早期地球宜居性可以增加外星生命的机会

地球早期的状况一直是个谜，但美国国家航空航天局和华盛顿大学的研究人员现在已经设计出一种方法来解释当时的不确定变数，进而发现我们的星球可能在很久以前就比以前认为的更温和了。通过将这些发现应用到其他岩石行星上，研究人员得出的结论是，在其他地方存在生命的时间框架和可能性比我们最初认为的要大。考虑到我们在地球最初的5亿年里没有岩石或其他物质，在那个时期，我们星球上的条件的近似变化非常大。一些早期的地球被火山爆发和火山熔岩所破坏，而另一些人想像著一个沉睡的世界，被冰雪包裹着。

对早期地球的概念，尽管与今天相比，早期的地球仍然不适合居住，但它的气候、海洋温度和pH值可能比我们想像的要温和。图片：NASA

该研究的主要作者、华盛顿大学的Joshua Krissansen-Totton说：地球的45亿年历史为许多地质时期留下了空间，人们利用各种不同的地球化学数据来测量地表条件。研究人员集中研究了太古宙，40亿到25亿年前，也就是地壳、大气和海洋形成后不久。这也是生命可能出现的时候。最困难的部分是在海洋pH值和全球温度的推导过程中，这些估算值的波动幅度很大，从碱性到腐蚀性的酸性，从零下13度到185华氏度(零下25至85摄氏度)。

天然恒温器

地球的碳循环是限制这些变数的关键。火山喷发出的二氧化碳将碳推入大气;然后，碳酸像雨点一样降落到地表，溶解岩石并释放里面的离子，最终通过河流到达海洋，形成碳酸钙。这个过程的最终结果是空气中的碳被锁在岩石中。类似地海水在海洋地壳中循环，溶解周围的岩石，释放离子，形成新的碳酸盐岩石——这个过程也锁住了地壳中的大气碳。其中的一些碳被俯冲回地球的地幔中，并在火山再次喷发时重新开始循环。这些风化过程与温度有关，Krissansen-Totton把这种效应比作“天然恒温器”。如果二氧化碳排放增加，温度就会升高;如果温度升高，海底风化作用就增加。

早期地球上碳循环的示意图，碳从大气进入海洋，最终成为海底含碳岩石的一部分，这些岩石经过风化，溶解了碳。图片：Creative Commons BY-NC-ND

由于地球大陆的形成花费了数十亿年的时间，所以早期地球上陆地的数量减少了，因此海底风化对地球温度的调节作用尤其显著，反之亦然。研究人员运用他们对碳循环的理解基于过去100年的数据,而不是选择任何一个理论关于海洋成分和气候,他们“选择未知的广泛范围,然后计算气候和海洋pH值范围的可能性“Krissansen-Totton告诉《天体生物学杂志》。波士顿大学地球与环境教授Andrew Kurtz解释说：研究人员想出了新的方法来描述沉积物和岩石孔隙水中的碳是如何被化学反应(海底风化)所消耗的。

一幅早期地球的生动画面

研究人员在他们去年发表的一篇论文中，对他们的模型进行了对比，对比了地球过去1亿年的历史，对此有更多的了解。研究小组成员说，这项新研究是首次对这一过程进行现实的、自我一致的描述，并将其应用于早期地球。模拟并不准确，也不能解决所有的不确定性。但是根据Krissansen-Totton所说：它们提供了关于早期地球的“有力”信息。库尔茨断言，这些结果“产生了一种看似合理的气候和pH史，在物理上是合理的，在数学上也是一致的。地球生命的前5亿年是一个被称为Hadean Eon的时期，由于其地狱般的高温而得名。然而这项研究的结果挑战了地球仍然是炙热的热井进入太古宙的观念。

古代地球(左)和当今地球的比较。由于大量铁离子的存在，太古海洋呈现绿色。橙色的形状代表着富含镁的原始大陆，在板块构造时代之前。图片：Ming Tang/University of Maryland

在地球形成的热量消散后，研究人员的模型显示，气候和海洋的pH值出奇地适中:在32到122华氏度(0到50摄氏度)之间，pH值在6.2到7.7之间(pH为7是中性的)。库尔茨指出，这一结果与2002年发表的一篇颇具影响力的论文一致，认为这可能是“很酷的早期地球”。Krissansen-Totton相信，在任何有水的岩石行星上，都会发生调节碳/海底风化过程。这些过程没有什么特别之处，我们知道太阳前星云含有生命的成分;我们也知道无数的系外行星都存在于它们恒星的“宜居带”中。这项研究拓宽了生命出现在这些行星上的时间窗。

更多生命的机会

这个模型并没有解决关于生命确切出现的时间和地点的争论，但是它引导科学家们朝着更有意义的方向进行进一步的研究。例如如果你相信地球上的生命是从高温开始的，那可能仍然是真的，但那将限制起源到局部温暖的环境，比如热液喷口。这项研究对行星进化也有意义，火星曾经拥有地球所拥有的大部分资源，或者说我们认为的:地表的水、大气中的二氧化碳和硅酸盐岩石”，这一组合似乎支持了生命曾经存在过的可能性。科学家们认为，火星的大气层由于太阳风而消失在太空中，但究竟是什么扰乱了这颗红色星球的周期性平衡，以及其他星球是否会经历如此剧烈的有条件的变化，仍然存在疑问。这项新研究发表在四月份的《美国国家科学院院刊》上。这项工作得到了NASA天体生物学的支持，包括外空生物学和进化生物学项目、虚拟行星实验室以及地球和空间科学研究项目。

博科园-科学科普｜文：Joelle Renstrom/Space