鋯石可以永久存在幫助一窺早期地球生命初生時(shí)期的狀況 _科學(xué)

科學(xué)家和藝術(shù)家常常將地球形成的最初想像成如地獄般到處都是火山和熔巖原的景色。然而在數(shù)億年間，水可能就因陸地冷卻而能存在于地表，生命不久后也隨之出現(xiàn) 。ILLUSTRATION BY RYAN ROSSOTTO

亞斯特（ASTER）衛(wèi)星拍攝到的澳洲杰克山崗。這里曾發(fā)現(xiàn)地球目前最古老的地殼碎片，里面的鋯石存在了約44億年之久。PHOTOGRAPHY BY NASA/GSFC/METI/ERSDAC/JAROS, AND U.S./JAPAN ASTER SCIENCE TEAM
（）據(jù)美國國家地理（撰文：Maya Wei-Haas 翻譯：蔡雅鈴）：哪種礦石能經(jīng)歷40億年不毀壞，還見證了地球的蛻變過程？和鉆石不一樣，鋯石可以永久存在，我們因此得以從這些結(jié)晶狀的時(shí)光膠囊，一窺早期地球生命初生時(shí)期的狀況。
地球在40億年前看起來是什么樣子？這個(gè)時(shí)間是在人類將自然奇觀刻上石頭之前，在樹木將四季刻入年輪之前；在山脈經(jīng)由板塊運(yùn)動(dòng)突出地表、暴露出古老地層以前。
然而科學(xué)家的確從鋯石（zircon）這種極度堅(jiān)固的礦物中找到了一些線索。
鋯石結(jié)晶幾乎堅(jiān)不可摧，現(xiàn)存的鋯石有些已經(jīng)將近44億歲了。它們就像是微小的時(shí)光膠囊，里頭裝著非常早期的化學(xué)足跡。「這基本上是我們窺看地球成形階段的唯一機(jī)會(huì) 。」羅徹斯特大學(xué)（University of Rochester）的達(dá)斯?。薅―ustin Trail）說。
透過解開這些化學(xué)線索，科學(xué)家正緩慢地厘清孕育最初生命型態(tài)的環(huán)境狀況，可是那時(shí)地球表面到底是什么樣子一直是個(gè)謎。不過就在《美國國家科學(xué)院刊》（PNAS）上的一份新研究里，崔爾和同事把這個(gè)謎題解開了。
這個(gè)團(tuán)隊(duì)利用鋯石的化學(xué)足跡，辨認(rèn)出一批可能屬于早期地球的沉積物，而那個(gè)時(shí)期的環(huán)境很可能醞釀出最早的生化反應(yīng) 。
滄海桑田，地質(zhì)紀(jì)錄難保存
45億年前的地球剛形成時(shí)，地表很可能和現(xiàn)在完全不同。科學(xué)家依希臘神話的冥王之名，將此時(shí)期命名為冥古代（Hadean），這名稱極為貼切，因?yàn)檫@時(shí)的地表不斷受到隕石襲擊，地面充斥著汨汨流出熔巖的火山，有著熾熱煉獄般的景象。
然而這些描述全都是根據(jù)推論而來，地球最初數(shù)百萬年時(shí)期的證據(jù)并沒有留下來。「地球非常善于抹去這類資訊。」崔爾說。我們的地球是個(gè)終極循環(huán)器，板塊運(yùn)動(dòng)不停地把老巖塊翻新，而熔巖流變硬就形成新的地景。
不過，鋯石結(jié)晶由于非常堅(jiān)固，所以常常能從這個(gè)循環(huán)過程的極端溫度與壓力中存活下來，保留了它們初形成時(shí)所處環(huán)境的線索。研究人員早先利用鋯石的氧同位素分析，發(fā)現(xiàn)在43億年前液態(tài)水就已覆蓋了部分地表，這顯示了地球表面在形成后的數(shù)億年就已經(jīng)冷卻了。而就在去年，研究人員認(rèn)為他們在41億年前生成的鋯石中，發(fā)現(xiàn)了富含碳的包裹體，這可能早期生命的線索。
但是除了這一點(diǎn)發(fā)現(xiàn) ，這個(gè)時(shí)期地球的景象，包括可能培育出早期生命的環(huán)境，大多仍是個(gè)謎。
「如果我們能把當(dāng)時(shí)出現(xiàn)的物質(zhì)類型縮小范圍，」崔爾說：「或許能對當(dāng)時(shí)的生化反應(yīng)、或生命出現(xiàn)前的反應(yīng)如何運(yùn)用地殼作為基質(zhì)這方面，有更進(jìn)一步的了解。」
見證地球蛻變的同位素
為了找到答案，崔爾和同事從矽與氧著手。這兩種元素結(jié)合形成了現(xiàn)今地球上大約75%的巖石，他解釋說。而且二者的特色都派得上用?。核塹男問講恢灰恢?nbsp;，也就是有同位素存在。
巖石在形成和變質(zhì)的過程中，會(huì)改變它的同位素足跡。例如熔巖冷卻形成的巖石和巖石風(fēng)化形成的黏土2 ，二者之間就會(huì)有大量不同的特征。而鋯石本身雖然一開始是別種巖石和沉積物，但在被埋入地底深處熔化和結(jié)晶之后，仍能保存早期沉積物的特征。
為了對鋯石中所含的矽與氧進(jìn)行精密的分析，研究團(tuán)隊(duì)找上加州大學(xué)洛杉磯分校的高解析度離子微探針（high-resolution ion microprobe）來幫忙，它會(huì)對著微小的樣本射出一束帶電的原子，然后測量彈出來的那些離子。
他們從西澳洲的杰克山崗（Jack Hills）地區(qū)收集了超過40億年前形成的鋯石進(jìn)行檢驗(yàn)，每個(gè)大約100微米寬，接近人發(fā)的粗細(xì) 。他們把這些古老礦石的化學(xué)性質(zhì)，拿來和更年輕、起源更確定的鋯石（可把這些年輕鋯石視為地質(zhì)史的橋梁）互相比較，這樣有助于理解不同的同位素比率，崔爾解釋說。
液態(tài)水很早就出現(xiàn)
在被檢驗(yàn)的古老鋯石中，超過半數(shù)顯示出巖石與水很早就在許多不同環(huán)境中互相作用。
有些鋯石含有巖石被水蝕化成黏土的化學(xué)特征，其他鋯石所帶的特征則是礦物溶解后再結(jié)晶所形成的巖石，例如湖里或海里的角巖（chert）或帶狀鐵礦床（ banded iron formations）。還有一些則具有所謂的蛇紋巖化作用（serpentinization，因其帶有蛇皮般的紋理和顏色而得名）的特征。在這個(gè)過程中，水和富含鐵、鎂的巖石發(fā)生作用而被并入礦物的結(jié)構(gòu)里。
最重要的是，這些過程全都創(chuàng)造了能促進(jìn)早期生化反應(yīng)的新環(huán)境利基，成了照亮早期生命的微光。
「這個(gè)結(jié)果其實(shí)還滿酷的！」沒有參與這項(xiàng)研究的加州大學(xué)洛杉磯分校地質(zhì)化學(xué)家伊麗莎白．貝爾（Elizabeth Bell）說。她指出這里面有很多過程如果單靠氧同位素是很難區(qū)分出來的，她認(rèn)為采用矽對結(jié)果至關(guān)重要。
貝爾在2017年的研究中，從41億年前的鋯石里找出當(dāng)時(shí)生物圈的線索。而這些最新的結(jié)果也支持了她的發(fā)現(xiàn) ，以及其她對早期地球的詮釋。「把這些線索都拼起來之后，讓我們更能看清全貌。」她說。
我們周遭萬物和體內(nèi)世界一度源自星塵，源自那些形成每個(gè)分子、礦物乃至今日復(fù)雜生物的早期過程。從你的手機(jī)、到你吃的食物、到你胸中跳動(dòng)的心臟皆是如此，而科學(xué)家才剛開始要厘清萬物的起源。
「我們正處在非常有趣的時(shí)間點(diǎn)，」崔爾說：「我們開始真正地去拼湊地球40億年前的樣貌，這令人相當(dāng)興奮。」

鋯石可以永久存在 幫助一窺早期地球生命初生時(shí)期的狀況

鋯石可以永久存在幫助一窺早期地球生命初生時(shí)期的狀況