中文版序言
本书是从全新的“矿物进化”的视角审视地球45亿年的故事，这个视角的新颖之处在于它把地球整个地表如此多样化的矿物看作是物理-化学-生物多重作用的结果。我们的团队认为在最早的冥古宙（也称隐生宙）地球上只有420种矿物，但到了距今30亿年前就增加到1500种。接着，这一造矿过程继续在24～22亿年前的大氧化时期，以及5.4亿年前的显生宙时期制造新的矿物，这一时期创造的新矿物占今天5000种已知矿物的70%。
过去一年里见证了这一概念的迅速发展，包括对多样性矿物之间关系的系统的统计学研究。为此，我们把矿物学视为一个复杂进化系统的范例，其进化过程是确定性与随机性过程的综合。当然，所有进化的系统都遵循物理和化学定律，但概率事件也起了重要作用，引发了系统中很多无法预测的和突发性的细节。
地球地表45亿年的变迁表现出了和其他进化系统一样的典型的复杂特征，趋同与分化，停滞与快进，甚至灭绝。在矿物进化的历程中，造岩过程是最主要的方面。
太古地球，甚至是外星表面的矿物演化应该和今天的地球大同小异。尤其是氧、碳、镁、硅、硫、铁这些太阳系丰度最高的元素，也暗示了银河系甚至河外宇宙中任何固体表面的星球，其壳层的地幔层都由相似的氧化物和硅酸盐的成岩作用所主宰。不过随机性也扮演着关键角色。为什么地球或月球上将近5000种矿物，有的相互伴生，有的则相对独处？如果让地球历史重放一次，矿物会有多大不同？其他星球上又会有怎样的进程（初始条件和偶然性到底起多大作用）？所以我们要探索矿物的“生态学”中的偶然性和必然性。
这些算不上是新问题，生命起源研究中偶然性与必然性经常引发争论。例如碳是所有生物化学中不可或缺的关键的核心元素，所以几种生命起源理论都建立在生物分子学的路径之上，即所谓的TCA代谢循环。与之相反，有些分子生物学家将基因视为“凝固的偶然”，他们认为信使RNA上的密码子与氨基酸的匹配很可能是地球历史上一次偶然事件的结果。以后的分析和争论仍然在考量基因以及蛋白质结构和功能的作用。
对于基因产生之后的生命演化，仍然可以看见一些权威学者主张偶然性扮演主角，例如寒武纪无脊椎动物的形态学研究。另有一些科学家则更强调动物进化中的必然性，例如对软体动物的拓朴结构、蛋白质的结构以及诸如眼睛、四肢、翅膀、鳍、刺等结构的功能特点的研究。
我们最近的研究则主张偶然性与必然性在矿物进化过程中旗鼓相当，我们发现至少有4种因素影响着矿物的分化：①结晶化学上的特性，反映在矿物多样性及其丰度之间的关系上；②矿物在多维复合空间中的稳定性，反映在热化学数据上；③稀缺矿物产生的概率，反映在矿物种类的地理分布上；④星体的化学细分研究，反映在最近在搜寻太阳系外类地行星过程中获得的其他星体的化学组成数据上。
或许最激动人心的发现是关于那些“失踪”的矿物的。“分化-分布”这一关系模式可以使我们去估量地球上今天尚未发现的矿物的数量。我们预测约有四分之一的矿物，也就是约1500种矿物，我们知之未详。甚至我们还可以根据缺失矿物的组成与分布的统计学数据来预测去哪里可以找到它们。因此在矿物—生物学的观念下，生物学最终将不仅仅是一门寻找偶然性的观察性科学，而是可以成为一门可以预测、预言的科学。
于是，每次矿物学的新发现，都使我们更清晰地看到地球的身世。
2015年6月于华盛顿特区
奇怪的月亮
（月亮最大的谜团就是来路不明，到底是地球分娩出来的一个孩子，还是地球从太空俘获的路人，还是二者是从同一团星云中诞生的同胞？）
关于地球起源的这个故事，似乎干净利落，除了一个令人震惊的细节：月球。它太大了，忽视不得；在过去的两个世纪，要想解释它的存在，却是难得离谱。小月亮，容易理解。佛波斯和戴莫斯（Phobos and Deimos），两块城市大小的不规则石头，围着火星转，显然是被俘的小行星。几十个大得多的卫星，绕着更遥远的木星、土星、天王星和海王星转动；与它们的行星主人相比，都是小家伙——远远不到它们主人质量的千分之一。那些卫星中最大的，是由原本构造行星剩下的尘埃和其他下脚料构成的，围着那些气体巨球转，它们构成了宛如具体而微的太阳系。
地球的月亮，与此不同，与地球相比，它太大了：直径超过地球的1/4，质量大约是地球的1/80。如此怪物，其来何自？
历史性的科学，尤其是地球与行星科学，依赖于别出心裁的故事（虽然故事多少是符合事实的）。如果有不止一个故事符合观察结果，那么地质学家常常采取一种谨慎的立场，此所谓“多重作用假说”——喜欢读侦探小说的人，熟悉这个路数。
彪炳史册的阿波罗登月开始于1969年之前，在发现太古的月亮岩石以及对月球内部进行仔细的地质物理学测量之前，三大疑问面对着“大月亮疑案”：第一个广为接受的科学假说，是“分裂说”（“母子说”），由乔治·霍华德·达尔文（名声大不如其博物学家的父亲查尔斯·达尔文）在1878年提出。在乔治·达尔文的方案中，起初熔化状态的地球，围绕地轴旋转，速度太快，对地球又扯又拉，终于把一团岩浆从地面甩到了轨道上（也稍微借助于太阳引力）。这种模型的月亮，是地球的一个骨朵，撇出去了，也自由了。在这个戏剧故事的一个变体中，太平洋海盆仍然是一个透露隐情的标志——地球母亲生孩子时候留下的伤疤。
第二个打擂台的想法，是“捕获说”（“夫妻说”），认为月亮是独自形成的，是较小的小行星；在正在涌现的太阳系中，月亮的邮政号码和地球是一样的。在某个时候，这两个星体靠得太近，较大的地球就捕获了较小的月亮，把它推进了一个环形轨道，这轨道也逐渐稳定下来。贪婪的引力机制，为火星的那些较小的岩石月亮服务得蛮好，那引力有什么理由不伺候地球呢？
第三个假说，“共生说”，设想月亮多多少少是在它目前所在的位置上形成的，材料是地球剩下的下脚料构成的一大团星云，仍然留在轨道上，绕着中间的行星地球转，之后星云物质凝聚浓缩成月球，月球又清空了地球周围其他的剩余物质。这个听似有理的想法，活脱是我们所知道的太阳及其行星故事的翻版，活脱是我们知道的巨大的气体行星及其卫星故事的重演。那是一个司空见惯的主题，在太阳系翻来覆去地演练：较小的物体，是从绕着较大物体的那些由气体、尘埃和岩石构成的云团中逐渐积累起来的。
三个打擂台的假说；哪个是对的？喜欢刨根问底的头脑，得等着从月球岩石中来的资料——来自阿波罗登月的六个地点的840 多磅的标本。
触摸月亮
（直到从月球上采集到了货真价实的岩石和土壤，月球的前世今生才水落石出，就好比找了些生物细胞做了DNA鉴定）
阿波罗登月使命，在许多方面使行星科学脱胎换骨。确实，阿波罗登月是一个无与伦比的展窗，炫耀美国的技术业绩和冒险精神。毫无疑问，登月为军事工业中心提供了强大的推动力。阿波罗激发的无数发明，从小型计算机到聚合物，到果珍饮料，提供了经济动力；由此而来的收益，可以为200 亿美元的登月冒险买单若干次。国家骄傲与竞争“制高点”，才是既破费、又危险的早期月球项目的主因，而非月球科学，这就不叫人惊讶了。
即便如此，在我这一代地球科学家中，对阿波罗登月以及由此得来的地球岩石宝贝带来的冲击力，无论怎么夸张都不过分。就全部人类历史而言， 月亮似在咫尺之外，仅仅在25 万英里之外。在晴朗的夏夜，泛红的满月冉冉升起，此刻你感觉它伸手可及。但是，我们没有标本——没有什么东西告诉我们月球是用什么造的，以及在何时、何处造的。有了第一批月亮标本， 在人类历史上，我们就能货真价实地第一次摸一下月亮（如今到“史密森学院” 去参观的人就能）。
我第一次真正听说月球标本，是在1969—1970 年冬，那时我是麻省理工学院的高年级学生。那是阿波罗11 号探险不到半年之后的事。戏台在几个月之前就搭好了；1969 年7 月24 日，当时第一次踏上月球的几个人凯旋。在月球探险的头几天，担心人类被外来微生物感染，宇航员和标本要遵守严格的免疫政策。因此，当登月舱在夏威夷附近的太平洋面上激起浪花之际， 美国军舰“大黄蜂号”把它捞回来，阿姆斯特朗（Neil Armstrong）、奥尔德林（Buzz Aldrin）和科林斯（Mike Collins）连同他们从空间带回的45 磅无价的石头与土壤，旋即密封在NASA 的“可移动免疫设备”里。从夏威夷， 他们被船运到休斯顿，进了那个暂新的“月球接待实验室”。空间探险家们和他们的宝贵标本坐了将近三个星期的禁闭，免得某种讨厌的东西陪着宇航员来到地球。
阿波罗登月的几次任务，在此后的三年紧锣密鼓地进行。阿波罗12 号登月舱“无畏者”及其宇航员小康拉德（Charles Conrad Jr.）和比恩（Alan Bean），在1969 年11 月19 日触摸到了月球，一星期后返回，带回来大约70 磅月球岩石和土壤，也一溜烟地送到休斯顿的免疫设备里。凭着好运气，我的论文指导老师，才华横溢的大卫·文斯（David Wones），是阿波罗12 号的“月球样本初步调查小组”的成员之一。那一小组科学家，得到了光荣任务，审查第二批宝贵的月球标本，使用的是艺术般级别的分析武器。大卫的拿手好戏是火成岩石学——研究岩浆形成的那些岩石的起源。阿波罗11 号和12 号的全部月球岩石的起源都是火成的，因此他就进了地质学家的乐园。从某种意义上说，那是一个艰难的任务：一个月的大部分时间，他和另外几位兴致勃勃的科学家都给锁了起来，在压力之下，从人类搜集到的最昂贵而重要的一些岩石标本上，归拢坚实的数据。但是，能作为头一批操作另外一个世界的岩石和土壤的人员之一，也令人兴奋得不可想象——来自太空的东西，将一劳永逸地告诉我们月球的起源。
我第一次凑近看月球，是在大卫从休斯顿返回麻省理工学院。我记得， 在“绿楼”12 楼，电梯门开了。大卫出来了，中等个，戴眼镜。一边一个联邦特工：高大魁梧，穿制服，带枪。特工保卫月球标本；在收藏市场上，那些标本值几百万啊。每一毫克都记录在案。大卫看上去疲劳而紧张；他离校很长时间了，他一直受到监控，他还有一个工作要做。
月球标本这个课题提到了日程，此时大多数人立刻想到了月球岩石，那可能是某种厚实之物，你可以抓在手里。但是，月球材料的一个很大部分， 是月球土壤，或者叫风化层，也就是浮土。风化层的细小颗粒，是岩石变来的细尘，你用显微镜也看不清那么小的颗粒——此乃宇宙暴力摧残的结果； 那些宇宙暴力，是从雷霆万钧的小行星轰击，到持续不断的太阳风。这种超级粉末有些奇怪的属性，最可注意的是它碰到什么，就粘附什么，跟复印机里的色粉相似。大卫的任务是把一些这种粉末从一个大瓶子（大约2 号电池大小），转移到三四个小瓶子里（大约7 号电池大小），以便分发给附近的几个实验室。
听起来容易。把粉末从大瓶子倒在一张3 平方英寸的粉纸上，粉纸表明光洁。小心翼翼地用小勺把少量装入小瓶子里。与此相似的操作，大卫做过几百遍，耗时不该超过一分钟。但是，此处的货色值钱得多。缺乏幽默感的保安，分立两侧；一小撮学生也在观望。因此，在倾倒大瓶子的时候，大卫的手开始有点颤了。粘性的粉末粘在瓶壁上，不想出来。他用食指敲打瓶子。不管用。再敲。
接着，突然之间，全部的这些月球尘土——其实不过圆锥巧克力大小的那么一小堆，但在这种情势下，它好像很不少——呼啦一下都出来了，然后噗！尘埃飞起来，溅在大卫手指上，撒出了粉纸的边缘，撒到了桌子上。我们大家都必定吸进了一些弥漫在空气里的月球颗粒。无人说话。
这不是一个真正的灾难，因为没有丢失什么，那些粉末最终也到了小瓶子里，联邦调查局的保安最终离开，把几份样本送到其他实验室。回想起来，我们都认为事情颇为滑稽。几天之后，在试验台上，粉末分份儿就在这里完成，我们为那片3 平方英寸的粉纸装了框子；在月亮尘埃之间，是大卫·文斯左手食指的一个几乎完美的指印。
另外四次阿波罗登月紧随其后，在1972年12月达到高潮：阿波罗17号往返带回取自月球的“金牛座-利特罗山谷”（Taurus-Littrow Valley）的275磅样本。那个地区可能有月球的地震活动。四十年了，无人再返回月球。然而，月球岩石，小心翼翼地保存在无菌的地下室里，地点是NASA在休斯顿的“约翰逊空间中心”的“月球样本大楼”（德克萨斯州圣安东尼的“布鲁克斯空军基地”也有一个重兵把守的藏品库）。那些样本继续为研究者提供大量奇妙的探索机会。
最后一次阿波罗任务几年之后，那些样本为我提供了第一份真正的工作。作为“卡内基学会”的地球物理学实验室的博士后，我的任务是检查阿波罗12号、阿波罗17号和月神20号（此乃苏联三次无人探索中的一次，带回的大约三分之一磅的月球样本）的几堆“细物”。把月球土壤细尘散开，是很多淤泥和沙子大小的颗粒，我的任务是花几小时，用显微镜细审那些颗粒，一点一点的、红红绿绿的漂亮小晶体，以及微小的彩色玻璃体的小金球——那是几十亿年的陨星暴烈轰击下的岩石残留物。
一旦我分离了几十个看来有意思的小颗粒，我就对每一个非同一般的颗粒进行三种分析：首先是单晶的X光衍射，这是要知道我们对付的是哪类晶体。我的大多数研究集中于普通的矿物橄榄石、辉石和尖晶石。如果我发现了一个很好的晶体，我就仔细地摆正它的方向，测量其吸收光谱——晶体吸收不同波长的光。绿色的橄榄石晶体，比方说，一般是吸收红色；与此不同，红色的尖晶石晶体吸收更多的绿色。我还测量那些不一般的玻璃颗粒的光谱，时时注意吸收光谱上的那些能够说明问题的凹凸和扭曲，那表示稀有元素——比方说，铬和钛。我发现了一个625纳米的小颗粒，稍微吸收橘红光，此乃铬元素的特点；它是在月球上产生的，跟地球上的铬颇不相同。这个发现是一个难忘的“我可找到了”（eureka）的时刻。
最后，在X光和光学工作做好之后，我用一种昂贵的分析仪，名为电子微探针，来确定我样本中各元素的精确比例。我一再地确认了别人已经发现了的事情：月球表面的矿物，虽然与地球上的主要元素是相似的，但在细节上与我们在地球表面发现的东西大不相同。月球矿物含有更多的钛；铬也不一样。
阿波罗岩石提供的这些以及其他的新线索，为月球起源的诸多理论提供了严格的检验。首先，事实证明月亮迥异于地球。这意思是：月球的密度是低太多的；月球没有一个巨大而致密的铁核。地核质量占地球全部质量的将近三分之一，但月球的小核仅占其质量不到3%。其次，月亮岩石里几乎没有最易变的那些元素的痕迹——那些元素，每当东西变热，就蒸发掉，如氮、碳、硫和氢，在地表都是寻常之物，在月球尘土中却不见踪影。这种缺乏意味着月球不像地球，地球覆盖着液体水，地球土壤含有丰富的富水矿物，如黏土和云母；阿波罗登月带回的任何东西，都没有含水的矿物。必有某种事情对月球连炒带烤，把易变元素撇除了，因为月球如今是一个绝对干燥的地方。
阿波罗登月的第三个关键发现，基于氧元素；说得更具体些，是基于氧的同位素分布。每一种化学元素，都由原子核中带正电荷的质子数来确定。“氧”仅仅是“有8个质子的那种原子”的一个绰号。原子核里还有第二类粒子，是不带电的中子。宇宙中超过99.7%的氧原子，有8个中子（8个质子加8个中子，就得到所谓同位素氧-16），而比较稀有的同位素有9个或10个中子（分别是氧-17或氧-18），只占不到1%。
氧-16、氧-17和氧-18，就其化学行为而言，其实是相同的——把它们任意混合起来，呼吸之，你不会感觉异样——但是，它们的质量确实是不同的。氧-18比氧-16重一些。因此，每当含氧化合物从固态变为液态，或者从液态变为气态，较轻的氧-16是比较容易变化的。在骚乱的原始太阳系中，三态变化司空见惯，导致氧的各种同位素在数量上变来变去。事实证明：氧-16与氧-18的比例，随着行星的不同而不同，对行星在形成之际与太阳之间的距离很敏感。阿波罗岩石表明月球氧的同位素比例，与地球的其实相同。换言之，地球和月球在形成之际，离太阳的距离必定大体是一样的。
如此一来，这些发现把那三种打擂台的月球形成理论置于何地呢？“共生说”一开始就陷入了麻烦。假如月球是用地球的下脚料制造的，那么月球的平均构成成分就应该和地球相似。确实，月球和地球在氧的同位素方面是相符的，但铁和易变元素大大不同就不可解释了。月球的主要构成成分太不相同了，不可能和地球在大体相同的地方由相同的材料构成。
构成成分上的不一致，也为“捕获说”制造了不可逾越的问题。行星运动的理论模型表明：任何被俘的小行星，必定是在太阳系星云中形成的，它们与地球离太阳的距离是一样的，因此其构成成分也应该与地球大体一样。事实却不是这样。当然，月球大小的物体或许是在太阳系星云的其他区域形成的，因为走了一条与地球轨道交叉的轨道；但是，轨道动力学的计算机模型，要求如此这般的一个月亮，速度要比地球更高，这使得捕获的情节全然不可能发生。
还剩下乔治·霍华德·达尔文的“分裂说”；这个理论能成功地解释相似的氧的同位素构成（地球和月球是一个系统），也能解释铁的不同（地核早已形成，因此形成月球的那一团东西，是早被地球分化出来的那种东西，也就是含铁很少的地幔。）这个理论完美地符合如下事实：月亮总是面对地球：地球的自转与月球的轨道，遵从相同的旋转运动，都围绕着地轴——相同的运动步调。但是，还有一个大问题：月球上如今不存在的那些丢失了的易变元素，哪儿去了？
物理学定律也挡了“分裂说”的路。大约在阿波罗登月那年代，关于行星形成的计算机模型取得了进步，结果理论家能十拿九稳地研究一个飞旋的、地球大小的岩浆球的动力学表现。简而言之，分裂说行不通。地球引力非常强大，不允许一团熔化的岩浆甩到轨道上。实际上，地球若想甩出月亮大小的一团岩浆，那么稀里咣当的地球必须以难以置信的速度绕地轴飞转，大约一小时自转一圈。要发生这种事情，地球和月亮系统根本没有足够的角动量。
简而言之，在阿波罗登月之后，关于月球形成，之前的这三种主要理论都不符合数据。那必定存在另外一种解释。
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