19.生命条件的出现
《起源：NASA天文学家的万物解答》19.生命条件的出现,页面无弹窗的全文阅读!
EMERGENCE OF THE CONDITIONS FOR LIFE
一个没有开头与结尾的故事：人们可以选择任意一个经历过的时刻，从那里回顾或者展望。
——格雷厄姆·格林
（GRAHAM GREENE）
如果在一次长途旅行开始的时刻我们就知道所有的困难，我们中的大多数人根本就不会起步。
——丹·拉瑟（DAN RATHER）
本章研究目标
本章内容将涵盖：
· 地球大气的起源
· 大气中的氧气和臭氧的来源
· 为什么水对生命如此至关重要
· 海水的来源
· 海洋-陆地-大气层调节系统
· 温室效应
在地球的生命旅途程中，它曾多次经历灾难性事件，每次都造成了地球上70%到90%以上的物种的灭绝（第18章）。每次大规模灭绝事件都会让这颗行星在千百万年间成为生命的坟场，但生命此后又会再次焕发青春。这说明每次大规模灭绝事件发生后，地球上都会重新产生使生命存在的合适条件。换言之，地球在不断地重新调整自己，允许生命反复出现并且进化。为了支持与维持生命，许多因素都是不可或缺的。这些因素相互关联，产生了一个复杂的事件链。为了维持生命，所有这些因素都是必需的。大气的产生，大气中的氧气与臭氧比例，某种可以保留热能的气体，调节系统，还有水和生化物质的生成，这些都可以使生命出现与维持。
然而，为了研究维持生命需要的成分，我们首先要定义“生命”的含义。我们只知道一种生命，那就是行星地球的生命。所以，任何有关生命、它的成分和它的起源的知识，都取决于我们自己的经验和我们在其中生活的环境与条件。类似地，当我们在宇宙的其他地方寻找适合生命的条件时，我们寻找的生物特征与我们已知的支持生命存在的特征类似。考虑到这些边界条件，如果在其他行星上存在着另一种不同的生命，正在通过不同的成分与条件形成与维持，我们就无法检测它，因为我们寻找的是不同的生物特征。除了对于生命不可或缺的成分之外（无论是对于植物生命还是动物生命），我们也需要支持与维持它的条件和“正确的”环境，使生命不断进化与繁荣。
本章将讨论生命在地球上出现所需的条件。这些条件包括大气的起源，氧气在大气层中的积累，水在地球上的起源，臭氧层的形成，以及海洋-陆地-大气层调节系统和温室效应。
地球大气层的起源
地球大气层的形成远远在生命能够从海洋向陆地迁徙之前。一旦生命出现，它便影响了大气层。假定早期地球的原始大气与今天太阳系的行星上欠发展的大气类似，或者其中包含的气体与那些可能和早期类地行星相似的陨星相同，这样的考虑是合乎逻辑的。然而，除了地球之外，太阳系的其他行星中唯一保留了大气层的是木星，但它的大气组成与地球非常不同。类似地，人们发现，陨星保留的气体的组成也与地球大气非常不同。所以，不存在对于地球大气的直接类比，我们只好在不考虑其他太阳系行星的情况下寻求其他解释。
有关地球大气层的起源，当前领先的假说是脱气过程：气体通过火山活动，从地球内部转移到它的表面的过程。这一过程把水蒸气、二氧化碳、氮气和一氧化碳从地球内部转移了出去（图18.2），可以很好地解释大气中氮气、氦气、氩气和水蒸气的丰度，而一旦水蒸气遇到较冷的环境，就会凝结变成雨。
大气中的原始气体通过脱气过程出现在大气层中，大气气体是通过原始气体之间的化学反应生成的。当时的大气层与由甲烷（CH4）和氨（NH3）组成的木星大气层类似。在这一假说中，地球大气层的当前组成是通过如下步骤形成的：
1. 来自太阳的紫外辐射将水蒸气分解，产生氢气和氧气：2H2O+紫外光能量→2H2+O2。因为氢原子的质量很小，用这种方式生成的氢气将逃逸进入太空，不会留在地球的大气中。
2. 在上述过程中形成的氧气分子将与已经存在的甲烷反应，形成二氧化碳和水蒸气：CH4+2O2→CO2+2H2O。
3. 氧气也参与了与氨之间的反应，形成氮气和水：4NH3+3O2→2N2+6H2O。
大气中的氮气和二氧化碳是通过这些反应产生的。一旦所有的甲烷和氨都用尽了，氧气的积蓄就会加速，因为更多的水蒸气将被分解，与氧气反应的其他反应物已经没有了。这就解释了氧气、氮气、二氧化碳和水蒸气在大气层中的丰度。
大气层中臭氧的起源
地球大气中臭氧（O3）的存在对于生命的发展极其重要，它能保护地球不受太阳发射的高能紫外辐射荼毒。臭氧通过来自太阳的紫外辐射（能量为h·νuv，此处h为普朗克常量，νuv是紫外辐射的频率）将氧分子（O2）分解为自由氧原子，自由氧原子又接着与分子氧结合而形成，反应方程式如下：
O2+hνuv→2O
O+O2→O3
臭氧不稳定，受到紫外光照射时会立即分解，形成氧分子（O2）和氧原子（O）。通过这个过程，来自太阳的紫外辐射的能量（从生物学角度来说是有害的）被转变成热能。
O3+hνuv（来自太阳）→O+O2
由此生成的氧原子将与已经存在的氧分子再次结合，生成臭氧。于是这个氧—臭氧循环便得以维持。当大气中的氧气水平达到临界值（它的当前丰度的大约10%）时，臭氧便开始形成。臭氧层所在的高度大约为地表以上15至30千米。
海水的起源
在脱气假说中，来自地球内部的水蒸气在被释放并遭遇较冷的温度时发生冷凝。于是水蒸气转变为液态水，填充了海洋。因此，海水积蓄的速率与大气中水蒸气的生成数量成正比。通过火山活动，额外的水也进入海洋，但速率较低。一些彗星也可能携带着水进入了地球。
海水的化学组成的来源与岩石有关。例如，海水中存在的盐来自岩石，是由奔流的河流从岩石上冲洗下来带进海里的。随着时间的推移，海水中的盐和其他化学物质的浓度增加达到了平衡状态，此时的海水不能继续溶解任何化学物质[1]。海洋生命化石与今天的活体生物类似，说明海水组成的改变速率在大约6亿年前减慢了。
对于锆石颗粒的研究表明，40多亿年前的地球上便已经有液态水存在，而海洋几乎同时存在。这便需要大气层的存在。从而意味着，当时向大气层中的脱气过程很可能已经完成了。人们也发现，锆石含有表明板块构造活动在大约40亿年前便存在的矿物质。这一活动会大量吸收大气中的二氧化碳，降低温室效应，导致地球的温度降低，于是形成了固体岩石和生命。
火星大小的天体与地球的相撞发生在44亿多年前（第16章），并导致岩石熔化。这些岩石的蒸汽最终冷凝，形成了由二氧化碳、氢气和水蒸气组成的大气。由于大气中二氧化碳的压强很高，因此，尽管地球历史极早期的温度高达230摄氏度，但还是形成了液态水的海洋。当地球因大气中不再有温室气体而冷下来时，二氧化碳溶解在水中，进一步降低了温室效应和温度。
大气层中氧气的起源
氧气占据着今天大气中全部气体的21%左右，是大气中含量第二高的气体，仅位居氮气之后。然而，氧气的百分比并不总是这样高；氧气在大气中的积累是一个逐渐的过程，历时几十亿年之久。早在超过30亿年前的太古宙，由于一种叫作蓝细菌的微生物的作用，氧气第一次被释放到大气中，这些微生物属于地球上最早出现的生物之一。它们是厌氧微生物，可以在无氧环境下很好地生存，并从硫酸盐中获取能量。这些微生物包括藻类、绿色植物和某些细菌，它们能通过光合作用（photosynthesis）产生氧气，汲取阳光的能量，将水和二氧化碳转变为碳水化合物和氧气。氧气被释放到大气中，碳水化合物（糖）则作为能源被生物储存。这个过程大约发生在27亿年前。由此产生的氧气参与了与铁的反应，后者溶解在海水中，生成铁的氧化物矿物质，随之沉入海底。这些矿物质以薄层沉积物的形成存在，叫作条带状含铁构造（BIF；第18章）。这一过程一直持续到所有溶解了的铁都被用尽，能够吸收氧的物质不再产生。从这时开始，氧被释放到大气层中，形成了氧气所占的百分比。
一旦分子氧的浓度在大气层中达到一定程度，臭氧就可以形成，并生成一层对抗来自太阳的高能紫外辐射的保护屏障。陆地上因此出现了动植物，发展了生命。植物通过光合作用消耗了大气层中的二氧化碳，氧气在大气中取而代之。当臭氧为一切陆地生命提供了保护之后，生物本身产生了大部分氧气，臭氧可以通过上面解释的反馈过程形成。
有证据表明，从贫氧大气向富氧大气的转变发生在24亿年前到18亿年前。这一点由人们观察到的BIF证实，这一过程只能发生在富氧大气条件下。人们也在来自18亿年前的沉积物的砂岩中观察到了形成良好的黄铁矿（硫化铁矿），这种情况只能发生在贫氧环境下，因为在富氧大气中的硫化铁会被氧化，形成铁锈，因此不可能有足够长的存在时间维持沉积物状态。在大氧化时期，氧的含量上升到大气层中气体的3%，直到6亿年前一直维持在这一水平。接着，岩石和海水中一切能够吸收氧气的物质都吸收饱和了，现在所有释放出来的氧气都进入了大气层。这迅速提高了氧在大气中的百分比，使其在元古代末期达到了12%。能够进行光合作用的生物数量的增加也促进了氧气百分比的急速上升，并在最近5亿年间维持了氧气在大气组成中的百分比。生命及其环境（大气与海洋）之间复杂的相互作用是大气具有稳定性的原因之一。
水的化学与性质
水是生命至关重要的成分之一。的确，在臭氧层形成并让陆地可以居住之前，水保护了原始生命，使之不受严酷的外界环境伤害。水为动植物储存了养料，通过塑造我们的环境与平衡其温度，在控制生态方面扮演了重要角色。在地球上的不同地点，水将化学物质和养料带进海洋。水是我们这颗星球上丰度最高的分子，也是人们在其他行星上寻找生命时首先搜索的分子。
每个水分子由一个氧原子和两个氢原子组成，氧原子与氢原子之间共享电子，形成共价键。水分子呈V形，氧原子位于字母V的尖端，两个氢原子分居两侧（图19.1）。氧带正电的原子核将负电子吸引到它周围。于是，氧原子带有的负电荷略高，而与它相连的氢原子带有的正电荷略高。因为这种结构，水分子是极性的，因此，水分子之间会表现出一种倾向：每个分子正电荷略高的一端靠近附近分子负电荷略高的一端（图19.1）。也就是说，在一个水分子中相对带有正电荷的氢原子，会与邻近分子中相对带有负电荷的氧原子之间形成氢键，相互吸引（有关化学键的详细讨论见第20章）。我们在这里讨论的是水的主要性质——是什么让它如此特殊，以及水分子为什么具有这样的性质。
内聚力：将水分子连接在一起的氢键（图19.1）使水具有较强的表面张力。这种性质叫作内聚力，是水分子会紧密结合在一起流动的原因，也是水能够在地球的温度与压力下作为液态存在的原因。水的内聚力性质也让营养能够在动物的血管中转送，或者在植物体内的水中传送。
图19.1 水分子结构示意图。两个氢原子（灰色圆）与一个氧原子（红色圆）相连，H-O-H夹角为104.5°。因为氧的原子质量较高，氧原子核中带有的正电荷远远高于氢原子，电子的位置更接近氧原子，这让它略带负电（电负性）。水平与竖直的短实线代表水分子之间的氢键
高热容量：将水分子连接在一起的氢键使水具有吸收热量而本身温度升高不明显的性质。温度的定义是分子的平均速度。由热提供的能量将使氢键断裂（但它会立即重新形成），却没有提高分子的速度（也就是水的温度）。所以，当遇到一个外部热源时，水温的升高十分缓慢。这一点很重要，也是生物能够维持其内部能量的原因。
很好的溶剂：水的极性使它成为一种良好的溶剂，便于化学反应的进行。能够吸引水的分子是亲水的（hydrophilic），而不吸引水的分子是疏水的（hydrophobic）。由于这一性质，水可以把化学物从山上带到海里。
处于固态时的低密度：因为水分子的V形结构以及氢键，它在4摄氏度时的密度最大。温度低于4摄氏度时，水分子的振动占据优势，氢键变得更加开放，也就是说，水在结冰的时候膨胀，导致密度下降。换言之，通过氢键，V形水分子与4个相邻的水分子结合，形成了晶格；与液态水相比，结合在其中的分子进一步远离。这就意味着冰的密度小于液态水，所以冰会浮在水面上。否则，冬天时冰将沉到海底，而经过许多年后，层层累积的冰将使整个海洋冻结，毁灭海洋生命，并极大地改变地球生态。与此相反，因为冰一直浮在水面上，使下面的水不与冷空气接触，因此将水温维持在冰点以上，拯救了海洋生命。
海洋—陆地—大气层调节系统
地壳、大气、海水和生物经历着复杂的化学交换，调节着全球环境。这些过程结合起来，将全球温度维持在一个使生命可以存在的恒定的范围之内（见专题框19.1）。碳和它的化合物在这个过程中发挥了关键作用。大部分碳在火山活动中以二氧化碳的形式被释放到大气中，但它并没有永远在大气中积累，而是被一个叫作化学风化（chemical weathering）的过程去除了。在这个过程中，二氧化碳被地球表面的岩石吸收，或者被雨水冲刷掉。化学风化的一个特别重要的性质是它会受到温度的影响，温度越高，风化越快。这一相关性是调节大气温度的原因，我们将在下面加以解释。假定大气温度出于某种原因升高，造成风化速率加快，更有效地从大气中去除了二氧化碳（通过雨水、岩石或者海洋的吸收）。这便降低了二氧化碳在大气中的浓度，减弱了温室效应（见下节），因此降低了温度。现在，当温度接近冰点时，通过构造板块活动释放到大气中的二氧化碳浓度增加，因为这里已经没有水去除掉它了，这时的风化作用不那么有效。这种现象会持续下去，直到温度升到足够高——冰融化、液态水出现、风化重新开始的时候。这一碳循环（专题框19.1）维持着一种平衡，阻止所有的碳进入大气或者岩石，从而调节并维持了地球的温度。
专题框19.1 物质循环
来自太阳的能量与持续再利用的现有原子相结合，能够帮助生命系统维持生存、生长与繁殖。在这个过程中，无机物分子结合，形成生物需要的有机物质。复杂的有机化合物被转化为无机物质，它们又会被自然所用，再次生成有机化合物。例如，分解细菌可以把来自死去的动植物的有机物分解为无机物，其他生物可以使用这些无机物再次制造有机物。这种物质循环发生在生命系统需要的许多原子身上。下面我们总结最重要的循环过程。
碳循环：大部分碳存在于岩石中，其他的一些存在于大气、海洋、植物和土壤中。人们称在这些存储地点之间的碳交换为碳循环。植物是向大气中投放碳（直接或者间接）的主要来源。它们将来自大气的二氧化碳和水结合在一起，加上来自阳光的能量，通过光合作用形成复杂的有机分子，如糖（C6H12O6）。然后它们又让氧与糖结合，生成水、二氧化碳（CO2）和它们生长需要的能量。动物吃植物，将这些复杂的有机化合物变成它们需要的较为简单的化合物，如氨基酸和糖，并在这一过程中释放二氧化碳。而且，当植物和动物死去时，它们会通过碳循环向大气释放二氧化碳。植物的存在与大气中的二氧化碳含量密切相关。大气中二氧化碳的含量具有季节性。冬天的几个月里植物很少，这时候二氧化碳在大气中的浓度增加，而在春夏两季，植物大量存在并增进了碳循环，这时二氧化碳的含量降低，因此固定了大气温度。
氮循环：氮对于氨基酸的合成是至关重要的。形成蛋白质与核酸需要氨基酸，而核酸负责生物活体的遗传物质并产生生物需要的能量（第20章）。氮分子（N2）组成了地球大气的79%左右，然而，生物机能需要的却是氮原子（N）。有些细菌可以把氮分子转化为氮原子。这些细菌生活在土壤里或者以蓝细菌的形式存在，具有固氮功能，即有能力将氮分子转变为氮原子，植物和动物可以使用它们制造氨基酸和蛋白质（第23章）。一切动植物都通过食物摄取它们需要的氮。食物中的蛋白质在消化过程中分解为它们的氨基酸成分。这些氨基酸可以接着被重组为构造动植物身体的新蛋白质。分解细菌在死去的动植物身上发挥作用，并把氮以氨（NH3）的形式释放。氨可以由新的动植物吸收并转化为它们需要的氮。综上所述，在氮循环中，来自大气的氮通过了生物体（其中许多是细菌），并最终进入大气，再次参与循环。
磷循环：与氮一样，磷也是制造与维持生命的一种基本元素。形成细胞或者遗传物质结构的生物分子中都含有磷（第20章）。磷原子的主要来源是岩石。磷是通过岩石的侵蚀释放并溶解在水中的，含磷的水被植物吸收，合成它们需要的分子。当一个生物死去时，分解细菌便回收了含磷化合物，使之返回土壤。它们接着溶解在水中，最后作为沉淀来到海底，成为沉积物或者进入岩石，为水生生物提供它们需要的磷。它们将通过生物过程供给生物的需要。动物对于磷的需要通过食用其他动植物得到满足。
历经1亿到2亿年，碳才能在岩石、大气和海水之间完成一次循环。除了固定大气温度，碳循环还有其他可以观察到的效果。在大气与海洋表面相遇的地方，来自大气的二氧化碳溶解在水里，释放出氢气，提高了海水的酸性（图19.2，过程1和过程2），从而形成了碳酸（图19.2，过程2）。然后，氢与岩石风化形成的碳酸盐反应，产生了碳酸氢盐离子（图19.2，过程3）。大气中的二氧化碳溶解在雨水里，会形成一种叫作碳酸的弱酸，这时就会有碳酸盐形成（图19.2，过程2）。碳酸盐又通过化学反应（化学风化过程）溶解了岩石。这一反应的产物是钙、镁、钾或者钠离子。这些物质接着被河流传送到海洋里，参与和碳酸氢盐离子的反应，主要形成贝壳类生物需要的碳酸钙。当这些生物死去时，它们形成了沉积物层，并在千百万年后变成了岩石。这就是岩石和石灰岩中碳的来源。
图19.2 大气中的二氧化碳（CO2）与海水（过程1）和氢相互作用，生成碳酸（H2CO3），使环境中的酸性更强（过程2）。氢与岩石风化生成的碳酸盐反应，生成碳酸氢盐离子（HCO3-，过程3）。碳酸氢盐离子与钙、镁、钠离子（它们都是由岩石生成、被雨水冲刷并被河流带入海洋的）反应。与钙的反应形成了碳酸盐离子和碳酸钙，它们是各种贝壳的主体
大气层的温室效应
二氧化碳、甲烷和卤化碳是吸收来自太阳的红外能量（热）并重新将它们向各个方向发射的气体。经过重新发射后，这些能量中的一部分来到地球，加热了地球表面，形成了温室效应。如果没有这些温室气体，地球的温度将会下降到-18摄氏度；如果这些温室气体过多，地球的温度将会达到400摄氏度。大气中温室气体的含量被维持在使地球宜居的范围之内。
大气中50%以上的温室气体是水蒸气，与之相比，二氧化碳占20%。大气温度的上升会让海水蒸发，增加大气中的水蒸气。当地球变冷时，水蒸气凝结，变成雨水。而二氧化碳可以在更广的温度范围内留在大气中，因此它是能够加热大气并使水蒸气百分比保持恒定的主要气体。当二氧化碳的百分比下降时，地球变冷，一部分水蒸气作为雨水离开大气，水蒸气对保持温度的贡献降低。与之相反，提高二氧化碳的百分比将造成较高的温度，使较多的水蒸气留在大气中。因此，尽管二氧化碳在地球大气中的百分比低于水蒸气，它却控制着通过温室效应进行的加热。
总结与悬而未决的问题
45.7亿年前，因碰撞而导致地球形成的星子随身携带着各种化学元素，这些元素沉入了地核。在地球形成之后，二氧化碳、氮气和甲烷这类化学物质借助火山活动造成的脱气过程逸出表面。除了最轻的氢元素可以逃逸进入空间之外，其他的元素被地球的引力羁留，形成了大气。氦与氮在大气层中的丰度符合这一假说所做的预言。
西澳大利亚发现的锆石颗粒中的证据表明，水可能在大约40亿年前第一次出现在地球上。水蒸气极有可能通过脱气过程从地球内部产生，然后在遇到冷些的气候时变为液态，这就是海洋中的水的来源。氧是在大气层中形成的，是水分子被来自太阳的高能紫外辐射分解的结果。氧是一种非常活跃的元素，它接着与大气中的甲烷和氨发生反应，生成二氧化碳、氮气和水。一旦所有的甲烷和氨都消耗一空，氧就不再因为化学反应而被消耗，于是会在大气中积蓄。大气中氧含量的提高造成了臭氧（O3）的生成，过程如下：来自太阳的紫外辐射分解了氧分子，随后一个氧原子与一个氧分子结合，形成一个臭氧分子。一旦臭氧层形成，它便像一面盾牌一样阻挡了来自太阳的紫外辐射，使陆地成为动植物的宜居地带。这时，处于原始形态的生命从海洋向陆地迁徙。这一事件发生的准确时间至今尚不清楚。氧气在大气中存在的第一个证据来自蓝细菌，它们在30亿年前将氧气作为废弃物排出。植物开始在陆地上生长后，它们便通过光合作用提高了氧在大气中的含量。大约5亿年前，大气中的氧含量达到了当前水平。
水的出现对于生命是不可或缺的。水分子通过氢键结合在一起，能够流动（即具有凝聚性），能够转移化学物质。水有很高的热容量，是能以气、液、固三态在地球的温度范围内存在的少数物质之一。它是一种优良溶剂，可以溶解并传送多种化学物质。固态水的密度低于液态水，这一点在保护生态方面扮演了重要角色。
地球、海洋和大气之间持续的相互作用维持了当前的生态，将大气温度平衡在活体生物可以繁荣生长的范围之内。在较高的温度下，当水处于液态时，CO2气体由于雨水或者岩石的吸收而被从大气中去除，这时大气温度因为温室气体的减少而降低，达到了使水结冰的程度，减缓了CO2的移除速率。与此同时，火山活动也向大气提供CO2，提高了气温，使冰融化，因此提高了移除CO2这一过程的效率。这个循环持续进行，是控制大气温度的主要因素。
在这里，一个悬而未决的问题是：在如此之长的时间内，地球的温度是如何保持在维持生命所需的狭窄范围内的？人们对此一直有些争论，其中有人认为，大气中CO2的初始含量太低，无法加热地球。事实上，太阳的光照和热度在地球诞生后的1亿年内不是很强烈，这就使问题变得更加复杂了。一个可能的解释是，早期大气中丰度颇高的甲烷也扮演了温室气体的角色，或者早期地球的反照率远远低于今天，从而使温度提高。
回顾复习问题
1. 早期地球大气中存在着哪些化学元素？
2. 地球大气中的氮气（N2）和二氧化碳（CO2）是怎样产生的？
3. 解释使氧气的丰度在大气中固定的过程。
4. 为什么臭氧层对于地球上的生命至关重要？
5. 海水中的化学物质是从哪里来的？
6. 有哪些证据说明了大气从贫氧向富氧的转变？
7. 解释水的主要性质以及水为什么对于支持生命至关重要。
8. 什么是化学风化？
9. 简要解释大气温度是如何得到调节并维持在当前范围之内的。
10. 解释温室效应，以及它是如何在保持与控制生物圈方面扮演重要角色的。
参考文献
Bennett, J., and S. Shostak. 2005. Life in the Universe. 2nd ed. Boston: Pearson/Addison-Wesley.
Cranfield, D.E. 2014. Oxygen: A Four Billion Year History. Princeton, NJ: Princeton University Press.
Jordan, T.H., and J. Grotzinger. 2012. The Essential Earth. 2nd ed. New York: Freeman.
Prothero, D.R., and R.H. Dott. 2010. Evolution of the Earth. 8th ed: McGraW-Hill.
Tillery, B. W., Enger, E. D., and Ross, F. C. 2019. Integrated Science. 7th Edition: McGraW-Hill.
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注释
[1] 海水距离饱和状态还很远，这里应该只是一种“动态平衡”，化学物质依然会被河流带入海水，这一点是无法阻止的，但另一方面，海水中的化学物质有其他消耗途径（具体情况如何在此不做揣测），于是海水中的盐分和其他化学物质的浓度达到了平衡，此后的改变也不大。——译者注