成于太阳系中冰冷水环境中的天体，应该富含了重氢原子。然而，婴儿时期地球周围环绕的水蒸气中却很少甚至不含有重氢原子。

大多数彗星的组成都遵循着这个逻辑，它们的D/H比通常都是地球上水的两倍左右。

但是，就在科学家们快要完全排除彗星作为地球水来源的时候，两个彗星的出现让科学家们惊诧不已。2010年，研究员们利用赫谢尔太空望远镜测量了103P/哈特雷二号彗星的D/H比。他们发现哈特雷二号上的水可以与地球上的水近乎匹配。3年后，对45P/HMP彗星的观测结果也显示了异常低的D/H比。突然间，就出现了一个，甚至可能是两个彗星携带了与地球类似的水。

木星引力

这两颗彗星都属于木星族彗星。它们形成于柯伊伯带，位于海王星外层冥王星所处位置的冰状环带。主要来自于海王星，其次是木星的引力逐渐将这些彗星推动至相对短的运行轨道，使他们距离太阳更近。所有之前测量D/H比的彗星都来自于更加遥远的奥尔特云。奥尔特云就像一个包裹住太阳系的壳。103P和45P彗星的存在解开了研究员们之前的误区，即以为所有的彗星都可能作为地球水的来源。实际上，可能作为地球水源的只能是木星族彗星。

在这之后的2014年，欧洲太空总署发射的罗塞塔号航天探测器抵达67P/CG彗星，这是另一颗木星族彗星。当罗塞塔号从侧面接近彗星时，它对彗星上的水流进行了采样，却发现67P彗星的D/H比高得夸张，是地球上海洋D/H比的三倍多（《科学新闻》2015年1月10日，第8页）。

美国夏威夷大学的行星学家凯伦·米奇介绍说：“每一次对新发现彗星的测量都会给我们呈现出完全不同的景象。”罗塞塔号测量结果说明即便是在同一个彗星族中，水的成分也会存在巨大的差异。米奇还补充道：“可以形成彗星的空间具有相当大的距离，因此也可以理解为什么D/H比会出现如此大的差异。”

即便一些彗星具有和地球类似的D/H比，但是想要让彗星撞击我们的星球还是非常困难的。法国博尔德天文物理实验室行星学家肖恩·雷蒙德介绍说：“任何想要撞击地球的彗星都必须首先突破木星这个巨大屏障。”木星会抓住位置距离太阳太近的彗星，将它们抛出太阳系。最终能够进入环地球轨道的极少数的彗星也无法停留很久。

雷蒙德介绍道：“彗星能够接近太阳的机会只有几次，要么会撞上地球，要么就会散落到其他的轨道上。”

因此，对于彗星来说想要征服木星的引力桎梏实在太难。但是，对内行星中飞行的小行星而言，木星的引力却是它们的机会。

可行方案

2011年，雷蒙德在内的一组研究人员正在试图回答一个难题：为什么火星这么小？46亿年前应该有足够的原材料供火星利用，使其成为一个规模类似金星和地球的行星。但是实际上，火星的直径只有地球的一半，质量是地球的大约十分之一。一个可能的解释是存在一种外在的力量在火星形成初期早早地剥夺了它的原材料。

为了探寻这个问题的答案，科学家们发明了一种叫作大航向模型的方法。该方法所描绘的地球比起我们现在居住的星球，躁动得多（《科学新闻》在线版，2015年3月23日）。大航向模型中所设定的情景是，木星和土星在整个太阳系中来回巡视，就好像是学校操场上的恶霸，向其他行星投掷岩石，抢夺它们的食物。太阳周围的气体会拖动木星，其次是土星向太阳移动。一旦木星到达大概现在火星所处的运行轨道，来自土星的引力会将它俩一块儿拖回到它们来时的位置（“大航向”中“航向”的意思）。木星对内太阳系的火星进行侵犯，它在火星的岩石碎片域中打开了一个缺口，剥夺了其形成星球所需的原材料。

木星和土星在早期太阳系中上演的“探戈”在剥夺了火星原料的同时，可能还将冰态小行星推向了地球。木星和土星来回踱步的时候，它们的引力抓住了雪线外形成的小行星，并将它们向内太阳系扔去。雪线是标志着温度足够低可以形成冰的边界。这些注入了冰的岩石中大约有百分之一，被扔进了小行星带的外围区域，被称为C型小行星。但是迁徙到小行星带中的C型小行星，至少有10颗被扔进岩态行星形成的区域。

计算机模拟结果显示，这场发生在太阳系形成几百万年后的小行星轰炸足以轻易地传递大量因封锁在岩石内部而免遭太阳融化的冰，并在地球上形成海洋。这些小行星中有一部分，它们质量的大约20%都是由水构成的。在地球上，尽管地球表面70%的面积都被蓝色的海洋包裹着，但是水只占整个星球质量的0.023%。与那些小行星相比，地球肯定是相当干渴的。

“大航向”可以完美地诠释火星的形成、小行星带的布局以及冰态小行星降水输送至地球的过程。但是雷蒙德也强调道：“‘大航向’假说仅仅是一种可以符合数据的解释，它代表的是一种思维的演变，但不意味着就是最终的答案。”

彗星曾因为具有相同的D/H比，被认为是地球水的起源，而现在，D/H比将地球水起源的可能性指向了小行星。2012年，亚历山大和他的同事们在《科学》杂志上总结道，地球上大多数的水都是通过一种类似于铸铁碳质球粒陨石的陨石族送达地球的。研究员们认为这些陨石，也就是形成在木星外层后来撞向地球的小行星，是太阳系中最为古老的实体。

亚历山大的研究和其他的很多研究一样，都是在匹配地球水和球粒状陨石水化学性质的基础上提出了强有力的主张。但是他的假说中并没有强调水到达地球的时间。布朗大学地质学家阿尔贝托·萨尔认为这个问题的答案取决于月球。

阿波罗号宇航员从月球采集了大量的样本带回地球，其中包括了阿波罗15号和17号登月计划收集到的火山玻璃。火山玻璃是很久以前月球内部喷射而出的岩浆迅速冷却形成的。2013年，萨尔和他的同事们在《科学》杂志上发表文章，写道火山玻璃中封存的水的D/H比与地球上水以及亚历山大碳质球粒陨石中水的测量结果都是匹配的（《科学新闻》2013年6月29日，第8页）。萨尔得到的结果说明了两个问题：首先，地球和月球具有相同的水源来源；其次，当月球形成的时候，水就已经存在了。

月球形成的开始伴随着一声爆炸。一般认为有一颗火星大小的行星在地球形成的末期与地球发生了碰撞。撞击对地球的一部分以及一些不幸的闯入者造成了冲击，在地球周围形成了一层气化岩石，这些岩石而后结合在一起构成了月球（《科学新闻》2014年7月12日，第14页）。萨尔强调：“发生撞击的时候，水就必须存在在地球上，否则也不可能被封锁在月球里。退一步讲，水得在月球表面冷却凝固的这段时间中出现。”这一假说认为太阳系形成1.5亿年之后，水开始靠近地球。马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所的地质学家苏内·尼尔森认为：“但是仅仅依靠关于月球的数据，我们并不能确定具体的时间。”研究员们为了将水到达地球的时间窗口限定在一个更加具体的时段，开始对维斯塔小行星展开研究。更准确地说，是对维斯塔小行星与另一个太空岩石撞击后产生的陨石展开了研究。伍兹霍尔海洋研究所地质学家亚当·沙拉菲安、尼尔森和其他的研究员们分析了一块维斯塔陨石样本内部磷灰石矿物中的少量水样。研究团队于2014年秋天在《科学》杂志上发表了他们的研究结果，他们发现陨石中的D/H比与地球的D/H比相匹配。这一发现意味着不论是什么在传送维斯塔小行星上的水，它一定将水带到了地球上来，并且水在维斯塔小行星成型之前就已经到位了（《科学新闻》在线版，2014年11月1日）。

这一发现将地球上水的出现推向了更远的曾经，可能开始于太阳系形成后的800万年。尼尔森介绍说：“这可谓是记载的太阳系中所最古老的水库了。”观察数据将水出现在内太阳系中的时间定位在木星和土星往复来回抛掷小行星之后不久。

确定水是什么时候以什么样的方式到达地球的，不仅仅是可以帮助我们理解地球是如何形成的。亚历山大介绍说：“如果说类地行星获得水源需要通过一定的外部输送机制，这就意味着形成一个宜居的星球的难度更大了。”在其他恒星周围形成的岩态行星将会出现地球曾面对的一模一样的问题。这些位于它们恒星宜居空间中的行星，形成于干旱的环境中，需要从非常遥远的地方获得冰的供给，才可能在星球表面形成液态的水。地球能够得到水源是因为幸运地与土星和木星做了邻居，还是说还有其他的方法可以使水源靠近地球呢？

不能因为地球是如此形成的，就断定所有的宜居星球的形成方式独此无二。尼尔森认为：“我情愿更谨慎一些，不去臆断气体巨星是把水送上岩态行星的唯一方式。”

实际上，气体巨星也可能变成一种阻碍。雷蒙德介绍说：“木星和土星将所有的一切都扰乱了。”它们的引力强大到可以将小行星和彗星扔出太阳系。雷蒙德强调说：“如果说木星和土星不存在的话，地球引力可以从小行星带边缘偷走10倍数量的水源。”没有气态巨星，水的输送可能就会随着行星从太阳系不同部分吸引岩石碎片时自然而然地发生了。开普勒太空望远镜观察到的新数据显示在其他恒星附近，像木星这么大的行星还是相对少见的。很可能大多数宜居星球不需要通过外界的帮助也可以获得水源。

如果真是这样的话，银河系中可能充满着等待被发现的海洋世界。雷蒙德总结道：“依我之见，像地球这样的有水源的星球，可能每天都会出现。”