351-Robert Hazen：矿物与演化

万年看客

Robert Hazen - Mineral Evolution and Ecology and the Co-evolution of Life and Rocks (March 11, 2015)

https://www.youtube.com/watch?v= ... 8bFl_pX8Zl&index=13

我作为一名矿物学家来到这里，对于咱们这个讨论生物学的论坛来说可能有些不寻常。然而事实证明，当你观察岩石和矿物的世界时，总能看到生物学的印记，反之亦然。我们生活在一颗令人叹为观止的美丽星球上。从我们的月球上回头观察，我们看到的是蓝色的弹子球和旋动的白云。这时我们会很自然地发问：这是一个变化的行星、一个动态的星球吗？如果它发生了变化，那么它是如何变化的？那些变化又是通过怎样的过程发生的？今天我想从矿物学的角度来探讨这个问题，并且我想交织三个主题。第一是矿物演化，这是将矿物学放在历史背景中思考的一种方式，关注随时间变化的矿物多样性或者说种类数量。第二是矿物演化的衍生领域，称为矿物生态学，这是一个刚刚出现的新领域。第三，我们正在利用统计方法和大型数据库研究矿物在时间上的分布和多样性，从而做出一些非常有趣的预测。在整个过程中，我将整合地球圈和生物圈共同演化的理念。我的许多合作者在这项工作当中都给予了我很大帮助，他们当中有很多人从事生物学、地质学甚至科学哲学的研究，因为我们试图为矿物学重新构建一套全新框架。

那么什么是矿物演化？矿物演化这个观点在2008年被提出，是一种基于历史背景重新理解矿物学的方式。我们关注矿物多样性的变化，不仅限于矿物种类的数量，还要考虑到这些矿物在地球上的分布以及矿物当中的成分变化，包括微量元素、次要元素以及主要元素，因为它们也会随着时间而变化。有一点让我感到惊讶的是——科学家们很少谈论这一点，但它非常重要——矿物颗粒的大小和形状在历史上也会发生变化，而生物在其中扮演着关键角色。现在我们关注地球表面上层大约三公里的部分，我们考察的是那些能够相对容易进行研究的矿物。在其他行星上你也能看到这些相同的矿物，因此当我们观察其他行星和卫星时同样可以研究当地的矿物现象，以此作为参照来研究地球上生物与矿物之间的互动。实事求是地说，我们当然可以将这些概念扩展到地球内部的深处，但是目前我们只关注近表层环境。

我在这里还要作补充一句。我受到了一些生物学家的严厉批评，他们认为研究矿物不能使用“演化”这个词，因为这是一个生物学术语。我认为他们的说法不正确。在最广泛的意义上，“演化”意味着随时间变化，这一层词义在地球科学当中已经使用了一个多世纪。诺曼·博温/Norman Bowen在1915年就发表了论文《论火成岩的演化》，类似的用法还有很多。我们谈的不仅仅是变化，演化意味着一个系统随着时间变得更加复杂、更有模式、更有序，因此在某种意义上更有趣。此外演化还暗示了一贯性，即一个正在演变的系统的每一步都合逻辑地延续了上一步，无论你是在谈论矿物的演化还是生命的演化。但是矿物演化毕竟不同于生物演化。晶体并不会长出四条腿从水里爬上岸，石英在历史上始终是石英。请忘记这种观点，这并不是我们接下来要讨论的内容。接下来关键的观点是，新矿物的形成是化学过程、物理过程和生物过程的组合，我们希望根据这套新框架来思考矿物学，而这种这种新框架又会引出新问题。

首先请想一想：宇宙当中最早出现的第一种矿物是什么？假如矿物的定义是具有特定结构和化学成分的晶体，那么宇宙中第一种晶体是什么？它肯定不会在大爆炸时形成，那个时候温度高得不可思议；在接下来几十万年宇宙当中都没有原子，因此也不会在那时形成；第一批原子主要是氢和氦，温度依旧太高，无法形成晶体；随后形成了恒星，但还是太热，尽管此时它们开始产生一些更有趣的元素，例如碳、氧、硅和镁等等成矿元素，但是温度依然太高。那么宇宙中的第一种晶体是什么时候、在哪里形成的？谁来猜一猜？谁说是冰？很有趣的回答，可惜不对。冰需要非常冷的温度才能形成。第一种晶体其实是钻石，因为钻石能在大约4400开尔文的环境里形成。当然，此时的钻石还只是蒸汽沉积的纳米晶体，但是它确实能在非常高温的条件下凝结起来，此外构成钻石的碳也是恒星外壳当中最丰富的元素之一。接下来是石墨，因为当温度降到4000开尔文时石墨就能稳定存在。算上钻石与石墨，大约12种矿物能够在恒星当中形成。我们称这些为乌尔矿物，这个名字来源于矿物学的起始点乌尔古城。其他恒星产生的前太阳矿物颗粒后来落在地球上，成为了参与地球早期历史的矿物，其中包括多种亚硝酸盐、氧化物以及一两种硅酸盐。

早期爆炸的恒星富含10种元素，因此矿物演化的中心问题可以表述为：如何从10种基本元素构成的12种矿物演变成为今天地球上发现的、由72种基本元素构成的5000种矿物？这就涉及了通过选择、浓缩以及创造新的环境条件来形成矿物的过程，这就是我想讲述的故事。这个故事总共包括十个历史阶段。第一阶段是预太阳星云阶段，此时原始太阳正在形成，星云当中的尘埃颗粒通过静电力聚集在一起。接下来的第二阶段，原始太阳步入金牛T星阶段并且首次点燃，释放大量热能，把尘埃颗粒熔化成球粒小滴，形成球粒陨石——这是宇宙当中最早出现的可以用手拿起来的东西——其中大约包含60种矿物，12种矿物至此发展到了60种。然后是第三阶段，球粒陨石通过引力聚集在一起，越聚越大，直径达到50、100、200公里。在这样的尺度上，重力势能释放以及短寿命放射性同位素的衰变致使陨石内部升温、熔融、分化，形成富含铁的核心和硅酸盐地幔——你可以在一些陨石中实际看到残留的核心-地幔边界——此时的矿物种类达到了250种，它们都是日后行星的构建块。随着地球的形成，发生了更大规模的分化，产生了主要的核心、地幔和地壳区域。地球表面还出现了液体水，由此步入了矿物形成的第四阶段。像月球或水星那样的干旱星球或者星球表面的挥发性物质非常少的星球，矿物物种或许最多只能达到300种。地球或者火星这样富含挥发性物质的星球则会有冰、蒸发岩、含水矿物、氢氧化物、粘土等等，使得矿物种类达到约420种——目前我们认为400种左右就是火星的极限。这是一项可以检测的假设，目前正在由“好奇号”在火星表面进行检测。不过地球自有高招：它能够部分熔化形成外层的玄武岩外壳。部分熔化的玄武岩与水产生反应，形成的便是花岗岩。在生成花岗岩的过程中还会出现一些残留流体，这些流体当中的稀有元素例如铍、硼、锂、铀、铯等等逐渐浓缩，从而形成新的矿物。这使得地球上的矿物种类增加到了大约一千种，这就是所谓复杂矿物的形成。

地球还藏有另外一招。第五阶段是板块构造的启动，整块地壳与上地幔的岩石块在水下潜没进地球内部，遭到熔化并且引发新的流体与岩石的相互作用，并形成巨大的硫化物 沉积。此外还有很多在地下高压环境形成的矿物原本不会在地表出现，同样也是构造活动将它们带到了地表。总而言之，通过纯粹的物理和化学过程，地球矿物的种类已经增加到了大约1500种。但是这里出现了一个谜团：地球上总共有超过5000种矿物，只有这1500种可以通过纯粹物理和化学过程来解释。是什么形成了其余矿物？令人惊讶的是，答案是生命。地球上三分之二以上的矿物种类是由生物介导的变化产生的。

生命的起源是一个引人入胜的主题，有许多关于生命起源的理论，几乎所有的理论在某个时刻都需要矿物的参与。根据这些理论，早期的有机分子被矿物表面吸附并且在这里得到浓缩。矿物还能催化有机分子的化学反应。我们已经在实验室中演示了二氮气体与氢气怎样在磁铁矿的催化下形成氨气，类似过程至今仍在海底进行。构成矿物的元素同样是生物酶的关键成分。晶体会选择并浓缩不同的分子。例如关于生命的手性问题，矿物是选取与浓缩左手和右手分子的众多可能途径之一。矿物甚至还能创建新的更大分子系统。这些都是矿物在生命起源当中可能发挥的作用。但是事实证明，生命与矿物之间实际上存在着妙不可言的相互演化，矿物演化的进一步发展也取决于生命的演化。

第六阶段是地球上最早的细胞生命即矿质化学营养菌的诞生。它们利用了火山活动带到地表的矿物当中锁存的化学势能。这些矿物主要处于还原态并且富含电子，很容易与氧化的表面环境反应，将镁铁质与超镁铁质矿物当中的电子传递到外界环境，而这些反应则由微生物介导。由此产生了氧化铁、碳酸盐和磷酸盐之类的沉积矿物，改变了地表矿物分布。但是就我们所知，这个过程并未产生1500种矿物之外的任何新品种。

画面上这些红色带状铁矿石是在海底因为氧化而形成的沉积岩，如今学术界几乎一致认为这一过程是由生命介导的，大约发生在35亿年前。有非常清晰的证据可以证明这一点。我在澳大利亚进行过实地考察，看到了丝毫没有变形的水平沉积岩，包括带状铁矿。至于任何早于3.49亿年的情况我们目前只能通过分子信息或者通过各种矿物岩石的同位素浓度获得的信息来推测。但是能够握在手中的真正微生物化石的形成时间不会早于34.9亿年。生命的出现是改变地球表面的转折点，因为生命能够利用阳光进行光合作用并且产生氧气。随着氧气的产生，近地表环境也逐渐变化。但是这需要很长时间，原因是近地表环境——例如海洋和土壤——当中浸透了更还原的二价铁。因此我的论点是，地球上三分之二的矿物种类是这场伟大氧化事件的结果。显示氧气变化走势的证据来自岩石。大约在25亿年前，大气中的氧气非常低，尽管我们不知道具体有多低。随后出现了一段非常突然的上升时期，也就是所谓的大氧化事件，这一事件导致氧气浓度提高到了相当于今天水平的1%。然后在距今5亿年前氧气含量再次上升——我们看到图表上氧气含量曲线在这一段出现了波动，其实是因为这一段留下了更详细的代替物证据供我们分析。所谓代替物指得是对氧气敏感的元素、例如我们可以观察矿物当中二价铁和三价铁的比率以及锰的氧化状态，从而推测成矿时的大气含氧量。

这里的关键理念、关键发现或者说我们的关键想法在于，近地表环境充满了二价铁。磁铁矿同时含有二价铁与三价铁，只要磁铁矿处于平衡状态并且与赤铁矿一起沉淀——就像画面上这片三亿到二亿五千万年前的带状铁矿层一样——你就可以确定当时是一个氧化还原缓冲区。我们可以想象海洋中充满了二价铁，土壤中也充满了二价铁，氧分子一旦产生就会与铁反应。本质上来说，这是在用氧气对于二价铁进行滴定中和，在这个过程当中产生了更多的铁矿。与此同时，氧气的逸度以对数表示也锁定在了-72，远远低于现代水平，后者接近1。在澳大利亚有两亿年积累的带状铁矿沉积——距今27亿到25亿年前——是世界上最大的铁矿储藏，每年有一亿吨矿石运往中国，其中有些矿石的含铁量达到了令人震惊的70%。

话说至此，我们不妨回过头来看看其他形成的矿物以及这些矿物形成的条件。画面上的图表纵轴是氧气的逸度，横轴则可以设定为其他参数比方说pH值，在这里我们将其设定为二氧化碳的逸度。而且我们在这个坐标系的什么位置可以形成哪种矿石，因此可以通过矿石的丰度来倒推成矿时地球大气的含氧量。例如我们知道菱铁矿在太古代时期大量形成，还知道形成菱铁矿所需的氧气逸度必须小于-68，这就很符合上面提到的-72。那么什么矿物无法在这样的环境里形成呢？以我最喜欢的两种矿物为例：天青石和孔雀石，它们是铜的两种碳酸盐矿物。要形成孔雀石和天青石，氧气逸度必须大于-43，几乎比缓冲区高了30个对数单位，这就意味着太古代的地球根本无法形成这些美丽的铜矿物。铀矿物也一样，254种已知铀矿物中的220种在大氧化事件之前都无法形成。类似的矿物还有镍矿物、钴矿物等等。这正是在第七阶段之后矿物种类显著多样化的核心原因。矿物在生命起源当中发挥了关键作用，而生命又为矿物王国的多样化起到了关键作用。

当然，就算不依靠生命也还有其他产生氧气的方式，比如光氧化作用，此外流体分离也可以加剧地表环境的氧化。但是我们的计算表明，这些方式导致的含氧量提升大约不会超过10个对数单位，也就是说可以从-70提升到-60。然后一颗陨石砸下来，立刻就给你砸回-90。因此在生命出现之前的缺氧的时代，氧气含量的上下限大约是在-60到-90之间。生命出现之后，氧气含量的上下限变成了0到-90，跨度大了三倍，而矿物的种类也相应地增加了三倍。我认为这其中不仅仅存在表面的相关性，而是存在非常深刻的因果关系。在大约十亿年的时间里，海洋的化学成分同时受到铁和硫的滴定，因此在这个时期并没有产生太多新的矿物种类。这段时间常常被称为“无聊的十亿年”，虽然在那时确实发生了许多有趣的事情。然后是大气环境急剧周期性变化的时期，雪球地球变成温室地球，然后又变回去，这样的过程可能经历了三次或更多——如此剧烈的变化根源在于地球反照率的反馈效应——结果则是氧气的显著上升，换句话说冰川时期氧气含量的增加势头反而加强了。而后我们进入现代时期，也就是过去四五亿年的时间里，此时陆地生物圈开始崛起，矿物种类也因为由此而来的各种过程而显著增加，这些过程包括生物矿化以及例如新型粘土之类有机矿物的大量产生。三叶虫化石里含有碳酸盐、二氧化硅、磷酸盐等矿物，它们都是由生物形成的。

接下来我想讲两个关于矿物演化的故事，可能是事实，也可能不是。但是它们反映了现在正在发生的思路，类似的思路五年前我们甚至就连想都不敢想。第一个故事讲得是从地壳到地球深处再回来的碳循环。在过去几亿年里有三件事改变了碳循环。其中最重要的一件事是钙化浮游生物的崛起。这些生物留下了巨量的微小贝壳，使得碳酸钙在地球历史上首次能够在中洋区沉淀而不仅限于大陆架。结果碳酸钙沉积在海床上，随着板块运动沉降进入地幔，为地幔提供了碳酸钙的新来源。这些碳酸钙显著影响了地球的地热变化。画面上的图表显示了地热温度与地下深度的关系，橙色区域显示了十亿年前的地热分布，此时地热温度的上下限分别是是900公里深处的1900摄氏度与地表火山口的1500摄氏度。但是今天的地球已经冷却了。绿色区域代表今天的地热带，温度上限虽然依旧接近1900摄氏度，却要在1000公里深处才能达到这个温度；而地表的温度下限则降到了1300摄氏度。地热降温意味着沉入地下的碳酸钙将不再释放二氧化碳，或者说在地下释放的二氧化碳将不会再像十亿年前那样上升到地表并且回归大气。因此沉积物中包含的任何碳酸钙都将被封存在地幔深处永不见天日。目前的估计显示，板块构造正在耗尽地壳中的碳。粗略计算一下，碳的耗竭过程可能在3亿到4亿年内完成。换句话说，生命的发展就算并非自取灭亡，至少也是为自身设置了限制。

再来看另一个例子。我们在距今四亿一千万年前的地层发现了最早的植物根系化石，位于泥盆纪早期的莱尼燧石层。它们非常小，只有不到一厘米。四千万年后，植物迅速发展出了更深更大的根系，导致了粘土矿物的大量形成。粘土矿物有多种功能，比方说它们可以锁定有机碳，因此越来越多的碳从大陆转移到浅海环境。但是这些粘土也改变了被潜没到地幔当中的海水的性质。陆地上有大量粘土进入了潜没区。有人提出，这些陆地物质通过脱水为潜没板块起到了润滑作用，从而加速了板块构造的速度。事实上在过去四亿年里板块构造的速度确实有所加快。眼下这依然是一项高度假设的理论，但是生命足以影响地球上规模最大的全球构造循环的可能性依然着实令人惊讶。这里再次体现了地球圈和生物圈的共同演化。上述思想在五到十年前可能被视为异端，但是现在却得到了认真的研究。矿物演化研究的结论是：生命已经改变了地球，地球也改变了生命，生命和矿物共同演化，这种共同演化是众多正反馈与负反馈的结果。我们看到矿物演化将自然产生的全部材料视为一个随着时间推移不断变化的系统，因此所有与演变系统相关的特质全都适用于矿物：矿物会分化也会灭绝，不同矿石之间有亲缘关系，矿物演化会遭到打断也会陷入停滞，演化系统会给出反馈也具有选择标准。这些方面适用于所有复杂的演化系统。

此外还有关于偶然性与必然性的问题：演化的哪些方面是意外造成的，哪些又是必然发生的？生命起源、生命演化、语言、文化、政治系统等等都可以用这种方式进行讨论。我想重点讨论偶然性与必然性的问题，因为在大多数科学系统当中这是一个哲学问题。比方说生物学家经常讨论偶然与必然。史蒂芬·杰伊·古尔德主张各种进化过程都基于偶然，节肢动物只是一个偶然生成的奇迹；西蒙·康威·莫里斯则认为多细胞系统必然出现。在关于生命起源的研究当中， 三羧酸循环是否必然出现？遗传密码是否必然由DNA承载？关于这些问题的争论同样经久不息。但是这些都是哲学性辩论，我们没有显而易见的方法可以确定地回答偶然性与必然性的问题。令人惊讶的是，对于矿物系统来说确实有一个解决方法。如果你能够重演地球的历史，重新发现矿物，那么新地球的矿物会不会与现在一样？我原本认为它们肯定会完全相同，但是事实证明并非完全如此。我接下来要讨论的领域名叫矿物生态学，研究矿物的多样性和分布，并且利用大型数据库和统计方法来确定地球矿物学的哪些方面是必然的，哪些是随机的。

首先是关于晶体化学的争论。画面上这张图表的横轴是各种元素在地壳里的丰度，纵轴是包含该元素的矿物种类的数量，两者都用对数表示。一般来说，元素越丰富，含有该元素的矿物的种类就越多，在坐标系当中构成一条斜向上的直线，这一点非常合理。但是有一大群元素对应的矿物种类远远少于基于丰度的预测。这其中有些元素，比如镓，属于稀有元素，就晶体化学而言与铝非常相似，因此镓总是出现在含铝矿物当中而不是形成自己专属的矿物，以至于含镓矿物种类低于一般趋势。有些元素则明显高于一般趋势，这些元素都具有多重晶体化学角色，特别是具有多种氧化态，例如铜具有原生形态或者说金属形态和多种硫化形态，还有一二三价的不同氧化态，因此含铜矿物的种类高于一般趋势。铀也是如此，铀在四价状态可以形成矿物，在六价状态也可以形成矿物，同样扮演了多个角色，位于一般趋势之上。有趣的是，尽管关于月球的数据较少，但是月球也呈现了同样的趋势。而且由于月球上没有广泛的氧化还原变化，这一趋势在月球上更加明显，但是趋势的斜率依然是0.22，与地球的斜率相同。这是一个决定性的特征。这意味着如果你改变一个行星的成分——我们知道有很多成分各异的行星——就会以非常决定性的方式改变该行星的矿物比例。有些人可能会联想到麦克阿瑟与威尔逊的岛屿生物地理学理论，他们的图表横轴是岛屿面积的对数，纵轴是岛上物种数量的对数。两者本质上是一样的。因此我很好奇，元素丰度与矿物多样性的关系是否类似于生物学当中岛屿面积与物种多样性之间的关系？这或许意味着在某种程度上，矿物的组成相空间类似于岛屿面积。考虑到相图的本质，这种想法很有道理。

接下来我想谈谈矿物频率分布，这些是绝对新鲜的内容。我将向你们展示我最近几天才获得的数据，这些数据非常令人兴奋。我们现在拥有巨大的数据资源，目前公开可访问的数据库针对几乎5000种不同的矿物物种进行了分类，此外我们还拥有653000个特定地点的单一矿物数据，我们将后者称为矿物位置数据，比方说来自中央公园某个岩层的石英。当你拥有如此多的数据之后，就可以寻找多样性和分布之间的定量关系。事实证明我发现这个问题非常熟悉，因为我一直在阅读词汇统计学，也就是书籍当中单词的分布。结果是相同的：有一些单词使用频率很高，而许多单词仅仅被使用了几次。想象一片红杉林，其中几乎所有的生物质都是红杉，但是物种多样性却来源于微小且稀有的物种。书籍的数学特点也很相似：大多数单词很常见，例如a、am、the之类的单词会在某些未知的手稿或书籍当中出现成千上万次，然而稀有的单词才定义了多样性，定义了文本材料的类型和作者。这种数学分析方法被称为大数量稀有事件分布/large number of rare event distribution，是由美国国家安全局开发的，用于分析未签名的电子邮件和文本。我们现在将这套数学工具箱包含在了R语言包当中，你可以用它来轻松查找数据。

再来看看矿物。画面上的图表横轴是具有某种矿物的地点的数量，从0到4000——当然4000还远远不到头，例如含有方解石的地点数量足有25000个——纵轴是形成某种矿物的概率。每一个红点代表一种矿物。有些矿物在成千上万个地点出现，而其他矿物的出现地点则相对较少，例如钻石的出现地点只有700个。大多数矿物种类的出现地点非常少，8%的矿物种类仅仅出现在三个地点，22%的矿物种类只能在一个地点找到，总数量超过了1000种。这是一个经典的大数量稀有事件分布的例子。还可以换一种看法：超过一半的矿物的出现地点不多于五个。换句话说这是经典的LNRE分布。你可以用许多函数形式来为这个分布建模。一旦你拥有了LNRE分布的函数形式，就可以以惊人的方式进行外推。画面上这张柱状图的横轴是具有某种矿物的地点的数量，纵轴是该地点具有的矿物种类的总数量；黑柱是在这些地点目前观察到的矿物种类总数量，红柱是模型预测的这些地点应该具有的矿物种类总数量。对于分布地点不多于15个的矿物种类来说，预测结果与观察结果拟合得相当不错，构成了某种逆高斯-泊松分布。再换一张图，横轴是已探明的矿产地点数量，纵轴是已探明的矿物种类数量。在绘制这张图时数据库里的地点数据共有652865个，对应了4937个矿物种类。当你找到第一种矿物时，它肯定是新矿物；当你发现第二种矿物时，它很大几率仍然是新矿物。但是随着你的发现越来越多，发现新矿物的可能性也会逐渐降低。根据目前的趋势进行外推，地球上应该总共有6437种矿物，换句话说还有1500种左右的矿物尚未被发现。

那么那些矿物是什么？知道还有1500种矿物等待并不特别有趣，但是现在我们能可以计算每种元素及其组合的频率谱。以碳矿物为例，画面上是所有碳矿物的频率谱。如果你用相同的方法进行分析，可以根据已知的82922个地点数据推算出碳矿物的总种类应为403种；减去已知的矿物种类，可知尚未发现的矿物当中有145种是碳矿物。我们还可以做得更多，因为我们可以查看元素周期表，看看有多少碳矿物还结合了其他元素。大多数碳矿物也含有氢和/或氧，约有100种矿物和钠结合，134种与钙结合。然后我们可以利用这些子集矿物查看更多细节。下面是碳氧矿物——即碳酸盐矿物——的频率谱。现已探明了378种碳酸盐，分布地点为79694个，由此外推可知145种缺失的碳矿物中有135种是碳酸盐。此外现已探明282种碳氢矿物，118种碳钙矿物。由此外推，尚未发现的碳矿物当中的大多数可能都是含水碳酸盐，大约三分之一尚未发现的碳矿物矿物含钙。

再来分析一下钙钠矿物，结果我们发现数据太少，得不到足够良好的拟合，数据太少了。钙钠矿物只有100种，分布地点只有1406个。要想进行统计拟合，数据点必须达到一万个左右。不过我们还可以反向计算，分析含碳不含钠的矿物，得到的结果是303种矿物，分布在81516个地点。由此外推，有82种尚未被发现的碳矿物不含钠。含钠的碳酸盐本来就很稀有，而82这个数字则超过了尚未被发现的碳矿物的一半。根据化学原理可知，这些新矿物必定是钠含水碳酸盐。而且我们知道钠含水碳酸盐只能在碳酸盐岩当中生成，因此我们清楚知道该去哪里寻找它们。

我们还可以分析各种矿物对应的板块构造环境——有些矿物只能在汇聚边界生成，另一些只能在张裂边界生成；我们可以进行年代学分析——有些矿物只能在元古代生成，另一些的生成时代则相对较近；我们甚至可以分析岩性，确定在哪种岩石类型当中会发现哪些矿物。所有这些手段结合在一起，我们就能预测缺失矿物的成分以及它们可能的所在地。这种方法之所以令我感到兴奋，因为几个世纪以来矿物学、采矿学与经济地质学的所作所为基本上仅限于“找到什么算什么”，仅限于到处寻找并且记录找到的东西。它是典型的观察性、描述性科学。现在这套方法则提供了将矿物学转变为预测科学的潜力。就像古生物学一样：达尔文的理论认为，由于进化的本质，如果你想寻找一种五千万年前的陆生动物与现代鲸鱼之间的中间形式，那就去三千万年前的浅海环境中寻找，在哪里你应该能找到带后肢的鲸鱼。当然矿物学的演化并不发生在同样层次上，但我们正在通过量化统计和大型数据库将矿物学转变成一门也许能够进行预测的科学。这样的科学将会有助于我们寻找新资源——例如钴矿或稀土元素这样战略意义重大的矿产储备。

最后我们再来看看铍，因为我们还有一招。已知铍矿物有112种，33%来自同一个地点。通过同样的分析，我们预测地球上还存在90种铍矿物尚未被发现，已知加上未知总共202种。我们可以模拟地球的形成过程，并且观察这112种已知铍矿物在每一轮模拟当中都会出现在哪里。我们可以想象自己回到了地球历史的起点，我们的任务是逐一发现112种我们从未见过的铍矿物。有一些铍矿物非常常见，因此应该很容易发现；另外一些铍矿物在现实当中仅仅存在于单一地点，因此在模拟当中同样很难发现。这样的模拟我们进行了上百万次，结果发现大约60种铍矿物在超过90%的类地行星上非常可能出现，另外30种矿物的出现概率超过50%，所有剩余矿物的出现概率全都低于50%。如果你将这112种矿物的出现概率连乘，结果大约是10的10次方分之一，这就是某一颗地外行星准确包含今天我们在地球上发现的112种铍矿物的概率——这还是最大概率，实际概率通常远低于这个数值，原因如下：行星的组成各不相同，元素比例变动将改变矿物比例；行星的板块构造历史不同，陨石撞击历史也不同，因此会形成不同的矿物；每颗特定行星的生物圈也会产生不同的矿物。最重要的是，212种铍矿物是我们推测现在存在于地球上的矿物，但是还有可能在宇宙当中存在800多种铍矿物并未出现在地球上，比方说硫酸铍可以在任何化学目录当中买到，不过至今我们都还没发现天然的硫酸铍矿物。就算地球上没有，其他行星上也肯定有。类似这样的铍矿物还有很多。换句话说，假如地球重来一次，依然具有今天这112中铍矿物的机会远远小于十分之一的十次方。

现在我们可以将这套方法外推到整个地球，因为地球目前有超过2000种稀有矿物。如果简单地将铍的问题推广到所有矿物，粗略计算之后可知，重来一次的地球依然具有今天这样的矿物构成的可能性是10的320次方分之一。换句话说，地球的矿物组成是独一无二的。地球矿物的多样性和分布是化学、物理和生物学的必然过程与随机过程共同作用的结果。如果我们让地球重来一次，重新发现5000种矿物，那么其中将会有四分之一的矿物不同于今天我们所看到的矿物。最常见的矿物依然会是最常见的矿物，但是罕见矿物——构成地球矿物生态多样性的那些种类——将会截然不同。因此我总结认为，地球不仅具有独一无二的生物圈，而且它的矿物王国的多样性和分布同样独一无二。谢谢大家，欢迎提问。

新HGCG

生物的演化会不会也受到环境中的矿物的影响？