地球到底怎么形成

苗千

我们的太阳系，我们的地球是如何形成，又是如何逐渐演变为现在的状态？生命现象最早是什么时候开始在地球上出现，从此一直生生不息，繁衍至今？随着人类地质学和古生物学研究不断取得新发现，这两个问题的答案也在逐渐转变，人类对于地球形成过程的描述可能需要修正。

人类的家园，太阳系中的第三颗行星——地球，是目前人类已知的宇宙中最为独特的星球，这颗蔚蓝色星球上存在着宇宙中或许是独一无二的生命现象。在这颗行星上，生命现象究竟是在什么时候，如何出现和繁衍扩散？这个问题正在受到越来越多的关注，而且也和地球自身的创生过程结合了起来。

从太阳星云到太阳系

关于地球如何形成，虽然还有很多的细节仍不清楚，但是行星科学家们已经可以描述出大致的过程。在大约46亿年以前，所谓的太阳系还只是一片宇宙中的灰尘和气体，被称作太阳星云（Solar Nebula）。后来或许是附近一颗超新星的爆发扰动了这些灰尘和气体，使它们开始旋转，并且在引力的作用下开始塌缩，进而形成天体。在太阳星云内部的材料，包括绝大多数的氢元素和氦元素，都在太阳风的作用下聚集起来形成了太阳，而太阳星云剩余的其他一些更重的材料也开始聚合起来，形成了太阳系内部的几颗行星。大约在45.4亿年之前，一些剩余材料形成了地球的雏形。而在太阳系的外围，太阳风无法影响的区域中，则形成了气态行星、小行星和彗星等各种天体。

在一些宗教的创生故事中，整个世界在形成初期往往伴随着各种山崩地裂的现象，而实际上，这与地球刚刚形成之后的早期状态确实有相似之处。因为引力作用的挤压和内部一些放射性物质的聚集，地球的内核非常炎热。一些相对更轻的材料浮到了地球表面形成地壳，由地球引力捕获的一些气体，加上地球火山喷发所释放出的气体逐渐形成了地球的大气层。地质学家们估计，在地球形成的初期几乎没有固态的地壳，处于熔岩状态的地球表面还经常伴以岩浆喷发，并且受到来自太阳系内部的小行星的轰击。研究者们在地球上发现的在这个时期形成的一些陨石坑可以宽达上千公里，而且很多研究者认为，正是在这个阶段，一次来自一个小行星的猛烈轰击使地球的一部分发生气化脱离开来，而后才形成了地球的唯一一颗天然卫星——月球（也有理论认为地球是通过引力作用捕获了当时在地球轨道附近的物质，逐渐聚合形成了月球）。

正是因为地月同源，研究月球的历史也可以帮助人们理解地球的形成过程。由“阿波罗计划”（Project Apollo）從月球带回来的岩石样本显示，月球岩石大多形成于约39亿年前——在月球形成了几亿年之后，它忽然遭遇了大量的陨石袭击，这个时期被称为“月球灾变期”（Lunar Cataclysm）。频繁的袭击使月球的大部分表面发生融化，而后又逐渐凝结。在这段时期里地球当然也难逃厄运，同样经历了大量的小行星和陨石的袭击。

根据目前人类勾画出的地球形成过程，在形成的最初5亿年内，地球一直处于一种极度炎热的环境之中，表面没有固化的地壳，充满了火山爆发，又要随时应对小行星的袭击。在这种情况下，当然不可能出现生命现象。正因为如此，这个时期在科学界被称为冥古宙（Hadean Eon），这个词源于希腊神话中的冥王。

依据地质学家的解释，直到大约38亿年前，地球自身激烈的地质活动开始趋于稳定，随着温度下降，表面逐渐凝固形成了固态地壳，而太阳系内部的天体活动也趋于稳定，不再有频繁的小行星轰击地球，在这样的条件下地球上才开始出现生命现象。

生命从何时出现？

这个关于地球形成过程的描述，却正在因为越来越多的古生物微化石证据被发现而受到质疑，原因也是显而易见的——如果在地球形成之后的5亿年之内，环境一直都是如此的恶劣，在炎热、干燥、没有固态地壳的环境中又怎么可能出现最早的生命形式？随着古生物学家和地质学家的不断发现，地球上出现生命现象的时间被不断提前，这样的质疑声也就随之越来越高。

1992年，科学家们在澳大利亚的岩石中发现了距今35亿年以前的生命现象的痕迹。自此之后，这个纪录就接连被打破。另一方面，因为这些化石或是岩石样本的年代过于久远，科学界对于这些早期生命化石或是相关样品的质疑也从来没有停息过。目前最新的研究证据显示，可能在距今40亿年以前，地球上就已经出现了复杂的、可以进行光合作用和通过其他方式来获取能量的生命体。

2017年9月28日，由来自东京大学的学者小宫刚（Tsuyoshi Komiya）和佐野有司（Yuji Sano）领导的研究团队在《自然》（Nature）杂志上发表论文：《在加拿大拉布拉多的沉积岩中发现距今39.5亿年前的生命痕迹》（Early Trace of Life From 3.95 Ga Sedimentary Rocks in Labrador， Canada）。他们测量了在加拿大发现的岩石样本中的石墨，对其中的碳元素同位素比例进行研究，证明这些聚集的碳元素来自于生命活动。但他们的研究成果也受到了质疑，例如有科学家认为在这些石墨的周围并没有生命现象的痕迹，而一些非生命过程也可能改变石墨中碳同位素的比例。

另一组由来自加州大学洛杉矶分校的古生物学家威廉·舍普夫（William Schopf）和威斯康星大学的地质学家约翰·瓦雷（John Valley）领导的研究团队，花费4个月时间找到了一片岩石样本，里边含有足以进行化学成分分析的古生物化石。他们发现在这个样本中总共含有由11种形状和尺度各异的微生物所形成的微化石，其中包含了5种不同的微生物。2018年1月18日，他们在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上发表了研究成果：《对于已知最早的微化石集合碳同位素构成进行二次离子质谱法分析》（SIMS Analyses of the Oldest Known Assemblage of Microfossils Document Their Taxon-correlated Carbon Isotope Compositions）。论文作者舍普夫认为，已经有了足够的证据显示，他们发现的样本是远古微生物形成的微化石——如果在这个距今大约35亿年前的微化石上就已经显示出如此多样的生命现象，那么说明地球在距今40亿年之前就已经产生了生命现象。可以说这是至今为止最令人信赖的化石证据，而这个发现所引发的问题远不止于此，这关系到人类对于地球形成过程的描述可能需要修正。

更温和的创生故事

种种迹象表明，在地球形成的早期，环境有可能并没有人们最初想象的那么恶劣。除了科学家们发现的微化石证据之外，一些地质学证据也与目前流行的地球形成故事不相符合。擅长利用二次离子质谱法分析样本元素构成的瓦雷从2001年起就开始研究一种特殊的矿物晶体锆石（Zircon），这种形成年代久远的特殊矿物同样在告诉人们另一个版本的地球形成故事——或许在大约43亿年前，在地球表面就已经形成了一个冷却的、有液态水存在的适合生物生存的环境了。

在锆石晶体中存在着硅、氧、锆和其他一些元素，它是在岩浆内部凝结形成的，可以承受巨大的压力、腐蚀和变形。正是因为这样的特殊性质，这种矿物从冥古宙一直保存至今，这也是地球在冥古宙时期留下的可供地质学家进行研究的唯一证据。瓦雷研究了从西澳大利亚的杰克山冈地区采集到的锆石样本，他通过测量晶体内部的氧元素同位素得出结论：这些晶体形成于有水的冷却环境中。也就是说，有固态地壳存在的、冷却的、有液态水存在的地球环境，可能比人们此前的想象早4亿年就存在了。这个结论也与科学家们不断发现的古生物微化石的年代相符合。

2014年2月24日，瓦雷在《自然·地球科学》（Nature Geoscience）杂志上发表论文《通过原子探针断层扫描证实的冥古宙后岩浆海洋时期的锆石》（Hadean Age For a Post-magma-ocean Zircon Confirmed By Atom-probe Tomography），报告他多年来对锆石晶体的研究结果。论文阐述，至少在44亿年以前，也就是在太阳系形成1.6亿年之后，在地球表面可能就有了通过冷却形成的固态地壳。如果这个结论成立，那么又过了大约1亿年之后，地球表面可能就已经存在了液态水。而且瓦雷在其他的锆石样本中也发现了类似的痕迹，这说明在当时的地球表面可能已经有了海洋。

通过科学家们不断发现的远古的生命痕迹和地质样品来看，可能在地球刚刚形成的几亿年之内的冥古宙并不像人们此前想象的那么可怕，虽然在当时火山运动频繁，但很有可能在地面上已經有了固定的干燥的陆地，也有可能存在了液态水，形成了海洋——这样的环境已经足以孕育出生命现象。

但问题依然存在。在太阳系和地球形成的初期，对生命现象的产生和扩散造成巨大威胁的，不止来自频繁的火山爆发，更多的是来自天空的轰击。在太阳系内部的天体刚刚形成时，它们都经历了被小天体频繁袭击的时期。不仅在地球上，科学家们在月球、火星、金星和水星上都发现了类似的痕迹。现在的问题在于，这个轰击过程从什么时候

开始，又到什么时候结束？

除了来自地球的岩石样本之外，只有阿波罗计划的六次登月带回的月球岩石样本可供人类进行对照研究。科学家们发现，除了在太阳系形成初期，太阳系内部的天体都无可避免地遭受小天体的频繁轰击之外，又过了5亿到7亿年的时间，月球灾变期又是地球和月球饱受轰击的一个特殊时期。在这期间月球表面在轰击下几乎被融化，而地球也应该遭受到了同等程度的轰击，因此这也被称为后期重轰炸期（Late Heavy Bombardment）。

加州大学洛杉矶分校的两位研究者帕特里克·伯梅（Patrick Boehnke）和马克·哈里森（Mark Harrison）研究了来自阿波罗计划的月球岩石样本，这些样本一直都被认为是月球灾变期发生的主要证据，而他们则从这些样本中得出了相反的结论。2016年9月27日，他们在《美国国家科学院院刊》上发表论文《虚幻的后期重轰炸期》（Illusory Late Heavy Bombardments），提出了一个全新的观点，认为这个人们此前所认为的太阳系中的又一次频繁的小行星活动时期可能并不存在，而这些来自月球的岩石样本，它们的真实年龄可能比看上去的更加久远。

人们此前判断月球岩石样本的年龄，主要是通过检测其中氩39/氩40同位素的比例，从而得出结论为大约39亿年。而两位研究者重新测量了月球岩石样本中的氩同位素情况，发现这些岩石样本在结晶之后，又曾经遭受过多次猛烈的撞击，因为它们最初形成的年代会比看上去的更早。另外，几次阿波罗计划所取回的月球岩石样本可能都来自月球的同一位置，甚至可能来自同一个陨石坑，这样的采集方式，也不能完全反映月球岩石状态的全貌。综合这些因素，两位作者认为，发生于大约39亿年前的月球灾变期，或是地球上的后期重轰炸期，可能并不存在。

现在有科学家认为，在月球上发现的诸多陨石坑，可能只是在经历第一次小行星轰炸时留下的痕迹。在天外小行星频繁轰炸地球的过程中，可能会有一个缓慢的上升过程，随后轰炸又开始逐渐衰减，因而可能并不存在第二次的频繁轰炸。如此说来，地球的创生故事可能要比人们此前想象的稍微温和一些。正是在这种相对温和的情况下，地球上才有可能出现最初的生命现象。很有可能在地球刚刚冷却下来的几百万年时间里，生命现象就出现了，并且从此开始顽强地繁衍并扩散开来。生命可能远比人们此前想象的更顽强，也更能忍受残酷的环境。

（本文写作参考了Science和Quanta Magazine的相关报道）

威斯康星大学的地质学家约翰·瓦雷（上）和他的团队找到一片岩石样本（下），里边含有足以进行化学成分分析的古生物化石