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宜居帶中生命的故事

正是這些天外來客與地球的碰撞,幫助我們建立了現在的生活方式。

我們繞了好大一個圈子來說明了我們的觀點,即暗物質和陸棲恐龍的消失是如何可以聯繫到一起的。我們介紹了許多人類已經掌握了的關於宇宙的知識,像宇宙中的物質,還有像星系這種結構在宇宙中是如何形成的。回到我們的家園地球上,我們回顧了五次生物大滅絕事件,包括被仔細研究又被改編成故事的白堊紀-古近紀滅絕。此外,通過對新發現的小行星和彗星觀測,我們還研究了太陽系的組成。

科學的發展並不僅僅只包含已知的內容,更重要的是,它還包含了我們尚未知曉的東西。假說常常開始於嘗試性的推測,用來解釋那些微小的但有提示性的跡象,抑或在靈感顯現時,用來構建出重要的新思想。科學方法的美妙之處在於,它讓我們可以有很瘋狂的想法——至少表面上看起來是這樣,但是同時又要求我們著眼於那些細小的符合邏輯的結論來測試。我們可能會比較幸運,新的想法指出了前進的方向,但我們也可能會失望地發現:開始那些很合理的假設使我們誤入了歧途。

前進的道路一般都不是平坦的。有一個不經常滑雪但熱衷此道的朋友用另一種有點誇張的方式表達了這個說法。當我在山坡上見到他時,他把他的進步說成「前進兩步,後退兩步」。但說真的,即使他覺得自己的技術沒有一點進步,但在雪山上不斷地練習也能讓他對雪山的地形更加熟悉,這也會提高他的滑雪技術。事實上,當我一年後在同樣的雪道上又碰到他時,他的水平已經明顯提高了。

我的朋友所表達的態度,其實是所有從事研究工作的人都可能遇到的。就算有個從不犯錯誤的人,他正確地解了所有的方程,恰當地解釋了所有數據,但最後他可能發現自己的理論並不適合當前的宇宙,即使論證過程中他沒有犯任何錯誤。儘管如此,和滑雪一樣,不斷地嘗試至少能幫助我們更好地熟悉地形。而我們虛構的那些研究者,也能從他錯誤的理論中所學到的知識感到欣慰——至少他能確定這個想法確實是錯的,即使一開始看起來不是這樣。提出假設然後找到證實或證偽的方式畢竟是確認某一猜想有效性的唯一方法。在那些令人讚歎的例子裡,一些猜想幸好是對的,並具有一定的啟發性,與之相關的研究工作因此也就有所突破了。對一個科學家來說——對大多數人也是如此,當即將面臨成功時,失敗就漸漸消失了。

很快,本書就會列舉一些關於暗物質的推測。但是本章會簡單談談我們已知物質所產生的一個最有意思的結果:生命的起源和進化。我會解釋一些對生命起源非常重要的因素:適合生命的環境條件,以及生命演化過程中那些外來天體可能的角色。儘管我討論的許多觀點是來自科學研究的,但這其中也包括一些猜想。它們通常是關於某種具體特徵對地球上的生命是多麼關鍵,或者在其他地方可能存在的新生命形式。

下面我們會專注於人們熟悉的物質形式,但這並不意味著沒有關於暗物質的猜想,我只是暫時把它們擱在一邊,並在本書的最後部分來討論它們。儘管如此,我們完全不應該忽略暗物質對生命的作用。毫無爭議地說,暗物質在太陽系周圍的恆星環境的創生過程中扮演著重要角色,從根本上講,太陽系的恆星環境來自銀河系的盤結構,這個盤結構又是由星系產生的,而星系則起源於基於暗物質原初聚集而彙集起來的普通物質。在這些初始的結構輪廓中,恆星和重原子核可以產生,而這在沒有暗物質的貢獻下是不可能發生的。暗物質還有一個功勞是,它幫助星系和星系團吸引了超新星爆發所產生的重元素,這些重元素是產生地球和生命的關鍵。

從暗物質到生命的產生是一段漫長的路。先要形成銀河系的盤,然後是恆星和重元素,再之後是更複雜的結構。普通物質是這些微妙複雜過程的本質,至少對太陽系來說似乎是這樣。雖然我無法告訴你們下面這些關於生命形成的猜測哪些是正確的,但我可以肯定地說:未來,科學還會進步。

生命的起源

生命的起源,是一個極具挑戰的問題,特別是至今還沒有人知道生命是什麼。如果不研究地球上現有的極其複雜的生命,或者極端環境中本不該存在的生命,我甚至懷疑人類是否能猜出或弄明白人類生命的本質,或此類生命存在的必要條件。儘管人們意識到了許多深刻的、基本的問題尚待解決,人類還是經常高估了自己的已知範圍。我發現,人擇原理令人煩惱的一個原因是:對於任何形態的生命來說,還沒有人知道其存在的可能的根本原因,也沒人知道像星系這樣的結構可以產生生命的根本原因。我不像有些人一樣相信其他形式的生命和人類的生命是相似的。

在對想像中的抽像生命形式發問之前,我們可能首先想知道:

●地球上的生命是如何開始的?

●從哪裡開始?

●它是從地球上起源的還是從外太空飛來的?

一些人猜測,彗星或小行星帶把已經形成的生命通過孢子帶到了地球,這種情況被稱為泛種論(panspermia);有一些人認為,外來天體的影響幫助生命形成跨越了一些障礙;還有一些人更加保守,認為地球生命的發展沒有直接受到地外作用的影響。最後一種假說有個優勢,在太陽系內我們所有已知的地方,地球的條件似乎是最有助於生命出現的。儘管其他地方也可能存在類似的環境,但至今為止我們只發現地球上有淺海的環境,例如潟湖或潮水坑、凍結的水溶液或者黏土的表面,在那裡化學成分可以富集並反應。

組成生命的重元素肯定來自外太空。氫是在宇宙極早期時出現的,但是其他重要元素——碳、氮、氧、磷和硫,僅僅通過高溫緻密的恆星合成或超新星爆發產生,而且都是發生在太陽誕生之前。

我很高興在一次採訪中列舉這一系列事件,那是在加那利群島特納裡費島(Tenerife)的望遠鏡,學生們組織的一次尋找近地小行星活動上。在常規的問題結束後,他們還為每一位受訪者準備了一個古怪的問題:「你認為學生們和年輕的恆星有什麼共同特點?」當採訪人表示滿意我的回答時,我著實鬆了口氣:「學生們學習新思想,並把它們傳播給其他人,由此產生了循環——這很像恆星吸收星際物質產生了重元素,然後把這些重元素拋回宇宙空間再循環。當分子物質被排出散佈到星際介質中,便聚集在稠密的雲中,在那裡一部分分子物質重新進入恆星形成區。這種循環模式很像思想的產生、傳播和發展。」

不過在生命出現之前,重元素還需要進一步加工。在地球上,這些化學元素組成了越來越複雜的、穩定的有機化合物,最終產生了可以自我複製的RNA,然後是DNA,再後來是細胞,之後接著是(這期間花了很長時間)多細胞有機體。這些有機體一部分是由氨基酸組成,這一組成蛋白質的基本單位。隨著對形成DNA、RNA以及細胞結構的必要條件的深入瞭解,我們更加確定:那些極端條件對生命的起源必不可少。

關於生命的出現有許多有趣的問題,其中一個是氨基酸是如何在星際介質和其他地方形成的。

20世紀50年代早期,芝加哥大學的斯坦利·米勒(Stanley Miller)和哈羅德·尤里曾做過一個著名的實驗。他們給一個密封燒瓶中的水加熱,這個容器中還包含甲烷、氨和氫。他們的目的就是模擬原始的地球大氣下的海洋。在這個人造的「大氣」中,對水蒸氣放電的過程扮演了閃電的角色。米勒和尤里用這個簡單的裝置成功地製造出了氨基酸,證明了氨基酸的產生在太陽或太陽以外的環境中並不是什麼出人意料的現象。

早期地球大氣中很可能含有二氧化碳、氮和水,還有在試驗中依然穩定的甲烷和氨。有意思的是,氨基酸在地球的分佈和米勒-尤里試驗所得到的結果出乎意料地相似。他們實驗結果的關鍵結論是:在地球上形成有機物質是相對簡單的,在太陽系或其他星系也是如此。需要記住的一點:化學中「有機」(organic)一詞僅僅表示碳的存在,並不一定是生命的必須元素。據我們所瞭解的,某些(但不是全部)有機分子對生命是必須的,所以「有機」這個詞的命名並不是巧合,儘管有些「不幸」。

事實上,包含碳元素的反應在宇宙中幾乎無處不在。恆星的噴流、星際介質、稠密的分子雲和原始恆星雲,全都包含有機物。像太陽這樣的恆星在周圍製造大量的有機物,在稠密的分子雲中也是一樣。這使得有機合成相對來講並不那麼令人吃驚,但同樣也使生命本質成分的起源更難下結論。這些成分中的其中一些可能產生於其他地方,但是一些科學家相信,許多有機物更有可能是土生土長的——或者至少是從那些先從地幔中重塑的物質中產生的,然後才進入分子中去,並最終對生命有了貢獻。

我們確實已經知道:至少一些有機物是被太陽系中的天體帶到地球上來的。在小行星帶內的有機物總量似乎顯著地小於小行星帶外側,這是猜測地球上一些可觀總量的有機物是來自外太空的原因之一。另外一個原因是,儘管地球早期的物質大都沒有保留下來,但月球上數量巨大的隕石坑以及相比之下地球的尺寸比月球大得多的事實告訴我們:在早期時候,地球上也有許多隕石事件。這很有可能給地球帶來了可觀數量的有機物。

氨基酸還有嘌呤和嘧啶都確實在太空中被發現了,其實嘌呤和嘧啶也是產生DNA和RNA必需品。小行星和彗星上都發現有氨基酸,它們中的一些存在於生物體內,有一些則沒有在地球上被發現過。至少有一種方法來鑒別非生物氨基酸,即旋向性(chirality)或者說分子的手性(handedness)(見圖13-1)。在地球的生物體內只存在左旋性的氨基酸,而太陽系外圈發現的氨基酸包含左右兩種旋性。手性與碳原子周圍原子的排列有關,它有一個顯著的方向性,就像你左右手的手指排列方向不同一樣。然而至少有一例研究發現:在小行星的沉積物中,有一類氨基酸的左旋分子數量要多,多出的左旋分子和生命的聯繫更加難以判斷。

圖13-1

給定旋向的分子的手性示意圖。分子的旋性和鏡子中分子的像的旋性是不同的。地球上生物的氨基酸是左手旋向的。

我們關於小行星上氨基酸的知識很多來自默奇森(Murchison)隕石,它是一塊在1969年掉落於澳大利亞墨爾本附近的默奇森小鎮的隕石。這塊隕石是來自火星和木星之間的一個小行星。它被歸類為「碳質球粒隕石」(carbonaceous chondrite),從這個名字你大概可以猜到它含有大量的有機分子,包括氨基酸。巧合的是,這家實驗室還研究了阿波羅計劃帶回的月球物質樣本。因此這些科學家們可以把默奇森隕石和其他類似的隕石相對比,例如在俄克拉荷馬州發現的默裡湖(Murray)隕石;還可以對比其他不同類的隕石,比如在法國發現的奧蓋爾(Orgueil)隕石。

為了研究來自太空的氨基酸的命運,科學家們嘗試在試驗中重現宇宙的條件。研究顯示,氨基酸能夠在與彗星的碰撞中被保存下來,或者在地外物質撞擊地面時產生。通過觀察彗星的除氣作用,科學家們發現:大部分小行星被星際材料多次加工過,一些彗星狀的冰塊包含著早期的原始星際物質。對隕石以及行星際塵埃的研究能幫助科學家們瞭解彗星和小行星帶到地球上的物質,也能幫助科學家們建立一些有關從太空飛來的分子的起源和數量的數據庫。

水像碳一樣,大概也是太陽系中產生生命的關鍵,哪裡有水哪裡就可能有生命。地球有一個特別值得注意的特徵是,地球表面2/3被海洋覆蓋——不是全部,也不是一點沒有。海洋的部分覆蓋使海岸線和潮汐區域成為可能,這些區域對生命的出現與發展非常重要。

正如我們所知道的,水對生命非常關鍵。岩石中的證據表明,在地球表面液態水已經穩定地存在了相當長的歷史。岩石的紀年表明,水的存在可以回溯到38億年前。更古老的鋯石形成的一種結構似乎也需要早期地球(至少在43億年前)有水的存在。

地球上的生命肯定受益於巨量的水,無論是什麼東西將水帶到了這個星球上。然而,正如一個最近迷上渡口騎行的朋友所說,我們周圍這些巨量資源到底是從何而來的還是一個謎。海洋中的一些水可能來自地球表面下的岩石中,但想用這個假設來解釋今天地球的存水量,還遠遠不夠。

我們已經看到,隕石撞擊可能帶來的有機物質會促進生命的產生。在地球形成的早期,很可能是在晚期重轟炸期間,通過彗星和小行星所帶來地外水當然也是可能的。這是一個棘手的問題,因為大部分通過隕石到達地球的水都是儲存於礦物中的結晶水合物,所以這需要一些過程把水分子從硅石上分離出來,儘管也有一些石縫間的冰被小行星帶到地球上。

最初,彗星看起來更像是水的來源,因為它們的成分中很大一部分是冰。然而地球上的碳、氫和氧的同位素似乎和彗星上觀測到的結果並不吻合,這表明彗星可能不是地球揮發物的主要來源。2014年,羅塞塔號衛星發回的結果證實了這一點,它測得的彗星上氫的同位素的組成與地球上的不一致,這使得水主要來自彗星的假設變得不太可能。如果來自太空的天體確實扮演了重要角色,那麼這些天體更可能是相對遙遠的小行星,它們的同位素比例和地球更接近。這一點很重要。

另外一個關於水的問題是:地球形成早期,年輕的太陽輸出的能量大概是今天的70%。在原始的太陽低光度的條件下,若沒有其他條件的影響,即使水已經形成也不會是液態形式,這就是所謂的「暗淡太陽悖論」(The Faint Sun Paradox)。然而,年輕的地球可以產生熱量,並通過很多方式釋放出來:坍縮的引力能、火山噴發、穿過大氣的隕石震盪,還有月球的潮汐熱能(那時月球離我們比現在還近),此外還有地球內部不穩定同位素的放射性衰變。這些過程中的任何一種都可能使地球更溫暖一些。大氣中的溫室氣體像二氧化碳,能吸收一些太陽光,這些光開始是在可見光範圍照射到地球上的,又以紅外形式反射被大氣層吸收。無論溫室氣體能否解釋地球早期溫度高於估計值,那時已經有液態海洋是非常清楚的事實了。所以,上述因素中的一個或幾個因素肯定是起了作用。

宜居環境

在宇宙環境中,既有朋友也有敵人,太陽系內外都是如此。生命存在似乎依賴於本地的物理條件是否能夠造就一套適合成長的生態系統。構建宜居生態系統的過程需要一些特別的條件,這些條件既能促使有利的方面發揮作用,又能改變或抑制那些不利的因素。理解生命的先決條件很可能被視為和理解生命起源一樣令人畏懼。但是科學家們無論如何都希望找出「什麼是宜居的環境」的答案——既包括基本的微生物,也包括更複雜的生命,而後者大概需要更特殊的條件。儘管還沒有人知道所有的答案,但所有使我們生存的環境如此特殊的東西都值得我們注意。

還有一點值得注意:太陽本身也有一些特殊。在大質量恆星中(比如恆星質量序列的前10%),以太陽的年齡來說,它的金屬丰度比典型值要高,與星系盤中的恆星異乎尋常地接近。此外,與類似年齡的恆星相比,太陽的軌道似乎更圓了一些,還有它的位置使其軌道更像旋臂,因此很少與旋臂相交。我們不知道這些太陽的非典型特徵有多重要,但是所有的非常規特點都可能是有趣的。

光合作用依賴於太陽的輻射,對地球生物至關重要。能量幾乎對任何形態的生物都非常關鍵,因為它為製造並最終維持生命的過程提供能源。在地球上,太陽毫無疑問是主要的能量源。太陽光提供的能量是第二名(即地熱能)的幾千倍。其他更小的能量源包括閃電和宇宙射線,前者特供的能量是太陽提供能量的幾百萬分之一,而後者則是其幾千分之一。

「液態水對所有生命形式都重要」的說法雖然只是一個推測,但對地球上存在的生物來說肯定是這樣。我們想知道這些水是從哪裡來的,還想知道水的液態形式在哪裡會是穩定的。討論這個問題不僅需要瞭解太陽到地球的距離,還要知道輻射的效力、其他可能的熱源以及大氣的壓力。

僅僅根據地球的反射率、太陽的光度和到地球的距離,人們可以推算出:如果沒有大氣的溫室效應,即使在今天,地表的水也是要凍冰的。儘管今天我們擔心大氣內的過多熱量,但如果沒有二氧化碳、甲烷、水蒸氣和一氧化二氮的溫室效應,地球將會變得非常寒冷。地球上液態水的存在僅僅是由於這些溫室氣體,它們吸收了地球的紅外光,從而建立了平衡機制。

「宜居帶」就是指一段區域內其條件滿足生命能夠存活。這是一個液態水能穩定存在的「金髮女孩」區域[29]。如果離熱源(太陽)太遠,水就會結冰;如果離得太近,水一開始就不會聚集在行星的表面。水也可能存在於地表之下,儘管這種情況不太可能像巨大的海洋一樣,能夠為種類眾多的生物提供一個共同聚集的場所。

如果水的存在是宜居帶的一個標準,那麼宜居帶的外沿界限的定義就是:大氣層外二氧化碳開始凝結的位置。這給出了一個以太陽為中心、半徑比日地距離還長1/3的區域。還有其他定義方式:在大氣層內有足夠多的二氧化碳和水,以確保水不結冰。這種定義給出了更大的範圍,大約把宜居區域的半徑較日地距離延長了2/3。具體來看,金星在兩種定義中都屬於宜居行星,火星只在第二種定義時是宜居行星,而其他的外圈行星都太遠了。

儘管不清楚水是怎麼出現的,但我們知道,幾乎在行星出現時,水就已經存在了。然而太陽的光度發生了變化——自它形成以來有了顯著的增加,大氣層也發生了變化。因此有了一個對「持續宜居帶」(the continuously habitable zone)更加嚴格的限制,在這個區域內,液態水可以在行星的整個壽命期間持續存在。根據當前的氣候模型,連續宜居帶的寬度被更嚴格限制在日地距離的15%之內。當然這是今天的定義。再過40億年左右,太陽會變成一顆紅巨星,然後再過幾十億年,它就會燃盡。根據現在的模型,地球上的生物沒有哪個——無論簡單生物還是複雜生物,能存活到那麼遠的未來。

在擔心遙遠而淒涼的命運之前,我們還有更緊迫的事情。一個關鍵是地球溫度的穩定性,我們知道這對生命意味著什麼。在當前的社會,相對小的溫度變化就會產生巨大的影響,例如海岸線、農業以及對於人類的適居性。但是對生命演化來說,人們傾向於使用了相對粗糙的溫度限制來衡量地球溫度的穩定性。在地球上,碳是關鍵,大氣中的碳必須有穩定的補充。

在其他行星上,甲烷和二氧化碳雲也可能是相關的。在這個星球上,調整大氣層中碳的反應至關重要。碳可以從大氣中被除去,例如溶到雨水中或者被植物的光合作用吸收;還可以循環回到大氣中,例如通過板塊構造活動、岩石的風化。當在大洋中脊處誕生的海床隨著地殼的運動消失在大陸板塊間的潛沒帶時,此處的元素會發生反應從而產生二氧化碳,並通過火山噴發、溫泉和其他地殼出口又回到大氣中。山脈的產生和上升也會緩慢地釋放碳。快速釋放碳的方式是燃燒化石燃料。所有這些過程都影響著大氣中碳的供給,這對調節地球溫度至關重要。

長久的氣候穩定可能是生命進化的另一個前兆。地球上,這種穩定不僅依賴海洋和內熱源來驅動板塊的結構演化,從而產生了溫室層,還有恆星的演化、較少的小行星和彗星撞擊,以及月球的存在穩定了地球的自轉軸。在過去的5億年中,這些條件很可能都是生命形成的關鍵因素,尤其對那些更大型的動植物來說,儘管在最初的30億年裡,氣候的穩定可能對早期微生物也非常重要。

一個穩定的中心球對生命的出現也很重要。太多的宇宙射線射到地球上——很多小行星、彗星也一樣,許多類型的生命沒有機會誕生。任何成功出現的生命也可能很快就被消滅了。一個有生命的行星必須要離太陽足夠遠,避免過強的輻射;但又要足夠近,可以被外圈的行星保護而不受小行星影響。不管這個條件是否是必須的,木星肯定扮演了地球大哥(或保鏢)的角色,保護著它的「小兄弟」不受地外天體的攻擊,使地球上生命的進化更容易一些。

保護地球的還有太陽風(在第8章討論如何定義太陽系的邊界時也提到過太陽風)。太陽風與星際物質發生反應產生了日光層。在這個區域內,星系的宇宙射線數量相對低一些,這使得地球的氣候穩定,也保護了所有出現的生物不直接受到來自宇宙線的毀滅性影響。

令人驚訝的是,我們當前生活的區域(大約有300光年的跨度)被稱作本星系泡(Local Bubble),位於銀河系獵戶座旋臂上,是一個像真空一樣的範圍,其中的星際介質裡的氫密度非常低。直到最近——大概幾百萬年前,我們才進入這個溫暖的、低密度的、部分電離的區域,這是一種相對少見的星際環境。在此期間,這個區域被已經變得特別大的日光層邊界包圍著,太陽風主導著這一區域的星際介質。我們並不知道人類出現在地球的時間是不是一種巧合,人類出現的時刻恰好是在地球進入到本星系泡的空洞的時刻,或許正是這種不尋常的低氣體密度和宇宙射線密度,對形成複雜的生命大有幫助。

外來天體和生命的進化

希克蘇魯伯隕石坑的隕星肯定扮演了重要的角色,在生命進化的後期,它造成了當時大部分物種的滅絕,並為其他物種的進化鋪平了道路。儘管具體的數字不是很準確,但似乎大部分大型隕星落地的時間和物種大滅絕的時間是相吻合的。發生在物種滅絕時域邊緣的銥層、微玻隕石和衝擊石英增添了隕星撞擊造成物種滅絕可能性的證據,這個課題值得進一步研究,因為隕石坑的出現時間似乎和陸地生物改變的時間確實存在一些巧合。

儘管如此,下面的許多想法還只是推測。有人提出,雖然彗星引發的後阿爾瓦雷斯波(post-Alvarez wave)非常強大,但小行星和彗星的撞擊肯定不足以解釋行星上生物的滅絕或者起源。白堊紀-古近紀滅絕事件是僅有的、可以相信的彗星撞擊造成的滅絕。氣候變化和大量的火山爆發在幾個時期的生物滅絕事件中也扮演了重要角色,這些證據可能比彗星撞地球更令人信服,包括早寒武紀、二疊紀、三疊紀和中新世中期的物種滅絕都更傾向於這種解釋。所以請讀者對於我將要列舉的猜測不要過於激動。確實有證據指出,撞擊與滅絕是一個互相聯繫的系統。因為一些大型撞擊發生的時間大致也相當於地球年齡、生命的起源、文明的開始。研究我們能找到的兩者之間任何可能的聯繫都是值得的,即使證據不是那麼強有力。

在五次大滅絕中,如果從地外影響的證據角度看,發生在泥盆紀結束期的滅絕(大約發生在3.6億~4億年前)是僅次於白堊紀-古近紀滅絕的一次物種大滅絕,歷史上排在第二位。在這一時期內,大概發生了多起地外天體撞擊事件,且很可能是由一個碎裂的小行星引起的,或者是多起彗星撞擊引起的擾動(我們很快會說到)。但是精確的時間測量並不支持彗星是這次滅絕的主導,因為在這個時間範圍內,物種的減少似乎是由於物種形成的有限而不是實際上的滅絕。有意思的是,1970年,也就是沃爾特提出「地外天體撞擊導致的白堊紀滅絕」這一理論的很多年前,古生物學家迪格比·麥克拉倫(Digby McLaren)已經提出了地外天體的撞擊,可能是這個更早的物種滅絕的原因。

許多聯繫了撞擊和滅絕的事例解釋了一些小事件,例如7 400萬年前在北美地區的局部滅絕。許多鱷魚的種類、一些水生爬行動物、哺乳動物,還有部分恐龍在這期間滅絕了,似乎和艾奧瓦州的曼森(Manson)隕石事件符合。始新世晚期事件大概是在3 500萬年前,發生了多起海洋生物、爬行動物、兩棲動物和陸地哺乳動物的滅絕,大約也和一些流星隕石撞擊事件相符。證據包括在俄國的波皮蓋隕石坑,在華盛頓特區附近的切薩皮克灣近期發現的90公里寬的隕石坑,還有在新澤西大西洋城外的一個小一些的隕石坑。華盛頓的那個隕石坑是在一個大型石礫場的沉積物下發現的,這個石場是隕石撞擊的海嘯所產生的。接著,科學家們還應用地震測型和鑽探巖心等方法對其進行了更深入的研究。高於常規的銥等級和超高含量的行星際間塵埃顯示:彗星雨是此次多起撞擊事件的「責任人」。

始新世晚期的事件也有地外干涉的證據,不過是用不同的方法(地球化學的證據)得到的,這一方法可能是最終彌補那些少的可憐的撞擊紀錄的有效途徑。加州理工學院的肯·法利(Ken Farley)及其同事找出了一種研究天體撞擊事件的新方法:通過測量氦的同位素含量來追蹤行星際間的塵埃,因為氦的同位素的含量在彗星雨期間會升高。他們的結果很有意思,3 600萬年前產生的波皮蓋隕石和切薩皮克隕石前100萬年到之後的150萬年間,氦-3的含量是有所提升的。這些塵埃是彗星雨的強有力證據,它們可能是由奧爾特雲中的某次擾動引發的(我們會在後面幾章回到這個話題)。

現在我們把這個撞擊猜測的列表補全。在中新世晚期,大約1 000萬年前發生過一次小型滅絕事件,它和銥異常和玻璃隕石似乎相吻合。有意思的是,法利也發現了此次事件前後的氦-3含量的增多。在這個例子中,合適的時間加上塵埃的演化和小行星撞擊的猜測非常吻合——特別是已知的碰撞產生了威爾塔斯族(Veritas)小行星。

因碰撞而產生生命的證據比毀滅生命的證據還要少,但有些人還是樂在其中。我將會提到一個想像的可能性,這是在《聖經》和神話中提及過的戲劇性事件,以及尚無解釋的史前遺跡,如巨石陣,這些看起來很神秘或者有人為了某些目的而創造出來的神秘事件,也可能起源於地外流星的撞擊。科學地看,研究者們認為,早期撞擊事件可能炸飛了部分大氣層甚至海洋,從而減慢或限制了地球上生命的進程。但這些也可能製造出了適合生命的環境,例如產生了水熱對流系統,促進了生命起源前的化學反應。

科幻作家查爾斯·弗蘭克爾在《恐龍滅絕》中指出:20億年前的前寒武紀的複雜性和兩次已知的那個時候的巨大隕石坑之間可能存在聯繫。儘管不是很確定——因為氧的角色在那次事件中可能更關鍵,但是他指出,時間的吻合性很吸引人。另一個同樣遙遠的可能相關性是一次5.5億年前的碰撞及其後發生的寒武紀生命大爆發(這裡,大爆發是指逐步擴大的生物多樣性)。科學家們相信,也許這次撞擊消滅了已經存在的物種,從而給新物種騰出了生存的空間。儘管沒有一種已知的機制和生命聯繫起來,但是在澳大利亞和其他地方也可以找到撞擊的證據。澳大利亞的阿克拉曼隕石坑(Acraman Crater)是個直徑超過100公里的湖,被一層噴發物所包圍,這些噴發物中包含銥和衝擊石英,並向東延伸了300公里,一直到伊迪卡拉紀的化石群,而寒武紀生物大爆發緊接著這個化石群的形成就發生了。更多證據在中國三峽地區也有。引人注意的是,三葉蟲的化石出現在緊挨著撞擊層之上的一層。這表明,不管怎樣,某些事件種下了來自異星的種子(帶來了地外的元素),複雜的生命立刻就開始在海洋中出現了。

另外一些猜測基於已經成為化石的隕石的成分、受衝擊的物質組成以及隕石坑的觀測數據,這些數據都明確地指出奧陶紀存在一系列的撞擊事件,這組撞擊事件在4.72億年前,即奧陶紀的中期達到峰值,相關數據特別精確地吻合了海洋生物物種的一段蓬勃發展期。隕石化石的想法給人留下了深刻的印象,所以這裡我會介紹一下這個發現,儘管它和生物發展的巧合是明顯的猜想,不足以當真。最早的線索來自一個孤立的大圓石,它於1952年在瑞典的一處沉積岩中被發現,但顯然它不屬於那裡。研究人員花了25年才確認它是一塊隕石的化石,這塊隕石的實際成分除了對風化的抵抗力比較強的鉻鐵礦(一種岩石的形式)之外都被侵蝕掉了。後來,科學家們又在周圍發現了將近100塊隕石,合起來就是5億年前的一塊100公里~150公里寬的物體,它造成了大量的隕石和微小隕石塵埃飛落到地球上,這種情況持續了幾百萬年。這些碎片甚至可能形成了一個小行星帶,現在這些小行星還在緩慢而持續地落向地球表面。

上面提及的關於地外星體對生命的產生和滅亡作用的想法中,其中一些是有問題的。但是我會以一個可靠的地外星體作為這部分的總結,那就是:墜落於地球的地外星體是我們這個星球上的重要資源。有意思的是,隕石所帶來的物質對社會很重要,特別是在鐵器時代之前,早期人類會使用隕星鐵來製造工具、武器和文化用品。

這些礦物質現在也仍然非常重要。許多金、鎢、鎳和貴重元素能夠從地殼中獲得,就是因為這些天外來客砸開了地球表面。儘管行星和小行星的組成是相同的,但地球的引力會把重元素吸到它的地核中,這些重金屬中的大部分不會回到地球表面上來。地表的重金屬物質主要靠來自地外並墜落在地球上的隕石加以補充。大概有25%的流星撞擊造成了潛在的有益沉積,這些沉積中至少50%已經被開發利用了。因此,即使流星撞擊地球不是產生生命的必要因素,它們在生命的形成及進化過程中的重要性也是毋庸置疑的。正是這些天外來客與地球的碰撞,幫助人類建立了現在的生活方式。