地球早期的狀況一直是個謎，但美國國家航空航天局和華盛頓大學(xué)的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)設(shè)計出一種方法來解釋當(dāng)時的不確定變量，進而發(fā)現(xiàn)我們的星球可能在很久以前就比以前認為的更溫和了。通過將這些發(fā)現(xiàn)應(yīng)用到其他巖石行星上，研究人員得出的結(jié)論是，在其他地方存在生命的時間框架和可能性比我們最初認為的要大?？紤]到我們在地球最初的5億年里沒有巖石或其他物質(zhì)，在那個時期，我們星球上的條件的近似變化非常大。一些早期的地球被火山爆發(fā)和火山熔巖所破壞，而另一些人想象著一個沉睡的世界，被冰雪包裹著。

對早期地球的概念，盡管與今天相比，早期的地球仍然不適合居住，但它的氣候、海洋溫度和pH值可能比我們想象的要溫和。圖片：NASA

該研究的主要作者、華盛頓大學(xué)的Joshua Krissansen-Totton說：地球的45億年歷史為許多地質(zhì)時期留下了空間，人們利用各種不同的地球化學(xué)數(shù)據(jù)來測量地表條件。研究人員集中研究了太古宙，40億到25億年前，也就是地殼、大氣和海洋形成后不久。這也是生命可能出現(xiàn)的時候。最困難的部分是在海洋pH值和全球溫度的推導(dǎo)過程中，這些估算值的波動幅度很大，從堿性到腐蝕性的酸性，從零下13度到185華氏度(零下25至85攝氏度)。

天然恒溫器

地球的碳循環(huán)是限制這些變量的關(guān)鍵。火山噴發(fā)出的二氧化碳將碳推入大氣;然后，碳酸像雨點一樣降落到地表，溶解巖石并釋放里面的離子，最終通過河流到達海洋，形成碳酸鈣。這個過程的最終結(jié)果是空氣中的碳被鎖在巖石中。類似地海水在海洋地殼中循環(huán)，溶解周圍的巖石，釋放離子，形成新的碳酸鹽巖石——這個過程也鎖住了地殼中的大氣碳。其中的一些碳被俯沖回地球的地幔中，并在火山再次噴發(fā)時重新開始循環(huán)。這些風(fēng)化過程與溫度有關(guān)，Krissansen-Totton把這種效應(yīng)比作“天然恒溫器”。如果二氧化碳排放增加，溫度就會升高;如果溫度升高，海底風(fēng)化作用就增加。

早期地球上碳循環(huán)的示意圖，碳從大氣進入海洋，最終成為海底含碳巖石的一部分，這些巖石經(jīng)過風(fēng)化，溶解了碳。圖片：Creative Commons BY-NC-ND

由于地球大陸的形成花費了數(shù)十億年的時間，所以早期地球上陸地的數(shù)量減少了，因此海底風(fēng)化對地球溫度的調(diào)節(jié)作用尤其顯著，反之亦然。研究人員運用他們對碳循環(huán)的理解基于過去100年的數(shù)據(jù),而不是選擇任何一個理論關(guān)于海洋成分和氣候,他們“選擇未知的廣泛范圍,然后計算氣候和海洋pH值范圍的可能性“Krissansen-Totton告訴《天體生物學(xué)雜志》。波士頓大學(xué)地球與環(huán)境教授Andrew Kurtz解釋說：研究人員想出了新的方法來描述沉積物和巖石孔隙水中的碳是如何被化學(xué)反應(yīng)(海底風(fēng)化)所消耗的。

一幅早期地球的生動畫面

研究人員在他們?nèi)ツ臧l(fā)表的一篇論文中，對他們的模型進行了對比，對比了地球過去1億年的歷史，對此有更多的了解。研究小組成員說，這項新研究是首次對這一過程進行現(xiàn)實的、自我一致的描述，并將其應(yīng)用于早期地球。模擬并不準(zhǔn)確，也不能解決所有的不確定性。但是根據(jù)Krissansen-Totton所說：它們提供了關(guān)于早期地球的“有力”信息。庫爾茨斷言，這些結(jié)果“產(chǎn)生了一種看似合理的氣候和pH史，在物理上是合理的，在數(shù)學(xué)上也是一致的。地球生命的前5億年是一個被稱為Hadean Eon的時期，由于其地獄般的高溫而得名。然而這項研究的結(jié)果挑戰(zhàn)了地球仍然是炙熱的熱井進入太古宙的觀念。

古代地球(左)和當(dāng)今地球的比較。由于大量鐵離子的存在，太古海洋呈現(xiàn)綠色。橙色的形狀代表著富含鎂的原始大陸，在板塊構(gòu)造時代之前。圖片：Ming Tang/University of Maryland

在地球形成的熱量消散后，研究人員的模型顯示，氣候和海洋的pH值出奇地適中:在32到122華氏度(0到50攝氏度)之間，pH值在6.2到7.7之間(pH為7是中性的)。庫爾茨指出，這一結(jié)果與2002年發(fā)表的一篇頗具影響力的論文一致，認為這可能是“很酷的早期地球”。Krissansen-Totton相信，在任何有水的巖石行星上，都會發(fā)生調(diào)節(jié)碳/海底風(fēng)化過程。這些過程沒有什么特別之處，我們知道太陽前星云含有生命的成分;我們也知道無數(shù)的系外行星都存在于它們恒星的“宜居帶”中。這項研究拓寬了生命出現(xiàn)在這些行星上的時間窗。

更多生命的機會

這個模型并沒有解決關(guān)于生命確切出現(xiàn)的時間和地點的爭論，但是它引導(dǎo)科學(xué)家們朝著更有意義的方向進行進一步的研究。例如如果你相信地球上的生命是從高溫開始的，那可能仍然是真的，但那將限制起源到局部溫暖的環(huán)境，比如熱液噴口。這項研究對行星進化也有意義，火星曾經(jīng)擁有地球所擁有的大部分資源，或者說我們認為的:地表的水、大氣中的二氧化碳和硅酸鹽巖石”，這一組合似乎支持了生命曾經(jīng)存在過的可能性。

科學(xué)家們認為，火星的大氣層由于太陽風(fēng)而消失在太空中，但究竟是什么擾亂了這顆紅色星球的周期性平衡，以及其他星球是否會經(jīng)歷如此劇烈的有條件的變化，仍然存在疑問。這項新研究發(fā)表在四月份的《美國國家科學(xué)院院刊》上。這項工作得到了NASA天體生物學(xué)的支持，包括外空生物學(xué)和進化生物學(xué)項目、虛擬行星實驗室以及地球和空間科學(xué)研究項目。

博科園-科學(xué)科普｜文：Joelle Renstrom/Space