前言

1968年，宇航员在绕月轨道上拍摄的《地出》（Earthrise）是20世纪最引人注目的照片之一。我们很早以前就知道，我们生活的世界是多么宝贵，又多么特别。地球是已知的行星中唯一拥有水组成的海洋的，它还有一个富含氧气的大气层，并诞生了生命。然而，我们中的很多人都没有做好准备，面对荒芜的月球表面、宇宙中了无生气的黑色虚空和我们的蓝白色星球之间的巨大反差。从那个独具优势的遥远视角来看，地球显得孤独、渺小而脆弱，但也比目前天空中的任何其他天体更加动人。

我们有理由对我们的家园着迷。在耶稣诞生的两百多年前，博学的古希腊哲学家埃拉托斯特尼（Eratosthenes，又译埃拉托色尼）进行了最早有记录的有关地球的实验。他通过对阴影的简单观察，巧妙地测量了地球周长。在埃及赛伊尼（今阿斯旺）夏至的正午，他发现太阳位于头顶正上方，垂直的立杆没有产生任何阴影。而在同一天、同一个时间，在向北约490英里的海滨城市亚历山大港，类似的垂直立杆产生了一小抹阴影，这表明，那里的太阳并不是在头顶正上方。埃拉托斯特尼利用希腊先哲欧几里得的几何定理，推断地球一定是一个球体，他计算出了这个球体的周长约为25 000英里，这与现代计算出的赤道长度24 902英里非常接近。

几个世纪以来，无数学者不断探索着我们的星球，他们中有一些名留青史，更多则湮没在历史的长河中。他们追问地球是如何形成的，它如何在天空中移动，它由什么构成，以及它如何运行。最重要的是，这些和科学打交道的人想知道，我们这颗动态的星球是如何演化的，又是如何演变成为一颗充满生命的星球的。今天，因为我们累积了非凡的知识，人类的科技成就已经达到了一定高度，相比于古代先哲，我们增加了对地球的了解。当然，我们尚未能认识所有事情，但我们的理解不断丰富，也更为深入。

自人类诞生之时，我们对地球的认识就在不断加深，这些知识经过几千年的完善，构建起了一种固定的认识，这种进步在很大程度上表明，研究地球就是研究变化。

许多观测证据表明，地球的特质年复一年、世世代代地在变化。在斯堪的纳维亚的一些冰川湖里，沉积物有节奏地形成了层理或纹泥，展示着13 000多年间粗颗粒与细颗粒的交替出现——这是每年春季冰雪融化时加速的侵蚀所带来的结果。来自南极和格陵兰的冰川钻芯取样，表明季节性冰雪累积已有80多万年的历史。而在怀俄明州格林河页岩中，那些纸一样薄的沉积层则保存了100多万年中的年度事件。每一层都叠在更古老的岩石的上方，这些岩石本身也处于巨大的变化周期中。

对缓慢渐变的地质过程进行测量，揭示了时间跨度更大的地球历史。夏威夷群岛的形成需要缓慢而稳定的火山活动，熔岩接连覆盖了地表上千万年。阿巴拉契亚山脉和其他古老的圆顶山脉是数亿年缓慢侵蚀的结果，其间不时穿插着大型山体滑坡。在地质历史的进程中，不稳定的构造板块运动时有发生，它们移动着大陆，抬高了山峰，开辟了海洋。

地球是一颗不断变化的星球。从地心到地壳，变化从未停歇。即使在今天，空气、海洋和陆地仍在变化，或许是以一种与我们星球近期历史上不同的节奏在变化。如果不去关注这些令人不安的全球变化，那就太愚蠢了。事实上，对许多人来说，我们似乎不可能不去在意，因为我们生来就拥有好奇心，我们关心着自己的家园，就像古代的埃拉托斯特尼一样。地球向我们揭示了它令人惊叹的过去，它难以预测的充满变动的现在，以及我们自己和这片生存之地的未来，如果不充分利用这一点就谈论地球的现状，那同样非常愚蠢。

我一生中的大部分时间都在试图了解我们充满生机、复杂而多变的家园。小时候，我会收集岩石和矿物，我的房间里塞满了化石和晶体，旁边还胡乱摆放着虫子和骨头。我的整个职业生涯都围绕着地球。我最初从亚微观的原子尺度下的实验入手，研究造岩矿物的分子结构，加热和挤压微小的矿物颗粒来记录地球深部类似高压锅的效应。

随着时间推移，我的视野扩展到更宏大的地质层面的时空领域。从北非的沙漠到格陵兰的冰原，从夏威夷的海岸到落基山脉的高峰，从澳大利亚大堡礁到十几个国家的古代珊瑚礁化石，地球的自然图书馆展示了一个跨越数十亿年的故事，元素、矿物、岩石和生命在这里协同演化。我的研究项目转向探索矿物在生命远古的地球化学起源中可能的作用时，我的一些成果表明，生命和矿物在地球历史上的协同演化比之前想象的更为惊人，不仅某些岩石来自生命，就像大陆上石灰岩洞穴所显示的那样，生命本身可能也起源于岩石。在地球40多亿年的历史中，矿物和生命的演化故事，即地质学和生物学领域以惊人的方式交织在了一起。这直到现在才成为人们关注的焦点。2008年，这些观点最终形成了一篇关于“矿物演化”的开创性论文。这是一个充满争议的新论点，一些人接受它，认为这可能是两个世纪以来矿物学的首次范式转变，而另一些人则更为谨慎地看待它，认为这可能是在地质时间的尺度上，对我们的科学进行的一次异端重构。

虽然古代矿物学领域是我们关于地球及其历史所知的一切的绝对中心，但奇怪的是，它一直是静态的，脱离了时间概念的变化。两百多年来，对化学成分、密度、硬度、光学性质和晶体结构的测量一直是矿物学家赖以生存的“手艺”。如果你去参观任何一座自然博物馆，你就会明白我的意思：美丽的晶体标本一个接一个地排列在玻璃盒子里，标签上写着名称、化学式、晶系和产地。这些地球上最珍贵的碎片有着丰富的历史背景，但你很可能找不到任何线索让你了解它们的年龄或后续的地质变化。旧的方法几乎让矿物脱离了它们吸引人的生命故事。

这种传统观点必须改变。越是研究地球丰富的岩石记录，我们就越能看到自然世界如何一次又一次地改变自己，无论是有生命的还是无生命的世界都是如此。我们日益了解双行星时间和变化的现实，这让我们不仅可以推测矿物最初是如何形成的，还可以推断它们是何时形成的。最近，在那些一直被认为不适宜生命出现的地方，包括炎热的火山口、酸性的池塘、北极冰层和平流层尘埃中，我们都发现了生物，这使得矿物学成为探索生命起源和生存的关键。在2008年11月出版的矿物学顶级期刊《美国矿物学家》（American Mineralogist）上，我和同事提出了一种新的方式，通过未经探索的时间维度来思考矿物王国及其不可思议的转变。我们强调，在数十亿年前，宇宙中没有任何矿物。在大爆炸过后极高温的混沌中，晶体化合物不可能形成，更不可能保留下来。甚至是第一批原子，包括氢、氦和微量的锂，也花了差不多50万年时间才从创造的“大锅”中出现。数百万年过去了，引力吸引这些原始的气体元素形成第一批星云，然后星云坍缩成第一批炽热、致密、发光的恒星。只有当第一批恒星爆炸形成超新星的光辉，当富含各种元素的气体包层膨胀并冷却时，第一批微小的钻石晶体凝聚而成，宇宙矿物学的传奇才可能开始。

因此，我成了一个读者，欲罢不能地阅读岩石的证词。尽管那些证词有时稍显零碎和模棱两可，但它们讲述了生与死、停滞与变迁、起源与演化的故事，引人入胜。这个关于地球上生命圈和无生命圈互相交织的精彩故事展现了生命和岩石的协同演化，但它从未被人讲述过。它一定要被分享出来，因为我们就是地球的一部分。为我们带来庇护和食物的一切，我们所拥有的一切，事实上，还有我们血肉之躯的每一个原子和分子，都来自地球，并将回归地球。了解我们的家园，就是了解我们自己的一部分。

地球的故事一定要被分享，还因为我们的海洋和大气正在以惊人的速度变化，这种速度在其悠久的历史中极为罕见。海洋正在上升，变得越来越温暖，越来越有酸性。全球降雨模式正在改变，而大气也正变得更加不稳定。极地冰层在消融，冻原在融化，栖息地正在改变。正如我们将在接下来的篇幅中所要探讨的那样，地球的故事是一段变化的传奇，但在那些从前罕见的情况下，当变化以如此惊人的速度发生时，生命似乎付出了可怕的代价。如果我们要思虑周全地及时行动，我们就必须熟悉地球和它的故事。因为从那张在239 000英里外没有生命的世界拍下的奇妙照片中，我们可以清楚地看到，我们没有其他家园。

根据埃拉托斯特尼和他身后成千上万好奇头脑的传统，我在这本书中要表现地球漫长的变化史。尽管看起来地球与我们关系那么紧密，我们对它那么熟悉，但它充满生机的故事里包含了一系列超乎想象的转变性事件。要真正了解你的行星家园，并理解塑造它的漫长时光，你必须首先围绕7个核心事实来思考。

这些关于地球存在的概念，将原子、矿物、岩石和生命层层嵌套的故事置于了宏伟史诗般的时间背景中，这些故事将在接下来的部分，在宇宙炽热的起源和地球漫长演化的每一个阶段中再次出现。地球和生命的协同演化这种新范式贯穿这本书的核心，这种协同演化是可追溯至大爆炸的不可逆转的演化阶段序列的一部分。每个阶段都引入了新的行星过程和现象，它们最终将一次又一次地形塑我们星球的表面，冥冥之中为我们今天所居住的奇妙世界铺平道路。这就是地球的故事。