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海洋潮汐反映了生命本身。它们的涨落甚至在最偏远的海滩上都象征着宇宙的周期性本质。但是,生命本身最终也是潮汐的偶然产物吗?
如果是这样,生命可能最终要归功于我们这个意外地巨大的月球。太阳和风也驱动着海洋的波动,但月球的引力牵引力才是造成这种可预测的潮汐通量的主要原因。
根据月球形成的普遍理论,我们当前的地球-月球系统反映了我们太阳系早期的行星台球游戏,当时碰撞的行星胚胎创造了全新的自身版本——就我们自己的星球而言,这是一个轨道接近的、不成比例的大型天然卫星。
一切都始于大约45亿年前,根据理论,我们新生的地球被一个火星大小的行星胚胎撞击,据信这使得地球开始快速自转,最初大约为每天12小时。在灾难性的月球形成撞击后,抛入轨道的熔融地幔迅速聚结成我们的月球。在几千年内,地球冷却成一个具有熔融表面和蒸汽大气层的物体。生命大约在7亿年后出现,即大约38亿年前。
但在四十亿年前,冷却中的地球已经有了海洋,但仍然荒芜。那时的月球可能只有现在距离的一半,因此,海洋潮汐也更加极端。
月球平均距离地球235,000英里(380,000公里),目前正以每年1.5英寸(3.8厘米)的速度远离地球。随着月球远离,地球自身的自转速度正在减慢。并且,在这个过程中,每年大约有1020焦耳的引力能释放到海洋中。*
在漫长的岁月中,所有这些能量都对进化产生了影响。
美国宇航局喷气推进实验室(位于加利福尼亚州帕萨迪纳)的地球动力学家布鲁斯·比尔斯说:“海洋潮汐流动有助于将热量从赤道输送到两极。”“如果没有月球潮汐,从冰河时代到间冰期的气候波动可能会比现在缓和。这种冰川作用导致了动植物物种的迁徙,这可能加速了物种形成。”
比尔斯还指出,这种潮汐热传递也可能缓解了气候波动。他说,确定哪种“潮汐强迫”情景是正确的难题在于,气候研究人员目前缺乏跨越极长时间尺度的数据。即便如此,加州大学圣克鲁兹分校的生态学家彼得·雷蒙迪表示,进化工具也受到潮汐对潮间带地区影响的驱动。
雷蒙迪说:“在岩石潮间带地区,非常明显的是,在很小的空间尺度上,不断变化的环境带来了强大的进化压力。如果没有我们的月球,我们的海洋环境在物种多样性方面将会远不如现在丰富。”
但是,月球潮汐的影响真的对生命本身负责吗?
夏威夷大学马诺阿分校的生物地球化学海洋学家詹姆斯·考恩说,如果生命起源于深海热液喷口(所谓的黑烟囱),那么月球潮汐的影响很小,甚至没有影响。然而,他说,如果生命起源于潮汐水域,那么潮汐周期可能发挥了重要作用。
*更正(2009年4月23日):早期版本声明每年有3太瓦(3 TW)释放到海洋中;3 TW 是持续耗散功率的度量。
DNA 和 RNA——我们所知的生命的信使——几乎可以肯定是从一大群不同的前核酸分子中选择和进化而来的。但是,为了让 DNA 和 RNA 从这组前核酸结构中进化出来,首先它们必须能够复制。这涉及到通过周期性的组装和解离来组织它们的复制。
美国宇航局艾姆斯研究中心(位于加利福尼亚州莫菲特菲尔德)的行星科学家凯文·扎恩勒说:“许多生命起源反应都涉及到去除水分。”“所以你要寻找浓缩溶液的方法。一种方法是将水泼到一块热石头上,然后让水退去并蒸发。”
苏格兰爱丁堡生物技术咨询公司 Pieta Research 的分子生物学家理查德·拉特认为,大约在39亿年前,由月球影响引起的快速潮汐循环促成了前体核酸的形成。
拉特说,地球12小时的一天会产生“比每六小时稍快一点”的高潮。
他认为,这些月球潮汐会向内陆移动数英里,超越太阳或地表风驱动的拍岸浪,到达广阔的平坦沙地。今天,这种海洋循环遍布法国著名的潮汐岛圣米歇尔山周围的沙滩,与英吉利海峡相邻。
拉特指出,在早期地球环境中,这种快速的月球潮汐振荡将导致高盐度的低潮环境,前核酸片段将需要这种环境来结合和组装互补的分子链。
这些新形成的分子链在低潮时成对结合,然后在高潮时盐浓度降低时解离,这提供了拉特所说的自我复制系统。拉特认为 DNA 最终会从这种前核酸中产生。
如果月球潮汐是我们星球进化过程中的关键部分,那么对于其他没有明显的附近月球邻居的含海洋类地行星来说,情况又会如何呢?由于缺乏潮汐,它们孕育生命的希望会降低吗?
拉特说:“如果没有月球潮汐,核酸在地球上形成的可能性会大大降低。” 根据这种说法,他说火星及其两个微小的卫星火卫二和火卫一不可能形成生命。
在我们自己的太阳系中,木星的卫星已经颠覆了潮汐影响的观念。在木星的冰卫星欧罗巴上,由这颗巨行星的引力牵引力下卫星的弯曲引起的潮汐加热,被认为维持了其冰冻表面下的大片液态水海洋。
美国宇航局总部(位于华盛顿特区)的天体化学家和项目科学家马克斯·伯恩斯坦说:“欧罗巴一定有巨大的潮汐,所以它是我最喜欢的存在微生物生命的地方。”“欧罗巴被许多人认为是太阳系中寻找生命的最好地方。”
但是,即使有强烈的潮汐,欧罗巴微生物的任何进化野心也会很快被它们恶劣的栖息地所阻碍。这就是为什么仍然有如此多的时间和精力投入到解开我们自己星球上生命起源之谜的原因之一。
我们不成比例的巨大的近地月球确实给了地球早期的潮汐推动力。但与金星和火星不同,我们月球的引力影响也有助于确保地球的自转轴和气候在漫长的时间尺度内保持稳定。这可以说与我们海洋的潮汐涨落同样重要。
不过,正如堪萨斯大学劳伦斯分校的古生物学家布鲁斯·利伯曼指出的那样:“我怀疑最终即使没有潮汐,生命也会登上陆地。但是最终产生人类的谱系最初是潮间带的。”