起源：行星地球的运作原理

生物花了很长的时间才最终起步。在此，我们权且把地球看作是一个纯粹的地质系统，就像一个演员到来之前的舞台，因为这样可以简化剧情，只待后来的各类生物上场。

剧烈的吸积和分化过程最终锻造出了年轻的地球，同时也遗留下丰富的化学元素，而且分成截然分明的几个层次。首先是炽热且半融化状态的地核，主要由铁和镍构成，其贡献是生成了一个具有保护作用的环绕地球的磁场。环绕地核的是厚达3000千米的地幔，主要是气体、水和半融化的岩石。最轻的岩石漂浮到了地球的表面并形成地壳。气体和水经过火山口汩汩上升，形成了地球上最早的大气层和海洋。流星和小行星的到来又在此基础上添加了不少新的岩石、矿物、水、气体和有机分子。

大约38亿年前，待到流星对地球的轰击有所减缓时，地质变迁的主要驱力是来自地核的热能。地热经地幔渗透到地壳和大气层，搅动了每一层面的物质构成，甚至改造了化学变化的性质，大量的物质和气体通过巨大而缓慢的对流循环（convection cycles）被移来移去。如同恒星的演化，驱动地球地质演化的过程也非常简单，仰仗的却是初始的不可再生的能源储备。伴随地核热能在地幔、地壳和空中的扩散，整个地球的环境就改变了。

来自地核的热能至今还在很大程度上驱动着地质变迁，而且在未来的数十亿年会依然如故。但直到20世纪60年代，地质学家才弄清，这么巨大的一部地质机器是如何运作的，而这一新的理解是基于现代科学最重要的范式之一——板块构造学说（plate tectonics）。

人类对地球表面的直观认识直到500年前才第一次通过环球航行得以实现。但大多数人还是以为，世界地理在较大的尺度上是大致固定不变的：火山可以喷发，江河能够易道，但大陆和海洋、大山、大河、大沙漠、大冰帽和大峡谷当然不会变啦！但有些人却表示怀疑。正如达尔文证明生命历经亿万年曾有过剧变一样，有关地球曾历经沧桑的证据也在不断积累。

1885年，爱德华·休斯提出：大约2亿年前，所有大陆都是连在一起的，是一个超大陆（supercontinent）。现在我们深知，他说的太对了。又过了30年，曾在格陵兰岛做过研究的德国气象学家阿尔弗雷德·魏格纳（Alfred Wegener）收集到大量证据，支持休斯的说法。魏格纳于1915年——当时“一战”犹酣——在一本出版的书中公布了这些证据，书名为（也许借此向达尔文的《物种起源》表示敬意）《大陆与大洋的起源》（The Origin of Continents and Oceans）。达尔文在其著作中提出：所有生物都曾经历进化，而魏格纳则指出：大陆和海洋也是进化而来，其机制为大陆漂移（continental drift）。地球上的大陆原本只是一个被称作盘古大陆（Pangaea或Pan-Gaia，来自古希腊语，意为“全地球”）的超大陆，只是后来四散分离，才形成现在的格局。

为证明此说，魏格纳提供了大量证据。显然，从世界地图看，许多部分直观看上去就像先前曾合在一起的，其实从16世纪人们开始制作世界地图起，就已经注意到了这一点。就在1600年前夕，荷兰的制图人奥特利乌斯（Ortelius）还评论说，美洲就好像是历经灾难后被从欧洲掏了去（torn away）似的。2比照现代世界地图，你不难发现：巴西的尖突与西非和中非的夹角非常吻合，而西非的轮廓显然与加勒比海的巨弧相契。20世纪60年代，又有地质学家指出：比照一下大陆架（continental shelves）突起的尖角，就更能领略大陆间的彼此契合。

魏格纳证明，南美与中南部非洲古代爬行类动物的化石完全相同。19世纪早期德国科学家亚历山大·洪堡（Alexander von Humboldt）是最早书写基于科学的现代起源故事的学者之一，他也注意到南美与非洲沿海的植物有很多相同之处。3此外，始于西非的岩层，竟然与巴西东部的岩层纹丝合缝、丝毫不差。作为气象学家，魏格纳特别关注来自气候方面的证据。在热带非洲，可以找到清晰的移动冰川的划痕和凿痕。难道热带非洲一度曾坐落于南极吗？在格陵兰岛，魏格纳还发现了热带植物化石。由此可知，在很久很久以前，肯定有什么东西曾长途跋涉过。

但要有力支撑科学假说，仅有一些暗示性的证据还是不够的。甚至在“一战”期间发表著作也并没给魏格纳带来多少学术影响，毕竟他是个德国人，且并非地质学家，所以英语世界的地质学家们根本没把这一发现当回事儿。整个大陆曾穿越大洋，难道这有可能是真的？魏格纳还弄不清究竟是什么力量能把大陆推来推去，而在当时专业的地质学家看来，不能解释这一点就足以让假说寿终正寝。1926年11月，颇具影响的美国石油地质学家协会（AAPG）正式拒绝了魏格纳的大陆漂移理论。这一学说好像真的已经板上钉钉了。

但尽管如此，还有少数几个地质学家对魏格纳的这一说法颇为好奇。英国地质学家阿瑟·霍尔姆斯（Arthur Holmes）1928年曾提出，地球的内部可能非常炽热，就像熔岩一样在缓慢移动。果真如此的话，那么也许地球内部移动的物质就能够把整个大陆漂浮起来，甚至围绕地球转动。但直到20世纪中叶，才有新的证据问世，说明魏格纳、霍尔姆斯及其他大陆漂移假说支持者的地质直觉是正确的。

这都是因为声呐（sonar，意思是“声音导航测距”）的问世。声呐技术能够探测并定位水下物体，其原理是先从声呐发出信号，然后分析来自信号所接触物体的回声。许多动物实际上就已使用声呐系统，包括海豚和蝙蝠。人类的声呐技术，就像前面说到的放射性测定年代技术一样，也是战时科学研究的产物，其初始的目的是为探测敌方的潜艇。普林斯顿大学的地质学教授哈雷·赫斯（Harry Hess）“二战”时曾在美国海军部服役，是一名军官，他曾使用声呐追踪德国的潜艇。“二战”结束后，他又使用声呐对海底进行探测，而这里对当时的海洋地质学家而言还是个完全未知的领域。大多数人觉得海底不过是平坦的污泥而已，而且成分还是从大陆冲刷下去的。不过与此正相反，赫斯发现：太平洋的海底竟有一系列的火山，大大出乎当时所有地质学家的预料。20世纪50年代初，赫斯又在大西洋中部发现一个类似的火山系列，于是开始对自己的发现进行理论归纳，试图解释大洋中脊何以是山脉的现象。此时，赫斯的研究得到古地磁学（paleomagnetism）的启示，也就是研究海底磁性的学科。那时候，人们已经知道，每隔几十万年的时间，地球的南北磁极会发生翻转，而且历史上已有多次磁极翻转。这种磁极翻转在熔岩中留下了明显的印记，而熔岩一旦从洋底渗出并固化，便呈现出当时的磁极方向。对火山脊两侧远近岩石的磁向测量显示，确曾有过一系列南北磁极翻转的现象发生。这使赫斯感到困惑。

最终，赫斯认定海底山脉是从海洋地壳渗出的岩浆形成的。其道理在于，海洋地壳比大陆地壳相对较薄，所以炽热的岩浆更容易从地壳的缝隙渗出。岩浆从海底缝隙渗出的时候，就会撕开地壳并从而制造出新的海底，而此时的海底就印刻了其形成时的磁极方向。大洋中脊岩石处磁极方向交替呈现的现象正好可以利用来测定水下山脉形成的时期。

而这一系列发现的背后，正是魏格纳苦苦寻找却无结果的大陆漂移的动力机制问题。山脉、大陆和海底都是大量炽热岩浆从地幔经海底地壳向外喷涌、隆起而形成的，而且还被推来推去。岩浆则是被放射性元素及地核处的热能加热而成，其自身还保留着剧烈的吸积过程及地球形成时期存储的能量。原来，一直迷失的驱动力是在行星的内核处！正如恒星在核心处实现聚合反应一样，从地核处渗流出的热能仍是驱动地表重大地质过程的主要动力。

我们现在有充分证据说明：海洋和大陆的地壳均是被撕裂成截然分明的板块，而后在半熔化的岩浆上漂浮，被反复拖拽，最终才挣得自己现在的位置。炽热的岩浆从地球内部喷涌而出，然后在地壳上循环奔流，就像平底锅上的沸水。正是这种半流质岩石和熔岩的对流推动了上述板块的奔涌流动。有关古地磁带（paleomagnetic bands）的深入研究使地球科学家能够追溯地球各大板块在最近数亿年间的移动格局，人类也因此对地球在过去10亿年间不断变化的地理结构有了更加准确的认识。现在，我们认识到，正是这种移动创造了类似盘古大陆的多个超大陆，而后又周期式地将其打碎，这一过程的开启大概可以上溯到25亿年前的元古宙（Proterozoic eon）。在此之前，可能还没有大块儿的陆地。有地质学家认为，板块构造的机制可能开启得比这还要早。来自冥古宙（Hadean eon）的证据显示，某种形式的板块可能在44亿年前就开始动作了，可谓是地球一经分化成多个层次后几乎马上就开始了。4(www.zuozong.com)

如同大爆炸宇宙论，板块构造学说同样是异常强大的统一性观念，因为它可以解释并证明多个不同过程究竟是如何彼此联结的，从地震到造山运动再到大陆漂移。它说明了为何为数众多的地质事件是在不同板块相遇、碰撞和彼此碾压的过程中发生的。板块构造学说还说明，地表是变动不居的，且在地幔新物质到来的过程中得到不断更新，同时也有地表物质被碾压到地球内部。

要理解板块构造的运作细节，我们有必要把重点放到不同板块的边界之处。在张裂板块边缘（divergent margins），如同哈雷·赫斯所描述的那样，从地幔上涌的物质撕裂了板块，而经汇聚边界（convergent margins），不同板块又聚合到一起。如果两个板块的密度大致相同，比如都是花岗质大陆板块（granitic continental plates），那结果就像是两个公海象争夺配偶一样，板块会立起来向上耸立。喜马拉雅山脉就是这样在5000万年前形成的，那时印度板块从南极飞驶北向而来，撞到了亚洲板块。但假如两个相向而来的板块密度不同，比如其中一个是较重的玄武岩大洋地壳，而另一个是较轻的花岗岩大陆地壳，那结果就完全不同了：较重的大洋板块会俯冲到较轻的大陆板块之下，形成俯冲带（subduction zone），而且还会继续下沉，就像失控的电梯穿透了地板，把地壳物质带回到地幔，不过到那里，地壳物质也就熔化了。伴随下行的板块钻破地幔，其间摩擦产生的热能会熔解其上部的地壳物质并将其分裂，从而形成新的火山山脉。安第斯山脉就是这样形成的，是因为太平洋板块钻到了南美西部的海岸板块下面。

最后，还有所谓的转换边界（transform margins）。在此，板块会像砂纸一样相互摩擦、相互砥砺，直至你中有我、我中有你。板块会这样相互抵触一段时间，而最终会因压力过大而不得不猛然放弃。这是北美西海岸圣安德列斯断层（San Andreas Fault）的模式，甚至直到现在还不时让人感到没有释放完的压力。（笔者曾在圣迭戈生活过一段时间，确实不时就有震感，所以，跟大多数加利福尼亚人一样，我也只好买地震保险。）

大气层、地表和地幔物质的不断循环对地球上层的化学状况产生了深刻影响。一方面，这一过程造成了新型的岩石和矿物质。截至生命在陆地上开始繁盛之际，地幔内部的化学反应已制造了大约1500种截然不同的矿物质。5板块构造过程使地球极富化学和地质活力。

板块构造还影响到了形成期地球地表的温度。我们此前已领略到，适当的温度对地球生命史是何等的重要。有两种最主要的力量决定了地表的平均温度：一是来自地球内部的热能；二是来自太阳的热能。这两种热能的具体数值都可以大致估算。但还有一个因素：大气的要素决定了多少热能滞留在地表，以及多少热能会泄露至太空。这里特别重要的是大气中温室气体的比例，比如二氧化碳和甲烷。这种气体会诱捕阳光的能量而不是将它反射回太空。大量的温室气体存在就意味着地球会变暖。那么是什么在控制着温室气体的水平呢？

天文学家卡尔·萨根（Carl Sagan，现代起源故事的伟大先驱之一）指出，回答这一问题可谓至关重要，因为这同时会解决困扰人类的另一个难题。类似太阳的恒星随着年龄的增长会发散更多的能量，所以抵达地球的热能会慢慢增加。地球年轻时，太阳发散出的能量要比今天少30%。那为何早期的地球不像火星一样，呈现出一个不适合生命诞生的大冰球呢？卡尔·萨根将这一问题归纳为“弱早期太阳佯谬”（early faint sun paradox）。

而问题的答案正在于：早期大气中的温室气体含量。这一时期的温室气体含量如此之高，以至于在年轻的地球上能够有生命开始进化。当时地球的大气层中基本上还不存在游离氧，所以温室气体的含量特别高，尤其是来自地幔经火山喷发而来的水汽、甲烷和二氧化碳，当然还有小行星带来的部分。所以说富含温室气体的大气层是早期生命在地球得以形成的重要的金凤花条件。

但这种早期富含温室气体的大气层在多大程度上是稳定的呢？或问：伴随太阳发散出越来越多的热能，究竟是什么因素确保了地表温度保持在0～100℃这一神奇的温度范围呢？20世纪70年代，詹姆斯·洛夫洛克和琳恩·马古利斯提出，似乎存在某种强大的自我调节机制，而正是这种自我调节机制确保了地表能够保持在合理的金凤花温度范围。上文已经提到，他们把这一机制称作盖娅。盖娅实际上包括地球地质与地球生物之间关系的总和，是地球生物确保了地球适合生命存在。许多科学家对盖娅假说表示怀疑。但有一点很清楚：生物圈里确实存在某种反馈机制，而许多反馈机制实际上起到了恒温器（thermostats）的作用，至少部分调节了地表的温度。这其中有部分机制属地质性质，而另有一些则是通过生物。

其中最重要的一个恒温器是纯属地质性质的，所以它可能是在地球生命诞生之前就已经开始运作了。它把板块构造与地质变迁的另外一个要素联结了起来，即侵蚀（erosion）。板块构造会造山，而侵蚀却会让山慢慢地化作平地。风和水，以及各式各样的化学反应，会慢慢地粉碎山石，让高山伴随引力梯阶潜入大海。正是因为侵蚀作用，现有的山脉才不至于更高；正是因为板块的移动，地表才不至于散落成一个巨型的全球大平原。当然，侵蚀本身是板块移动的副产品，因为风和雨究其根源均不过是地球内部的动力引发。伴随引力的下压，造山实际上会加速侵蚀的过程，山间的大河会铸就滚滚的波涛并冲毁田地，甚至将地表的土壤都裹挟至海洋。

这就是地质恒温器的工作原理。二氧化碳可谓温室气体中力量最强大的，它会消融在雨水中，而到了地表就变成了碳酸（carbonic acid）。碳酸会溶解岩石中的物质，随后，含有大量碳的副产品被冲击至海洋。在海洋里，其中部分的碳被锁定在碳酸盐岩（carbonate rocks）。而一旦板块构造过程中出现俯冲至地幔的板块，上述碳（大多是以石灰石的形式）就会被深埋至地幔，长达数百万年，甚至数亿年。这样，板块构造的传送带就把碳从大气中移走了，结果减少了二氧化碳的水平并造成气候变冷。如今我们已经很清楚，更多的碳实际上是被埋藏在地幔深处，而不是在地表或大气层中。

当然，如果过多的二氧化碳被掩埋，地球就会发生冻结。但这种情况之所以没有发生（大多数时候是这样），这取决于地质恒温器的第二个特征。受板块构造的驱动（可能不会出现在冰天雪地的火星上），二氧化碳会经张裂板块边缘返回到大气层：夹带着被埋藏的二氧化碳的大量地幔物质经火山爆发再度回到地表。6这一地质恒温器的双向作用还能达成平衡：温度高了，降雨会增加，从而加速侵蚀，致使更多的碳被深埋地幔，而地球变冷的话，雨水就会少，所以只有很少的碳被深埋，二氧化碳的水平伴随火山喷发会逐渐上升，于是气候又变暖了。地质恒温器就是这样依据太阳热度的渐增而不断调整着，迄今已有40多亿年。7

据我们所知，太阳系中其他任何一个行星上也不曾有类似上述的机制存在。如果我们想知道地球的大气层中二氧化碳过多会是什么样子的话，就可以看一下金星。金星的大气层有大量的二氧化碳，所以似乎整个行星正遭受温室效应失控带来的恶果：金星的表面温度极高，足可以让水蒸发、让铅熔化。火星的情况与此正相反：因为星体太小，所以其引力不足以吸附温室气体，造成温室气体大量逃逸；星体表面异常寒冷，上面的水都已结成冰。“好奇号”火星探测车（Curiosity Rover）曾在火星表面进行探测，结果表明：大约数亿年以前，火星表面层有水流动，所以简单的生物本可以在那里生根发芽，但这早已是尘烟往事。无论怎么说，火星和金星都不曾有过板块构造过程，从而剥夺了其行星恒温器形成的机会。火星星体太小，不足以保持借以驱动板块构造的热量，而金星由于蒸发掉了大部分的水，所以失去了板块借以漂浮流动的润滑物质。8

当然，地球上的地质恒温器也远非完美，而且有好几次几乎走到崩溃的边缘，果真是那样的话，将会给生物圈带来极其可怕的后果。但最终，多亏有备份的恒温器进化问世。这就是生物活动本身的创造力。所以，我们现在转而探讨生物圈中的生物体登上地球的地质演化舞台后所发挥的作用，生物体对整个大自然进行了细致入微的探索并最终改造了生态环境的每个角落。