早期地球宜居性可以增加外星生命的機會

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的研究人員現在已經設計出一種方法來解釋當時的不確定變數，進而發現我們的星球可能在很久以前就比以前認為的更溫和了。通過將這些發現應用到其他岩石行星上，研究人員得出的結論是，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。考慮到我們在地球最初的5億年里沒有岩石或其他物質，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和火山熔岩所破壞，而另一些人想像著一個沉睡的世界，被冰雪包裹著。

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

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

天然恆溫器

地球的碳循環是限制這些變數的關鍵。火山噴發出的二氧化碳將碳推入大氣;然後，碳酸像雨點一樣降落到地表，溶解岩石並釋放裡面的離子，最終通過河流到達海洋，形成碳酸鈣。這個過程的最終結果是空氣中的碳被鎖在岩石中。類似地海水在海洋地殼中循環，溶解周圍的岩石，釋放離子，形成新的碳酸鹽岩石——這個過程也鎖住了地殼中的大氣碳。其中的一些碳被俯衝回地球的地幔中，並在火山再次噴發時重新開始循環。這些風化過程與溫度有關，Krissansen-Totton把這種效應比作「天然恆溫器」。如果二氧化碳排放增加，溫度就會升高;如果溫度升高，海底風化作用就增加。

早期地球上碳循環的示意圖，碳從大氣進入海洋，最終成為海底含碳岩石的一部分，這些岩石經過風化，溶解了碳。圖片：Creative Commons BY-NC-ND

由於地球大陸的形成花費了數十億年的時間，所以早期地球上陸地的數量減少了，因此海底風化對地球溫度的調節作用尤其顯著，反之亦然。研究人員運用他們對碳循環的理解基於過去100年的數據,而不是選擇任何一個理論關於海洋成分和氣候,他們「選擇未知的廣泛範圍,然後計算氣候和海洋pH值範圍的可能性「Krissansen-Totton告訴《天體生物學雜誌》。波士頓大學地球與環境教授Andrew Kurtz解釋說：研究人員想出了新的方法來描述沉積物和岩石孔隙水中的碳是如何被化學反應(海底風化)所消耗的。

一幅早期地球的生動畫面

研究人員在他們去年發表的一篇論文中，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實的、自我一致的描述，並將其應用於早期地球。模擬並不準確，也不能解決所有的不確定性。但是根據Krissansen-Totton所說：它們提供了關於早期地球的「有力」信息。庫爾茨斷言，這些結果「產生了一種看似合理的氣候和pH史，在物理上是合理的，在數學上也是一致的。地球生命的前5億年是一個被稱為Hadean Eon的時期，由於其地獄般的高溫而得名。然而這項研究的結果挑戰了地球仍然是炙熱的熱井進入太古宙的觀念。

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

在地球形成的熱量消散後，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，這一結果與2002年發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，在任何有水的岩石行星上，都會發生調節碳/海底風化過程。這些過程沒有什麼特別之處，我們知道太陽前星雲含有生命的成分;我們也知道無數的系外行星都存在於它們恆星的「宜居帶」中。這項研究拓寬了生命出現在這些行星上的時間窗。

更多生命的機會

這個模型並沒有解決關於生命確切出現的時間和地點的爭論，但是它引導科學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境，比如熱液噴口。這項研究對行星進化也有意義，火星曾經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岩石」，這一組合似乎支持了生命曾經存在過的可能性。科學家們認為，火星的大氣層由於太陽風而消失在太空中，但究竟是什麼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歷如此劇烈的有條件的變化，仍然存在疑問。這項新研究發表在四月份的《美國國家科學院院刊》上。這項工作得到了NASA天體生物學的支持，包括外空生物學和進化生物學項目、虛擬行星實驗室以及地球和空間科學研究項目。

博科園-科學科普｜文：Joelle Renstrom/Space

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