一項(xiàng)新的研究表明，地幔內(nèi)部通過(guò)板塊構(gòu)造的快速冷卻在第一批生命形式的形成中發(fā)揮了重要作用，而這又反過(guò)來(lái)導(dǎo)致了地球大氣層的氧化作用。這項(xiàng)研究發(fā)表在《地球與行星科學(xué)快報(bào)》上。澳大利亞阿德萊德大學(xué)(University of Adelaide)和科廷大學(xué)(Curtin University)以及加州大學(xué)河濱分校(University of California at Riverside, California, USA)的科學(xué)家收集并分析了來(lái)自澳大利亞、加拿大、新西蘭、瑞典和美國(guó)地質(zhì)和地球化學(xué)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的火成巖數(shù)據(jù)。他們發(fā)現(xiàn)，在地球發(fā)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(guān)系。
正如我們所知，磷對(duì)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(xì)胞膜的一部分，有助于控制細(xì)胞的生長(zhǎng)和功能。為了弄清地殼中磷的含量是如何隨時(shí)間增加的，科學(xué)家們研究了巖石是如何隨著地幔的冷卻而形成的，進(jìn)行了建模，以找出地幔長(zhǎng)期冷卻所導(dǎo)致的地幔成因巖石成分的變化。
研究結(jié)果表明，在地球歷史上較早、更熱的時(shí)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(huì)被稀釋。然而，隨著時(shí)間的推移，地球得到了充分的冷卻，這得益于板塊構(gòu)造的出現(xiàn)，在板塊構(gòu)造中，地球較冷的外層地殼被俯沖回?zé)岬蒯！ｋS著溫度的降低，部分地幔開始融化。磷將集中在少數(shù)融化，地幔冷卻，融化你提取的數(shù)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(jié)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(dá)了地球表面，形成了地殼的很大一部分。當(dāng)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(shí)，磷灰石就會(huì)分解成磷酸鹽，從而成為原始生命的發(fā)育和營(yíng)養(yǎng)來(lái)源。科學(xué)家們估計(jì)，隨著時(shí)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(guò)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(rèn)為足夠高，足以支持多細(xì)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(guò)光合作用產(chǎn)生氧氣。然而，在此期間，大部分氧氣與火成巖中的鐵和硫發(fā)生反應(yīng)。為了了解這些反應(yīng)在40億年的時(shí)間里是如何影響大氣中的氧含量的，科學(xué)家們測(cè)量了火成巖中的硫和鐵的含量，并計(jì)算出了氧的反應(yīng)量。他們將所有這些事件與大氣氧含量的變化進(jìn)行了比較。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，硫和鐵的減少與磷的增加相對(duì)應(yīng)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(dǎo)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(zhì)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(huì)興旺起來(lái)，它們的數(shù)量也會(huì)增加，這樣它們就能產(chǎn)生足夠的氧氣，大部分氧氣就會(huì)到達(dá)大氣層。氧氣達(dá)到足以維持多細(xì)胞生命的水平。地質(zhì)學(xué)家彼得博士Cawood墨爾本莫納什大學(xué)的澳大利亞,評(píng)論天體生物學(xué)雜志,“認(rèn)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(rèn)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(huì)出現(xiàn)類似的情況？隨著開普勒發(fā)現(xiàn)了越來(lái)越多的類地行星，這些行星中是否有生命存在？Cawood認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于太陽(yáng)系外行星上有氧生命(即在富含氧氣的環(huán)境中進(jìn)化的生命)的發(fā)展具有潛在的重大意義。卡伍德說(shuō):“這是有條件的，地球表面火成巖中的磷正在經(jīng)受風(fēng)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(guān)系對(duì)任何一個(gè)地球行星都有影響。”所有的行星都會(huì)冷卻，那些板塊構(gòu)造對(duì)流有效的行星會(huì)更快地冷卻。我們的結(jié)論是，這樣的冷卻速度可能會(huì)影響到任何可能適宜居住的星球上生物進(jìn)化的速度和模式。這項(xiàng)研究得到了美國(guó)國(guó)家航空航天局天體生物學(xué)研究所(NAI)元素的支持，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)前沿地球系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)項(xiàng)目和澳大利亞研究委員會(huì)。
博科園-科學(xué)科普｜ 文：Lisa Kaspin-Powell/Space
