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《诗意的原子:8种连结你和宇宙万物的无形元素》生命也能创造出矿物

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罗伯特·哈森(Robert Hazen)是少数几个名字被用于矿石命名且目前还健在的科学家之一。在过去的40年中,他写下了很多文章与著作,话题从生命起源谈到晶体的生长与演化,此外他还有一项与此平行的职业生涯,作为交响乐小号手接受卡内基学院与乔治梅森大学的联合邀请。他在个人生活中兼顾着科学与艺术,同时也探索着生物圈与地质圈的内在联系,看起来他也应该接受生物圈与非生物圈的联合表彰。

2008年,国际矿物学协会核准了“哈森石”这个名称,代表一种最近在加州莫诺湖碱性水域中发现的石头。这种石头是微生物的杰作——细菌从盐卤中获取磷、盐和水,并将它们堆积成微型晶体。其中不可或缺的磷是从上游河流中被冲刷到了莫诺湖;随着水分甩下它们蒸发到了干燥的沙漠空气中,这些磷就在饥饿的细菌体内滞留了下来。

哈森提出了一种全新的概念解释地球与生命的关系,就像他在为《科学美国人》所写的文章那样:“如果你认为一切非生命世界是生命表演其进化大戏的舞台,那么可以再多想一想,其实演员一直都在改进着舞台。”与岩石在为骨骼与贝壳提供原子一样确定无疑的是,有机体释放出的原子也在创造着那些无生命星球上肯定没有的矿物质。哈森继续写道:“坚硬的矿物质不同于脆弱的有机质,它们可以刻下最有力也最长久的生命存在证据。”

哈森估算,数十亿年前,我们太阳系这些多石的内行星由星际尘埃凝聚而成时,大约有250种矿石。它们中有很多也存在于陨石中,例如橄榄石和锆石。随后,地壳的风化与部分熔融作用产生了一些新的元素结合体,原始岩浆中产生了一些火成岩,矿石种类也迅速增长。但更为戏剧般的变化大约发生在20亿年前,具有光合作用的生物遍布到了整个海洋。

作为海洋版的“绿火”,蓝藻向海水中释放了大量氧气,海床上曾经是黑色的含铁化合物因此而生锈。海洋中的氧气又逸散到了空气中,于是陆地上的岩石与沉积物也生了锈。哈森和同事们估测,这次大氧化事件共产生了超过2500种新矿石,要不然它们都不会大量存在。这其中有赭石和铁矿石、生石膏和熟石膏,以及200多种不同的铀氧化物。当构造板块相撞并陷入地幔以下时,它们会携带大量海洋生物的残体,在高温高压下融化、溶解或蒸发。比方说碳原子,它们可以从空气进到树中,随后又在菌根体系的蘑菇中再次出现,而以钻石形式重新冲出地壳的海洋碳原子也一样——曾经它们也是活着的,就和现在把它们戴到手指上的人类一样。

随着水生生物进化出了防御性的硬质部位,生物性矿石也开始在海洋中沉积。微生物产生的磷灰石颗粒在海底淤泥上凝结,而早期海洋巨兽富含磷灰石的口器和骨骼,其进化过程也可以帮助解释,为什么如今你的牙齿和骨骼会含有如此多的磷酸钙。不过最壮观的还是珊瑚与贝壳生物出现之后所产成的巨量生物沉积质——在过去的5亿年中,一代又一代的珊瑚虫、贝类以及浮游生物在海床上堆积着石灰质碳酸盐与霰石,其数量之巨可以从太空中看到它们。喜马拉雅山脉、阿尔卑斯山脉和阿巴拉契亚山脉上都布满了古代的海底石灰石,英国的多佛白崖则是由贝类生物的遗骸形成的,而澳大利亚沿岸的大堡礁更是超过了1600英里(2575千米)。

海洋中这些由生物所产生的矿石也固定住了大量温室气体——二氧化碳,通过弱化温室效应,使得古生代的气候变冷。在古生代晚期,森林从空气中吸取了更多的碳,并以煤炭的形式将数千亿吨的碳雪藏到了地下,而这种可以燃烧的石头如今又被我们送回了空气之中。

这只鹿的头骨,其中的钙原子是从它吃过的植物中来,植物又是从土壤中获取了它们,而土壤又源自纽约州谢齐附近的石灰质基岩,这些岩石则是大约4.5亿年前从一片珊瑚礁群落沉积而来。在地下埋了多年之后,石头上远古的蜗牛遗体还清晰可见,如今它们壳中的钙质通过当地的植物又送到了鹿的骨骼与牙齿之中

产生于空气与岩石之间的植物绿火,十倍以上地加速了地貌风化。2008年,地质学家菲利普·阿伦(Philip Allen)在《自然》发表了一篇文章,描述了陆地风化的惊人变化。每年都有超过200亿吨的岩石碎片被冲入海洋,此外还有几乎等量的矿物质溶于其中。对地貌如此大规模的雕琢,也促使地壳自身产生更大规模的运动。近期《地球系统动力学》刊登的一篇文章中,有德国科学家认为,树根与真菌正在将大陆板块磨得更碎,地壳的封闭重量与隔绝性都在不断下降,作为反应,地球的熔融地幔也会更加强力地爆发。如果这一假说正确的话,那么陆地将会漂浮、碰撞、地震,这都是因为上面载着树木和蘑菇。

鉴于生命具有改变环境的倾向,我们应该不会对我们自己做的事情感到过于吃惊了。很多人都在关注我们对世界造成的影响,认为我们破坏性的行为正在威胁着生态平衡。这种关注固然是合理的,但有些时候,不平衡也是地球上存在生命的正常迹象。

想一想森林制造的大量氧气,植物与真菌对地貌的快速风化,以及巨型珊瑚礁的生长,这些都深刻地改变了地球。植物从太阳中获取能量,将水分子撕开,从地下吸取流体和矿物质,并支撑起一个令人难以置信的多样化生物圈。如今,我们正在利用大脑、机器还有矿物质构成的各种建筑物,保持传统,跟随我们的远祖物种实现着类似的丰功伟绩。不过这也带来一个老生常谈的问题,那就是我们人类是不是真的跟自然界的其他物种不一样?我们为了生产化肥而商业化开采磷矿,与哈伯德·布鲁克所描述的真菌开采磷灰石,究竟有多大区别?既然植物可以改变这颗行星的地表,开展自然资源贸易,改变大气中的化学构成,那为什么我们就不行?

单纯从原子角度看,也许可以认为这没什么不同。跟所有生物一样,我们利用地球上的原子构建并维持着我们的身体;并且我们也像其他所有生物一样,在对结构与外形进行或多或少的修饰之后,又最终将它们还给了地球——最大的区别或许是,我们具有理解自己行为的能力。因此,这就给我们的行为增加了一道伦理的评判尺度,尽管很多行为我们认为都是基于人类特有的伦理观,但对于人类以外的生物也还是具有实际意义。

作为一种社会意识,我们的祖先学会了依赖合作而生存,但是在地下网络中,尽管植物和真菌都不具有意识,但也还是通过分享资源获得繁荣。合理的行为准则有利于稳定我们的社会,但是在植物—真菌市场中,长期以来也依赖公平交易法则得以维持。不管你如何笃定人类是如何独一无二,有件事都是确定的——我们的原子性质让我们和其他物种一样,都是地球生态系统的一部分。至于我们行为的伦理含义,阿尔多·李奥帕德对这个问题给了一些明智的建议:“如果一件事是为了保持生物圈的完整性、稳定性以及美观性,那么它就是正确的,反之它就是错误的。”

当我们正在以日渐增长的规模开采资源,同时也在让这日益拥挤的世界淹没于我们的废弃物时,理解生命的元素循环,就变得和我们原始人祖先直立姿势的进化过程同样重要。因此,这是一件重要而又快乐的使命——尽可能从原子的角度看懂自己。