亿万年前，地球曾是一个被汪洋大海包围的“水球”。随着时间推移，陆地和淡水出现，为陆地生命演化提供了必要条件。
对于这一历史性转变，科学界的普遍认识是，陆地和淡水最早出现在32亿至26亿年前。
近期一项研究挑战了这个观点。今年6月，发表于英国《自然·地球科学》月刊的一篇论文提出，可能在约40亿年前，地球上就已出现干燥的陆地和淡水。
中国科学院地质与地球物理研究所研究员王相力认为，该研究对于研究地球地质演变、寻找宜居星球具有重要意义。
跨越亿万年的“信物”揭开奥秘
想研究40亿年前发生了什么，需要寻找一个能够跨越亿万年的“信物”。
科学家将目光投向了锆石。它是一种坚硬耐磨的矿物，能经受地球深处高温高压的考验，在漫长的地质历史中保存重要化学信息，是研究地球早期历史的理想材料。王相力介绍，借助锆石，科学家可以追溯地球演化史，解读地质构造活动和气候变化等重大事件。
哪里能找到来自40亿年前的锆石？澳大利亚西部的杰克山有得天独厚的优势。这里有已知最古老的地球物质，形成于约44亿年前，几乎与地球同时诞生。其中的锆石样本，是研究早期地球的关键线索。
来自澳大利亚科廷大学和中国科学院地质与地球物理研究所的科研人员分析了一批来自杰克山的锆石样本。这些锆石样本中，大约10%超过40亿岁。
为探寻这些锆石是否含有淡水记录，研究人员采用氧同位素法。氧同位素法是一种通过测量矿物或岩石中的氧同位素组成，特别是氧-18与氧-16的比值，来推断物质来源和形成环境的方法。研究人员发现，一小部分古老锆石中存在的氧同位素组成与淡水环境中形成物质的氧同位素组成相似，进而推断出地球在40亿年前就已具备淡水循环系统。
分析结果显示，部分锆石样品中氧-18与氧-16的比值明显低于地幔平均值。而这正好符合内陆地区降水中氧-18与氧-16比值较低的特征。淡水是由降雨带来的，水在蒸发过程中，较轻的氧同位素（氧-16）比较重的氧同位素（氧-18）更容易进入大气，所以内陆地区降水中氧-18与氧-16的比值较低。
研究人员通过蒙特卡罗法模拟了这些锆石形成的过程。他们发现，仅靠海水和地幔岩浆作用，锆石的氧-18和氧-16比值几乎不可能低于3‰，只有当陆地降水带来的淡水参与到锆石的形成过程中才有可能实现。并且，这片陆地必须足够大，才能汇集足够淡水。
王相力进一步解释，在地球的水循环中，海水通过蒸发进入大气，随后以淡水形式降落陆地。在此过程中，轻的氧同位素富集在淡水，而重的氧同位素富集在海水。淡水参与地表生物地球化学反应，形成的水生物质随后埋藏于海洋沉积物，最终因构造运动返回地球深部熔融成岩浆并形成锆石矿物。
为寻找宜居星球提供新尺度
淡水的出现意味着当时地球上已经有了大片陆地。陆地生命的演化需要陆地作为栖息地，并需要淡水合成蛋白质。虽然陆地和淡水的存在并不意味着陆地生命必然出现，但至少已满足两个关键条件。
王相力认为，地球淡水循环在40亿年前有序运行这一发现，对研究早期地球生命与环境的协同演化、寻找宜居星球有重要意义。
王相力分析，地球在45.6亿年前形成，仅仅过了大约6亿年，就具备了陆地生命的重要宜居要素，这为科学家提供了一个新的时间尺度，用于评估其他星球的宜居性演化。科学家可以通过对比地球早期的环境条件，推测其他类地行星上可能存在的生命起源条件，从而更有效地探索宜居星球。
同时，王相力也认为，这个结论仍存在许多需进一步厘清的问题。例如，携带淡水特征氧同位素的物质是如何返回地球深部的？一般观点认为，地球表层系统产生的物质需经过板块俯冲才能进入地球深部。因此，该研究暗示板块俯冲可能在40亿年前就已经发生，而这明显早于许多已知的板块俯冲地质证据。因此，40亿年前板块俯冲的具体模式及背后的驱动机制，仍有待更多研究来揭示。
