把四十五億年的浩瀚放在月曆上:差不多午夜前一秒鐘,地球進入了人類世

把四十五億年的浩瀚放在月曆上:差不多午夜前一秒鐘,地球進入了人類世
Photo Credit: NASA public domain

我們想讓你知道的是

即便人類的習性與行為以及人類整體的抉擇,如此強力地把地球大部分複雜生物送向絕路;然而,相對於地球與其過去這場盛大的歷史劇,人類生命的短暫活動渺小到有如毫無意義。

文:李.比靈斯(Lee Billings)

賓州的岩石裡,含有一種寒武紀開頭(也就是五億四千二百萬年前)的紀錄,標記了顯生宙(Phanerozoic Eon)時期的起頭;在顯生宙至今的這五億年當中,地質學家找到複雜生物的化石。

「顯生」是一個希臘名詞,大略可以翻譯成「可見生命」。在這個時期,生命第一次出現殼和骨架,而這些都比較容易保存在岩石中。身體堅硬部位的出現,只是「寒武紀大爆發」這場知名的生物多樣性爆發的一小部分。在僅僅五百到一千萬年間,幾公分大的生物變得隨處可見,脊髓、下顎、鰓以及消化道這些基礎的生理革新,都是第一次出現。幾乎所有現存的動物結構,都可追溯到此時出現的大量奇妙形式。再把視野往前擴張個幾千萬年,我們會找到蠕蟲和水母這些生物,以及神經、肌肉、眼睛、輻射狀或身體兩側對稱等種種生理特色的第一個證據。在更之前的漫長地球歷史中,地球幾乎是個只有原核生物(缺乏核的單細胞微生物)的世界。

幾十年來,科學家拚了命想知道這個已經消失、空前絕後的「前寒武紀」世界是什麼樣子,以及為何改變得如此急遽。前寒武紀的岩石中可以找到證據,而大部分的證據又再一次主張,生命和其環境之間某些強大的交互作用,讓世界不可逆轉地轉變了。這個古老謎團中的確鑿證據就是你呼吸的空氣——地球大氣層的氧,它就是行星在太古過往中快速轉型的關鍵核心。

想調查前寒武紀,不可避免地會面臨太遙遠的時間距離之挑戰——岩石的時間越久遠,就越有可能在過往某些時候遭到融化燒烤,讓它原本包含的古代事件與環境條件資訊全數銷毀。前寒武紀包含了三個宙(eon)——如果把我們的太陽系從氣體與塵埃的初始星雲中組合成型的混沌宙(Chaotian)也算進去,共有四個宙。混沌宙之後,開始了冥古宙(Hadean Eon)。冥古宙自四十五億三千萬年前形成月球的大撞擊開始,持續了七億年後結束。然而,我們對冥古宙一無所知。地球自形成之後便開始冷卻,可想而知當時地球必然很熱。但少許非常稀罕的冥古宙岩石,裡面包含了液態水的痕跡證據,讓我們推測當時地球的表面可能有散布的海洋。

冥古宙與下一個太古宙(Archean Eon)之間,並沒有明確定義的界線,只是由四十一至三十八億年間發生的後期重轟炸來模糊界定。當時我們太陽系的巨大行星,似乎將大量小行星和彗星砸向內太陽系。這場大規模撞擊結束了冥古宙,在開啟太古宙的同時,也開啟了地球的沉積岩紀錄。任何一塊冥古宙的沉積岩以及可能存在的冥古宙生命,都沒能逃過地殼的粉碎和行星水分的瞬間沸騰。要到太古宙,科學家才從當時的岩石中找到了最早的生命證據,以及地球變成今日我們所知樣貌的開端。

太古宙早期的岩石,暗示當時存在著海洋、成熟的板塊以及逐漸成長的大陸,以及由行光合作用的微生物所產生的小量有機碳。不過,這之中並沒有大氣中氧存在的明顯痕跡。太古宙的世界一片荒涼,陰沉地頂著一片天空,被缺氧條件下形成的煙狀有機霧所籠罩。這世界很可能是溫暖的:主宰這世界的生命,很可能是多種共稱為「甲烷生成菌」(methanogens)的原核生物,它們獲得能量的方式是化合氫和二氧化碳,來形成甲烷這種比二氧化碳還要能困住熱能的溫室氣體。甲烷生成菌和其他厭氧微生物對地球所行的幽暗統治,似乎持續了十億年。如果不是突然出現一種新的生命形態——行光合作用的藍綠菌(Cyanobacteria),它們可能還會存活更久。

在太古宙後半期的岩層中首度出現的藍綠菌,是種海綠色的原核生物。它就像泥盆紀的植物或人類世的人類一樣,出現後便大幅地改變了世界。藍綠菌形塑了地球所有生命的日後演化方向,並將前寒武紀的最後一宙——元古宙(Proterozoic,顯生宙之前二十億年間)定義為「早期生命」時代。藍綠菌的光合作用,與過去十億年當中透過陽光,從氫、硫、鐵以及各種有機分子中獲得化學能量的方法不一樣;而是演化出一種新陳代謝的方法,透過太陽分解「水」這種更充足且能提供更多化學能量的物質。這途徑似乎是一種演化上的偶然——就科學家所知,這方法在地球漫長的歷史中只發生過這麼一回。

這方法最重要的革新是葉綠素,這種特別綠且能吸收光線的分子,效率比更古老且通常是粉紅色或紫色的光合作用色素要來得高。使用葉綠素將陽光轉送入水分子後,藍綠菌便將得到的氫與二氧化碳結合起來組成糖,然後排泄掉剩下的氧。藍綠菌也擁有一種罕見的能力,能將化學上具惰性的氮釋放到大氣中,成為DNA和蛋白質的生化組件。藍綠菌具備自行製造養料的能力後,就能在任何有水、二氧化碳和陽光的地方獨力生存,並蓄勢待發準備「征服世界」。太古宙晚期和元古宙早期的岩石顯示,它們真的做到了,在大片開放海洋中以及蓋住淺灘與海岸線的濃縮共生毯上繁茂。

到了二十四億年前,地球的新主人已產出了太過誇張的大量氧氣,而開始不可逆轉地改變了地球;鐵溶於海中後氧化、固化並落入海底,形成薄薄一層的含鐵泥漿,往後某天將成為發動機零件、高樓梁柱和戰艦船殼。在那之前,多數的氧透過與有機碳、火山活性氣體以及生鏽的海洋進行反應,而得以清除。氧化後的物質沉入海底,產生分層且停滯的全球海洋環境,類似於許久以後將形成馬塞盧斯黑頁岩的海洋環境。是什麼樣的關鍵條件,一口氣改變了原本的全球地質化學,使其不再與多餘的氧氣隔絕?科學家的辯論始終未停歇,但結果本身無須爭辯:在幾億年當中,絕大多數的海洋都變得氧氣充沛,之後氧氣開始進入大氣層。在大氣層上端,氧分子結合起來形成一層臭氧,吸收了大部分對生物有害的太陽紫外線輻射,保護了遙遙在下的地表生命。

早在人類發明內燃機和排放氯氟烴的冰箱之前,氧氣量的增加早就造成世上第一次的大型污染危機。雖然新的臭氧層對許多生命有益,但地球的氧氣對太古宙以來發展茁壯的厭氧生物來說,是場徹底的生態浩劫。對厭氧生物來說,氧氣所具有的極端化學反應力,簡直就是劇毒一般。不知有多少種微生物隨著氧氣擴散全球而徹底滅絕,而絕大多數殘存的厭氧菌則撤退到陽光之外,一開始先是進入陰暗海底和湖底的缺氧泥土中,許久之後再進入複雜動物的低氧消化道內,包括人體的腸道內。時至今日,它們仍躲在這兩種避難所中。

氧氣也導致產生它們的藍綠菌滅亡——厭氧甲烷生成菌及吸熱的大氣甲烷,都隨著氧氣增加而減少,而使得全球溫度猛降,導致至少三次的元古宙冰期出現,第一次在二十四億年前,第二次在七億五千萬年前,第三次在六億年前。每次的冰期都既漫長又嚴峻,冰河甚至抵達赤道,反覆把海洋封在冰層之下,幾乎滅絕了所有行光合作用的地表生物。

發現這些元古宙極端冰河證據的加州理工學院地質學家喬瑟夫.克什維克(Joseph Kirschvink),想像在每次冰期間地球從太空俯瞰下來的模樣,稱這種狀態為「雪球地球」。在接近赤道或孤立的火山熱點區上,冰層可能只有幾公尺厚,還能讓一絲微光照入本來黯淡無光、生物只能在生存邊緣掙扎的海洋中。很確定的是,每次到最後冰層還是會融化,否則我們就不會在這裡了。

從這些災難中湧現了新的生機:元古宙的每次冰期,都給了生物圈極大的演化壓力,同時也讓這種能增添能量的氧氣持續增加濃度。少數幸運的厭氧菌透過突變和天擇,變得能夠忍受這種氧氣化的全新大氣與海洋。事實上,其中某些新品種的好氧原核生物,藉著把藍綠菌吞入體內當作細胞奴隸,來達到對征服者的報復。這個稱作「內共生」(endosymbiosis)的過程,產生了第一個真核細胞(eukaryotes),也就是有中心核和特化細胞構造的細胞。現代植物之所以是綠色,是因為它們的細胞裡包含了裝有葉綠素的「葉綠體」(chloroplast)——而葉綠體的結構和藍綠菌簡直難以區分。

現代植物以及動物也都包含一種叫做「粒線體」(mitochondrion)的封閉結構,這種細胞成分可讓所有真核細胞從氧氣中獲取新陳代謝的能量(也就是呼吸)。葉綠體和粒線體各自帶有獨立於其宿主生物的DNA,因此我們可以確認它們是原核生物的後代,在元古宙後半期的某個時刻,被俘獲進入真核生物細胞體內。隨著元古宙最後一次大冰期在六億年前結束,大氣中的氧含量達到今日的水準,而新種類的初期真核生物正整裝待發,準備善用其釋放化學能量的強大能力,來佔領地球。

有史以來第一次,多細胞生物能從空氣本身獲得足夠能量,來支撐自己又大又活躍的身體。舞台已經就緒,準備好讓生命的多樣性與成長爆發,讓複雜的動植物興起,讓地表上遍布這些生命,並讓人類在此刻出現。我們現在見到的賓州最古老石頭,就是這個歷史的開端,也是寒武紀的根源——從只有簡單生命的連續三宙,到其後五億年間生物複雜度爆發的巨大轉捩年代。


就算已經知道整個來龍去脈和年代順序,人們還是很難瞭解地球為什麼並非一直是我們眼前這個樣子,以及這樣一顆迥異而險峻的行星,到底是怎麼發生轉變的。「深遠行星時間」的浩瀚,是應具備的最基本認知。一千年的氣候變化,可以在本來是沙漠的地方變出森林;一百萬年的板塊活動,可以在廣大的草原上推擠出一座山;一億年的演化試誤,可以把原核生物轉變成真核生物,或者把老鼠變為人;十億年的時間,已足以徹底重組世界的運行。對多數人來說,顯生宙和元古宙的英文念起來沒差多少;而一百萬年和十億年,也不讓人體會到整整一千倍的時間差,反而比較像是三個零的小小差別。但簡單的思想實驗可以揭露真相。

我們先來想想,整個五億四千兩百萬年的顯生宙,只佔整個地球史大約八分之一的時間。就像美國作家比爾.布萊森(Bill Bryson)曾經想像的一樣,我們現在想像自己踏進一台時光機中,以一秒一年的速度,冒險回到顯生宙的黎明。九十分鐘後,你會來到青銅時代,大約是巨石陣正在建造、馬匹正在馴化、亞伯拉罕諸教正在成立的時候。一天之後,你來到石器時代中葉,當時有一小群覓食的人類正要離開非洲。要抵達寒武紀起頭,也就是顯生宙的末期,得花上二十年。記得前面提到,每經過一個顯生宙年,前頭都還有將近十年的前寒武紀——從遙遠的寒武紀出發,每秒一年的時光機還要再花上一百二十五年,才能把你送到地球誕生的第一分鐘。

或者,把地球的四十五億年標在一年份的月曆上。前寒武紀要從初始星雲開始聚合成地球開始算起,一直算到十一月中旬,寒武紀大爆發才開始。生命從二月底就開始進展,但要到六月中,藍綠菌才開始把氧氣打入地球的大氣層。馬塞盧斯頁岩是在感恩節過後幾天(大約是十一月底)才開始形成,而整個賓州的煤礦層都是在十二月的第一週鋪下去的。接下來的那一週,恐龍出現了;但到聖誕節就已死絕。解剖學上的現代人類非常晚才進場,差不多就在跨年前的十五分鐘。午夜前一分鐘,最後一波冰河退回極地,全新世間冰期終於開始。差不多在午夜前一秒鐘,地球進入了人類世。

作家約翰.麥克菲(John McPhee)設計了一種更貼近自身的視覺化方法,讓你體會時間的浩瀚:將你的手臂盡量往兩側伸展,這長度代表地球的所有過去。地球若是在你左手中指的尖端成形,寒武紀便會在你右手腕處開始。複雜生命的興起始於你右手掌心;而如果你願意的話,「用中等粗細的指甲磨片把你的指甲磨上一道」,就能把人類全部的歷史磨平。

深刻時間是種連地質學家和其多才的同輩們——地球與行星科學家——都從未全面習慣的東西。一個變成化石的生命形態外觀,好比一隻三葉蟲、一片葉子或一個蜥蜴類腳印,仍然可以透過骨頭遺骸傳達一陣悸動,或從胸中挖出一塊呼吸無法填滿的顫抖空洞。他們可以測量天體運動並列出地球的岩石編年,也可以把難解的知識標定在熟悉的尺度上,但是卑微的人類無法假裝自己這個在一世紀內就生於塵土又歸於塵土的心靈,能在一生當中真正理解神聖的萬古。相反地,他們必須學習以某種方法跳出時間之外,好讓片刻成為永恆。他們的世界需要相疊的兩個次元——其中一個短暫而明顯,另一個漫長但讓人視而未見。

一顆行星是一台巨大的機械,或是一隻生物,透過大陸碰撞與火山噴洩,追尋某個不能理解的目的。人類則是一片蛋白質包覆著的海洋,從石頭中誕生並呼吸著空氣,攝食太陽的能量維生,而其原子是由恆星的鐵砧所打造的。他看著地上各個興衰王國的漫長演化更迭,被一小片看起來輕易就可以被刮去的人類所定調,而感知到我們這物種掃蕩世界的速度快到如此驚人。

人類的興起是瞬間的爆炸,被自我反思的睿智火花所點燃;頃刻就從莽原和洞窟出發,在生物圈留下刻痕,並在全球散射了技術的彈片,接著便射向太陽系,朝著未知領域前進。從意識的大幅躍進和一些融化的冰河來看,踏在月球的腳印真的只是人類的一小步。這發光卻轉瞬即逝的當代,不過是劃過地球漆黑深邃萬古的一道閃電。沉浸於未察覺自身短暫的文化中,地質時間的學生看著這一切並思考著,人類史否也能因著某種可能而萬古長存。

深思著當代生活與深刻時間這個雙重現實,產生了難以融合的情感——一種漠然和焦慮的奇異混合物,抗拒著輕易抽身而去。即便人類的習性與行為以及人類整體的抉擇,如此強力地把地球大部分複雜生物送向絕路;然而,相對於地球與其過去這場盛大的歷史劇,人類生命的短暫活動渺小到有如毫無意義。人類世的改變再怎麼粗暴苦痛,其永久性卻如人類的主宰一樣令人懷疑:誠然,物種一旦滅絕,就不可能輕易復生,但卻沒什麼理由相信,行星的生物多樣性會隨時間過去而無法復原,畢竟過往並非如此。

現代文明就算用盡全力,想要稍稍干擾構成生命樹基底的強大微生物世界,卻還是十分吃力;或許這種困難可以看成一種福氣,若非如此,我們絕對會更嚴重地干擾生物圈。大部分非生物性的改變,如地質化學、大氣和海洋循環模式等方面的改變,最終都會被逆轉,且被成長的大陸板塊、隱沒的海洋板塊和爆發的火山所抹滅。地球的更新只會開展數百萬年,這事實可能無法安慰現代或未來的人們,對於那些被我們文明腳步踐踏的無數物種也沒有幫助,卻讓萬物依然有可能復原。草會生長,太陽會照耀,地球上的生命仍會繼續前行,不管有沒有那群聰明的工具靈長類都沒差。也就是說,直到萬古如一照耀的太陽燃燒殆盡,使得地球上一切生命徹底終結之前,一切都還是會持續前行。

因此,「文明崩壞逼近的可能」和「地球生物此刻受到毀壞」是否會令人不安,要看你的意識尺度,以及你認為人類該在這所謂的「全貌」——從生物圈一路到銀河的萬物——中安置在哪個位置。事實上,這只是自然更浩大場面中一個極為不重要的部分。進一步擴大到宇宙尺度,整個銀河系也只不過是幾千億個星雲斑點中的一個。或者反向縮小到基本粒子的量子世界,地球上那些生命、知覺和技術的奧妙,在這尺度下都難以察覺。但在太陽充盈的不確定空間下,我們恰巧能看見更巨大事物的遠景,又恰巧能夠想像,我們穿越單一恆星軌道上那幾十億年的孤獨,向上燃燒而凌駕在行星與恆星的時間之上,在無盡持久的銀河時間中發光。

五十億年的孤寂:最終,我們都會迎來最後一次的哥白尼降級

書籍介紹

本文摘錄自《五十億年的孤寂:繁星間尋找生命》,八旗文化出版

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作者:李.比靈斯(Lee Billings)
譯者:唐澄暐

46億年來,地球這顆充滿生命的行星在寂靜浩瀚的宇宙裡,始終孤單存在。為了打破這種孤寂的局面,過去幾十年來,天文學家成為行星獵人,尋找宇宙中的其他生命或文明,將望遠鏡朝向幾百萬年之遙的恆星,為了是要找到跟地球條件相似的類地行星。他們相信(或期待),在這些系外行星當中,一定至少有一顆行星如另一顆地球般確實存在,那麼尋找到如同我們人類一般的智慧生命,便不再希望渺茫。

科學記者李.比靈斯,藉由深度訪談尋找系外行星這領域第一線的天文學家,探索這股「系外行星熱潮」。在這場探索旅程中,不僅描繪刻畫了近五十年行星天文學的發展輪廓,也探究了這些窮盡一生尋找繁星間的生命,投資與報酬卻不成比例的天文學家,他們執著追夢,以及失望和希望不斷交替的動人故事。

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Photo Credit: 八旗文化出版

責任編輯:翁世航
核稿編輯:楊之瑜


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