一项新的研究表明，地幔内部通过板块构造的快速冷却在第一批生命形式的形成中发挥了重要作用，而这又反过来导致了地球大气层的氧化作用。这项研究发表在《地球与行星科学快报》上。澳大利亚阿德莱德大学(University of Adelaide)和科廷大学(Curtin University)以及加州大学河滨分校(University of California at Riverside, California, USA)的科学家收集并分析了来自澳大利亚、加拿大、新西兰、瑞典和美国地质和地球化学数据仓库的火成岩数据。他们发现，在地球发展的45亿年里，富含磷的岩石聚集在地壳中。然后他们研究了大气中与氧气的积累的关系。
正如我们所知，磷对生命是必不可少的。磷酸盐是一种含有磷和氧的化合物，是DNA和RNA以及细胞膜的一部分，有助于控制细胞的生长和功能。为了弄清地壳中磷的含量是如何随时间增加的，科学家们研究了岩石是如何随着地幔的冷却而形成的，进行了建模，以找出地幔长期冷却所导致的地幔成因岩石成分的变化。
研究结果表明，在地球历史上较早、更热的时期——四十五亿年前的太古代——有大量的熔岩地幔。磷在这些岩石中会被稀释。然而，随着时间的推移，地球得到了充分的冷却，这得益于板块构造的出现，在板块构造中，地球较冷的外层地壳被俯冲回热地幔。随着温度的降低，部分地幔开始融化。磷将集中在少数融化，地幔冷却，融化你提取的数量较小，但融化将磷的浓度更高。
磷在地球氧化中的作用
磷被浓缩并结晶成一种叫做磷灰石的矿物，它是由冷却的地幔形成的火成岩的一部分。最终这些岩石到达了地球表面，形成了地壳的很大一部分。当磷灰石从地壳中提取的磷矿物与湖泊、河流和海洋中的水混合在一起时，磷灰石就会分解成磷酸盐，从而成为原始生命的发育和营养来源。科学家们估计，随着时间的推移，地壳中的元素与海水混合在一起。在地球大气的氧化过程中，生物基本元素的高水平增加了：大氧化事件(GOE)， 24亿年前，以及8亿年前的新元古代氧事件，在那之后，氧含量被认为足够高，足以支持多细胞生命。
地球横截面，显示了地壳的外部，地表下的熔融地幔和地球中心的地核。图片：NASA/JPL-Université Paris Diderot - Institut de Physique du Globe de Paris
甚至在GOE之前，大约35亿到25亿年前，一些最早的生命形式可能通过光合作用产生氧气。然而，在此期间，大部分氧气与火成岩中的铁和硫发生反应。为了了解这些反应在40亿年的时间里是如何影响大气中的氧含量的，科学家们测量了火成岩中的硫和铁的含量，并计算出了氧的反应量。他们将所有这些事件与大气氧含量的变化进行了比较。科学家们发现，硫和铁的减少与磷的增加相对应的是大氧化事件和新元古代的氧事件。
生命“爆炸”
所有这些事件都支持了一种情况，即地幔的冷却导致了地壳中富含磷的岩石的增加。然后这些岩石与海洋混合，在那里含磷的矿物质分解并渗入水中。一旦海水中的磷含量足够高，原始的生命形式就会兴旺起来，它们的数量也会增加，这样它们就能产生足够的氧气，大部分氧气就会到达大气层。氧气达到足以维持多细胞生命的水平。地质学家彼得博士Cawood墨尔本莫纳什大学的澳大利亚,评论天体生物学杂志,“认为是有趣的(氧气)我们所依赖的生活其最终的起源归功于世俗地幔温度的降低,这被认为是减少大约三十亿年前从1550摄氏度到1350摄氏度。
在可能的外星球上是否也会出现类似的情况？随着开普勒发现了越来越多的类地行星，这些行星中是否有生命存在？Cawood认为，这一发现对于太阳系外行星上有氧生命(即在富含氧气的环境中进化的生命)的发展具有潜在的重大意义。卡伍德说:“这是有条件的，地球表面火成岩中的磷正在经受风化，以确保其生物可利用性。”“值得注意的是，在那些硅含量低的岩石中，火成岩的磷含量最高(这些岩石是由快速冷却形成的)，这种成分的岩石支配着金星和火星的外壳，也可能存在于系外行星上。
氧气水平上升和地幔冷却之间的关系对任何一个地球行星都有影响。”所有的行星都会冷却，那些板块构造对流有效的行星会更快地冷却。我们的结论是，这样的冷却速度可能会影响到任何可能适宜居住的星球上生物进化的速度和模式。这项研究得到了美国国家航空航天局天体生物学研究所(NAI)元素的支持，美国国家科学基金会前沿地球系统动力学项目和澳大利亚研究委员会。
博科园-科学科普｜ 文：Lisa Kaspin-Powell/Space
发表于 2019-1-6 17:11
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