很多時候,我們會好奇,到底是因為什麼,我們的地球才會變得如此美麗動人?

要是不帶任何感情地回答這個問題,那麼答案就是——分子。

地球形成之初,豐富的氧元素與矽元素就已經迫不及待結合在一起,以二氧化矽的形式構成了地球的主體,如今我們稱之為岩石。然而,由於此時的地球還處在極度的高溫之下,即便是岩石也因此被烤化,整個地球就如同一塊巨大的熔岩球。於是,那些比岩石更重的金屬沉到了地球的中心,成為如今被稱為地核的結構體。而在地球的表面,熔岩還在肆虐,熾熱的氣體不斷產生,與原始的氫氣等物質一起,構成了地球的大氣層。

圖源:pexels

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當我們抬頭矚目明亮的金星和赤紅的火星,或是在望遠鏡裡遙望木星的大紅斑時,不由會覺得,它們美得簡直讓人窒息。然而,若我們有一天能夠走近這些行星,一定會有完全相反的感受。在這些行星的表面,只有惡劣的大氣環境和貧瘠的地面——甚至在木星這樣的氣態行星上,我們似乎連大氣和地面的分界線都找不到。

單調,是這些行星的共同特徵。實際上,我們有理由相信,即便是在太陽系外,絕大多數行星也都會是相似的模樣。

早期的地球大概也是如此,如今卻到處都是生機勃勃的景象,其中也包括我們人類在此繁衍生息。換言之,各種各樣的生靈,都依賴地球獨特的環境生存。

面對此情此景,人們猜測,地球最初就好比一個大熔爐,不同的物質在合適的介質中不斷碰撞,終於產生豐富的分子種類,提供生命起源最初的原料。

而在這個過程中,最重要的介質就是水。

水是一種神奇的物質,以至於泰勒斯最初將它作為物質的唯一起源。泰勒斯並沒有錯得很離譜,對於地球而言,很多分子的起源確實有賴於水。

通常物質存在三種狀態:固態、液態和氣態。幾乎沒有任何競爭的選項,人類以水作為標準物質設置了最通用的溫度標定方式——在攝氏度的規定中,以標準大氣壓下水的凝固點為 0 零攝氏度,同時以水沸騰時的溫度為 100 攝氏度,平均切分 100 份,就可以得到每一攝氏度。不過,在科學上,溫度存在理論上的最低值,大約是零下 273.15 攝氏度,如果以此為零點進行規定,便是開爾文溫度。儘管如此,開爾文溫度的每一個區間,和通用的攝氏度區間並無差別,在生活中,使用攝氏度的場景顯然也更多。

以水溫劃分溫度並不意外,因為它是地球上最常見的液體物質,並且我們也很容易看到它的氣態或固態形式。相比之下,如果我們想要看到銅熔化為液態的銅水,就需要加熱到 1084.62 攝氏度。這是一個非常高的溫度,至少對於古人來說,僅僅靠燃燒木柴實在難以企及,這也就不難理解,歷史上人類為什麼不能很容易地掌握鍊銅技術。更具特色的是,和類似的物質相比,水在地球上保持液態的區間實在是大得出奇。

比如地球上另一種常見的分子二氧化碳,它在氣溫低於零下 78 攝氏度時會成為固態,固態的二氧化碳為白色,形似冰雪,故稱乾冰。而當外界溫度高於這個溫度數值的時候,它甚至不會先熔化變成液態,而是直接氣化變成氣態,成為我們空氣中普遍存在的二氧化碳氣體。也就是說,液態二氧化碳在地球上存在的溫度區間是零,只有改變氣壓,才有可能製造出它。例如,把二氧化碳壓縮成液體後使它膨脹,即可製得乾冰。

二氧化碳或許是個極端的例子,但是其他一些分子,如甲烷分子(CH4),它由一個碳原子與四個氫原子構成。它從固態變成液態再到氣態,只有 21 攝氏度的區間;氨分子由一個氮原子與三個氫原子構成,它的區間是 44 攝氏度;二氧化硫中有兩個氧原子和一個硫原子,它的區間是 56 攝氏度……這些分子的元素組成都很簡單,它們和水還有二氧化碳一樣,都是地球形成初期的大氣層中就已經存在的物質。

可見,在太陽系形成初期,地表上流淌的這些初始原料中,水分子維持液態的能力最強。得益於地球與太陽之間恰當的距離,這顆星球表面大部分地區的溫度,在大部分時間裡都可以保持在0~100攝氏度之間。這也就意味著,地球上可以出現很大體量的水世界,它們不斷地融合交匯,形成大大小小的系統——如今我們稱之為江河湖海。

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儘管現代科學還不能完美地解釋生命的起源過程,但是液態水的存在和能量的供給,毫無疑問是最重要的兩大基礎要素。直到地球上出現生命以後,才出現了更多液態區間很大的物質——乙醇,也就是酒精,它的液態區間將近 200 攝氏度,至於各類植物油,甚至普遍可以超過 200 攝氏度。

只不過,如果沒有最初的液態水,又何來生命,何來乙醇或油脂這樣的分子呢?

如今,當我們從水龍頭下接上一碗水時,或許並不會在意這碗水中的水分子,更難得去猜測除了水分子以外還有些什麼物質。然而,這碗平平無奇的水,還有其中所謂的雜質,卻書寫了極不尋常的物質演化史。

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嚴格來說,我們現在看到的這些水分子,和 46 億年前地球剛剛形成時的那些分子並不是同一批,但它們卻有著千絲萬縷的聯繫。

大量的水分子聚集在一起,它們就會玩起丟沙包的遊戲——沙包便是水分子中的氫原子。液態水中的兩個分子靠得很近時,它們就會交換各自的氫原子,速度快到令人目不暇接。

實際上,很多時候,在一杯水中隨便指定一個氫原子,我們甚至很難確定它到底屬於周圍的哪一個水分子。正是因為氫原子處於不斷交換的狀態,水分子才有了異乎尋常的活躍屬性。無論處於多麼平靜的水面之下,水分子之間都如同一群劍拔弩張的仇敵,在不停地搶奪氫原子,它們將分子的遊戲推向高潮。

當它們流經岩石之時,活躍的水分子會萃取出其中的礦物質,包括鈉、鉀、鈣、鎂以及氯、磷在內的各種元素離開岩石,轉而在水中富集。這個過程直到今天也沒有停歇,雨水沖刷著世界各地的山體和土壤,然後帶著這些礦物質,一路奔流到海,於是海水中的礦物質就越來越多。

不只是岩石,地球早期大氣層中的成分同樣也會被水吸收,氨氣與水的親和力驚人,海水中因此擁有了大量的氮元素。不斷噴發的火山不斷釋放出二氧化硫與二氧化碳,又為海水提供了豐富的硫元素和碳元素。

總之,當水覆蓋地表大部分面積之時,它其實早已成為「濃湯」,其中混合了各式各樣的元素,其複雜程度遠甚於我們從水龍頭下接的這碗水。

地球誕生之初的這鍋濃湯裡,可以熬出越來越複雜的物質。另一方面,包括小行星和彗星在內的天外來客們也像調料包一樣,朝著地球這口鍋中撒下更多的湯料。事實上,很多人還堅持認為,地球生命的源頭,也許就來自這些太陽系中游蕩的小天體。對此,人類也從未停止過對它們的探索,試圖為生命在物質世界中的誕生找到更完整的解釋。

來源:原點閱讀

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