一項新的研究表明，地幔內部通過板塊構造的快速冷卻在第一批生命形式的形成中發揮了重要作用，而這又反過來導致了地球大氣層的氧化作用。這項研究發表在《地球與行星科學快報》上。澳大利亞阿德萊德大學(University of Adelaide)和科廷大學(Curtin University)以及加州大學河濱分校(University of California at Riverside, California, USA)的科學家收集并分析了來自澳大利亞、加拿大、新西蘭、瑞典和美國地質和地球化學數據倉庫的火成巖數據。他們發現，在地球發展的45億年里，富含磷的巖石聚集在地殼中。然后他們研究了大氣中與氧氣的積累的關系。
正如我們所知，磷對生命是必不可少的。磷酸鹽是一種含有磷和氧的化合物，是DNA和RNA以及細胞膜的一部分，有助于控制細胞的生長和功能。為了弄清地殼中磷的含量是如何隨時間增加的，科學家們研究了巖石是如何隨著地幔的冷卻而形成的，進行了建模，以找出地幔長期冷卻所導致的地幔成因巖石成分的變化。
研究結果表明，在地球歷史上較早、更熱的時期——四十五億年前的太古代——有大量的熔巖地幔。磷在這些巖石中會被稀釋。然而，隨著時間的推移，地球得到了充分的冷卻，這得益于板塊構造的出現，在板塊構造中，地球較冷的外層地殼被俯沖回熱地幔。隨著溫度的降低，部分地幔開始融化。磷將集中在少數融化，地幔冷卻，融化你提取的數量較小，但融化將磷的濃度更高。
磷在地球氧化中的作用
磷被濃縮并結晶成一種叫做磷灰石的礦物，它是由冷卻的地幔形成的火成巖的一部分。最終這些巖石到達了地球表面，形成了地殼的很大一部分。當磷灰石從地殼中提取的磷礦物與湖泊、河流和海洋中的水混合在一起時，磷灰石就會分解成磷酸鹽，從而成為原始生命的發育和營養來源。科學家們估計，隨著時間的推移，地殼中的元素與海水混合在一起。在地球大氣的氧化過程中，生物基本元素的高水平增加了：大氧化事件(GOE)， 24億年前，以及8億年前的新元古代氧事件，在那之后，氧含量被認為足夠高，足以支持多細胞生命。
地球橫截面，顯示了地殼的外部，地表下的熔融地幔和地球中心的地核。圖片：NASA/JPL-Université Paris Diderot - Institut de Physique du Globe de Paris
甚至在GOE之前，大約35億到25億年前，一些最早的生命形式可能通過光合作用產生氧氣。然而，在此期間，大部分氧氣與火成巖中的鐵和硫發生反應。為了了解這些反應在40億年的時間里是如何影響大氣中的氧含量的，科學家們測量了火成巖中的硫和鐵的含量，并計算出了氧的反應量。他們將所有這些事件與大氣氧含量的變化進行了比較。科學家們發現，硫和鐵的減少與磷的增加相對應的是大氧化事件和新元古代的氧事件。
生命“爆炸”
所有這些事件都支持了一種情況，即地幔的冷卻導致了地殼中富含磷的巖石的增加。然后這些巖石與海洋混合，在那里含磷的礦物質分解并滲入水中。一旦海水中的磷含量足夠高，原始的生命形式就會興旺起來，它們的數量也會增加，這樣它們就能產生足夠的氧氣，大部分氧氣就會到達大氣層。氧氣達到足以維持多細胞生命的水平。地質學家彼得博士Cawood墨爾本莫納什大學的澳大利亞,評論天體生物學雜志,“認為是有趣的(氧氣)我們所依賴的生活其最終的起源歸功于世俗地幔溫度的降低,這被認為是減少大約三十億年前從1550攝氏度到1350攝氏度。
在可能的外星球上是否也會出現類似的情況？隨著開普勒發現了越來越多的類地行星，這些行星中是否有生命存在？Cawood認為，這一發現對于太陽系外行星上有氧生命(即在富含氧氣的環境中進化的生命)的發展具有潛在的重大意義。卡伍德說:“這是有條件的，地球表面火成巖中的磷正在經受風化，以確保其生物可利用性。”“值得注意的是，在那些硅含量低的巖石中，火成巖的磷含量最高(這些巖石是由快速冷卻形成的)，這種成分的巖石支配著金星和火星的外殼，也可能存在于系外行星上。
氧氣水平上升和地幔冷卻之間的關系對任何一個地球行星都有影響。”所有的行星都會冷卻，那些板塊構造對流有效的行星會更快地冷卻。我們的結論是，這樣的冷卻速度可能會影響到任何可能適宜居住的星球上生物進化的速度和模式。這項研究得到了美國國家航空航天局天體生物學研究所(NAI)元素的支持，美國國家科學基金會前沿地球系統動力學項目和澳大利亞研究委員會。
博科園-科學科普｜ 文：Lisa Kaspin-Powell/Space
