原標題：科普園地|礦物——生命的基石，文明的使者

引言：礦物是一種石頭，通常相貌平平，難以引起人們的注意；然而，它充滿了神奇，構(gòu)架起有機和無機的橋梁，為地球早期生命起源進化提供了基本物質(zhì)，是推動人類文明進程的使者。人類每一次文明的發(fā)展和跨越都離不開對礦物某些特性的認知和利用。

礦物——生命的基石，文明的使者

楊良鋒

中國地質(zhì)博物館，北京

1

礦物與早期生命起源

人類在地球上生存時間非常短暫，假如沒有人類之前的生命起源與演化，就不可能有現(xiàn)在的人類文明。那么，生命是怎么起源的呢？

地球生命的起源一直是自然科學領域的一個重大課題，歷來存在宇宙起源和地球本身演化的兩種假說。現(xiàn)代地質(zhì)學研究則更多地支持生命源于地球本身的化學演化。

那么生命是怎么誕生的呢？米勒實驗表明，將氫氣、氨氣、甲烷和水蒸氣（假想地球早期大氣）等放入容器中并通電引爆（模擬雷電轟鳴）后，在容器中發(fā)現(xiàn)了生命存在的形式——蛋白質(zhì)的形成。從而推定，在早期惡劣的地球無機環(huán)境中，地球的生命可以從無機環(huán)境中自然演化形成。

事實上，保存在礦物巖石中的地質(zhì)記錄顯示，地球形成于46億年前，那時的地球跟現(xiàn)在完全不一樣，到處都是火山噴發(fā)、地震活動，而且大氣也跟現(xiàn)在不一樣。

地球的早期大氣源于初始從太陽星云捕獲而來的氫氣和氦氣等。地球形成初期，大量隕石撞擊使地球物質(zhì)中的揮發(fā)分釋放而形成大量的水和二氧化碳；巖漿活動也可形成水。地球早期的橄欖巖蛇紋石化可形成氫氣和甲烷,巖漿活動中形成碳酸鈣的過程可能會釋放磷。

最新研究還發(fā)現(xiàn)礦物具有更神奇的功能：猶如植物在太陽光照射下可以進行光合作用，將光能轉(zhuǎn)化為化學能；天然金屬硫化物或氧化物礦物普遍具有半導體特性，吸收太陽光子，釋放出電子，這些電子被稱為礦物光電子。也就是說，這些礦物能將光能轉(zhuǎn)化為光電子能。而礦物光電子可有效地將大氣中的二氧化碳還原為甲酸和甲烷等小分子有機物質(zhì)，為地球早期生命起源進化提供基本物質(zhì)。

其實，這些具有光合作用的神奇礦物到處可見。地球上各類土壤和巖石在太陽光的長期照射下，其表面均變成暗色調(diào)，這薄薄的表面大約數(shù)十納米到數(shù)百微米厚，它主要由水鈉錳礦、針鐵礦和赤鐵礦等鐵錳氧化物礦物組成。而水鈉錳礦就是一種半導體性能優(yōu)異的礦物，具有很好的光合作用。地質(zhì)記錄表明，水鈉錳礦在藍藻（最早的產(chǎn)氧光合生物）出現(xiàn)之前就已形成于地球環(huán)境中。

早期地球熱泉分布廣泛, 在這些熱泉周圍冷卻形成的水池中，常見閃鋅礦等天然硫化物半導體礦物，這些礦物在太陽光作用下能夠合成多種生命起源所必需的有機物質(zhì)。

更有意思的是，礦物不僅為地球早期生命起源提供了基本物質(zhì)，而且也為早期生命活動和進化提供了食物。

來自礦物學與微生物學等交叉領域的研究成果表明，微生物與礦物長期共存于地球表層，微生物可以通過分解礦物獲得能量和營養(yǎng)，微生物分泌的有機物質(zhì)還會改變礦物所處的微環(huán)境，進而促進礦物溶解和元素的遷移和沉淀�？梢姰�?shù)厍蛏献钤绲纳�命形�?mdash;—微生物出現(xiàn)后，礦物便是微生物的最佳食物！

２

礦物與人類文明

當猿人從拾起第一塊石頭開始，慢慢認知了堅硬的礦物和巖石，學會了制造工具，開啟了舊石器時代。從藍田人、元謀人、北京人等猿人，到丁村人、許家窯人等古人，再到河套人、山頂洞人等新人，我們的祖先在不斷地與大自然作斗爭的過程中，充分利用周邊的礦物巖石制作各類工具，雙手越來越靈巧，最后能制作比較精致的各種各樣的石器，如山頂洞人已經(jīng)能做出小石珠和有孔的小礫石。根據(jù)地質(zhì)與考古發(fā)現(xiàn)，雖然時空間上相距很遠，但各時期早期人類使用的礦物巖石具有相似性。

距今212萬年前的藍田人主要使用石英巖、脈石英、石英砂巖、黑色燧石，170萬年的元謀人主要使用石英巖，50萬年前的北京人主要使用脈石英、綠色砂巖、水晶、燧石、蛋白石、石灰?guī)r、泥質(zhì)巖、火山巖。

10多萬年前的丁村人主要使用角頁巖、玄武巖，10萬年前的許家窯人主要使用脈石英、石英巖、燧石、蛋白石和水晶，5萬年前的河套人主要使用紅色石英巖、硅質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)泥巖、霏細斑巖、白云巖、黑色硅質(zhì)巖、瑪瑙、赭石色燧石，1-1.9萬年前的山頂洞人主要使用黑色火成巖、赤鐵礦、石墨。

如果說，猿人認識礦物巖石，并學會了制作和使用工具，標志著人類與古猿的分化。那么，利用并且能夠控制火則是推動人類不斷向新的時代邁進。

在元謀人遺址中發(fā)現(xiàn)了炭屑和兩塊黑色的骨頭，有學者認為，這是當時人類用火的痕跡。在北京人遺址厚達40多米的堆積物中，發(fā)現(xiàn)了不少灰燼，其中有4個較大的灰燼層，最厚處超過6米。在灰燼中還發(fā)現(xiàn)了許多被燒過的石頭、骨頭、樸樹籽和一塊紫荊木炭。此外，有的灰燼成堆。這些都說明北京人已經(jīng)能夠很好地控制和使用火。元謀人、北京人遺址的發(fā)現(xiàn)，表明人類已經(jīng)能夠使用火和保存火種，這在世界范圍內(nèi)的時間是相當早的。

據(jù)考證，早期人類取火方式主要有兩種：鉆燧取火、擊石取火。關于鉆燧取火，《周書·月令》有更火之文，春取榆柳之火，夏取棗杏之火，季夏取桑柘之火，秋取柞楢之火，冬取槐檀之火。而擊石取火，有記載稱用燧石敲擊含鐵的礦石，如黃鐵礦等，獲得火星以點燃干草；而燧石為硅質(zhì)巖石，礦物成分為石英、蛋白石或玉髓。

火為人類驅(qū)趕了寒冷帶來了溫暖，還為人類在漫漫長夜中帶來了光明；火為人類帶來了美食，改變了人類的飲食習慣，并極大地增強了人類的體質(zhì)。火可以用來焚燒草木，不但使土地肥沃，而且減輕人類勞動的強度，有效提高生產(chǎn)效率�？梢�，使用和掌握用火，使人類脫離了茹毛飲血的野蠻時代，進入了刀耕火種時代，加快了人類文明的進程。

為了紀念擊石取火在人類進化中的重要性，現(xiàn)代運動會的圣火也有采用擊石取火的方式采集，如2006年8月27日下午2時30分，在炎帝陵龍珠山圣火臺上，石撞擊而來的火星最終成湖南省第十屆運動會圣火。2007年9月24日，在云南曲靖的珠江源頭，一位老人用擊石取火，點燃了一位少女手中的火炬，成為第八屆全國民族運動會圣火。

隨著人類學會制作和使用工具，特別是學會了從大自然尋找和認識礦物后，人類利用礦物不斷地制造出更實用、更豐富的各式工具，不斷地提升人類自身認識自然、改造自然、創(chuàng)造新的文明的能力，從而從一個文明走向更高一級的文明。利用礦物的相對硬度磨制加工石器，使用黏土礦物燒制陶器，邁向了新石器時代。古人開始從自然銅、藍銅礦、孔雀石、斑銅礦等礦物中提煉銅，從錫石、黝錫礦中提煉錫和從方鉛礦和脆硫銻鉛礦中提煉鉛等金屬用于燒制青銅器時，迎來了青銅器時代。隨著偶然撿到鐵隕石，進行冶煉，到認識鐵礦石和掌握煉鐵技術(shù)，促進冶煉技術(shù)進一步提升，從而人類掌握并開始大規(guī)模應用煉鐵制器技術(shù)，進入了鐵器時代。

雖然叩開工業(yè)時代大門的不是礦物，是煤炭、石油等能源礦產(chǎn)；但是工業(yè)大機器的使用，更加速了對礦物資源的開發(fā)利用，數(shù)學、物理和化學不斷地應用到認識礦物和利用礦物的實踐中，催生了現(xiàn)代礦物學的誕生與發(fā)展；礦物作為一個學科名詞被正式使用，礦物各種物理化學性質(zhì)陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)、利用，從而創(chuàng)造出更加豐富的物質(zhì)文明。

固體物理學、晶體學和現(xiàn)代技術(shù)的迅猛發(fā)展，促進了半導體技術(shù)的突破，人類大規(guī)模開發(fā)使用含硅、鍺等礦物資源，生產(chǎn)出涵蓋廣泛的信息產(chǎn)品，極大地促進了生產(chǎn)力和提升了生活質(zhì)量，人類進入了信息時代。

現(xiàn)在我們正處于新一輪的技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命，科學家們在探索新材料的進程中，神奇的礦物將發(fā)揮更大的作用。例如，碳元素組成不同結(jié)構(gòu)的兩種礦物——金剛石與石墨，金剛石晶體特殊性質(zhì)的開發(fā)利用將有望解決量子計算系統(tǒng)核心部件的難題，使量子計算機成為現(xiàn)實；石墨烯具有優(yōu)異的光學、電學、力學和熱學等性質(zhì)，必將對眾多領域產(chǎn)生變革性的影響。

３

礦物與砂鍋豆腐

現(xiàn)實生活中，確實很難想象到，礦物與我們有什么關系。

其實，礦物滲透在我們?nèi)粘Ｉ�活的方方面面。為了更好地理解礦物與我們?nèi)粘Ｉ�活的關系，我們以砂鍋豆腐為例，深入剖析一下隱藏在其中的礦物學問題。

一份美味的砂鍋豆腐，需要火、砂鍋、豆腐及各類蔬菜、勺子和筷子。這里面就需要豐富的礦物資源。

如今做飯通常是柴火、煤氣灶、電爐子。這些火源均涉及到礦物，以用簡單的火柴為例，易燃的火柴頭里有磷，它來自磷灰石等富含磷的礦物；電子打火或打火機需要更多的礦物資源。

接下來看看在砂鍋豆腐中一起尋覓礦物的蹤影。砂鍋及瓷勺需要高嶺石、石英、長石等礦物，制作豆腐需要石膏，咸淡味離不開鹽，鹽的主要來源之一是巖鹽。

如果我們要打破砂鍋問到底，那就能引出更多的礦物學問題、甚至是地質(zhì)學問題！

砂鍋豆腐中的許多蔬菜與礦物有關嗎？這些蔬菜作為植物，一種生命，它是什么時候在地球上存在的呢？又是怎么進化而來的呢？

種植蔬菜需要土壤。而土壤來自于巖石的最終風化。并不是所有的巖石均能最終演化為土壤。只有在合適的地形、生物、氣候等自然因素，巖石發(fā)生自然破碎，逐漸由粗變細，不斷演化和發(fā)展，最后演變?yōu)橥寥�。它由礦物、有機質(zhì)以及水分、空氣等組成。土壤中組成礦物的種類及其多少不同，對土壤的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能有重要影響。不同的土壤具有不同的礦物和微生物菌落，適合不同的植物生長。不同的作物在不同的土壤中，其產(chǎn)量不同，口感不同。

根據(jù)“大爆炸宇宙論”，宇宙大概在138.2億年前發(fā)生大爆炸，不斷地演化，形成現(xiàn)在的宇宙。太陽系則形成于50億年前，地球形成于46億年前。從地質(zhì)記錄來看，目前已知的最古老的生物是35億年前海洋里的藍藻�，F(xiàn)在地球上有超過3000萬種生命，從花鳥魚蟲到飛禽走獸，包括我們?nèi)祟愖约憾紒碓从谕�一單細胞的祖先。生命的進化是伴隨著地球的演化而不斷進行著的。地球一直在不斷的運動，地球上的萬物也在不斷的變化，但是有一樣東西，它一直在記錄著地球這種不斷變化的歷史，那就是地球上的各種巖石礦物，它們就是一個個地球歷史的檔案。

如果將138.2億年宇宙大爆炸到公元前221年的秦滅六國統(tǒng)一中國作為一年的時間，那么，宇宙大爆炸發(fā)生在1月1日零點、4月11日晚上21點21分首批恒星誕生、太陽系在8月21日22點40分形成、地球則在9月1日中午12點13分誕生、地球生命在9月22日下午15點19分誕生了、在12月20日凌晨2點45分植物開始登陸、第二天上午10點27分動物登陸了、哺乳動物在圣誕節(jié)后第一天即12月26日傍晚17點出現(xiàn)了、恐龍絕滅則在12月30日早上6點47分絕滅、有關人類的故事都是在這一年的最后一天的最后2個多小時中發(fā)生，即晚上21點27分人類誕生、大約1小時以后，即22點28分人類學會了使用石器，炎黃部落大概在23點59分53秒出現(xiàn)，夏朝建立發(fā)生在23點59分56秒，而秦滅六國中國統(tǒng)一則發(fā)生在最后1秒。

地球是不斷演變的，生物是不斷進化的，我們現(xiàn)在吃到的家禽、豬牛羊肉、魚肉、蔬菜等動植物都是生物演化到現(xiàn)今仍能存活的物種，而且是人類不斷馴化飼養(yǎng)和培植進化的結(jié)果。

其實，礦物也是在不斷演化的。地球上礦物的多樣性主要是由一系列物理、化學以及生物作用導致的，這些過程自地球形成于星際塵埃開始，至今還活躍在地球各個角落，貫穿了整個地質(zhì)歷史。按照礦物的發(fā)展歷史，可以大致將地球的演化劃分成三個主要的階段：

首先是地球從太陽系原始星云盤內(nèi)形成、增生和分異，形成的礦物種數(shù)僅有約 300 種；然后是地殼和地幔之間的相互作用階段，礦物種數(shù)發(fā)展到了1500 種；最后是生物作用階段，大氧化事件以及生物活動不僅使得海洋和大氣的成分逐漸變化，局部微環(huán)境受改造，同時也提供了生物礦化作用這一新成礦途徑，在這個階段，礦物種數(shù)直接躍至5000種。

具體到某一個礦物，她其實也是有生命的，有著發(fā)芽、生長、形成、變化和消亡等階段。當湖泊處于干旱氣候條件下，發(fā)生強烈蒸發(fā)時，隨著湖泊慢慢干枯，石膏（CaSO₄·2H₂O）和石鹽（NaCl）等依次發(fā)育出晶牙，逐漸生長，慢慢形成各自晶體和集合體。最后湖泊干涸，石膏和石鹽等被風沙和后來的沉積物掩埋。隨著后期降雨等原因有大量水流流入湖泊或被沉積物掩埋的石鹽和石膏層中，則石鹽晶體和石膏晶體會依次緩慢發(fā)生變化，甚至融化消亡，組成礦物的元素鈣、硫、氧、氫，又進入了溶液進行新一輪的遷移。

石英和長石則是在地球上廣泛分布的常見礦物，在火山活動中經(jīng)常形成這兩種礦物。石英在自然界中不容易被風化，而長石則很容易變成高嶺石和石英。

可見，即使是一道的砂鍋豆腐，背后就涉及到這么多的礦物，沒有礦物，我們就難以享受到現(xiàn)代的美味！

本文已在《礦物巖石地球化學通報》2020年第5期刊出