大面积的液态水海洋；

平均15°C的表面温度；

含氧量21%的大气层；

稳定存在的地磁场；

山川、河流、森林……

一切都刚刚好。地球是我们目前唯一已知的宜居行星，在浩瀚宇宙的一隅，静静地支撑着由九百万个物种组成的生命系统，坚韧又脆弱。在太阳辐射、地质活动和生命活动共同作用下，地球才有了如今的岁月静好。地球孕育了生命，生命也改变了地球。

阿波罗8号在月球轨道拍摄的“地升（Earthrise）”。许多人见过另一个版本的“地升”，这张“地升”则鲜为人知。实际上，这才是第一张“地升”照片，只不过这张照片在当时是用黑白胶卷拍摄，所以没有被大量宣传。2018年，也就是阿波罗8号任务50周年之际，NASA用现代科技进行了色彩重建，有了上面这张照片。“地升”是整个阿波罗计划拍摄的最具知名度的照片之一，许多人看着“地升”，感叹地球神奇的同时，也在感慨它的孤独、我们的孤独。

地球最早的生命迹象可以追溯到38亿年前，条带状铁建造中的磷灰石矿物包裹着一些碳质颗粒，这些比发丝直径还小的颗粒隐约记录着生命独有的碳同位素分馏信号。大约35亿年前，最早的光合作用开始出现，氧气作为蓝细菌光合作用产生的废气，第一次被排放到地球的大气中，只是那时的地球表面充斥着还原物质（例如Fe²⁺），氧气会被立刻消耗掉，无法聚集。直到大约24亿年前，地球大气迎来了第一次全球规模的充氧过程，氧气有如冲垮堤坝的洪水，快速逸散到整个大气和表层海水中，其大气浓度在短短的地质时间里上升了一百万倍，一度接近今天的水平。这次大规模充氧过程被称为“大氧化事件（Great Oxidation Event, GOE）”。

地球早期的生命记录。上图：格林兰岛条带状铁建造中的磷灰石及其核部的碳质包裹体。这个38亿年的样品中看不到任何生命的实体，只有微弱的化学信号显示可能存在过生命活动。图来自Mojzsis et al. (1996). 下图：保存在澳洲中部的8.5亿年前的蓝细菌化石。显微照片来自J. William Schopf.

对于早期生命，氧气的到来是致命的。大氧化事件可能造成了地球历史上最大规模的生命灭绝事件，俗称“氧气灾难”。习惯了无氧环境的简单生命来不及适应突如其来的氧气，被无情地摧毁。氧气虽然杀死了地表几乎所有的厌氧生命，却为需氧生命登上历史舞台扫清了障碍。

氧气“点燃”了全新的生命代谢过程，带来了更高的能量利用效率，是支持高等生命的关键因素。二十多亿年前氧化大气的到来理应为生命的快速演化铺平了道路，接下来应该一马平川，首先是真核细胞生物的涌现，然后是多细胞生命、植物、动物……

然而，这一切并没有发生，真核生物直到8亿年前才成为主导，最早的动物则出现在6亿年前。超过10亿年的时间里，地球就这么卡在原核生命阶段停滞不前，这10亿年被称为生命演化进程中“沉闷的10亿年（boring billion）”。

没有人知道，是谁在地球的中年时期按下了生命演化的暂停键。

阿拉斯加的Copper河向太平洋输入泥沙物质。这些泥沙中包含着大量的磷、矽、钼、钒等营养元素。卫星图片来自NASA。

除了能量，生命还需要物质，特别是生命必须的营养元素，例如磷。磷参与组成生命遗传物质DNA和RNA、能量载体ATP、细胞膜以及生物骨架等，是制约生物基础生产力的“卡脖子”元素。在地球上，磷的唯一来源是靠大陆岩石的风化剥蚀，大陆的剥蚀通量主要由高山、高原维系。在河流与冰川系统的帮助下，崩塌的山体岩石被搬运、破碎、磨圆、溶解，化作泥浆进入大海。这些风化产物被河流源源不断地搬运到海洋，同时也输送着磷和许多金属营养元素，支撑着海洋中庞大的生态系统。

既然高山高原对营养元素的供给如此重要，在地球历史上，会不会存在造山活动的显著变化，从而影响生命的演化呢？要验证这个猜想非常困难，因为现在保存下来的地质记录很难完整重建十亿年前的造山过程。

没有人知道过去大陆上曾有多少山。

2018年暑假，我跟着中科院地球所纪伟强老师，第一次进入西藏开展科考。当时的任务是研究造山过程如何影响花岗岩岩浆的氧化还原状态。作为常规操作，我们给每个花岗岩样品做锆石的U-Pb定年，分析测试是在地球所做的，地球所做锆石U-Pb定年时会顺便把锆石中的稀土元素一并测了，只是大部分时候，这些锆石稀土元素的数据没有什么用。我带着这批数据回了休斯顿，几个月也没有管它。

2019年初的一个晚上，打完游戏，平定一下心情准备睡觉，我无意打开了西藏这批花岗岩锆石的稀土数据，看看这批没用的数据里能不能淘到一些有意思的东西。博士期间我做过许多岩石矿物铕异常的工作，铕是一个稀土元素，它不同于其他稀土元素，在自然界，铕可以以+2和+3价并存，+2价的铕和其他稀土元素的化学行为很不一样，因此许多岩石矿物中会出现铕异常。我随手算了这批锆石的铕异常，发现它们的铕异常竟然有很明显的规律。藏南在过去一亿年经历了显著的地壳厚度变化，这些锆石的铕异常和地壳厚度有非常好的正相关，这意味着，我们可以通过测锆石的铕异常来计算地壳厚度。这个无意的发现，打开了“潘多拉的魔盒”。

安大略省北部休伦冰期末的地层岩石。这套地层沉积于约20亿年前，岩石层面上的复杂结构一度被认为是动物活动的痕迹，甚至是动物化石（H. J. Hofmann, 1967）。这是一个疯狂的想法，学术圈对此一直没有接受。照片由笔者2019年拍摄。

2019年5月，我和纪伟强老师、多伦多大学的初旭老师在加拿大安大略考察元古宙地层和萨德伯里陨石撞击坑。我们从24亿年前的大氧化地层看到11亿年前的格林威尔造山带，从地球早年看到中年。格林威尔造山带里遍布着高温缺水的岩浆产物，和地球其他时期的造山带很不一样，只不过当时，我对这些现象背后的意义没有概念。

安大略野外一路经常需要扎营，自己劈柴做饭，烤着篝火聊着科学和生活。其间我和大家聊到锆石铕异常计算地壳厚度的想法。这个想法如果可行，我们就可以用河沙中的碎屑锆石来重建过去地壳厚度的变化，然后通过均衡补偿原理[1]获得地表海拔变化。这样，即使高原已经垮塌，山峰已被磨平，保存在沙粒中的一颗颗锆石还能帮我们恢复地球遥远的造山“记忆”。

安大略野外的篝火夜谈。照片由笔者2019年拍摄。

要验证这个思路的可行性，最好的地方就是藏南。

说走就走，加拿大野外结束一个月后，我们又回到西藏，采集河沙，分选锆石，分析U-Pb和铕异常。回美国的长途飞机上，我就完成了数据处理，重建结果和现代地球物理数据以及其他地质记录都能吻合地很好。就这样，我们实现了“一把沙，看尽世界屋脊起落（点击蓝字阅读原文）”的想法，也论证了碎屑锆石重建古老造山活动的可行性。我激动地立刻叫隔壁座位看着电影的军勇来看结果……

藏南河沙里的碎屑锆石透射显微照片。每一把沙子里都有成千上万的锆石颗粒，这些发丝直径大小的矿物颗粒记录着重要的地壳化学信息，为我们认识地球的过去提供重要的线索。

2019年底，我告别了生活八年多的美国，来到北京工作。国内的生活对我很新鲜，刚开始连公交车都不怎么会坐……北京的冬天又冷又干，命是加湿器给的。虽然对美国有很多不舍，我还是对眼下的新生活充满了期待。没了小汽车，有了共享单车；没了信用卡，有了支付宝；没了小红帽中餐，有了食堂和满大街的美食……

2020年1月6日，北京下起了大雪。照片拍摄于北京王庄路，距离五道口宇宙中心不到200米。快过年了，路边树上挂满了灯笼，一片祥和喜庆的气氛。当时武汉已经有不明肺炎的报导，但谁能想到一个月后，世界都变了……

2020年2月1日，年初八傍晚，北京王庄路。拍摄位置与上一张照片接近。难以想象，以往异常繁忙的街道空无一人，年前的灯笼还挂着。

2020年春节前夕，武汉关闭了所有离汉通道，一切都来得太突然了。网络上充斥着各种混乱的消息，大家开始恐惧、困惑。全国所有的娱乐场所都关闭了，街上空无一人。初八返京的高铁上，我那节车厢只有不到十个旅客，大家离得远远的，害怕听到每一声咳嗽。文明高度发达，医学如此先进的今天，人类竟是如此不堪一击，一个蛋白质壳子包裹的核酸分子就能让整个人类社会停摆。口罩脱销，酒精脱销，没有药物，没有疫苗，每一天都在变得更糟糕。

我在北京的公寓里度过了2020年的春季学期。没有课，学生也没有返校，每天出门的机会是去小区门口拿外卖。生活虽然单调，却也给了我大量思考的时间。碎屑锆石成功恢复出藏南过去1亿年的造山历史，这让我对这个新方法有了很大的信心。

1亿年不够看，45亿年才够。我在家里用一个月的时间，整理了别人发表的碎屑锆石铕异常数据。这些碎屑锆石来自亚洲、欧洲、澳洲、美洲、非洲、甚至南极洲，它们就像一个个时间胶囊，每一个胶囊里都里面保存着一段沧海桑田的记忆。铕异常解封了这些记忆，全球两万多颗锆石的数据连在一起，地球45亿年的山起山落便呈现在眼前。

根据全球碎屑锆石重建的地壳厚度变化。在地球的中年，也就是大约18-8亿年间，地球没能形成较厚的地壳，说明造山活动显著减弱，我们将这个现象称为地球中年的造山沉寂。图修改自Tang et al. (2021).

这是我们首次获得地球深时造山的连续记录！重建结果显示，地球的高原、山脉不总是像今天这样丰富，特别是中年时期，地球陷入了数亿年的造山衰退，并在13-10亿年间降到最低水平。不对啊，我们2019年在加拿大野外看到的著名的格林威尔造山带明明就形成于这个时期。

我将造山重建的结果发给了加拿大的初旭，也说了我的困惑。初旭说：“你还记得去年我们在格林威尔看到的广泛存在的无水高温岩浆吗？这在地球今天的造山带里是没有的。” 是呀，这些无水高温岩浆只有在拉张环境下才会出现，这不正意味着格林威尔的挤压造山过程非常短暂吗？格林威尔造山带或许从未“造出”今天西藏这样雄伟的超级高原。

如果我的重接结果是正确的，中年的地球会是一个几乎无山的世界，贫瘠、荒芜。我给这个现象起了个名字：orogenic quiescence（造山沉寂）。

地球中年的造山沉寂很难不让人联想到这个时期停滞不前的生命演化。我又联系了当时还在美国做博后的郝记华。郝记华研究营养元素循环，我们在微信上来来回回聊了一个月，与郝记华的讨论让我认识到长期的造山沉寂会导致全球海洋营养元素持续匮乏，造成大饥荒，支撑生物基础生产力的微生物数量锐减，这里面包括产氧大军蓝细菌，进而导致大气氧气的回落。二十多亿年前的大氧化不过是昙花一现，之后的地球又回到了相对缺氧的状态，严重阻碍复杂生命的出现和演化。

那段时间，我阅读了大量生物地球化学的论文，发现许多有关地球中年的数据都可以和造山沉寂带来的后果联系起来。把这些都想明白的那天，我激动地一晚上没睡好。

贫瘠的地球中年。地球中年，造山沉寂，陆地上鲜有高山，无法向海洋输送足够的养分，导致海洋生命系统崩溃。笔者画。

中年的造山沉寂结束于大约8亿年前。当一座座山峰重新拔地而起，大陆向海洋的养分输送逐渐恢复，简单生命组成的生物圈再次繁荣。这一次，氧气不仅充盈大气，还直达洋底，这颗星球终于做好了一切准备。增强的风化作用和生命活动快速消耗了大气中的二氧化碳，全球降温，地球临时进入了冰封状态，但是冰封是短暂的，当地表的物质循环逐渐稳定、冰雪消融，生命演化有如脱缰的野马：植物上岸、动物出现、埃迪卡拉生物群，到寒武纪生命大爆发带来几乎所有现代动物门类，这一切发生在不到一亿年的时间里。

雪球地球，全球冰封。雪球地球事件发生中年造山沉寂结束后，约6-7亿年前。在雪球期间，地球完成了地表物质循环的“换挡”操作，待雪球解封，便是生命演化的春天。图来自Chris Butler。

写这篇叙事科普的时候已经是2021年的春天了。国内许多地方出现散发疫情，今年过年就在北京了。好在国内外的总体情况向好，疫苗也都出来了。之前还担心年夜饭没地方吃，结果过年这几天，周围的餐馆大多都继续营业，有些还放着喜庆的家乡音乐。各个小区门口也都贴出了市民预约打疫苗接的通知，国内已经逐渐进入全民接种阶段。

参考文献

Tang, M., Chu, X., Hao, J. and Shen, B., 2021. Orogenic quiescence in Earth's middle age.Science, 371(6530), pp.728-731.

Mora, C., Tittensor, D.P., Adl, S., Simpson, A.G. and Worm, B., 2011. How many species are there on Earth and in the ocean? PLoS Biol, 9(8), p.e1001127.

Isson, T.T., Love, G.D., Dupont, C.L., Reinhard, C.T., Zumberge, A.J., Asael, D., Gueguen, B., McCrow, J., Gill, B.C., Owens, J. and Rainbird, R.H., 2018. Tracking the rise of eukaryotes to ecological dominance with zinc isotopes. Geobiology, 16(4), pp.341-352.

Mojzsis, S.J., Arrhenius, G., McKeegan, K.D., Harrison, T.M., Nutman, A.P. and Friend, C.R.L., 1996. Evidence for life on Earth before 3,800 million years ago. Nature, 384(6604), pp.55-59.

[1]https://baike.baidu.com/item/地壳均衡原理/22249697?fr="aladdin

原文链接：无山的地球中年：时间旅行背后的故事