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太古传奇:生命的诞生

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发表于 2020-11-6 18:44:50 | 显示全部楼层 |阅读模式


品质源于技术 服务源于态度
这是阿什卡微信公众号第816篇原创文章
首发于2020年11月1日


太古之初,一场突如其来的天地大冲撞,把刚刚水妆灵秀的地球打回炼狱。地表曾经的一切,就此归零。


这个灰头土脸的起点,让冥古宙开始于岩浆横流、脏云翻滚怒号的恐怖之中,一如妆前的冥古宙。这是炼狱地球的回光返照。


这场特大交通事故,让刚刚稳定的地表物质重新洗牌,一些物质的富集,形成了今天著名的矿脉,比如镍、金、铜、铁等矿产,美洲、非洲、澳大利亚等地区均有流布。


多年以后,炽烈的地表重新冷静下来,水又有了落脚之处,雨落云清。


这是大约38亿年前。


那时的阳光不如今天明亮。实际上,太阳系最初的20亿年间,阳光的强度比今天弱20%-30%。


太阳火力那么足,弱个20%、30%的有啥要紧?


不仅要紧,而且要命。阳光入射角稍稍变化,就造成了我们的严寒酷暑,它的入射强度浮动个二三成,那还了得。


以今天阳光的强度,地球距离太阳1.5亿公里,刚好处在宜居带上,地表平均温度大约15℃,允许多数水保持液态。


金星距离太阳1.08亿公里,表面温度高达480℃,能让铅和锡保持液态。


火星距离太阳2.28亿公里,其表面温度大约为-63℃。能让水银保持固态。


可见宜居带很窄。地球在此,只是个神奇的巧合。


可想而知,如果阳光暗淡些,宜居带就要往太阳方向缩一缩。暗淡20%-30%之多,地球肯定就遗落在宜居带之外了。


那么问题就来了:为什么那时的地球,照样水汪汪呢?


那是因为,行星的表面温度,一靠接收,二靠保留。


接收,距离是王道。调皮的你当然懂得离火越近越热的道理。阳光均匀四射,越远越稀,所以距离越近,接收的越多。


保留,要看外包装。冬穿棉,夏脱衫,哥换的不是衣,而是保温效果。行星的外包装就是大气层,它的成分、厚度不同,保温效果天差地别。


比如二氧化碳,短波阳光进来时,它假装佛系看不见,射到地面上,给地面增温后,地面射出长波光,二氧化碳就显出贪婪的本性,遇上长波光就劫留,让低层大气温度升高。这就是说,行星披上二氧化碳外衣,阳光就许进不许出。这个效应和搞冬季栽培的温室差不多,所以叫温室效应,二氧化碳就是温室气体。


太古宙时期,地球大气不仅二氧化碳多,甲烷也多。并且氧气少,这样甲烷就不用担心下一秒变成二氧化碳。而甲烷的温室效应,比二氧化碳强20多倍。


所以,那时的阳光虽然比现在弱二三成,但依然拥有适宜的温度,允许液态水的存在。


像月亮那样裸奔的,就算跟着地球在宜居带上蹭流量,也不会拥有宜居的温度。白天,没有大气层缓冲,阳光直射处温度高达127℃。夜晚,没有大气层保温,温度可降低到-183℃。天天冰火两重天。


所以说,如果能按需调节大气层厚度与配方,那么金星、火星也可以拥有宜居温度。


时至今日,地表保持15°的温度,依然离不开温室气体。没有它们,地表平均温度将降至-19℃。


当然,只有宜居温度和液态水,缺少了其他必要条件,也不足以支持生命起源。


今天地球大气的配方,非常适合现在的地球生物,却并不支持生命的起源,因为氧太多。


氧很活泼。除了氦、氖、氩、氪四个佛系懒汉,氧能与地球上其他所有元素发生反应。遇到构成生命的主要物质碳、氢、氮、磷、硫之流,氧更是风流跌宕,情不自已。


所以,在富氧环境下,就算自然界偶尔合成了有机物,氧也会在它们拼凑成有机大分子之前,热情地把它们毁成无机物,比如水、二氧化碳等。


太古宙的地球,历经了冥古宙初期数亿年的炼狱煎熬,晚期重大撞击事件的补刀,氧早已与其他元素充分混合,合体沉沦,大气中几乎不存在自由氧。


于是,简单有机分子的保质期就大大延长。有了充足的时间保证,它们之间一些复杂、缓慢的反应,就有了发生的可能。


1953年,美国化学家、物理学家、1934年诺贝尔化学奖获得者哈罗德·尤里和他的研究生斯坦利·米勒做了个简单的实验:


把甲烷、氨、氢和水蒸气混合物注入密封瓶,连续制造电火花,来模拟原始地球大气环境。


一个星期后,师徒二人在瓶中发现了一些沉淀物,其中包括十几种氨基酸,还有脂肪酸、糖等有机物。这就是著名的“尤里-米勒实验”。


后来,科学家们调节气体成分和实验条件,经过多次实验,发现20种氨基酸都可以这样制造出来。


我们知道,氨基酸是蛋白质的基本组件。实验表明,生命物质的基本单位,自然产生并不难。这是生命产生的第一步,但下一步才是生命产生的一大步。这一大一步,就难比登天了。


如果把元素比作泥沙,那么:


氨基酸、糖、脂肪酸之类,就是砖瓦这个层次的基本建材。


蛋白质就是美轮美奂的复杂建筑。


生命,就是这些复杂建筑构成的全自动化超级工厂。这些工厂可以自我复制。


如果从“巧合”这种概率性的方向,来考虑生命出现的可能性,有个著名的比喻:垃圾场刮过一阵旋风,把这些垃圾组成了一架飞机。这当然是不可能的。


单纯的概率思考,至少忽略了两个大方向:


一是原子的自然组合,更趋向规律性排列。比如矿物结晶体、冰晶体等。


01.jpg

原子自动组合成这些宏观结构,如果按概率来算,同样低得令人下巴落地,但它们却在自然界普遍发生。

二是地球微环境的无限可能。化学反应不仅不仅取决于原料,还取决于环境和条件。


地球如此庞大,化学物质如此丰富,物理化学环境如此复杂多变,即使同一片水塘,各处的微环境也是千差万别。有机物散布在如此庞杂多变的微环境中,那么它们的组合方式,也就有了无限变量。


有机物如何自动组合成蛋白质,如何组成生命编码RNA、DNA,现在还是未解之谜。


但,早在38亿年前的太古之初,就已经有了生命的痕迹。


在丹麦的格兰陵岛附近,有些38亿年前的沉积岩中的物质,暗示着光合作用的遗迹。澳大利亚西部那些35亿岁的层叠石,让科学家们相信,那是蓝藻的遗迹。


生命的出现,是宇宙的奇迹,也是宇宙中可有可无,可以轻易抹去的痕迹。


无论是生命形成条件的苛刻,还是生存环境稳定性的脆弱,都足以让这种奇迹提心吊胆,又无可奈何。


所以,生命出现的最初10亿年间,十分低调,一直以古生菌、真菌的形式存在。


这些卑微的生物,悄无声息地进行着光合作用:吸收二氧化碳、释放氧气,沉淀碳酸钙,形成了“薄层碳酸盐沉积构造”的层叠石。


02.jpeg


我们今天看到的层叠石,至少由三种微生物群落构成:表层是蓝藻,中层是光合细菌,底层是厌氧菌。科学家们猜测,35亿年前的情况也大致如此。


事实也正是如此。我们找到了30多亿年前的微生物群落。这些低调的生物,一直存续至今,在各时期的岩石中留下它们的蛛丝马迹。比如在法国利马涅平原几千万年前的化石中,也找到了它们的遗迹。


它们低调,但数亿年的时间,给了它们越来越多的发展空间,影响力与日俱增,直到改造整个地球的环境。


光合作用的副产品——氧,越来越多。最初,氧被水中的铁元素包养,结合成铁的氧化物,沉积下来。


当海洋中的铁被氧化殆尽,氧气就无法阻止地进入了大气。


氧对于当时的生物,是毒药。但这个药量、浓度,是以数亿年的时间尺度缓慢增加的,微生物们有充足的迭代时间来逐渐适应。


而氧气的增加,让生命开启更高效的能量模式成为可能。


25亿年前,以大氧化事件为标志,波澜壮阔的元古宙揭开了序幕。


-END-

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