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鋯石可以永久存在 幫助一窺早期地球生命初生時期的狀況

科學


鋯石可以永久存在 幫助一窺早期地球生命初生時期的狀況


科學家和藝術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 。ILLUSTRATION BY RYAN ROSSOTTO

鋯石可以永久存在 幫助一窺早期地球生命初生時期的狀況


亞斯特（ASTER）衛星拍攝到的澳洲杰克山崗 。這里曾發現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
（）據美國國家地理（撰文：Maya Wei-Haas 翻譯：蔡雅鈴）：哪種礦石能經歷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晶狀的時光膠囊 ， 一窺早期地球生命初生時期的狀況 。
地球在40億年前看起來是什么樣子？這個時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；在山脈經由板塊運動突出地表、暴露出古老地層以前 。
然而科學家的確從鋯石（zircon）這種極度堅固的礦物中找到了一些線索 。
鋯石結晶幾乎堅不可摧，現存的鋯石有些已經將近44億歲了 。它們就像是微小的時光膠囊，里頭裝著非常早期的化學足跡 ?！高@基本上是我們窺看地球成形階段的唯一機會 。」羅徹斯特大學（University of Rochester）的達斯?。薅―ustin Trail）說 。
透過解開這些化學線索，科學家正緩慢地厘清孕育最初生命型態的環境狀況，可是那時地球表面到底是什么樣子一直是個謎 。不過就在《美國國家科學院刊》（PNAS）上的一份新研究里，崔爾和同事把這個謎題解開了 。
這個團隊利用鋯石的化學足跡，辨認出一批可能屬于早期地球的沉積物，而那個時期的環境很可能醞釀出最早的生化反應 。
滄海桑田，地質紀錄難保存
45億年前的地球剛形成時，地表很可能和現在完全不同 ?？茖W家依希臘神話的冥王之名，將此時期命名為冥古代（Hadean） ， 這名稱極為貼切 ， 因為這時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推論而來，地球最初數百萬年時期的證據并沒有留下來 ?！傅厍蚍浅Ｉ朴谀ㄈミ@類資訊 ?！勾逘栒f 。我們的地球是個終極循環器，板塊運動不停地把老巖塊翻新，而熔巖流變硬就形成新的地景 。
不過，鋯石結晶由于非常堅固，所以常常能從這個循環過程的極端溫度與壓力中存活下來 ， 保留了它們初形成時所處環境的線索 。研究人員早先利用鋯石的氧同位素分析，發現在43億年前液態水就已覆蓋了部分地表，這顯示了地球表面在形成后的數億年就已經冷卻了 。而就在去年，研究人員認為他們在41億年前生成的鋯石中，發現了富含碳的包裹體，這可能早期生命的線索 。
但是除了這一點發現 ， 這個時期地球的景象，包括可能培育出早期生命的環境，大多仍是個謎 。
「如果我們能把當時出現的物質類型縮小范圍，」崔爾說：「或許能對當時的生化反應、或生命出現前的反應如何運用地殼作為基質這方面 ， 有更進一步的了解 。」
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 。這兩種元素結合形成了現今地球上大約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 。
巖石在形成和變質的過程中，會改變它的同位素足跡 。例如熔巖冷卻形成的巖石和巖石風化形成的黏土2 ， 二者之間就會有大量不同的特征 。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行精密的分析，研究團隊找上加州大學洛杉磯分校的高解析度離子微探針（high-resolution ion microprobe）來幫忙 ， 它會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）地區收集了超過40億年前形成的鋯石進行檢驗，每個大約100微米寬 ， 接近人發的粗細 。他們把這些古老礦石的化學性質，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 。
液態水很早就出現
在被檢驗的古老鋯石中，超過半數顯示出巖石與水很早就在許多不同環境中互相作用 。
有些鋯石含有巖石被水蝕化成黏土的化學特征 ， 其他鋯石所帶的特征則是礦物溶解后再結晶所形成的巖石，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 。在這個過程中，水和富含鐵、鎂的巖​​石發生作用而被并入礦物的結構里 。
最重要的是，這些過程全都創造了能促進早期生化反應的新環境利基 ， 成了照亮早期生命的微光 。
「這個結果其實還滿酷的！」沒有參與這項研究的加州大學洛杉磯分校地質化學家伊麗莎白．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分出來的，她認為采用矽對結果至關重要 。
貝爾在2017年的研究中，從41億年前的鋯石里找出當時生物圈的線索 。而這些最新的結果也支持了她的發現 ， 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 ?！顾f 。
我們周遭萬物和體內世界一度源自星塵，源自那些形成每個分子、礦物乃至今日復雜生物的早期過程 。從你的手機、到你吃的食物、到你胸中跳動的心臟皆是如此，而科學家才剛開始要厘清萬物的起源 。
「我們正處在非常有趣的時間點，」崔爾說：「我們開始真正地去拼湊地球40億年前的樣貌 ， 這令人相當興奮 。」