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生命的起源：所有生命的共同祖先在40亿年前是怎样诞生的？ [:1700256277]
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·蛇纹石化反应·
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至于这些白烟囱的成因，我们现在已经知道，最初部分与黑烟囱一样，是持续扩张的洋中脊在地壳上制造了很多深刻的裂缝，海水就顺着裂缝涌入了地壳深处。但与形成黑烟囱的海水不同，这些海水并没有遇到板块深处的岩浆房，而是一直向下渗透，与地壳深处的矿物发生了缓慢而持续的化学反应。
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地幔中最常见的矿物叫“橄榄石”。它们大多是充满杂质的小碎块，与其他各种矿物一起构成了坚硬的岩石，纯净而大块的橄榄石看上去就像橄榄色的透明玻璃，被称为翠绿橄榄石，可以当作宝石来赏玩。
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从化学上看，这些橄榄石是硅酸镁和硅酸亚铁在高温高压下形成的晶体，而当海水渗入这样的地壳深处，就会在高温高压下与晶体中的亚铁离子发生一系列复杂的蛇纹石化反应，晶莹剔透的橄榄石于是变质成蛇纹石——一种颜色非常丰富的矿物。大块的蛇纹石色泽温润，常常带有复杂的花纹，经地质运动带上地面之后，自古以来都被当作工艺美术的材料——新石器时代的红山文化有大量的玉器，比如著名的玉猪龙，大多就是用蛇纹石磨成的，唐诗“葡萄美酒夜光杯”里那个夜光杯也是用被称为“岫玉”的蛇纹石雕成的。除此之外，蛇纹石化反应还会产生水镁石、磁铁矿、铁镍矿，甚至纯铁矿等多变的产物[2]。
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图1—15 一大块多晶的橄榄石。这种岩石在地幔中储量巨大，但很少上升到地表，暴露在地表又会被迅速风化，所以日常并不多见。（来自Mohamed El-Jaouhari | Dreamstime.com）
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图1—16 中国红山文化的玉猪龙。用蛇纹石（岫玉）磨制于6 000千年前到5 000年前，是中国龙崇拜的源头之一，现藏故宫博物院。蛇纹石的颜色很多变，从发绿的黄色到很深的墨绿色都有可能，上面往往有些复杂的花纹。（摄影：黄松涛）
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但我们不必在意那些乱七八糟的矿物，也不用关心蛇纹石化反应究竟有哪些步骤，只需注意其中的一个离子反应：
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2Fe2++2H₂O=2Fe3++2OH–+H₂
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在这个反应中[3]，水被还原成了氢气，这些氢气迫于地壳深处的巨大压力，全部溶解在了尚未反应的海水中。反应还产生了许多氢氧根离子，使下渗的海水变成碱性的，pH值可以达到9以上。同时，蛇纹石化反应总的来说是一个放热反应，那些溶解了大量氢气的碱性海水因此有了上涌的动力，顺着另外一些地壳裂缝升腾而起，在洋中脊附近的洋底迸发，形成了另一种热液喷口。
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相比黑烟囱那种酸性的热液喷口，这种喷口喷出的热液是碱性的，因此被叫作“碱性热液喷口”。这些碱性热液的温度为40℃到90℃，其中也溶解了大量的无机盐，比如钙离子、硫酸根离子。而当它在寒冷的海底迅速降温，这些无机盐同样会迅速地析出，形成硫酸钙和碳酸钙之类的白色沉淀，沉积成几十米高的巨大结构——所以，碱性热液喷口也被对应地称作“白烟囱”。
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白烟囱虽然也叫烟囱，但它与黑烟囱在结构上非常不同。酸性热液温度更高、流速更快，看起来浓烟滚滚的，所以黑烟囱的矿物沉积得非常疏松，中央还有一个热液涌出的空腔，这让它非常脆弱，一般生长几十年就会倒塌崩解。而碱性热液的温度低很多，流动慢很多，就沉淀得更结实，一般不形成明显的中央管道，而是形成海绵一样的多孔结构，让热液缓缓渗透出来，并且在与海水相遇的过程中沉积得越来越大。
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相比生机勃勃的黑烟囱，这些白烟囱要冷清得多，它的喷出物中没有那样丰富的硫元素，供养不起千姿百态的深海生物群落，也就没有在媒体上唤起多少关注。直到今日，许多观众都在海洋题材的纪录片中领略过黑烟囱的奇观，却对白烟囱闻所未闻。
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但是，对于生命起源的探索而言，这些孤冷的白烟囱却缓缓释放出了最深刻的启发。
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图1—17 典型的白烟囱沉积物，顶端没有畅通的“喷口”，看上去就像一大坨海绵。（图片来源：NOAA）
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生命的起源：所有生命的共同祖先在40亿年前是怎样诞生的？ [:1700256278]
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·碱性热液喷口·
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实际上，早在20世纪80年代，罗素等人刚刚因为在爱尔兰的发现而预言了碱性热液喷口的时候，就已经注意到了它与生命起源的潜在联系。
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1988年，先是维希特斯霍伊泽初次发表黑烟囱假说，接着是第一章里的米勒批评了这个假说不能为有机物提供持续而稳定的反应环境，有机物即便合成出来也会很快消散于无限的海水中。但罗素又紧随其后，声援了黑烟囱假说。他提出，原始的洋中脊上可能有着不同于现代的碱性热液喷口，其中的矿物沉积成了四通八达的管道。如果这些管道内壁上的矿物催化合成了有机物，这些有机物就不会扩散到无限的海洋中，而会在管道内部越聚越多，浓度越来越大，并因此组合成更大分子的有机物，直至形成细胞。IV
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由此过了几年，进入了21世纪，我们既然真的找到了白烟囱，了解了它的基本性质，这些理论也就有了深入讨论的机会。于是，从2002年开始，罗素和德国杜塞尔多夫大学的威廉·马丁（William Martin）就把碱性热液喷口的研究与当代生物化学的研究成果结合起来，逐步建立了一个更加完备，也更加精彩的碱性热液喷口假说V，或者叫“白烟囱假说”。
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在白烟囱假说中，富含氢气和矿物质的碱性热液持续而缓慢地从洋中脊的裂缝中涌出，遇到了原始地球上富含二氧化碳而显酸性的低温海水，就迅速凝固成了四通八达、像海绵一样的微米级的管道系统。海水和热液被这些管壁分隔开，也就无法混合成均一的溶液了。
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而整个假说最精彩、最具启发性的地方就在这里了：那些管壁的厚度只有10微米左右，而且镶嵌着数不清的铁硫矿物晶体，因此，管壁两侧的酸碱性差异就能制造一种强烈的“化学压力”，强迫一些粒子半径极小的物质顺着晶体的缝隙穿过管壁，并在移动途中带动一系列的有机化学反应。而由于管壁两侧是源源不断的热液与海水，那种“化学压力”就会一直存在，有机物也会源源不断地生产出来，在管腔中越来越浓，最终发展成大分子，乃至原始的细胞。