科普园地 | 矿物——生命的基石，文明的使者
引言：矿物是一种石头，通常相貌平平，难以引起人们的注意；然而，它充满了神奇，构架起有机和无机的桥梁，为地球早期生命起源进化提供了基本物质，是推动人类文明进程的使者。人类每一次文明的发展和跨越都离不开对矿物某些特性的认知和利用。
矿物——生命的基石，文明的使者
杨良锋
中国地质博物馆，北京
一、矿物与早期生命起源
人类在地球上生存时间非常短暂，假如没有人类之前的生命起源与演化，就不可能有现在的人类文明。那么，生命是怎么起源的呢？
地球生命的起源一直是自然科学领域的一个重大课题，历来存在宇宙起源和地球本身演化的两种假说。现代地质学研究则更多地支持生命源于地球本身的化学演化。
那么生命是怎么诞生的呢？米勒实验表明，将氢气、氨气、甲烷和水蒸气（假想地球早期大气）等放入容器中并通电引爆（模拟雷电轰鸣）后，在容器中发现了生命存在的形式——蛋白质的形成。从而推定，在早期恶劣的地球无机环境中，地球的生命可以从无机环境中自然演化形成。
事实上，保存在矿物岩石中的地质记录显示，地球形成于46亿年前，那时的地球跟现在完全不一样，到处都是火山喷发、地震活动，而且大气也跟现在不一样。
地球的早期大气源于初始从太阳星云捕获而来的氢气和氦气等。地球形成初期，大量陨石撞击使地球物质中的挥发分释放而形成大量的水和二氧化碳；岩浆活动也可形成水。地球早期的橄榄岩蛇纹石化可形成氢气和甲烷,岩浆活动中形成碳酸钙的过程可能会释放磷。
最新研究还发现矿物具有更神奇的功能：犹如植物在太阳光照射下可以进行光合作用，将光能转化为化学能；天然金属硫化物或氧化物矿物普遍具有半导体特性，吸收太阳光子，释放出电子，这些电子被称为矿物光电子。也就是说，这些矿物能将光能转化为光电子能。而矿物光电子可有效地将大气中的二氧化碳还原为甲酸和甲烷等小分子有机物质，为地球早期生命起源进化提供基本物质。
其实，这些具有光合作用的神奇矿物到处可见。地球上各类土壤和岩石在太阳光的长期照射下，其表面均变成暗色调，这薄薄的表面大约数十纳米到数百微米厚，它主要由水钠锰矿、针铁矿和赤铁矿等铁锰氧化物矿物组成。而水钠锰矿就是一种半导体性能优异的矿物，具有很好的光合作用。地质记录表明，水钠锰矿在蓝藻（最早的产氧光合生物）出现之前就已形成于地球环境中。
早期地球热泉分布广泛, 在这些热泉周围冷却形成的水池中，常见闪锌矿等天然硫化物半导体矿物，这些矿物在太阳光作用下能够合成多种生命起源所必需的有机物质。
更有意思的是，矿物不仅为地球早期生命起源提供了基本物质，而且也为早期生命活动和进化提供了食物。
来自矿物学与微生物学等交叉领域的研究成果表明，微生物与矿物长期共存于地球表层，微生物可以通过分解矿物获得能量和营养，微生物分泌的有机物质还会改变矿物所处的微环境，进而促进矿物溶解和元素的迁移和沉淀。可见当地球上最早的生命形式——微生物出现后，矿物便是微生物的最佳食物！
二、矿物与人类文明
当猿人从拾起第一块石头开始，慢慢认知了坚硬的矿物和岩石，学会了制造工具，开启了旧石器时代。从蓝田人、元谋人、北京人等猿人，到丁村人、许家窑人等古人，再到河套人、山顶洞人等新人，我们的祖先在不断地与大自然作斗争的过程中，充分利用周边的矿物岩石制作各类工具，双手越来越灵巧，最后能制作比较精致的各种各样的石器，如山顶洞人已经能做出小石珠和有孔的小砾石。根据地质与考古发现，虽然时空间上相距很远，但各时期早期人类使用的矿物岩石具有相似性。
距今212万年前的蓝田人主要使用石英岩、脉石英、石英砂岩、黑色燧石，170万年的元谋人主要使用石英岩，50万年前的北京人主要使用脉石英、绿色砂岩、水晶、燧石、蛋白石、石灰岩、泥质岩、火山岩。
如果说，猿人认识矿物岩石，并学会了制作和使用工具，标志着人类与古猿的分化。那么，利用并且能够控制火则是推动人类不断向新的时代迈进。
在元谋人遗址中发现了炭屑和两块黑色的骨头，有学者认为，这是当时人类用火的痕迹。在北京人遗址厚达40多米的堆积物中，发现了不少灰烬，其中有4个较大的灰烬层，最厚处超过6米。在灰烬中还发现了许多被烧过的石头、骨头、朴树籽和一块紫荆木炭。此外，有的灰烬成堆。这些都说明北京人已经能够很好地控制和使用火。元谋人、北京人遗址的发现，表明人类已经能够使用火和保存火种，这在世界范围内的时间是相当早的。
据考证，早期人类取火方式主要有两种：钻燧取火、击石取火。关于钻燧取火，《周书·月令》有更火之文，春取榆柳之火，夏取枣杏之火，季夏取桑柘之火，秋取柞楢之火，冬取槐檀之火。而击石取火，有记载称用燧石敲击含铁的矿石，如黄铁矿等，获得火星以点燃干草；而燧石为硅质岩石，矿物成分为石英、蛋白石或玉髓。
火为人类驱赶了寒冷带来了温暖，还为人类在漫漫长夜中带来了光明；火为人类带来了美食，改变了人类的饮食习惯，并极大地增强了人类的体质。火可以用来焚烧草木，不但使土地肥沃，而且减轻人类劳动的强度，有效提高生产效率。可见，使用和掌握用火，使人类脱离了茹毛饮血的野蛮时代，进入了刀耕火种时代，加快了人类文明的进程。
为了纪念击石取火在人类进化中的重要性，现代运动会的圣火也有采用击石取火的方式采集，如2006年8月27日下午2时30分，在炎帝陵龙珠山圣火台上，石撞击而来的火星最终成湖南省第十届运动会圣火。2007年9月24日，在云南曲靖的珠江源头，一位老人用击石取火，点燃了一位少女手中的火炬，成为第八届全国民族运动会圣火。
随着人类学会制作和使用工具，特别是学会了从大自然寻找和认识矿物后，人类利用矿物不断地制造出更实用、更丰富的各式工具，不断地提升人类自身认识自然、改造自然、创造新的文明的能力，从而从一个文明走向更高一级的文明。利用矿物的相对硬度磨制加工石器，使用黏土矿物烧制陶器，迈向了新石器时代。古人开始从自然铜、蓝铜矿、孔雀石、斑铜矿等矿物中提炼铜，从锡石、黝锡矿中提炼锡和从方铅矿和脆硫锑铅矿中提炼铅等金属用于烧制青铜器时，迎来了青铜器时代。随着偶然捡到铁陨石，进行冶炼，到认识铁矿石和掌握炼铁技术，促进冶炼技术进一步提升，从而人类掌握并开始大规模应用炼铁制器技术，进入了铁器时代。
虽然叩开工业时代大门的不是矿物，是煤炭、石油等能源矿产；但是工业大机器的使用，更加速了对矿物资源的开发利用，数学、物理和化学不断地应用到认识矿物和利用矿物的实践中，催生了现代矿物学的诞生与发展；矿物作为一个学科名词被正式使用，矿物各种物理化学性质陆续被发现、利用，从而创造出更加丰富的物质文明。
固体物理学、晶体学和现代技术的迅猛发展，促进了半导体技术的突破，人类大规模开发使用含硅、锗等矿物资源，生产出涵盖广泛的信息产品，极大地促进了生产力和提升了生活质量，人类进入了信息时代。
现在我们正处于新一轮的技术革命和产业革命，科学家们在探索新材料的进程中，神奇的矿物将发挥更大的作用。例如，碳元素组成不同结构的两种矿物——金刚石与石墨，金刚石晶体特殊性质的开发利用将有望解决量子计算系统核心部件的难题，使量子计算机成为现实；石墨烯具有优异的光学、电学、力学和热学等性质，必将对众多领域产生变革性的影响。
三、矿物与砂锅豆腐
现实生活中，确实很难想象到，矿物与我们有什么关系。
其实，矿物渗透在我们日常生活的方方面面。为了更好地理解矿物与我们日常生活的关系，我们以砂锅豆腐为例，深入剖析一下隐藏在其中的矿物学问题。
如今做饭通常是柴火、煤气灶、电炉子。这些火源均涉及到矿物，以用简单的火柴为例，易燃的火柴头里有磷，它来自磷灰石等富含磷的矿物；电子打火或打火机需要更多的矿物资源。
接下来看看在砂锅豆腐中一起寻觅矿物的踪影。砂锅及瓷勺需要高岭石、石英、长石等矿物，制作豆腐需要石膏，咸淡未离不开盐，盐的主要来源之一是岩盐。
如果我们要打破砂锅问到底，那就能引出更多的矿物学问题、甚至是地质学问题！
砂锅豆腐中的许多蔬菜与矿物有关吗？这些蔬菜作为植物，一种生命，它是什么时候在地球上存在的呢？又是怎么进化而来的呢？
种植蔬菜需要土壤。而土壤来自于岩石的最终风化。并不是所有的岩石均能最终演化为土壤。只有在合适的地形、生物、气候等自然因素，岩石发生自然破碎，逐渐由粗变细，不断演化和发展，最后演变为土壤。它由矿物、有机质以及水分、空气等组成。土壤中组成矿物的种类及其多少不同，对土壤的性质、结构和功能有重要影响。不同的土壤具有不同的矿物和微生物菌落，适合不同的植物生长。不同的作物在不同的土壤中，其产量不同，口感不同。
根据“大爆炸宇宙论”，宇宙大概在138.2亿年前发生大爆炸，不断地演化，形成现在的宇宙。太阳系则形成于50亿年前，地球形成于46亿年前。从地质记录来看，目前已知的最古老的生物是35亿年前海洋里的蓝藻。现在地球上有超过3000万种生命，从花鸟鱼虫到飞禽走兽，包括我们人类自己都来源于同一单细胞的祖先。生命的进化是伴随着地球的演化而不断进行着的。地球一直在不断的运动，地球上的万物也在不断的变化，但是有一样东西，它一直在记录着地球这种不断变化的历史，那就是地球上的各种岩石矿物，它们就是一个个地球历史的档案。
如果将138.2亿年宇宙大爆炸到公元前221年的秦灭六国统一中国作为一年的时间，那么，宇宙大爆炸发生在1月1日零点、4月11日晚上21点21分首批恒星诞生、太阳系在8月21日22点40分形成、地球则在9月1日中午12点13分诞生、地球生命在9月22日下午15点19分诞生了、在12月20日凌晨2点45分植物开始登陆、第二天上午10点27分动物登陆了、哺乳动物在圣诞节后第一天即12月26日傍晚17点出现了、恐龙绝灭则在12月30日早上6点47分绝灭、有关人类的故事都是在这一年的最后一天的最后2个多小时中发生，即晚上21点27分人类诞生、大约1小时以后，即22点28分人类学会了使用石器，炎黄部落大概在23点59分53秒出现，夏朝建立发生在23点59分56秒，而秦灭六国中国统一则发生在最后1秒。
地球是不断演变的，生物是不断进化的，我们现在吃到的家禽、猪牛羊肉、鱼肉、蔬菜等动植物都是生物演化到现今仍能存活的物种，而且是人类不断驯化饲养和培植进化的结果。
其实，矿物也是在不断演化的。地球上矿物的多样性主要是由一系列物理、化学以及生物作用导致的，这些过程自地球形成于星际尘埃开始，至今还活跃在地球各个角落，贯穿了整个地质历史。按照矿物的发展历史，可以大致将地球的演化划分成三个主要的阶段：
首先是地球从太阳系原始星云盘内形成、增生和分异，形成的矿物种数仅有约 300 种；然后是地壳和地幔之间的相互作用阶段，矿物种数发展到了1500 种；最后是生物作用阶段，大氧化事件以及生物活动不仅使得海洋和大气的成分逐渐变化，局部微环境受改造，同时也提供了生物矿化作用这一新成矿途径，在这个阶段，矿物种数直接跃至5000种。
具体到某一个矿物，她其实也是有生命的，有着发芽、生长、形成、变化和消亡等阶段。当湖泊处于干旱气候条件下，发生强烈蒸发时，随着湖泊慢慢干枯，石膏（CaSO4·2H2O）和石盐（NaCl）等依次发育出晶牙，逐渐生长，慢慢形成各自晶体和集合体。最后湖泊干涸，石膏和石盐等被风沙和后来的沉积物掩埋。随着后期降雨等原因有大量水流流入湖泊或被沉积物掩埋的石盐和石膏层中，则石盐晶体和石膏晶体会依次缓慢发生变化，甚至融化消亡，组成矿物的元素钙、硫、氧、氢，又进入了溶液进行新一轮的迁移。
石英和长石则是在地球上广泛分布的常见矿物，在火山活动中经常形成这两种矿物。石英在自然界中不容易被风化，而长石则很容易变成高岭石和石英。
可见，即使是一道的砂锅豆腐，背后就涉及到这么多的矿物，没有矿物，我们就难以享受到现代的美味！
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