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地球的外观像一个蛋壳碎了很多裂缝的鸡蛋,而且表面破碎的蛋壳还在不断一阵一阵地互相挤互相撞。这就是板块构造运动(Plate tectonics,也叫板块构造论或板块漂移)。这种现象可能是使得地球上的生命得以孕育的基本条件之一。

地球的表明是许多个板块,漂浮在地幔上。漂浮在上面的板块就像是冷却凝固了的巧克力块,板块下面的地幔就像是煮得沸腾的巧克力浆。如果两个板块相挤相插,会使地表出现山峰;两个板块分开,会使地表出现大洋;两个板块相擦,会产生地震;一个板块往另一个板块下面钻,这种现象叫潜没(subduction),会导致火山喷发。

太阳系中的几个行星中,只有地球上有生命,也只有地球上存在板块构造运动,所以就有科学家觉得这两件事是互相联系的。那么到底有没有联系呢?是不是一个行星上必须存在板块构造运动,才可能产生生命?(之前人们考虑一个行星上有没有可能出现生命,主要只关注这个行星上有没有水)

从地球的历史看,可能确实是这样。大约25亿年前有一段时期,照射到地球的阳光很冷,地球表面的大洋照理说只能全部冻住,地球应该会冻成一个雪球。冻成雪球,就不会有生命了。但是有证据表明,并没有冻住。那么为什么没有冻住呢?

科学家们认为,就是因为有板块构造。持续不断的板块构造,起到了一个恒温调节器(thermostat)的作用,拯救了地球

有持续不断的板块构造,才有持续不断的火山喷发,使大量二氧化碳进入大气层中,形成温室,在地球最冷的时候保护地球让它不至于全部冻住。过了很长一段时间后,照射到地球的阳光的温度升高了,这时大气层中的二氧化碳太多,又把地球捂得太热了。于是地球上又会开始大量下雨,大气层中的二氧化碳又会随雨水回到地面,落到裸露的岩石上。雨水与岩石发生的化学反应会使岩石中的碳和钙等矿物质析出,并随着河流汇入海洋,形成碳酸盐岩、以及贝壳等有机物。这些碳酸盐岩位于海底,其所在的板块发生潜没之后,碳元素也就随着潜没进入了地幔。接着,等火山再喷发的时候,碳元素再次以二氧化碳的形式冲出地表,再次进入大气。正是这个以数百万年为一个周期的碳循环,使得地球表面的温度保持恒定,这才孕育出了生命。

没有板块构造运动的行星上,也是会有火山喷发的,但是这些喷发基本上都不能持续很长时间。太阳系中最大的几个火山,不在地球上,而在火星上,可是这些火山早已经是死火山了。因为这几个大火山没有能够持续喷发很长时间,所以排到火星大气中去的二氧化碳的量不够,无法为火星保温,导致火星表面一直非常寒冷,无法出现生命。

总之,长期持续不断的板块构造确实是保持行星表面温度恒定的最好方法,所以存在板块构造可能确实是行星上能有生命产生的一个必要条件。

银河系中有些岩石行星/类地行星(rocky planet/telluric planet)因为体积比地球大得多,也被称为“大地球行星”(super-Earths)。因为体积大,其内部储存的热也比地球多得多。又因为热是驱动板块构造的一个主要因素,所以哈佛大学的一位女科学家(名叫戴安娜·瓦伦西亚)在2007年提出,所有这些内部非常热的“大地球行星”上几乎必然存在板块构造运动。她还指出,太阳系中的几个岩石行星中,地球的体积最大、只有地球上有板块构造运动,也只有地球上有生命。这可能不是巧合。体积比地球再小一点,就无法出现板块构造运动了,也就无法孕育生命,所以板块构造很重要,行星的体积也很重要。而地球的体积实际上是刚刚好达到一个行星上能存在板块构造运动的最小体积,即地球的体积处于一个临界状态(borderline)。我们人类是幸运的,地球上出现生命是很巧合的事,假设它的体积稍微小一点,或密度稍微小一点,都不可能出现板块构造,也就不可能出现生命。

亚利桑那州大学的另外一位科学家(名叫昂特波恩)有不同的看法。他认为那位哈佛大学的科学家在研究行星上可不可能存在板块构造时,把问题看得过于简单了,她只考虑了行星的体积,而没有考虑“行星是由哪些元素构成的”这个问题。原来,板块构造要持续不断进行,还有一个条件,就是漂浮在地幔上的地壳板块的重量和密度要足够大,大到底下的地幔的浮力已经浮不起上面的地壳板块了,地壳板块才能开始并持续往地幔内部潜没。即使一个行星的体积很大,内部热量很高,但如果其构成元素质量很轻,那么其表面的板块是无法潜没到地幔里去的。

也就是说,板块构造运动即使开始也会进行到一般就卡住(stall)停止不动,碳元素无法实现循环,行星要么会变成特别冷的雪球,要么会变成又热又闷的桑拿房一样,生命无法出现。所以一个行星并不是体积大,就必然会出现板块构造。

因为目前人类无法直接观测位于太阳系以外的行星(exoplanets),所以昂特波恩带领的团队就想了一个办法:根据与系外行星各自对应并同时形成的恒星的构成来确定这些系外行星的构成。

结果发现,在大部分太阳系外的行星(exoplanets)上,由于构成板块的元素太轻,板块沉不到行星内部去,都不可能有长期持续的板块构造现象。只有大概三分之一的行星上可能存在板块构造运动。不过好在整个银河系中有大约400亿颗和地球大小差不多的行星,所以即使只有三分之一也不少了。


我们总结一下,两位科学家的相同之处是,他们都认为存在板块构造是行星上有生命的必要条件之一。两位科学家的不同之处是,瓦伦西亚认为银河系中有很多体积大的行星上都肯定存在板块构造,而昂特波恩认为瓦伦西亚只考虑了行星体积这一个因素,还应该考虑行星的构成元素这一因素。昂特波恩认为,银河系中只有少部分行星上可能存在板块构造。

还有一些科学家提出了另外一个问题。如果一个行星的地幔又硬又结实,那么这个地幔一开始为什么能够裂成好多块?在板块构造的大循环之前,首先要先裂成一块快的板块啊,太硬了可能裂不开。关于这个问题,科学家们还没有搞清楚。

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