板塊運動：創造地球生命所需的必要條件
從微生物到有袋類動物，地球上充滿了各式各樣的生命體。但即使你將地球上所有的生物除去，地球也還是"有生命的"。
圖示為地球表面出現時的面貌（圖片來源：Richard Bizley/SPL） 其溶化的內核在騷動，釋放出包裹著整個地球的磁場。火山噴湧出氣體，新鮮的岩漿流淌鑄就新的土地。地球表面是由一塊塊拼圖構成的，那一塊塊足有一片大陸那麼大的堅實的板塊相互推擠、摩擦與碰撞——在這劇烈的活動之中，山脈拔地而起，地球的面貌煥然一新。 地球並不僅僅是生命體的容器；其自身就是活生生的存在。地球的地質代謝——特別是地殼版塊活動——是其成為生物體可居住星球的一大原因。如果地球是宇宙空間中的一塊冰冷、堅硬、極少活動的石頭，我們所知的生命體大概不會存在於地球之上。至少在今天的地球上，地質和生物是並存的。 在所有星球中，地球是我們所知唯一一個有板塊構造的星球，它也是我們所知唯一一個生命體可存活於其上的星球。然而尚無人能夠得出確鑿結論，說板塊構造是生命體存在的必要條件。 地球是地殼版塊的集合（圖片來源: Karsten Schneider/SPL） 天文學家曾在太陽系以外發現了成千上萬個星球，其中一些可能有居住條件。板塊構造也能夠提升生命體存活的可能性——尤其是那些更複雜的有機體。如果外星人真的存在，他們也應該生活在一顆活躍的星球上，那顆星球上也經常出現板塊移動這樣的地質活動。 就像探索太陽系的太空飛船所發現的那樣，地球並不是唯一具有地質活動的星球。雖然月球和火星沒有板塊構造，但在月球和火星上分別有"月震"（moonquakes）和"火震"（marsquakes）這樣的地質現象發生。 木星的衛星木衛二（Europa）是各星球中能夠支持生命體存活的有力競爭者（圖片來源: Nasa/JPL/Caltech/Seti） 木星的幾個衛星都具有活躍的火山活動和間歇泉。水星具有磁場，這意味著至少水星內核的一部分是熔化物質。甚至一度被認為是一個沉靜的冰雪世界的冥王星，原來也充滿了高聳的冰川雪原，其地貌的多樣性超乎科學家們的想像。 不過，地質活動與板塊構造仍是兩個概念。地球是太陽系中唯一一個外殼如破碎的蛋殼般分裂為若干版塊的星球。這些堅硬的地殼版塊深達幾百公里，漂浮在可延展的地幔（malleable mantle）之上。 太陽系中不少其他星球，其古老的地表上布滿了歷史長達幾百萬年，甚至幾十億年的火山口（craters）。然而在地球上，地殼版塊可移動、可漂浮，因而地球表面的形狀一直在發生變化。在洋中脊（mid-ocean ridges），升騰的岩漿形成地球的新外殼，將兩個地殼版塊之間推得更遠。 當兩個地殼版塊相互擠壓，一塊可能被壓在另一塊之下。這一板塊下降過程可能造成海溝或引發火山噴發。也有這樣一種情況，比如喜馬拉雅山脈，就是因大陸板塊相互擠推向上形成的，沒有一方被壓在另一方之下。 這些對地球生命體的存在都具有至關重要的作用。 如果沒有板塊構造，地球就會像金星一般，成為一顆無人可居的炙熱星球（圖片來源: SSV/MIPL/Magellan Team/NASA） 地殼活動過程將碳從地球表面帶入帶出，調控著大氣中的二氧化碳含量。二氧化碳是一種溫室氣體：如果大氣中含有過多二氧化碳，就意味著過高的溫度。 "如果地球表面溫度持續上升，最後地球就會變得像金星一樣，"美國耶魯大學地球物理學家是永淳（Jun Korenaga）說道。而如果地表溫度過低，所有熱量都逃離地球，那麼地球上將是過於寒冷，不適合人類居住。 因此，碳循環（carbon cycle）像一個地球恆溫器，在必要的時候調整自己（因人類活動中二氧化碳排放過度造成的氣候變化因素不包含在內）。氣候變暖也會造成多雨的氣候特徵，而雨水有助於帶走大氣中的二氧化碳。 二氧化碳氣體溶解於雨滴當中，落在裸露的岩石上。雨水和岩石之間發生化學反應，釋放出碳元素和礦物質，如岩石中的鈣質。雨水流入河流和小溪，最終匯入大海，在此過程中碳元素會形成碳酸鹽岩和貝類等有機物。 碳酸鹽沉積於海底，沉積在被擠壓在下方的地殼版塊上，將碳元素輸送入地球內部，而火山又會將碳元素以二氧化碳的形式噴射入大氣當中。 經過上億年的時間，這一循環終於完成。 板塊構造活動將碳元素從地球內部帶入帶出（圖片來源: Karsten Schneider/SPL） 板塊構造在碳循環的每一過程中都發揮了作用。潛沒在下方的板塊將碳元素送入地幔，而地殼活動又會將新鮮的岩石帶上地表。裸露的岩石對釋放礦物質的化學反應至關重要。在板塊運動中形成的山巒會將大氣向上輸送，當大氣冷卻、凝結之後，又會形成雨滴，吸收大氣中的碳元素。 火山也發揮著作用。"版塊運動使得火山長期保持活躍，"美國賓夕法尼亞州立大學（Penn State University）地球物理學家布拉德·福利（Brad Foley）說道。"如果火山沒有將二氧化碳送回大氣中，那麼地球會變得非常冰冷，甚至封凍住。" 維持住溫暖的氣候條件對地球的可居住性至關重要。不過，板塊構造還有其他貢獻。比如，研究顯示，侵蝕和風化過程（erosion and weathering processes）促使岩石釋放出銅、鋅和磷等，並將它們帶入大海中。 這些是浮游生物（plankton）等有機生物的重要營養物質。歷史上，極有可能是它們引起了生物大爆發，比如5.4億年前的寒武紀爆發（Cambrian explosion）。也有證據顯示，在地球上侵蝕作用發生較少的時期——海洋中的營養元素相應減少——伴隨發生的是大規模物種滅絶。 深海熱泉（Hydrothermal vents）是生態系統多樣性的來源（圖片來源: Ken Macdonald/SPL） 在挪動大陸板塊的過程中，板塊構造也有可能創造了多樣的生態環境，促進了生物進化。百萬多年來，大陸板塊在地球表面漂移，從一個氣候帶漂移到另一個氣候帶。如果沒有板塊構造，地球就不會有如此多樣的地理面貌，不會提供如此廣泛的棲息環境。 板塊構造也與大洋底部（ocean floor）的深海熱泉密切相關。在一個板塊的邊緣，海水會從縫隙中侵入，侵入的海水會被岩漿加熱至幾百度以上，而滾燙的熱水則會被再次釋放入海水之中。人類首次發現深海熱泉是在20世紀70年代，深海熱泉是生態多樣性的來源；也有科學家認為，是類似這樣的熱泉活動為地球帶來了其第一批生命體。 板塊的長期運動也影響著地球磁場。地球磁場就像一塊盾牌，使大氣層不被太陽風（solar wind）吹走。大氣層是生命體存活的又一必要元素。地球磁場因地球熔化內核中鐵元素的攪動而產生——這種激烈的攪動是由對流運動（convection）引起的，在對流運動中，溫度較高的液體升起，溫度較低的物質沉積。地球的內核中是否發生對流運動——對流運動是否產生磁場——取決於地球的冷卻速度（cooling rate）。 "比起沒有板塊構造，地球內部的冷卻速度在有板塊構造的情況下更快，"華盛頓卡內基研究所（Carnegie Institution of Washington）地球物理學家彼得·德里斯克爾（Peter Driscoll）說道。更快的冷卻速度產生對流運動和磁場。例如火星和金星就沒有板塊構造，也沒有液態內核、磁場或我們所知的生命體形式。 板塊構造對地球生物的重要性不言而喻，那麼對外星生物呢？ 目前人類已經發現幾千個系外行星（exoplanets）（圖片來源: Nasa/Jpl-Caltech） 天文學家估算，我們的星系中大約有一千億個行星，其中包括了許多處於行星宜居帶（habitable zone）的與地球大小差不多的行星，宜居帶是指行星與恆星之間不太熱也不太冷，允許液態水存在的區域。天文學家們甚至發現了距離太陽系最近的恆星比鄰星（Proxima Centauri）的一顆行星。 處於宜居帶，有液態水，這是生命體得以在任何一個星球上存活的最重要條件。除此以外，就要看板塊構造如何發揮作用了。 "板塊構造對生命體的存活非常有幫助，"美國斯坦福大學地球物理學家諾姆·斯利普（Norm Sleep）說道。如果一個星球具有板塊構造，他說："可居住性會得到極大的改善。" 當然，任何對其他星球可居住性的討論都僅僅基於猜想。目前為止，地球是我們所知唯一一個適於居住的星球。 "板塊構造對於我們人類所知、所愛的生命體來說是不可或缺的，"美國亞利桑那州立大學（Arizona State University, US）行星科學家林迪•埃爾金斯•唐頓（Lindy Elkins-Tanton）說道。"但它對於廣義上的生命來講，並不是必需的。" 比方說，在地球上，板塊構造最主要的任務是調節碳循環。可是在另一個星球上，也許不需要板塊構造執行這樣一項維持碳循環的任務。 即使沒有板塊運動，夏威夷的火山也會噴發（圖片來源: Mint Images Limited /Alamy） 一些火山，比如那些創造出夏威夷群島的火山，就不需要板塊運動。 "只要有這些火山活動，就有辦法將二氧化碳輸送至大氣中，福利說道。"火山活動同時還會產生新的可風化岩石，所以能夠完成碳循環的這兩個部分。" 沒有板塊下壓，卻仍舊能將碳元素輸送進地球內部，完成這一點有些複雜。沒有板塊構造的星球被稱為"靜止蓋層星球"（stagnant-lid planet），這樣的星球，其表面是一層堅硬的外殼，外殼將碳元素鎖在內部。然而，外殼內側深處溫暖而柔軟，比地幔更厚，又因為它足夠柔軟，因此像糖蜜一般具有滲透功能，能夠將碳元素滲入星球內部，再通過火山活動釋放出碳元素。 然而，即使我們所說的這種碳循環是可以發生的，它持續的時間可能並不長，該星球的可居住時間或許很短。如果沒有板塊構造，福利說道，火山活動遲早會消亡。 一些研究者認為，地球生命也許並不需要板塊構造。2016年，悉尼麥考瑞大學（Macquarie University in Sydney）行星科學家克雷格·奧奈爾（Craig O'Neill）發明了一套電腦模型，該模型發現地球在很久以前——甚至生命體首次出現的41億年前——並沒有板塊構造。如果生命體首次出現在地球上時，地球並沒有板塊構造，那麼這意味著，板塊構造對生命體並不是必需的。 不過也有其他研究者認為，下此結論為時尚早。"我們需要批判地看待有關地球初期的任何猜想，福利說道。利用不同的模型做不同的假設，會得出不同的答案。 圖示為地球表面出現時的面貌（圖片來源：Richard Bizley/SPL） 最終，研究者們同意，板塊構造在生命體的出現上確有貢獻。但是沒人能斷定板塊構造對生命體是必需的。"我們對板塊構造的了解還不夠，所以尚無法判斷其對可居住性是否起到了關鍵作用，埃爾金斯·唐頓說道。直到20世紀後半葉，科學家們才發展出相關理論，他們尚未完善對地球的研究，更不要說對其他星球的研究了。 使得有關地球的理論更加複雜的一個因素是板塊構造與生命體之間的密切關係。"這些地質循環令地球更加適宜居住，"斯利普說道。但是，生物條件也同樣重要。"生命體已經進化了40億年，以使自身的特徵適應在這樣一個擁有板塊構造的星球上生活。"也許地球生命對板塊構造的依賴僅僅是進化使然。 即使板塊構造對生命體是必需的，天文學家大概也無法說出，某個行星是否具備板塊構造。太陽系以外的行星實在太過遙遠，即使是最好的望遠鏡也只能辨別出行星大氣層中的化學成分，而能做到這一點已經是很了不起的了。在星際穿越旅行成真之前，我們基本上無法觀測某一行星是否具有板塊構造。 "我們只能檢測我們自己的星球及其板塊構造，因為我們就站在上面，"埃爾金斯·唐頓說道。 板塊構造僅僅是影響星球可居住性的眾多因素中的一個。也許要到科學家們發現外星人，他們才可能解開有關生命體的奧秘。而現在，地球是我們人類所知的唯一一個有生命的星球。 請訪問 BBC Earth 閲讀 英文原文。