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海洋潮汐反映了生命本身。它們的漲落甚至在最偏遠的海灘上都象徵著宇宙的週期性本質。但是,生命本身最終也是潮汐的偶然產物嗎?
如果是這樣,生命可能最終要歸功於我們這個意外地巨大的月球。太陽和風也驅動著海洋的波動,但月球的引力牽引力才是造成這種可預測的潮汐通量的主要原因。
根據月球形成的普遍理論,我們當前的地球-月球系統反映了我們太陽系早期的行星檯球遊戲,當時碰撞的行星胚胎創造了全新的自身版本——就我們自己的星球而言,這是一個軌道接近的、不成比例的大型天然衛星。
一切都始於大約45億年前,根據理論,我們新生的地球被一個火星大小的行星胚胎撞擊,據信這使得地球開始快速自轉,最初大約為每天12小時。在災難性的月球形成撞擊後,拋入軌道的熔融地幔迅速聚結成我們的月球。在幾千年內,地球冷卻成一個具有熔融表面和蒸汽大氣層的物體。生命大約在7億年後出現,即大約38億年前。
但在四十億年前,冷卻中的地球已經有了海洋,但仍然荒蕪。那時的月球可能只有現在距離的一半,因此,海洋潮汐也更加極端。
月球平均距離地球235,000英里(380,000公里),目前正以每年1.5英寸(3.8釐米)的速度遠離地球。隨著月球遠離,地球自身的自轉速度正在減慢。並且,在這個過程中,每年大約有1020焦耳的引力能釋放到海洋中。*
在漫長的歲月中,所有這些能量都對進化產生了影響。
美國宇航局噴氣推進實驗室(位於加利福尼亞州帕薩迪納)的地球動力學家布魯斯·比爾斯說:“海洋潮汐流動有助於將熱量從赤道輸送到兩極。”“如果沒有月球潮汐,從冰河時代到間冰期的氣候波動可能會比現在緩和。這種冰川作用導致了動植物物種的遷徙,這可能加速了物種形成。”
比爾斯還指出,這種潮汐熱傳遞也可能緩解了氣候波動。他說,確定哪種“潮汐強迫”情景是正確的難題在於,氣候研究人員目前缺乏跨越極長時間尺度的資料。即便如此,加州大學聖克魯茲分校的生態學家彼得·雷蒙迪表示,進化工具也受到潮汐對潮間帶地區影響的驅動。
雷蒙迪說:“在岩石潮間帶地區,非常明顯的是,在很小的空間尺度上,不斷變化的環境帶來了強大的進化壓力。如果沒有我們的月球,我們的海洋環境在物種多樣性方面將會遠不如現在豐富。”
但是,月球潮汐的影響真的對生命本身負責嗎?
夏威夷大學馬諾阿分校的生物地球化學海洋學家詹姆斯·考恩說,如果生命起源於深海熱液噴口(所謂的黑煙囪),那麼月球潮汐的影響很小,甚至沒有影響。然而,他說,如果生命起源於潮汐水域,那麼潮汐週期可能發揮了重要作用。
*更正(2009年4月23日):早期版本宣告每年有3太瓦(3 TW)釋放到海洋中;3 TW 是持續耗散功率的度量。
DNA 和 RNA——我們所知的生命的信使——幾乎可以肯定是從一大群不同的前核酸分子中選擇和進化而來的。但是,為了讓 DNA 和 RNA 從這組前核酸結構中進化出來,首先它們必須能夠複製。這涉及到透過週期性的組裝和解離來組織它們的複製。
美國宇航局艾姆斯研究中心(位於加利福尼亞州莫菲特菲爾德)的行星科學家凱文·扎恩勒說:“許多生命起源反應都涉及到去除水分。”“所以你要尋找濃縮溶液的方法。一種方法是將水潑到一塊熱石頭上,然後讓水退去並蒸發。”
蘇格蘭愛丁堡生物技術諮詢公司 Pieta Research 的分子生物學家理查德·拉特認為,大約在39億年前,由月球影響引起的快速潮汐迴圈促成了前體核酸的形成。
拉特說,地球12小時的一天會產生“比每六小時稍快一點”的高潮。
他認為,這些月球潮汐會向內陸移動數英里,超越太陽或地表風驅動的拍岸浪,到達廣闊的平坦沙地。今天,這種海洋迴圈遍佈法國著名的潮汐島聖米歇爾山周圍的沙灘,與英吉利海峽相鄰。
拉特指出,在早期地球環境中,這種快速的月球潮汐振盪將導致高鹽度的低潮環境,前核酸片段將需要這種環境來結合和組裝互補的分子鏈。
這些新形成的分子鏈在低潮時成對結合,然後在高潮時鹽濃度降低時解離,這提供了拉特所說的自我複製系統。拉特認為 DNA 最終會從這種前核酸中產生。
如果月球潮汐是我們星球進化過程中的關鍵部分,那麼對於其他沒有明顯的附近月球鄰居的含海洋類地行星來說,情況又會如何呢?由於缺乏潮汐,它們孕育生命的希望會降低嗎?
拉特說:“如果沒有月球潮汐,核酸在地球上形成的可能性會大大降低。” 根據這種說法,他說火星及其兩個微小的衛星火衛二和火衛一不可能形成生命。
在我們自己的太陽系中,木星的衛星已經顛覆了潮汐影響的觀念。在木星的冰衛星歐羅巴上,由這顆巨行星的引力牽引力下衛星的彎曲引起的潮汐加熱,被認為維持了其冰凍表面下的大片液態水海洋。
美國宇航局總部(位於華盛頓特區)的天體化學家和專案科學家馬克斯·伯恩斯坦說:“歐羅巴一定有巨大的潮汐,所以它是我最喜歡的存在微生物生命的地方。”“歐羅巴被許多人認為是太陽系中尋找生命的最好地方。”
但是,即使有強烈的潮汐,歐羅巴微生物的任何進化野心也會很快被它們惡劣的棲息地所阻礙。這就是為什麼仍然有如此多的時間和精力投入到解開我們自己星球上生命起源之謎的原因之一。
我們不成比例的巨大的近地月球確實給了地球早期的潮汐推動力。但與金星和火星不同,我們月球的引力影響也有助於確保地球的自轉軸和氣候在漫長的時間尺度內保持穩定。這可以說與我們海洋的潮汐漲落同樣重要。
不過,正如堪薩斯大學勞倫斯分校的古生物學家布魯斯·利伯曼指出的那樣:“我懷疑最終即使沒有潮汐,生命也會登上陸地。但是最終產生人類的譜系最初是潮間帶的。”