第一章 诞生
地球的形成
导 言 / 1
7
第二章 大撞击
月球的形成
33
45
第三章 黑地球
最初的玄武岩地壳
57
44
第四章 蓝地球
海洋的形成
82
43
第五章 灰地球
最早的花岗岩地壳
108
40
第六章 活地球
生命的起源
130
第七章 红地球
光合作用与大氧化事件
35
157
18
第八章 臭地球
矿物革命
181
第九章 白地球
雪球-温室循环
8
202
第十章 绿地球
陆地生物圈的兴起
5
225
第十一章 未来
行星永不停息
260
尾 声 / 278
中文版序言
本书是从全新的“矿物进化”的视角审视地球45亿年的故事,这个视角的新颖之处在于它把地球整个地表如此多样化的矿物看作是物理-化学-生物多重作用的结果。我们的团队认为在最早的冥古宙(也称隐生宙)地球上只有420种矿物,但到了距今30亿年前就增加到1500种。接着,这一造矿过程继续在24~22亿年前的大氧化时期,以及5.4亿年前的显生宙时期制造新的矿物,这一时期创造的新矿物占今天5000种已知矿物的70%。
过去一年里见证了这一概念的迅速发展,包括对多样性矿物之间关系的系统的统计学研究。为此,我们把矿物学视为一个复杂进化系统的范例,其进化过程是确定性与随机性过程的综合。当然,所有进化的系统都遵循物理和化学定律,但概率事件也起了重要作用,引发了系统中很多无法预测的和突发性的细节。
地球地表45亿年的变迁表现出了和其他进化系统一样的典型的复杂特征,趋同与分化,停滞与快进,甚至灭绝。在矿物进化的历程中,造岩过程是最主要的方面。
太古地球,甚至是外星表面的矿物演化应该和今天的地球大同小异。尤其是氧、碳、镁、硅、硫、铁这些太阳系丰度最高的元素,也暗示了银河系甚至河外宇宙中任何固体表面的星球,其壳层的地幔层都由相似的氧化物和硅酸盐的成岩作用所主宰。不过随机性也扮演着关键角色。为什么地球或月球上将近5000种矿物,有的相互伴生,有的则相对独处?如果让地球历史重放一次,矿物会有多大不同?其他星球上又会有怎样的进程(初始条件和偶然性到底起多大作用)?所以我们要探索矿物的“生态学”中的偶然性和必然性。
这些算不上是新问题,生命起源研究中偶然性与必然性经常引发争论。例如碳是所有生物化学中不可或缺的关键的核心元素,所以几种生命起源理论都建立在生物分子学的路径之上,即所谓的TCA代谢循环。与之相反,有些分子生物学家将基因视为“凝固的偶然”,他们认为信使RNA上的密码子与氨基酸的匹配很可能是地球历史上一次偶然事件的结果。以后的分析和争论仍然在考量基因以及蛋白质结构和功能的作用。
对于基因产生之后的生命演化,仍然可以看见一些权威学者主张偶然性扮演主角,例如寒武纪无脊椎动物的形态学研究。另有一些科学家则更强调动物进化中的必然性,例如对软体动物的拓朴结构、蛋白质的结构以及诸如眼睛、四肢、翅膀、鳍、刺等结构的功能特点的研究。
我们最近的研究则主张偶然性与必然性在矿物进化过程中旗鼓相当,我们发现至少有4种因素影响着矿物的分化:①结晶化学上的特性,反映在矿物多样性及其丰度之间的关系上;②矿物在多维复合空间中的稳定性,反映在热化学数据上;③稀缺矿物产生的概率,反映在矿物种类的地理分布上;④星体的化学细分研究,反映在最近在搜寻太阳系外类地行星过程中获得的其他星体的化学组成数据上。
或许最激动人心的发现是关于那些“失踪”的矿物的。“分化-分布”这一关系模式可以使我们去估量地球上今天尚未发现的矿物的数量。我们预测约有四分之一的矿物,也就是约1500种矿物,我们知之未详。甚至我们还可以根据缺失矿物的组成与分布的统计学数据来预测去哪里可以找到它们。因此在矿物—生物学的观念下,生物学最终将不仅仅是一门寻找偶然性的观察性科学,而是可以成为一门可以预测、预言的科学。
于是,每次矿物学的新发现,都使我们更清晰地看到地球的身世。
2015年6月于华盛顿特区
卖点
1 美国矿物学会在主席,泰勒科学写作奖得主,矿物进化理论奠基人的高端科普力作。
2 地球的进化如同换脸变妆游戏,从黑地球到绿地球,不同颜色揭示了地球不同时期的秘密。
罗伯特·黑森
美国著名的地质学家和矿物学家。麻省理工学院地球科学专业毕业,后获得哈佛大学博士学位,曾任美国矿物学学会主席,现为卡内基学院研究员、乔治·麦迪逊大学教授、美国前沿科学学会会员。
本书讲述了地球46亿年的传记。地球诞生于原始太阳系的尘埃云盘之中,历经星尘、烈火、汪洋、沙漠、寒冰的无数磨难淬炼,终于进化成蓬勃绚烂的生命星球。46亿年里,地球不断变化着,呈现出迥然不同的多副面孔:布满陨石坑的蜂窝地球、满是岩浆流淌的熔化地球、玄武岩覆盖的黑色地球、汪洋无岸的蓝色地球、冰盖包裹的白色地球、铁锈遍布的红色地球、硫化气体熏蒸的恶臭地球、大沙漠绵延的棕色地球、植物疯长的绿色地球……直到今天海陆相间、地貌多样、生机勃勃的生命地球。
作者通过自己多年研究、考察的经验,生动地讲述了地球进化的故事,提出了震动科学界的地球理论:大部分矿物是生命活动的产物!
这种矿物-生物共同进化理论认为,地球出现了生物之后,生物通过自己的生命活动,大大改变了地表形态,改变了地壳矿物的组成,目前发现的五千种矿物中,有超过三分之二是离不开生物作用的,这也就说明了为什么地球是太阳系中矿物种类最丰富的星球。
黑森的共同进化理论,让我们大大加深了对地球和生命的理解,生命不只是被动的产物,而是充满了适应和创造的能力,因为有了生命,地球才变得更加与众不同。
该书出版后,《纽约时报》、《自然》、《科学》、《新科学》、《发现》等权威媒体都刊发了书评,给予了很高的评价。