地月“遗传学”

肖恩·雷蒙德　高鹏

想象一下，对两位看上去长得极其相似的人进行一次遗传学检查。检查结果显示，这两个人的遗传指纹几乎完全相同。这意味着什么？他们会不会是一对由于医院的失误而分开，从此失散多年的兄弟呢？

地球和月球之间也存在同样的问题，在同位素水平上（对岩石来说，同位素水平就相当于岩石的“遗传学”水平），地球和月球在本质上是完全相同的。这一问题已经困扰了科学家数十年。对月球的起源来说，这一点肯定意味着什么，但究竟是什么呢？

在过去的百余年中，天文学家对月球是如何形成的已经提出了好几种理论：捕获说，月球是一个被地球引力捕获的流浪行星；分裂说，早期的地球旋转得太快了，甩出了月球；大碰撞说，年轻的地球与另一颗正在成长的中行星发生了碰撞，从而创造了月球。近年来，大碰撞说已经成为优选模型。

大碰撞说与我们目前了解的整个太阳系的形成理论相契合，即太阳系的各大行星都是由围绕着年轻太阳的气体和尘埃盘积聚而成的。地球和其他行星都是在一系列的碰撞中成长起来的，以尘埃粒子聚集为起点，直至两个行星大小的天体相碰撞，从而达到最高潮。在最后一次巨大的碰撞中，正在成长中的地球被卷入其中。这次大碰撞在造就一个新地球的同时，也将大量岩石碎屑抛入太空，围绕着新地球的轨道运行，形成碎屑盘，并由此催生了月球。大碰撞模型是如此受欢迎，以至于人们为卷入此次大碰撞的两个天体都起了名字：原始地球（地球的前身）和忒伊亚星球（撞击原始地球的天体，以古希腊女神忒伊亚的名字命名。在古希腊神话中，忒伊亚是月球的母亲）。

为了更好地理解这两个天体，我们需要查看一下它们的“遗传学”信息，以搞清它们的来龙去脉。在这里，“遗传学”信息指的是对同一元素的不同同位素进行精确的地球化学测量。对地球化学测量来说，氧元素尤其重要，因为它有三种稳定的同位素。精确测量显示，地球和月球具有完全相同的氧同位素指纹，也就是说，氧的不同同位素的相对丰度几乎完全一致。直到2014年，人们才第一次在地球和月球的岩石中检测到氧同位素的细微差别。这个差别只有地球岩石与火星岩石在氧同位素上差别的1/30。

在大碰撞说中，人们一般认为原始地球和忒伊亚星球的氧同位素特征是不同的，这是因为每一个行星的同位素特征都是由其轨道决定的。由此我们可以推测，要使两颗行星获得几乎完全相同的同位素特征只有一种方式，那就是这两颗行星几乎形成于同一个轨道，而这与我们通常认为的行星的成长方式不相符。但是，如果地球和忒伊亚星球有着不同的同位素指纹，那么地球和月球为什么会有同样的同位素指纹呢？

有关这一问题，现在有几个潜在的解释，但它们都需要一些“恰到好处”的前提条件方可成立。但是，很明显，这些条件都是几乎不可能的。其中一个可能的解释是，月球是由原始地球和忒伊亚星球各出一半混合形成的。然而，计算机模拟显示，对大多数碰撞来说，最终聚集在一起形成类似月球的天体的碎屑盘，其物质主要来自诸如忒伊亚星球一类的天体，只有10%至40%的物质来自诸如地球一类的天体。另一个可能的解释是，形成月球的碎屑盘在大碰撞后与地球间实现了化学平衡。要使月球的化学指纹与地球相同，这一平衡必须真实发生。但最近的计算表明，实现这一平衡所经历的时间，要远远大于月球形成需要的时间。因此，这一理论也是行不通的。

在2015年4月第9期的《自然》杂志上，亚历山德拉·玛斯特鲁布诺·巴蒂斯蒂、哈盖·佩列茨和我，共同对这一长期困扰人们的难题给出了一种新的解释。前提很简单：忒伊亚星球和原始地球拥有相同的化学组成。如果这是真的，大碰撞后将不可避免地形成一个与地球的组成完全一样的月球。

为了验证这一设想，我们对地球和其他岩质行星的形成进行了一系列的计算机模拟。这些模拟围绕环绕年轻太阳运行着的、有成千上万个岩质天体的碎屑盘进行。在大约1亿年的时间里，这些较小的天体相互碰撞、成长，最终形成了四颗行星，其中一颗与地球有着直接的血缘关系，另外三颗也是类地行星。

每一次模拟都会产生一颗类地行星：与地球差不多大小，其轨道也离地球轨道很近。我们通过调查每一颗模拟行星是由哪些实体组成，以及“哺育”它们的地带，追查了每一颗模拟行星的血统。如果一颗行星是由一条狭窄地带“哺育”的，那么它只能从一个狭窄的环状区域吸收物质。与此相反，如果一颗行星是由一个宽广的地带“哺育”的，它就可以通过与形成于不同轨道的其他天体相碰撞而长大，也就是说，它可以从一个宽广的盘状区域吸收物质。

其实很简单，一个行星的化学指纹图谱，就是这个星球在成长过程中吸收的所有天体的化学指纹的汇总。换句话说，“哺育”一颗行星的区域决定其化学特征。我们考察了模拟出的每一颗类地行星的成长过程，尤其是每一颗此类行星的最后一次大碰撞，即类似于原始地球和忒伊亚星球的那次大碰撞。我们对这些天体在碰撞前后所处的“哺育”地带进行了计算，发现事情变得相当有趣。

值得注意的是，原始地球和模拟的忒伊亚星球往往共享一个“哺育”地带。在碰撞之前它们已经成长了起来，并且有着相同的分布组成。这一现象并不是在每一次模拟中都会发生，但是出现的概率十分稳定，大约每4次模拟中就会出现1次。这就意味着，我们构想的情节的确可能发生：在忒伊亚星球和原始地球碰撞之前，它们就拥有了相同的同位素（基因）指纹，这意味着地球和月球应该也拥有同样的指纹。两位邻居拥有相同的基因，并不是因为他们是失散多年的兄弟，而是因为他们的祖先具有相同的物质构成。

在我们进行的计算机模拟中，“哺育”了忒伊亚星球的地带，几乎总是与“哺育”了原始地球的地带非常相似，它们之间的相似度远胜于“哺育”了其他邻近行星的地带。我们知道，火星的同位素指纹与地球和月球的同位素指纹完全不同，这一点与我们的上述模拟结果完美契合。

最后还有一个小问题，出现在利用我们建立的数学模型计算行星的实际同位素特征上。这么做是为了确证地球和月球具有相同的同位素指纹，并计算出其中的差异水平。但是这一情况很棘手，因为我们不知道起始条件是什么，不知道太阳的行星形成盘的化学梯度是怎样的。坦率地说，我们对此一无所知。通过简单的假设，我们发现，在计算机模拟中可以提供一个很好的匹配的可能性为10%至25%。当然，关于这一步也有一些争论，因为由内森·凯伯和尼克·考恩进行的另一项研究得出了不同的结论：原始地球和忒伊亚星球的一个延伸带足以生成地球和月球。我们之间的分歧既十分微妙，又十分重要，目前我们正致力把这种分歧理清。

现在你明白了吧。地球和月球拥有同样的同位素指纹，也许是在告诉我们原始地球和忒伊亚星球拥有共同的起源。早在大碰撞发生之前，它们的化学特征就已经相同了，它们是吸收了相同的原材料成长起来的。这要感谢行星基因学，它使得我们可以确信：“是的，我们就是知道。”