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生命也能創造出礦物

羅伯特·哈森(Robert Hazen)是少數幾個名字被用於礦石命名且目前還健在的科學家之一。在過去的40年中,他寫下了很多文章與著作,話題從生命起源談到晶體的生長與演化,此外他還有一項與此平行的職業生涯,作為交響樂小號手接受卡內基學院與喬治梅森大學的聯合邀請。他在個人生活中兼顧著科學與藝術,同時也探索著生物圈與地質圈的內在聯繫,看起來他也應該接受生物圈與非生物圈的聯合表彰。

2008年,國際礦物學協會核准了「哈森石」這個名稱,代表一種最近在加州莫諾湖鹼性水域中發現的石頭。這種石頭是微生物的傑作——細菌從鹽鹵中獲取磷、鹽和水,並將它們堆積成微型晶體。其中不可或缺的磷是從上游河流中被沖刷到了莫諾湖;隨著水分甩下它們蒸發到了乾燥的沙漠空氣中,這些磷就在飢餓的細菌體內滯留了下來。

哈森提出了一種全新的概念解釋地球與生命的關係,就像他在為《科學美國人》所寫的文章那樣:「如果你認為一切非生命世界是生命表演其進化大戲的舞台,那麼可以再多想一想,其實演員一直都在改進著舞台。」與岩石在為骨骼與貝殼提供原子一樣確定無疑的是,有機體釋放出的原子也在創造著那些無生命星球上肯定沒有的礦物質。哈森繼續寫道:「堅硬的礦物質不同於脆弱的有機質,它們可以刻下最有力也最長久的生命存在證據。」

哈森估算,數十億年前,我們太陽系這些多石的內行星由星際塵埃凝聚而成時,大約有250種礦石。它們中有很多也存在於隕石中,例如橄欖石和鋯石。隨後,地殼的風化與部分熔融作用產生了一些新的元素結合體,原始岩漿中產生了一些火成岩,礦石種類也迅速增長。但更為戲劇般的變化大約發生在20億年前,具有光合作用的生物遍佈到了整個海洋。

作為海洋版的「綠火」,藍藻向海水中釋放了大量氧氣,海床上曾經是黑色的含鐵化合物因此而生銹。海洋中的氧氣又逸散到了空氣中,於是陸地上的岩石與沉積物也生了銹。哈森和同事們估測,這次大氧化事件共產生了超過2500種新礦石,要不然它們都不會大量存在。這其中有赭石和鐵礦石、生石膏和熟石膏,以及200多種不同的鈾氧化物。當構造板塊相撞並陷入地幔以下時,它們會攜帶大量海洋生物的殘體,在高溫高壓下融化、溶解或蒸發。比方說碳原子,它們可以從空氣進到樹中,隨後又在菌根體系的蘑菇中再次出現,而以鑽石形式重新衝出地殼的海洋碳原子也一樣——曾經它們也是活著的,就和現在把它們戴到手指上的人類一樣。

隨著水生生物進化出了防禦性的硬質部位,生物性礦石也開始在海洋中沉積。微生物產生的磷灰石顆粒在海底淤泥上凝結,而早期海洋巨獸富含磷灰石的口器和骨骼,其進化過程也可以幫助解釋,為什麼如今你的牙齒和骨骼會含有如此多的磷酸鈣。不過最壯觀的還是珊瑚與貝殼生物出現之後所產成的巨量生物沉積質——在過去的5億年中,一代又一代的珊瑚蟲、貝類以及浮游生物在海床上堆積著石灰質碳酸鹽與霰石,其數量之巨可以從太空中看到它們。喜馬拉雅山脈、阿爾卑斯山脈和阿巴拉契亞山脈上都佈滿了古代的海底石灰石,英國的多佛白崖則是由貝類生物的遺骸形成的,而澳大利亞沿岸的大堡礁更是超過了1600英里(2575千米)。

海洋中這些由生物所產生的礦石也固定住了大量溫室氣體——二氧化碳,通過弱化溫室效應,使得古生代的氣候變冷。在古生代晚期,森林從空氣中吸取了更多的碳,並以煤炭的形式將數千億噸的碳雪藏到了地下,而這種可以燃燒的石頭如今又被我們送回了空氣之中。

這隻鹿的頭骨,其中的鈣原子是從它吃過的植物中來,植物又是從土壤中獲取了它們,而土壤又源自紐約州謝齊附近的石灰質基巖,這些岩石則是大約4.5億年前從一片珊瑚礁群落沉積而來。在地下埋了多年之後,石頭上遠古的蝸牛遺體還清晰可見,如今它們殼中的鈣質通過當地的植物又送到了鹿的骨骼與牙齒之中

產生於空氣與岩石之間的植物綠火,十倍以上地加速了地貌風化。2008年,地質學家菲利普·阿倫(Philip Allen)在《自然》發表了一篇文章,描述了陸地風化的驚人變化。每年都有超過200億噸的岩石碎片被衝入海洋,此外還有幾乎等量的礦物質溶於其中。對地貌如此大規模的雕琢,也促使地殼自身產生更大規模的運動。近期《地球系統動力學》刊登的一篇文章中,有德國科學家認為,樹根與真菌正在將大陸板塊磨得更碎,地殼的封閉重量與隔絕性都在不斷下降,作為反應,地球的熔融地幔也會更加強力地爆發。如果這一假說正確的話,那麼陸地將會漂浮、碰撞、地震,這都是因為上面載著樹木和蘑菇。

鑒於生命具有改變環境的傾向,我們應該不會對我們自己做的事情感到過於吃驚了。很多人都在關注我們對世界造成的影響,認為我們破壞性的行為正在威脅著生態平衡。這種關注固然是合理的,但有些時候,不平衡也是地球上存在生命的正常跡象。

想一想森林製造的大量氧氣,植物與真菌對地貌的快速風化,以及巨型珊瑚礁的生長,這些都深刻地改變了地球。植物從太陽中獲取能量,將水分子撕開,從地下吸取流體和礦物質,並支撐起一個令人難以置信的多樣化生物圈。如今,我們正在利用大腦、機器還有礦物質構成的各種建築物,保持傳統,跟隨我們的遠祖物種實現著類似的豐功偉績。不過這也帶來一個老生常談的問題,那就是我們人類是不是真的跟自然界的其他物種不一樣?我們為了生產化肥而商業化開採磷礦,與哈伯德·布魯克所描述的真菌開採磷灰石,究竟有多大區別?既然植物可以改變這顆行星的地表,開展自然資源貿易,改變大氣中的化學構成,那為什麼我們就不行?

單純從原子角度看,也許可以認為這沒什麼不同。跟所有生物一樣,我們利用地球上的原子構建並維持著我們的身體;並且我們也像其他所有生物一樣,在對結構與外形進行或多或少的修飾之後,又最終將它們還給了地球——最大的區別或許是,我們具有理解自己行為的能力。因此,這就給我們的行為增加了一道倫理的評判尺度,儘管很多行為我們認為都是基於人類特有的倫理觀,但對於人類以外的生物也還是具有實際意義。

作為一種社會意識,我們的祖先學會了依賴合作而生存,但是在地下網絡中,儘管植物和真菌都不具有意識,但也還是通過分享資源獲得繁榮。合理的行為準則有利於穩定我們的社會,但是在植物—真菌市場中,長期以來也依賴公平交易法則得以維持。不管你如何篤定人類是如何獨一無二,有件事都是確定的——我們的原子性質讓我們和其他物種一樣,都是地球生態系統的一部分。至於我們行為的倫理含義,阿爾多·李奧帕德對這個問題給了一些明智的建議:「如果一件事是為了保持生物圈的完整性、穩定性以及美觀性,那麼它就是正確的,反之它就是錯誤的。」

當我們正在以日漸增長的規模開採資源,同時也在讓這日益擁擠的世界淹沒於我們的廢棄物時,理解生命的元素循環,就變得和我們原始人祖先直立姿勢的進化過程同樣重要。因此,這是一件重要而又快樂的使命——盡可能從原子的角度看懂自己。