我們為什麼要在光禿禿的火星上尋找生命的起源？

知識 03-16

地球早期與生命誕生有關的關鍵地質證據，在地球上或許已經支離破碎很難找到了。圖片來源：dslauretta.com

銀河系的某個角落裡，一顆普通的恆星正在向它的八顆行星散播著光與熱。放在浩繁的宇宙里，這樣的場面或許太過平常；但這顆恆星，卻有著幾段不太一樣的故事：它誕生於46億年前，此後不久，其第三顆行星上出現了一種名為生命的物質。這種物質有點複雜，對環境的要求也不是一般地苛刻，然而自打出現時起，它們的存在之路便從未中斷過一天。幾十億年生命們的「深耕」，讓這顆行星從一個荒涼的石塊，變成了一個有些喧囂，但好歹生機勃勃的世界。

熙熙攘攘的億萬生命里，也不乏一些雄心勃勃的群體。他們一方面規劃著自己的未來，試圖把自己的腳步邁向前所未至的星海；另一方面，卻也在不斷回溯著歷史，試圖弄明白自己的起源、自己的來龍去脈。

這顆恆星名為太陽，它的第三顆行星名為地球，而地球上生命中那些雄心勃勃的群體，便是我們人類。

然而，歷史二字從來不是一廂情願的代名詞。儘管人類已經掌握了原子核的奧秘，並把一個描述原子核行為的定律[1]用到了地質學裡，用它來測定岩石的年齡。但最終，除了把最早生命出現的記錄推到38億年前，再塞進幾個略顯晦澀的辭彙，比如「古海洋環境」、「碳同位素異常」、「生物來源有機質」之外，就沒有更多細節了。

原因很簡單：越古老的信息，在地球上保留的豐富程度就越差。要知道，從38億年前一路演化至今的，可不只有生命，我們腳下的地質作用也同樣沒有停歇過一天。當年生動豐富的太初環境，隨著斗轉星移，化作了堅硬的磐石；而堅硬的磐石，則隨著斗轉星移，一點點抹滅在地質運動的翻覆中。據粗略估算，38億年左右的岩石殘片，只有十萬分之一（0.00001）保留到了現在。就算是這些好不容易留下來的殘片，也經歷過多期變質作用的疊加，信息失真度很大。讓學者們在這些「地球殘卷」里重建生命誕生的細節，說實話，是挺強人所難的。

但好在人類是一個不乏想像力的物種。如果大地註定要掩蓋自己的過往，那麼就飛出它的引力圈好了。說來令人咂舌：生命起源的詳細檔案可能並不在地球，而在我們的鄰居——火星。

去火星

2018年年初，來自香港大學的約瑟夫?米哈爾斯基（Joseph R. Michalski）教授及同事在《Nature》地學子刊《Nature Geoscience》上撰文[2]表示：火星在回溯地球早期環境中可能有著不可替代的關鍵作用。他們呼籲：與其在火星上艱難尋找地外生命存在的痕迹，倒不如去尋找一些有助於我們認識自身起源的環境細節。

地球生命起源的環境證據，怎麼會出現在火星呢？

原因很簡單：火星，其實可以看做是一個「未曾演化過的地球」。它猶如一個平行世界，孤零零地懸在離我們咫尺之遙的地方，靜靜等待著懷古之士的到來。

46億年前，所有行星都產生於圍繞太陽旋轉的塵埃盤裡。行星吸積過程中儲存在星體內部的能量，維持著它們早期活躍的地質運動，然後是冰質小天體的密集隕擊，為兩顆行星帶來海洋。在早期太陽系這些「無差別事件」面前，火星和地球大致遵循著一樣的演化軌跡。這段時間，兩顆行星都有著活躍的內部化學反應、混沌的原始大氣、甚至可能都有遍布海洋的熱液噴口…… 這些要素，恰恰就是為地球生命演化創造契機的基本環境條件。只不過，由於兩顆行星有著不容小覷的體積差異，它們的演化之路，終究還是「星命殊途」了。

地球是太陽系四大岩質行星里個頭最大的。最可能的原因是：它當年跟另一顆原行星融合過，不僅撞出了一顆月亮，也大大地加成了自身的體積（據推測，這顆原行星的大小跟火星差不多，所以可以大致認為：現今地球的體積=原始地球+火星-月亮）。在維持環境演化這件事上，巨大的身軀可謂是先天優勢。巨大的體積可以保存更多的內熱；而更多的內熱，則能長時間維持一個熔融態的外核、以及一個會對流的地幔。熔融外核的作用是為星球提供磁場，保護星球表面的大氣層不至於被太陽風吹散；而一個會對流的地幔，則是板塊運動、火山和地震的直接推手，讓內動力地質作用也可以源源不竭。

但是火星就不一樣了：它體積很小，冷得很快。從誕生不過幾億年，它就早早地失去了磁場，也失去了地幔的對流。磁場的消失意味著火星表面徹底暴露在太陽風面前，電磁粒子的瘋狂掃蕩很快把火星大氣席捲一空。而對流地幔的消失，則意味著它的內部自此無法孕育活躍的地質運動。大氣消失了，大地也冷了，一言以蔽之，在地球上生命誕生的那個時間節點，火星「死了」。

地球和火星有著不容小覷的體積差異，正是這一差異，導致兩顆行星走上了不同的演化道路。圖片來源：維基百科

活著的難題

可這死了的火星，恰恰就是人們要苦苦追尋的「聖杯」。地表演化停滯，意味著它能夠把那個時間節點的環境，凝固成一張固態的「快照」。後世再無任何活躍的地質演化過程能夠覆寫這個凝固的環境。對人類來說，這張異星的快照，便是補完我們自己早期歷史那張最關鍵的拼圖。

而我們可愛的地球——這活著的地球，卻早把自己的記憶抹除得支離破碎了。沾了體積巨大的光，它維持著長達46億年的內動力地質作用，比如板塊運動、造山作用、變質作用等。不隔多久，這些地質過程就會把先前形成的地殼搞得亂七八糟：重融的重融、破碎的破碎、變質的變質。而活躍的外動力地質作用，諸如風化、搬運、蝕變，則會把地表的環境信息磨蝕成毫無意義的碎片。更讓人覺得諷刺的是：對古老環境的改造中，最後推波助瀾的一環不是別人，而恰恰就是我們生命自己。

萬物生長靠資源，第一資源則是能量。生命誕生於38億年，這個時間節點是人們劃分冥古宙和太古宙的界碑。跨過了天地混沌的冥古宙，隨即而至的太古宙里，早期生命熙熙攘攘地擠在大洋深處的熱液口。熱液口是地球內部環境和外部環境聯通的關卡，也是冰冷黑暗的太古海洋里唯一溫暖的「熱島」。在這裡，地表與地下兩個世界的物質，通過化學反應的方式，頻繁地交換著能量。哪兒有「交易」，哪兒就有「人氣」。於是，熱液口就成了原始生命趨之若鶩的場所。

可生命並不是千秋萬代都甘於圍在「暖爐」邊上取暖的窩囊存在。野心勃勃的它們，在誕生不過8億年的時間，便盯上了整個恆星系的最終極能源——太陽。距今30億年左右，生命朝著日光張開了懷抱，光合作用出現了。幾乎立刻，光合作用就在地球掀起了一場有史以來最為翻天覆地的變革。

要知道，「僅僅只用沐浴日光便能生存一輩子」，這種活法太先進了。而歷史的經驗往往是：每當先進與落後並行而立，變革之聲也就近在咫尺了。

光合作用的產物之一，是氧氣。隨著光合生物的增多，地表氧氣的含量也在逐漸增大。氧氣越來越多，大氣層的化學特質就慢慢從還原態轉變為氧化態。距今25億年左右，光合生物們把充斥著甲烷、氨氣等還原氣體的原始大氣，徹底改造成了一片能夠反射蔚藍色澤的氮氧大氣。

雖然對於生命演化來說，這事的意義不亞於一場變革，但對於此前幾十億年的太古宙環境，卻無疑是一場翻天覆地的災難：氧氣是一種非常活躍的氧化劑，是「氧化作用」之所以得名的氣體。當它充盈地表，充盈大氣、充盈海洋時，任何一塊地球表面的岩石，都要接受它的覆蓋、它的拷問、它的洗禮。不是成為斑斑的鐵鏽，就是成為腐朽的粘土[3]，整個地表環境的更新速率幾乎驟升了一個數量級。

氧氣要做的還有更多：它們讓大氣層的頂端憑空誕生一個新的單元——臭氧層。有了臭氧層的保護，生命再也不用窩在海里拚命躲避紫外輻射了。它們向大陸板塊吹響了進軍的號角，儘管宏觀生物的登陸要到很久以後的顯生宙才會發生，但微生物中的先驅者，已然於此時開始「感染」進了大陸岩石的熱液系統，從而讓生物風化作用也登上了地質歷史的舞台。就這樣，活著的我們，成為了追尋自身記憶的最大阻礙者。

火星或許有一天會重新變成一顆溫暖濕潤的藍色星球，不過在這之前，我們很可能會在那裡找到地球上生命起源的詳細地質檔案。圖片來源：wired.com

活著帶來的難題，自然要用活著來解決。大氧化時代的藍菌不會知道，20億年後直角石的游弋是何等地壯觀[4]。同樣，奧陶紀這些長著巨角的海螺也不會知道，3億年後始祖鳥的第一次振翅是何等地絢爛[5]。當火山的塵霾窒息了大地，當星隕的灼浪遮蔽了日光，當所有這些物種成為岩石里冰冷的記憶，剩下的倖存者，依然用活著作為唯一的回答。只要生存之路能延續下去，這個星球的奇蹟就會一直擴張。從海洋到陸地，從陸地到天空，從天空到月面，再然後，則是赤紅如火的鄰星。

甚至終有一天，火星也會成為身後的景色。更多的世界，會浮現在火星地平線的遠方。歐羅巴的冰層、泰坦的風聲、恩克拉多斯的地底之海…… 直至走出太陽神殿，走向那橫貫永夜的星河[6]。

38億年之後，生命邁出了這樣小小的一步：它們明白了自己的未來在宇宙；它們的起源之地，也在宇宙；而故事的結尾是：它們還將繼續演化。

參考文獻及注釋：

即盧瑟福-索迪定律。

Michalski et al. 2018, The Martian subsurface as a potential window into the origin of life. Nature Geoscience, 11: 21-26, doi: 10.1038/s41561-017-0015-2

斑斑的鐵鏽，即赤鐵礦(Fe2O3)和磁鐵礦(Fe3O4)。以它們為成分主體的條帶狀含鐵建造（Band Iron Formation），是大氧化事件的關鍵沉積地球化學證據。

直角石，Genus Orthoceras，頭足綱下列的一個屬，已滅絕。其錐狀長角可達數米之長，是奧陶紀海洋里的頂級掠食者。

始祖鳥，Genus Archaeopteryx，蜥臀目恐龍下列的一個屬，已滅絕。是恐龍向鳥類過渡的代表性生物門類。

泰坦(土衛六)有著濃厚的甲烷大氣，是早期地球環境較佳的模擬。降落在泰坦表面的惠更斯號探測器曾經錄製過它的風聲，傳回地球。歐羅巴(木衛二)、恩克拉多斯(土衛二)是太陽系的冰質大衛星，其冰層之下可能有著液態的原始海洋。如果說火星表面是太初環境的凝固記憶，那麼歐、恩、泰三星，很可能就是「活著的」的早期生命起源環境。

作者：溯鷹

編輯：Steed

來源：果殼

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