碳酸鈣與地球演化
	圖1.條紋鐵礦（國立自然科學博物館館藏標本）	圖2.加拿大大奴湖早原生代（二十多億年前）的疊層石

文／宮守業‧圖／董國安

　正在科博館展出的「碳酸鈣礦物展」不僅展示礦物和生物碳酸鈣外殼的標本，也討論了早期生命的演化和地球大氣層的演化。究竟碳酸鈣礦物和地球的演化有什麼關係？這兩者和生命的演化又有什麼關係？

　地球表面的環境和相鄰的兩個行星─火星和金星顯然不同。火星的大氣層98%為二氧化碳，而且沒有海洋，白晝溫度攝氏20度，夜間溫度攝氏零下90度。金星表面溫度將近攝氏500度，當然更不會有海洋，大氣層95%為二氧化碳。更重要的差異是，地球有生命。

　其實地球形成之初，表面環境和火星、金星相似。可是後來的演化卻完全不同。地球的大氣層由原來幾乎完全是二氧化碳和甲烷，變成含79%的氮，21%的氧和很少量的二氧化碳。為什麼？這和地球有沒有生命也有關係嗎？

蓋婭假設

　傳統的觀念認為，地球之所以有生命，是因為地球的環境適於生命的存在。但最近十幾年來，在生物學界和地質學界愈來愈受重視的「蓋婭假設」卻認為地球的環境之所以適於生命存在，是因為生命的存在改變了地球的環境。

　蓋婭假設認為地球表面的環境，不僅是由物理、化學作用所控制，生物圈也扮演非常關鍵的角色。地球表面的大氣層、海洋之所以是目前的樣子，而和火星、金星不同，是由生物所造成的，也是由生物維持的。

　蓋婭假設最主要的例證是地球早期大氣層的演化。最初，地球表面並沒有氧氣，海洋中溶解了大量的還原鐵。大氣層的主要成份是二氧化碳和甲烷。所以最原始的生命是不需要氧氣的。大約三十多億年前，出現了行光合作用的生物─藍綠菌，呼吸二氧化碳而放出氧氣，逐漸增加海洋與大氣層的氧氣。最早出現的氧把當時溶解在海水中大量的還原鐵氧化而形成條紋鐵礦（圖1）。條紋鐵礦廣泛分布在原生代（25億年前到5億7千萬年前）的岩層中，代表了地球表面環境從缺氧到有氧的變化。經過藍綠菌十幾億年甚至二十幾億年的漫長努力，到原生代晚期，氧氣的含量才接近目前占百分之二十的狀態。

　在藍綠菌改造大氣與海洋的浩大工程中，方解石扮演了關鍵的角色。二氧化碳和甲烷都含有碳原子。在除去地球表面的二氧化碳和甲烷的過程中最大的問題是碳原子的去處。這正是方解石可以大展身手之處，它提供碳原子一個穩定的儲藏庫。

　藍綠菌進行光合作用而吸收二氧化碳時，會引發溶解在海水中的亞碳酸根和鈣離子結合成碳酸鈣，如以下化學式所顯示。

　碳酸鈣會和藍綠菌一起形成層狀的結構，叫做疊層石（圖2）。這個過程會降低海水中亞碳酸根濃度而促使大氣中的二氧化碳溶解在海水中。就這樣，大氣層中的二氧化碳隨著疊層石的形成而減少。

　為什麼非碳酸鈣不可呢？除去大氣層中的二氧化碳有兩種方式。一種是將二氧化碳轉化成碳酸鹽。另一種方式是將二氧化碳轉化成有機碳。但是只要環境中有氧氣的存在，有機碳還是會被氧化為二氧化碳，再度回到大氣層中。只有將碳原子固定在碳酸鈣中，才能有效地去除大氣層中的二氧化碳。

　疊層石廣泛分布在世界各地的原生代岩層中，而大氣中的二氧化碳含量也從生命出現之前可能高於90%逐漸降低到原生代晚期的低於1%，這就是蓋婭假設的最佳證據。

溫室效應

　溫室效應是現在全世界共同面對的環境問題。它和前面所說藍綠菌改變了大氣層的演化的例子，頗有相通之處。

　有些氣體，像二氧化碳，可以讓太陽的熱能穿過大氣層到達地面，但是會阻擋地面反射陽光的熱量。因此，大氣中二氧化碳愈多，地球表面平均溫度就愈高。這就是所謂的溫室效應。人類因為燃燒煤炭、石油而產生了大量的二氧化碳，使得大氣中的二氧化碳的含量一直在增加，由工業革命前大約280ppm，增加到目前大約360ppm。

　其實溫室效應不一定是人為的。在地球的歷史上有很多次發生溫室效應的年代。例如氣候溫暖的白堊紀，當時大氣中的二氧化碳的含量可能高達2000ppm（通常冰河時期大氣中的二氧化碳的含量大約為190ppm，而間冰期大氣中的二氧化碳的含量大約為280ppm）。但地球自有解決之道。一 事不煩二主，還是由碳酸鈣來解決大氣層中過量的二氧化碳。

　大氣中的二氧化碳過高的時候，全球溫度上升，冰河溶解，海平面上升，淹沒大陸棚。溫暖的淺海遍布世界各地，提供了海洋生物理想的生活環境。這些生物，如珊瑚、石灰藻、有孔蟲等，很多是分泌碳酸鈣外殼的。牠們製造碳酸鈣外殼時，就吸收掉大氣中過多的二氧化碳而減緩了溫室效應，如以下化學式所顯示。

　碳酸鈣形成時，結合兩個亞碳酸根，只釋出一個二氧化碳，使海水中亞碳酸根濃度降低，促使更多大氣中的二氧化碳溶於水中。

　化學式(1)和化學式(2)的淨反應就是化學式(3)。每形成一個碳酸鈣分子，就減少一個大氣層中的二氧化碳分子。

　地球歷史上溫暖的年代，例如泥盆紀、白堊紀，都有大量的石灰岩產生，尤其是白堊紀的時候。這個名字的由來，就是因為非常多的石灰岩在那個年代形成。大量石灰岩的形成使得大氣中的二氧化碳濃度漸漸降低，於是地球漸漸恢復涼爽的氣候。珊瑚礁在平衡溫室效應上，扮演非常重要的角色，因此珊瑚礁有海洋中的熱帶雨林之稱。