地球表面是一个动荡的地方。山脉隆起，大陆合并又分裂，地震撼动大地。所有这些过程都源于板块构造，即地球地壳巨大板块的运动。
这种运动可能是生命在此存在的原因。地球是唯一已知拥有板块构造的行星，也是唯一已知拥有生命的行星。大多数科学家认为这不是巧合。通过将巨大的地壳块拖入地幔（地球的中间层），板块构造从地球表面和大气层中吸收碳，从而稳定气候。它还将孕育生命的矿物质和分子推向地表。所有这些因素共同造就了一个生命蓬勃发展的地方，从海洋深渊到巍峨的山峰。
但研究人员不知道板块构造何时或为何开始，这使得确定这个过程对于生命的演化和多样化有多重要变得困难。有些人认为板块运动在短短 7 亿年前才开始活跃，当时简单的多细胞生命已经存在。另一些人则认为，当地球板块首次破裂分离时，只有单细胞生物占据主导地位。
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事实上，随着新方法让科学家能够更深入地探究过去，一些人现在认为板块构造在地球形成后不久就出现了——甚至可能早于生命本身。如果这个假设是真的，这可能表明即使是最原始的生命也是在一个活跃的星球上进化而来的——这意味着板块构造可能是寻找外星生命的关键要素。
“长期历史的唯一可靠观察方式是在我们自己的星球上，” Jesse Reimink说道，他是一位研究早期地球历史的宾夕法尼亚州立大学地球科学家。“在我们可以处理系外行星数据之前，我们真的需要了解行星体的生命周期。”
证据的破坏
只有地球拥有拼图状的构造板块，它们像碰碰车一样碰撞和分离。 太阳系中的其他岩石行星只有一个坚硬的地壳外壳——科学家称之为“停滞盖”或“单盖”构造的地质构造。
在板块构造中，煎饼状的脆性地壳和上地幔骑在下方更热、更具流动性的地幔之上。新的地壳形成于洋中脊，在那里，分离板块之间的缝隙为来自地幔的岩浆上升创造了空间。在一个地质平衡作用中，致密的大洋地壳在俯冲带被破坏，在那里，一个板块滑到另一个板块之下。已知最古老的大洋地壳位于地中海，其历史仅可追溯到 3.4 亿年前，这对于确定板块构造何时出现而言，时间太短而无用。
冰岛东北部克拉夫拉，两个构造板块彼此远离的山脊裂缝。
Michele D'Amico supersky77/Getty Images
大陆地壳比大洋地壳轻，漂浮在俯冲造成的破坏之上。但即便如此，地球早期遗留下来的东西仍然很少，而且剩下的东西也受到了侵蚀和变形。今天地表岩石中，只有不到 7% 的岩石年龄超过 25 亿年。追溯到 40.3 亿年前的冥古宙，岩石记录已完全消失。地球生命最初的五亿年没有留下任何玄武岩。
由于这种持续的行星循环，板块构造最古老的确凿证据——仅在俯冲带形成的岩石——只能追溯到大约7 亿年前。另一个有力的证据是，在大约 9 亿年前，俯冲启动期间被推到大陆地壳上的大洋地壳碎片在全球范围内出现。在这个地质时间框架内，多细胞动物，如海绵和栉水母，才刚刚出现。
一些地球科学家认为板块构造自那时起才开始运作。但更多人怀疑板块构造出现得更早，在从 40 亿年前到 25 亿年前的太古宙。证据主要基于岩石的化学分析。例如，大约 30 亿年前，有迹象表明越来越多的地壳熔化并重塑，而不是直接从地幔岩石中形成。大约 38 亿年前，地球最古老矿物质的化学成分变化表明，地壳从稳定、长寿命的地壳转变为寿命更短、更现代的地壳，这可能表明俯冲的开始。虽然没有单一的公认日期，但太古宙看起来很有希望成为地球上发生重大地质变化的时期。
“这指向一个非常重要的转变，” Nadja Drabon说道，她是一位哈佛大学的地球和行星科学家，领导了这项研究，该研究表明地壳转变为寿命更短的地壳。
一把沙子
无论构造运动何时开始，地球科学家都认同它可能有助于推动生命的进化和复杂性。
“可能存在数十亿个拥有某种原始生命的行星，但建造无线电发射器或发射火箭的能力需要一套特定的环境条件，这些条件只可能发生在拥有板块构造以及海洋和大陆的行星上，”德克萨斯大学达拉斯分校的地球科学家Robert Stern告诉 Live Science。
在史前动物中，板块构造活动与更快的进化速度有关，可能是因为地质运动分裂了栖息地，并为生命进化创造了新的生态位。
研究表明，腔棘鱼的进化可能部分受到板块构造的驱动。
loonger/Getty Images
板块构造也可能使生命能够从毁灭性的物种大灭绝中恢复过来。例如，在二叠纪末期，由二氧化碳喷射火山爆发驱动的物种大灭绝导致地球上 90% 的物种灭绝。地球上的生命最终得以恢复，因为大陆岩石的风化分解了含碳矿物质，并将它们冲入海洋，海洋生物将它们变成珊瑚礁和贝壳，这些珊瑚礁和贝壳变成石灰岩，并最终俯冲回地球内部。当大气层失控时，构造运动会逐渐将地球转变回更适宜生命生存的环境。
虽然几乎所有地球科学家都认同，如果没有板块构造，地球上的生命可能仅限于原始生物的观点，但一小部分研究人员现在认为，板块构造可能出现得更早——甚至可能通过将支持生命的矿物质从地球内部带到地壳，从而促进了生命的起源。
这是一个棘手的领域，将研究人员推回到 40 亿年前，进入冥古宙。地球存在最初 5 亿年的唯一直接证据是锆石的存在，锆石是一种在幔温和压力下熔化后仍然存在的矿物质。虽然曾经包含这些矿物质的岩石已经熔化消失，但锆石（比沙粒还小）仍然存在。
“它们非常非常小，我们只是不遗余力地尝试从它们身上获取我们能获得的最后一点信息，” Drabon 告诉 Live Science。
这些来自冥古宙的锆石非常稀少；全世界发现的所有锆石可能都只能装满一个顶针。然而，这一小撮锆石表明，地球早在 44 亿年前就拥有海洋——就在地球形成后 2 亿年，并且在当今所有生命的祖先存在之前不久。根据今年 6 月发表的一项研究，早在地球形成后 6 亿年，地球就同时拥有了陆地和淡水。
对于一些研究人员来说，这表明地球地壳可能在冥古宙就已经循环利用。耶鲁大学地球物理学家 Jun Korenaga 表示，水会削弱地壳，从而产生破裂的可能性，进而产生俯冲。“因为水是板块构造所必需的，所以问题就变成了，‘如果我们有地表水，为什么我们不能有板块构造？’” Korenaga 说道。
在 2023 年发表的实验工作中，研究人员在高压下熔化岩石，发现模拟俯冲的条件创造了类似于地球最古老岩石的岩石。 Korenaga 还认为，板块构造是将早期地球大气层中的二氧化碳含量从金星的水平降低到太古宙初期地球上存在的更温和浓度的唯一有效方法。
有趣的是，冥古宙期间还发生了另一件重要事件，这使得地球与周围的岩石邻居截然不同：大约在地球首次聚合 1 亿年后，一个行星大小的天体撞击了地球，彻底粉碎并熔化了两个天体，并将物质抛射出去，形成了月球。 今年早些时候发表的一篇论文对这次撞击进行了建模，发现两个天体的混合可能在地球地幔中产生了热物质羽流，这可能在约 2 亿年后启动了俯冲。
“为什么地球是唯一拥有板块构造的岩石行星？” 该论文的第一作者、加州理工学院地球动力学博士后研究员 Qian Yuan 说道。“我认为形成月球的巨大撞击可能是主要因素。”
但并非所有人都相信这个说法。加州大学洛杉矶分校地球科学荣誉退休教授 T. Mark Harrison 告诉 Live Science，冥古宙板块构造的开始是一个有趣的想法，但证据仍然非常少。他担心这个问题各个方面的地球科学家都对自己的主张过于自信。“但我们最不需要的就是一种基于字面意义上的‘一顶针沙粒’的新形式的群体思维，” Harrison 在一篇标题直白的文章《我们不知道板块构造何时开始》中写道。
其他世界的生命
如果板块构造孕育了生命，甚至只是复杂的生命，那么在浩瀚星空中寻找其他生物可能会引导人类找到一个地质活动活跃的行星。
牛津大学地幔动力学专家 Tobias Meier 表示，不幸的是，我们目前还无法探测遥远系外行星上的板块构造。但在 2021 年，Meier 和他的团队使用热数据和计算机建模来确定，距离地球 49 光年的岩石系外行星 LHS 3844 b 可能拥有活跃的地幔和移动的地壳。
研究人员怀疑距离地球 49 光年的系外行星 LHS 3844b 也可能具有板块构造。
NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI))
LHS 3844 b 不太可能孕育生命。它离其恒星非常近，并且没有大气层。这颗行星的一半处于永久的白天，温度为 1412 华氏度（767 摄氏度），而另一半在夜晚则为零下 429 华氏度（零下 273 摄氏度）。 Meier 和他的同事在 2021 年报告称，正是这颗行星两侧的温差驱动了 LHS 3844 b 中的地幔运动。如果这是真的，那么这种版本的板块构造看起来与地球的截然不同。但这显示了宇宙中其他地方可能潜伏的行星地质的多样性。
“最终，了解是什么原因导致了构造运动，以及它是否可以在不同的行星上运行，将有助于我们了解这些行星是否适宜居住，” Meier 说道。
更强大的望远镜，如 詹姆斯·韦伯太空望远镜，可能会在不久的将来更好地暗示系外行星的地质情况。但澳大利亚昆士兰科技大学地球物理学家 Craig O'Neill 表示，地球的近邻也值得仔细研究。金星就在隔壁，它过去是否具有构造运动仍然存在争议。了解其当前的单盖地质情况可能有助于科学家弄清楚这两个行星的命运为何会分道扬镳，以及板块构造是否可以解释为什么一个行星孕育了生命而另一个行星可能没有。
“板块构造未来发展的大部分将来自仰望星空，” O'Neill 告诉 Live Science，“而不是向内审视。”
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