地球到底怎么形成

苗千

我們的太陽系，我們的地球是如何形成，又是如何逐漸演變為現在的狀態？生命現象最早是什么時候開始在地球上出現，從此一直生生不息，繁衍至今？隨著人類地質學和古生物學研究不斷取得新發現，這兩個問題的答案也在逐漸轉變，人類對于地球形成過程的描述可能需要修正。

人類的家園，太陽系中的第三顆行星——地球，是目前人類已知的宇宙中最為獨特的星球，這顆蔚藍色星球上存在著宇宙中或許是獨一無二的生命現象。在這顆行星上，生命現象究竟是在什么時候，如何出現和繁衍擴散？這個問題正在受到越來越多的關注，而且也和地球自身的創生過程結合了起來。

從太陽星云到太陽系

關于地球如何形成，雖然還有很多的細節仍不清楚，但是行星科學家們已經可以描述出大致的過程。在大約46億年以前，所謂的太陽系還只是一片宇宙中的灰塵和氣體，被稱作太陽星云（Solar Nebula）。后來或許是附近一顆超新星的爆發擾動了這些灰塵和氣體，使它們開始旋轉，并且在引力的作用下開始塌縮，進而形成天體。在太陽星云內部的材料，包括絕大多數的氫元素和氦元素，都在太陽風的作用下聚集起來形成了太陽，而太陽星云剩余的其他一些更重的材料也開始聚合起來，形成了太陽系內部的幾顆行星。大約在45.4億年之前，一些剩余材料形成了地球的雛形。而在太陽系的外圍，太陽風無法影響的區域中，則形成了氣態行星、小行星和彗星等各種天體。

在一些宗教的創生故事中，整個世界在形成初期往往伴隨著各種山崩地裂的現象，而實際上，這與地球剛剛形成之后的早期狀態確實有相似之處。因為引力作用的擠壓和內部一些放射性物質的聚集，地球的內核非常炎熱。一些相對更輕的材料浮到了地球表面形成地殼，由地球引力捕獲的一些氣體，加上地球火山噴發所釋放出的氣體逐漸形成了地球的大氣層。地質學家們估計，在地球形成的初期幾乎沒有固態的地殼，處于熔巖狀態的地球表面還經常伴以巖漿噴發，并且受到來自太陽系內部的小行星的轟擊。研究者們在地球上發現的在這個時期形成的一些隕石坑可以寬達上千公里，而且很多研究者認為，正是在這個階段，一次來自一個小行星的猛烈轟擊使地球的一部分發生氣化脫離開來，而后才形成了地球的唯一一顆天然衛星——月球（也有理論認為地球是通過引力作用捕獲了當時在地球軌道附近的物質，逐漸聚合形成了月球）。

正是因為地月同源，研究月球的歷史也可以幫助人們理解地球的形成過程。由“阿波羅計劃”（Project Apollo）從月球帶回來的巖石樣本顯示，月球巖石大多形成于約39億年前——在月球形成了幾億年之后，它忽然遭遇了大量的隕石襲擊，這個時期被稱為“月球災變期”（Lunar Cataclysm）。頻繁的襲擊使月球的大部分表面發生融化，而后又逐漸凝結。在這段時期里地球當然也難逃厄運，同樣經歷了大量的小行星和隕石的襲擊。

根據目前人類勾畫出的地球形成過程，在形成的最初5億年內，地球一直處于一種極度炎熱的環境之中，表面沒有固化的地殼，充滿了火山爆發，又要隨時應對小行星的襲擊。在這種情況下，當然不可能出現生命現象。正因為如此，這個時期在科學界被稱為冥古宙（Hadean Eon），這個詞源于希臘神話中的冥王。

依據地質學家的解釋，直到大約38億年前，地球自身激烈的地質活動開始趨于穩定，隨著溫度下降，表面逐漸凝固形成了固態地殼，而太陽系內部的天體活動也趨于穩定，不再有頻繁的小行星轟擊地球，在這樣的條件下地球上才開始出現生命現象。

生命從何時出現？

這個關于地球形成過程的描述，卻正在因為越來越多的古生物微化石證據被發現而受到質疑，原因也是顯而易見的——如果在地球形成之后的5億年之內，環境一直都是如此的惡劣，在炎熱、干燥、沒有固態地殼的環境中又怎么可能出現最早的生命形式？隨著古生物學家和地質學家的不斷發現，地球上出現生命現象的時間被不斷提前，這樣的質疑聲也就隨之越來越高。

1992年，科學家們在澳大利亞的巖石中發現了距今35億年以前的生命現象的痕跡。自此之后，這個紀錄就接連被打破。另一方面，因為這些化石或是巖石樣本的年代過于久遠，科學界對于這些早期生命化石或是相關樣品的質疑也從來沒有停息過。目前最新的研究證據顯示，可能在距今40億年以前，地球上就已經出現了復雜的、可以進行光合作用和通過其他方式來獲取能量的生命體。

2017年9月28日，由來自東京大學的學者小宮剛（Tsuyoshi Komiya）和佐野有司（Yuji Sano）領導的研究團隊在《自然》（Nature）雜志上發表論文：《在加拿大拉布拉多的沉積巖中發現距今39.5億年前的生命痕跡》（Early Trace of Life From 3.95 Ga Sedimentary Rocks in Labrador， Canada）。他們測量了在加拿大發現的巖石樣本中的石墨，對其中的碳元素同位素比例進行研究，證明這些聚集的碳元素來自于生命活動。但他們的研究成果也受到了質疑，例如有科學家認為在這些石墨的周圍并沒有生命現象的痕跡，而一些非生命過程也可能改變石墨中碳同位素的比例。

另一組由來自加州大學洛杉磯分校的古生物學家威廉·舍普夫（William Schopf）和威斯康星大學的地質學家約翰·瓦雷（John Valley）領導的研究團隊，花費4個月時間找到了一片巖石樣本，里邊含有足以進行化學成分分析的古生物化石。他們發現在這個樣本中總共含有由11種形狀和尺度各異的微生物所形成的微化石，其中包含了5種不同的微生物。2018年1月18日，他們在《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上發表了研究成果：《對于已知最早的微化石集合碳同位素構成進行二次離子質譜法分析》（SIMS Analyses of the Oldest Known Assemblage of Microfossils Document Their Taxon-correlated Carbon Isotope Compositions）。論文作者舍普夫認為，已經有了足夠的證據顯示，他們發現的樣本是遠古微生物形成的微化石——如果在這個距今大約35億年前的微化石上就已經顯示出如此多樣的生命現象，那么說明地球在距今40億年之前就已經產生了生命現象?？梢哉f這是至今為止最令人信賴的化石證據，而這個發現所引發的問題遠不止于此，這關系到人類對于地球形成過程的描述可能需要修正。

更溫和的創生故事

種種跡象表明，在地球形成的早期，環境有可能并沒有人們最初想象的那么惡劣。除了科學家們發現的微化石證據之外，一些地質學證據也與目前流行的地球形成故事不相符合。擅長利用二次離子質譜法分析樣本元素構成的瓦雷從2001年起就開始研究一種特殊的礦物晶體鋯石（Zircon），這種形成年代久遠的特殊礦物同樣在告訴人們另一個版本的地球形成故事——或許在大約43億年前，在地球表面就已經形成了一個冷卻的、有液態水存在的適合生物生存的環境了。

在鋯石晶體中存在著硅、氧、鋯和其他一些元素，它是在巖漿內部凝結形成的，可以承受巨大的壓力、腐蝕和變形。正是因為這樣的特殊性質，這種礦物從冥古宙一直保存至今，這也是地球在冥古宙時期留下的可供地質學家進行研究的唯一證據。瓦雷研究了從西澳大利亞的杰克山岡地區采集到的鋯石樣本，他通過測量晶體內部的氧元素同位素得出結論：這些晶體形成于有水的冷卻環境中。也就是說，有固態地殼存在的、冷卻的、有液態水存在的地球環境，可能比人們此前的想象早4億年就存在了。這個結論也與科學家們不斷發現的古生物微化石的年代相符合。

2014年2月24日，瓦雷在《自然·地球科學》（Nature Geoscience）雜志上發表論文《通過原子探針斷層掃描證實的冥古宙后巖漿海洋時期的鋯石》（Hadean Age For a Post-magma-ocean Zircon Confirmed By Atom-probe Tomography），報告他多年來對鋯石晶體的研究結果。論文闡述，至少在44億年以前，也就是在太陽系形成1.6億年之后，在地球表面可能就有了通過冷卻形成的固態地殼。如果這個結論成立，那么又過了大約1億年之后，地球表面可能就已經存在了液態水。而且瓦雷在其他的鋯石樣本中也發現了類似的痕跡，這說明在當時的地球表面可能已經有了海洋。

通過科學家們不斷發現的遠古的生命痕跡和地質樣品來看，可能在地球剛剛形成的幾億年之內的冥古宙并不像人們此前想象的那么可怕，雖然在當時火山運動頻繁，但很有可能在地面上已經有了固定的干燥的陸地，也有可能存在了液態水，形成了海洋——這樣的環境已經足以孕育出生命現象。

但問題依然存在。在太陽系和地球形成的初期，對生命現象的產生和擴散造成巨大威脅的，不止來自頻繁的火山爆發，更多的是來自天空的轟擊。在太陽系內部的天體剛剛形成時，它們都經歷了被小天體頻繁襲擊的時期。不僅在地球上，科學家們在月球、火星、金星和水星上都發現了類似的痕跡?，F在的問題在于，這個轟擊過程從什么時候

開始，又到什么時候結束？

除了來自地球的巖石樣本之外，只有阿波羅計劃的六次登月帶回的月球巖石樣本可供人類進行對照研究?？茖W家們發現，除了在太陽系形成初期，太陽系內部的天體都無可避免地遭受小天體的頻繁轟擊之外，又過了5億到7億年的時間，月球災變期又是地球和月球飽受轟擊的一個特殊時期。在這期間月球表面在轟擊下幾乎被融化，而地球也應該遭受到了同等程度的轟擊，因此這也被稱為后期重轟炸期（Late Heavy Bombardment）。

加州大學洛杉磯分校的兩位研究者帕特里克·伯梅（Patrick Boehnke）和馬克·哈里森（Mark Harrison）研究了來自阿波羅計劃的月球巖石樣本，這些樣本一直都被認為是月球災變期發生的主要證據，而他們則從這些樣本中得出了相反的結論。2016年9月27日，他們在《美國國家科學院院刊》上發表論文《虛幻的后期重轟炸期》（Illusory Late Heavy Bombardments），提出了一個全新的觀點，認為這個人們此前所認為的太陽系中的又一次頻繁的小行星活動時期可能并不存在，而這些來自月球的巖石樣本，它們的真實年齡可能比看上去的更加久遠。

人們此前判斷月球巖石樣本的年齡，主要是通過檢測其中氬39/氬40同位素的比例，從而得出結論為大約39億年。而兩位研究者重新測量了月球巖石樣本中的氬同位素情況，發現這些巖石樣本在結晶之后，又曾經遭受過多次猛烈的撞擊，因為它們最初形成的年代會比看上去的更早。另外，幾次阿波羅計劃所取回的月球巖石樣本可能都來自月球的同一位置，甚至可能來自同一個隕石坑，這樣的采集方式，也不能完全反映月球巖石狀態的全貌。綜合這些因素，兩位作者認為，發生于大約39億年前的月球災變期，或是地球上的后期重轟炸期，可能并不存在。

現在有科學家認為，在月球上發現的諸多隕石坑，可能只是在經歷第一次小行星轟炸時留下的痕跡。在天外小行星頻繁轟炸地球的過程中，可能會有一個緩慢的上升過程，隨后轟炸又開始逐漸衰減，因而可能并不存在第二次的頻繁轟炸。如此說來，地球的創生故事可能要比人們此前想象的稍微溫和一些。正是在這種相對溫和的情況下，地球上才有可能出現最初的生命現象。很有可能在地球剛剛冷卻下來的幾百萬年時間里，生命現象就出現了，并且從此開始頑強地繁衍并擴散開來。生命可能遠比人們此前想象的更頑強，也更能忍受殘酷的環境。

（本文寫作參考了Science和Quanta Magazine的相關報道）

威斯康星大學的地質學家約翰·瓦雷（上）和他的團隊找到一片巖石樣本（下），里邊含有足以進行化學成分分析的古生物化石