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中国矿?#24403;?#35746;阅

当矿物遇到生命……

2019-1-28 9:34:30 作者:大科技

矿物是天然形成的单质或化合物,通常被认为是在一定的地质和物理化学条件下产生的。大多数人可能不会觉得坚硬的矿物和丰富多彩的生命有什么联系。毕竟,冷冰冰的花岗岩和芬芳的玫瑰之间确实看不出什么共同点。

然而,事实上,地球上大多数矿物的产生都离不开生物的作用,岩石圈和生物圈之间的关系是十分紧密的。那么让我们一起穿越时光,来看看生命和石头惊人的联系。

最初的矿物

宇宙的第一批矿物来源于恒星的锻造。在宇宙形成几百万年后,第一批恒星发生爆炸,那些膨胀出去的残骸逐渐冷却,内部的碳原子抓住机会,凝聚成致密的钻石,还有一些其他种类的微小晶体,它们就是矿物。那时可能出现了十几种矿物,包括石墨、刚玉、碳硅石等。这些古老的晶体种类至今仍会以星际尘埃的形式不时坠落到地球上。

所以早在地球产生之?#22467;?#23601;有矿藏了。大约45亿年?#22467;?#24403;原始的太阳向外?#22836;?#20809;亮时,一团团燃烧的羽毛状热焰也从太阳喷射而出,这些高温火焰进入周围由尘埃和气体构成的星云盘。最初十几种矿物熔化,并相互融合,产生出60多种不同的矿物,引力作用使尘埃和气体物质聚积起来,形成越来越大的小行星体。在此过程中,这60多种矿物又在环境的作用下演变成100多种。高温、压力以及水的作用将原生的晶体物质转化为新的形式,而岩石之间的碰撞形成巨大冲击,进而激发更多新矿物的形成。

地球诞生后,密度大的金属铁、镍随着地幔下沉,成为构成地心的主要元素。地壳环绕于地表,蕴藏有?#20998;?#20016;富的矿物元素。由于地表有水,地球内部蕴含热量,以及板块构造形成的岩石循环系?#24120;?#31181;种有利条件使得早期的地球成为了催生矿物的发动机。再?#30001;?#29289;理和化学的作用因素,一起构造了1500多种不同的矿物种类。到了今天,人们已知的地球矿物已经超过5000种。那么其余3500多种矿物是如何形成的呢?科学家们认为,这些重要的矿物多数是因生物作用而产生的。

生命的孕育离不开矿物

大约40亿年?#22467;?#22320;球笼罩在浓密的橙色有毒大气中,那时陆地和海洋都非常贫瘠,紫外线辐射异常强烈,火山频繁爆发,小行星和彗星还常常?#19981;?#22320;球。在如此恶劣的环境下,生命是如何孕育出来的呢?

科学家发现,生命是躲在深深的海底,避开了地面那恶劣的环境而诞生的。在那里,有营养丰富的深海热泉,海水富含二氧化碳,热液富含氢气,而?#19968;?#23500;含铁、镍?#22303;?#21270;钼等催化剂。正是在这些物质的作用下,无机分子开始转化为生命的最初形式——有机分子,原始生命的大门就是这样拉开帷幕的。

由此可以看出,只有加入了铁、镍?#22303;?#21270;钼等催化剂,那些无生命的简单生物分子才有可能聚集、结合,生成复杂的重要生物大分子。最早的微生物属于化能无机自养型细胞,它们加速了铁、硫、碳等不稳定矿物的分解,在此过程中获取了微小的能量,进而才能够从零开始构建?#32422;?#30340;生物分子。即便在高等动物体内,这些矿物催化?#28872;?#28982;被细胞利用,通过催化把二氧化碳转变成有机分子。

新矿物的产生离不开生命

一方面,微生物依赖矿物而获得能量;另一方面,那些能从岩石矿物中获取能量的微生物改变了地表的样貌。大约在26亿年?#22467;?#22823;气中的游离氧含量突然开始增加。这就是大氧化事件,它发挥了更重大的作用,成为地球矿物演变过程中最戏剧性的事件。

在大氧化事件初期,地球岩石在化学属性和物理性质方面发生了巨大的变化。那时候沿着海岸线在矿物质营养丰富的区域,光合微生物开始吸收太阳能量来进行自身的发展,而在这一过程中氧气作为副产品被制造出来。氧气是一种危险的、具有腐蚀性的气体,它不断地发动化学“攻击”,改变着许多岩石和矿物的状态,把它们氧化了,变成新的形式。铁锈又是藻类的营养物质。大气中氧气成分的增加意味着会产生越来越多的铁锈,为制造氧气能力很强的藻类提供更好的生存环?#24120;?#32780;这些藻类又会生产出更多氧气。这种互利互惠的循环20亿年中一直在近地表环境中?#20013;?#20351;得矿物变得越来越多样。

以铜为例,在大氧化事件之?#22467;?#22320;球上最多拥有20多种含铜的矿物。然而现在,世界上有超过600多种不同的铜矿物已经?#32622;?#21035;类,包括那些散发华丽蓝色和绿色的?#38203;?#30719;、孔雀石以及绿松石。如果没有生物光合作用的参与,没有氧气的影响,许多矿物就不可能与铜、氧以及其他元素紧密结合,形成数百种独特的新矿物质。

此外,世界上存在200多种能与氧发生?#20174;?#30340;矿物,包括铀、镍、钴、钼、铅、砷、碳、硫等,与它们相关的矿物质的形成90%的功劳要归于生物的作用。

在大气中氧含量逐步上升的同时,二氧化碳的含量逐步下降,这导致海洋酸度降低,促使海洋中形成由石灰岩构成的珊瑚礁,而这些礁石进一步为光合微生物提供了更稳定的环境。由光合微生物?#22836;?#20986;的氧也加速了大气层上部臭氧层的形成,阻止?#25628;?#20809;中有害的紫外线辐射,从而使得浅海沿岸区域成为适合孕育生命的优质港湾。

生命因矿物而诞生,然后又反过来丰富了矿物的多样性。20多亿年来,地球表面附近的每一个层面都显示了生命与岩石的相互作用。它们通过无数个循环互利的?#21482;?#26500;造着彼此。只有一个有生命的星球才有能力呈现出这种伟大的矿物繁殖力来。

甚至有人认为,板块构造?#37096;?#33021;在很大程度上受到了生物的影响。微生物的风化作用极大地促进了粘土的产生,松散的粘土如同润滑剂一般,使得板块之间的运动更加容易,加速了板块移动。很多地质学家认为这种观点很荒唐。毕竟,板块构造和非微生物粘土已经存在数十亿年了。但能够出现这样的假设,?#24471;?#29983;物与地球协同进化的观念在一定程度上给科学家提供了一?#20013;?#30340;思?#38469;?#35282;。

植物的塑造力

从一个火山不断爆炸的红色星球,到一个水资源充沛的蓝色星球,再到一个富含氧、生出锈的红色陆地,地球已经发生了许多次变化。然而,没有任何变化像地球的绿化和生物圈的繁荣这般突然、迅速、势不可挡。6.5亿年?#22467;?#20912;期进入尾声,光合藻类繁盛蓬勃,大气中的氧含?#30475;?#36807;去的1%升到了近20%,已接近现在大气的含氧量。含氧量的增加意味着臭氧层也得到了加强,削弱了紫外线的伤害,贫瘠的陆地得到了臭氧层的庇护,成为适宜生物迁移的生存环境。

第一批陆生植物根系很小,与它们依赖的浅层土壤十分相衬。而这些小小的根系实际上并不满足,它们不断向地下窥探,拨开坚硬的岩层,加速?#25628;?#30707;的破裂和土壤化。而生物圈的进化又造就出更有野心的植物,它们个头更高,根系更发达,?#30001;?#21040;地下更深的地方,不断加速岩石的瓦解、土壤的生成。

在大约4000万年的时光里,陆地上的植物就衍生出15米高的大树以及巨型树状真菌。这些植物不断播散?#32422;?#30340;种子,伴随着增加的降水以及其他?#36136;?#20316;用,为植物的成长造就出更适宜的环境。这里很快成为生物萌发的重要基地,生物的种类迅速增加,出现了一条完整的生物链,从昆虫到两栖动物,从?#33267;?#21040;繁盛的动物?#26131;澹?#26368;后人类也出现了。

人类带来的巨大变化

地球正在进行的矿物进化,给了人类?#20197;?#22312;太阳系行星中的独特之处。被太阳烘烤着的水星和月亮都缺乏矿物资源,那些星球上矿物种类不足300种。温暖?#39029;?#28287;的火星矿物进化的过程?#24425;?#20998;缓慢,矿物种类?#20154;?#26143;和月亮略多,但也不超过几百种。地球独特的5000种矿物库是岩石圈和生物圈共同进化造就的富饶宝藏。

回顾地球45亿年的历史,人类生活在这个传奇般的、协同进化的新时代。在这样的新时代,岩石圈和生物圈互利互惠的相互作用发展得更迅速,出现了非常特别的有机生物体:智人。在过去的1万年中,人类开采矿藏,进?#20449;?#19994;耕作,在田地中施用化肥,将森林踏平,修建城市和道路,在沿海、沿河区域修筑防洪工事,制造出无数新的化学品,不断加速化石燃料的燃烧。人类的生存痕迹已使许多地球近地表化学循环开?#20960;?#21464;。

而这是一种急速的变化,比过去跨越数百万年的地质时间内的变化要快很多。虽然不能预见到这些变化会对未来造成怎样的影响,但我们应当去尝试预测。毕竟,不管人类物种是否存活下来,地球都将继续进化,成为一个充满活力的生命世界。但要拯救人类?#32422;海?#25105;们就需要对岩石圈和生物圈之间奇异而?#32622;?#20999;的联系有更好的了解。△

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