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【引言】
为了能更清楚地明白矿物质从地球诞生到成为五界生物结构的一部分这个过程，借助本实验证实了四个关于矿物形成的假设，这对我们了解矿物对地球起源以及生命的影响是有帮助的。
地球上最早形成矿物时所涉及的化学元素合成过程，
ii) 导致地球上矿物形成的那些因素，
矿物作为首个生物分子合成的根基的重要性，以及矿物在先驱生物里的作用，对不同界生物结构中所含矿物的机理进行了阐释。
iv) 构建模型以模拟矿物参与首个生物分子合成的机理。
用这种办法，我们能更清楚地明白前寒武纪微化石的形态特点（像球体、亚球体以及半球体之类的），并且把它们当作生物形态的中空矿物生长物的一种模仿。
在地球形成那会儿，矿物那可是起着超级重要的作用，这作用可广，涉及到水圈、岩石圈的形成，还有地球各个组成部分的形成，甚至跟生命的起源、演化以及维持都有关系。
在生命的起源过程里，矿物承担着集中、排列的任务，还充当起模板和催化剂的角色，能促使第一批生物分子之间形成键，进而形成聚合物。
矿物质能够保护有机复合物，让它们不会受到紫外线辐射和水解的影响，在前寒武纪这个紫外线辐射很厉害的时期，它起到了保护生命的关键作用。
【一、关于寒武纪时期前地球形态的分析推断】
寒武纪那时候，地球还有大气的成分跟现在不一样。除了大气一直富含着 CO2 这个特点之外，那些天体老是来影响，所以高温到处都有。
通过对前寒武纪沉积物（涵盖太古代和早元古代的石灰岩与菱铁矿，以及中晚元古代的白云石和菱镁矿）里硅元素的成分展开分析研究后得知，在太古代和早元古代那会儿，地球展现出偏酸性的特点，这是由于大气主要由 CO2、SO2、HCl 和 Cp 构成，几乎没有氧气存在。
大气里的(129)Xe 跟(132)Xe 的比率以及锆石碎屑，为早期陆地表面存在海洋给出了证据。
通过研究保存下来的化石和结晶矿物，我们能做出些推断，这对确定矿物在地球上的形成方式，以及生命在前寒武纪条件下的起源，评估矿物在先驱生物体出现中的作用很关键。
矿物有着特殊的关联性，为啥，因为和岩石不一样，矿物是天然的物质，它有明确的化学成分，在自然界里那可是完全无机的，里面可没有有机物质或者有机体的一部分哦，而且通常还带有晶体结构。
岩石是由矿物或者非矿物组成的集合体，这里面可能会有有机物的残留物，像生物体的一部分啥的。这些岩石没有特定的化学成分，也不像矿物那样有着重复的原子排列。
【二、前寒武纪矿物及其化学元素的形成与演变】
前寒武纪时期的一些矿物形成，是因为当时普遍存在的大气条件所导致的。
经过好些年的研究，大家都觉得地球上最先有的那些化学元素，是由恒星核合成（也就是大爆炸核合成）给弄出来的，这里面有同位素形式的氢、氦，还有少量的锂和铍。
矿物得在元素重新组合并且释放能量的时候才会形成，这种重新排列，就只能在具备特定化学特性的元素上面发生，这些元素会进到晶体结构里面去。
这些化学上的差异在高温的情形下不是很明显，原本的地球那高温给矿物的演化创造了很合适的条件。
在矿物的演化进程里，能把它分成四个阶段，最后就有了咱们现在了解的那些各种矿物：1）是在太阳系还没形成之前的星云中生成的铀矿；2）是在球粒陨石里被发现的矿物（属于非金属矿物）；3）是在冥古时期形成的矿物（冥古时期可是前寒武纪的首个时期哦，那会儿太阳系大概率正在形成，我们觉得生命就是从这个时期开始的）；4）是在冥古时期之后形成的矿物。
这些阶段里头的首个阶段是在超新星以及红巨星的核里面发生的。
最早形成的矿物，因为成分丰富且凝结温度较高，所以被叫做「某某」，这里面有金刚石、石墨、莫桑石、奥斯华石、镍铁矿、金红石、柯林石、尖晶石、锂钙钛矿、镁橄榄石和顽火辉石。
接下来这个阶段叫陨石矿物阶段，大概有 60 种原生矿物组合在一起，通过同位素年代测定，确定这些矿物是在太阳系原始行星盘中形成的，像碳质或球粒陨石里富含钙和铝的结壳也在其中哦。
到现在为止，在陨石里头已经找出了 435 多种矿物，这种矿物的多样性形成，是因为地球历史上经历的好多自然过程，像恒星气体周围的凝结、太阳星云中的凝聚、结晶、水相变化之类的。
下一个阶段发生在原始地球上，也就是冥古时期形成的那些矿物。
这些矿物是由火成岩的演化形成的，这个阶段在行星积累完之后就马上开始了（陨石里的矿物会成为地球上的首批矿物）。
地球地壳的演化过程会被撞击事件给打乱，并且月球的形成也会带来影响。
岩浆海洋之后有很剧烈的火山活动，这成了创造各种生命的核心矿物物质，还为能处理石灰岩、碳酸盐、铁以及富含蒸发物的沉积物的水圈 - 大气系统提供了条件。
这些条件都对石英、斜长石和黑云母的存在有好处；少量的锆石、钛石、磷灰石、石榴石、硫磺以及 425 种矿物在冥古-太古代时期就出现了。
最后，后冥王星阶段那可是矿物演化的超级大阶段（总共 5000 种矿物），为啥这么说，因为它跟第一批生物的出现是一块儿发生的，这都是水圈 - 大气系统带来的变化导致的，像向含氧大气的那种变化环境、碳的埋藏、硅酸盐的沉淀，还有带状铁矿层 (BIF) 啥的，这些就给现有的矿物多样化创造出了好的环境。
在最后的进化阶段，跟矿物进化紧密相关的那个事儿，就是「大氧化事件」（GOE）。
在 GOE 之前，有些元素和矿物都被限定在氧化状态，这就妨碍了新矿物有可能的组合以及形成；等到从含氧环境变成氧化环境的时候，好几种元素就进入了好多不同的氧化状态，这样就使得地球上的矿物变得超级多样化。
现在，有记载说，最早被记录的那批矿物是在西澳大利亚的杰克山地层里被发现的小锆石哦，能追溯到冥古宙，大概是 4.4 Ga ，那里的结壳有石英、白云母、黑云母、钠长石啥的，已经被发现。
地球经历了像火山活动、脱气、分馏结晶之类的几个地球化学过程，这使得陆地皮层中形成了 1500 多种不一样的矿物物种，还形成了火成岩岩石。
因为行星内部温度高，一开始富含硅的玄武岩皮层里的硅酸铁和硅酸镁熔化后就形成了花岗岩；这种部分熔化一直持续着，而且像 Li、Be、B、Nb、Ta 和 U 这些元素的浓度，也衍生出了差不多 500 种新矿物。
形成矿物质的关键因素是水圈，因为在前寒武纪那段时间，大气里高浓度的 CO2 让海水中也有了高浓度的 CO(2)，使得海洋的 pH 值呈酸性，至少在火山喷发释放钙、钠和铁之前是这样的，然后 pH 值发生变化，一直到达到 8 到 9 这样的碱性水平。
在 3.2 Ga 以前，海洋是分层的，表面那地方富含着由光解反应产生的大气中的硫酸盐，可底层，一直都是缺氧且硫酸盐匮乏的状态；从这之后，在 3.2 Ga 到 2.4 Ga 这段时间里，硫酸盐通过还原反应从表面消失，这就使得海洋从均匀性变成了还原条件，硫酸盐含量变低了，铁含量却升高了。
在水圈演化过程中，陆地地幔上层成分的变化很重要，因为尽管海洋中生命演化所需的大部分养分是通过降水、陆地皮层的侵蚀和不同的大陆和构造运动可能影响了这些营养物质在海洋中的分布方式。
前寒武纪沉积物（太古宙和早元古代的石灰岩和菱铁矿，中晚元古代的白云石和菱镁矿）中二氧化硅元素的成分分析表明，在太古宙和早元古代，地球由于大气主要由 CO2、SO2、HCl 和 Cp组成，并且几乎没有氧气，因此呈现出一个主要为酸性的环境。
铁地层是二氧化硅沉积岩富含铁，在前寒武纪沉淀在海床中，并作为海洋成分的指标，因为它们源自铁离子。
除了水圈-大气系统之外，原始地球的另一个组成部分是岩石圈，它被定义为地球的外层、坚硬的岩石层，通常由硅酸盐构成，延伸至大约 100 公里的深度。
原岩石圈被觉得是在月球起源的那次撞击之后才形成的，因为表面上现有的岩浆冷却掉；最初的皮质主要是由富含铝的超基性岩或者超基性岩构成的硅酸盐，它比现在的皮层要薄一些，也更不连续。
现在，超基性岩属于火成岩和变质火成岩，它的硅含量特别低，低到低于 45%，而且富含 FeO 和 MgO，钾的含量也不高哦。
古地磁学主要是去搜寻和解读岩石在形成时候的磁性，它主要研究的是火成岩（也就是熔岩）和海洋沉积物这两类。火成岩虽然不是连续的，不过磁化的程度比较高；而那些沉积物，虽然磁强度比较低，但是能提供跟不同深度相关的强度信息哦，这些深度是对应着不同时期的。
在非洲南部发现的科马提岩（那种富含镁的熔岩）中，首次出现了磁性的迹象，时间大约是 35 亿年前，那里面描绘了磁化的残留。只要这些岩石没超过居里点（也就是矿物失去磁性的那个温度），这种磁化就能维持好几百万年。
地球的磁场是因为发电机产生的磁偶极子才出现的，而那磁偶极子，又是地球固体铁质中心周边由轻元素构成的液体中心流动导致的；地层的记录显示，这种机制从 3.4 Ga 之前就已经有。
在最初的地球上，这个模型会引发一些状况，地球持续不断地冷却，不会让中心快速地冷却并凝固来维持这个场。
【三、矿物质作为第一个生物分子合成基础的意义】
前寒武纪那会儿的大气条件，像水蒸气、高紫外线辐射、CO2 、Cp 、p 这类气体，还有电雷暴以及矿物质，这些都能让第一个生物分子合成出来，接着从那儿又合成出了第一个生物体。
在之前的研究里，科学家们觉得岩石以及组成它们的矿物，还有物理、化学和环境这些条件，对第一批生物的起源是有利的。
凭借地质方面的证据以及像系统发育学这类的现代工具，生命的起源能够追溯到我们的星球开始的时候以及它的快速演化过程，生命经历了八个巨大的轨迹，其中有四个出现在前寒武纪：
第一个是 3.0 到 3.3 Ga 乃至 3.85 Ga 之前原生命开始兴起。
ii) 接下来的阶段是原核单元作为地球生命的原本样式，
iii) 第三种情况是真核单元在 1.8Ga 左右通过内共生过程而发育形成的。
iv) 那种有多个单元组成的生物出现了。
对于第一个有机体的出现，得有一个组织以及一个屏障，这样就能把它跟它所处的环境给区分开。
其中上层结构是由一些低分子量的生物有机化合物构成的，像 CO、CO2、COS、NH、pS、N2、p 以及 HCN 这些物质，它们会结合到在原始地球所具备的沉淀、碱性 pH 值、高压以及温度等条件下所形成的物质中。
这个组织系统后来发展成了单元膜，就跟现在大家所知道的那样。它提出膜是通过脂质的堆积而生长的，并且能覆盖比亚结构更大的表面积；膜上会有洞穴，推测这是因为无机材料导致的。
这些条件加上那缓慢且复杂的进化过程，就使得越来越复杂的生物体得以发展。
在第一个生物现身之前，肯定有原生物或者核单元，这些是功能受限的生物实体，有着 RNA 当作信息分子，还有一种原代谢以及一种原始膜，能让对于划分的事儿开始起来，除了不太精确的翻译过程之外，最终就会造就目前所说的第一个生物体系统。
这第一个生物，也就是最后的普遍共同祖先（LUCA），它是一种具有特定特征的生物体。这种特征就是从简单地使用 RNA ，慢慢发展到使用 DNA、RNA、核糖体、酶，还有复杂的膜系统，并且具备固定的新陈代谢哦。
地球在太古代那会儿缺氧的状况，让大家怀疑这些地层到底是不是真的化石，还是说只是它们所居住的环境条件导致的简单非生物地层。
这些前寒武纪的微化石形状超简单（像球体、亚球体和半球体那样），特别容易被中空的矿物生长物给模仿，这被称作生物形态，也就是记忆生物（后面一节会讨论哦），即便它们依然是生命起源研究里的关键问题。
第二个证据能支撑第一个生物分子以及第一个有机体出现在有矿物质参与的益生元汤里这一观点，并且这一观点包含在以下的研究当中。
在生命起源里，最重要的矿物有黄铁矿（FeS2）和碳酸钙（CaCO3），它们主要存在于多晶型的方解石、文石、球霰石以及蛇纹石（Mg-Fe3-Si2O5-Op）中。
黄铁矿在前寒武纪那会儿是最丰富的矿物当中的一个，到现在，它也是地球上挺丰富的矿物之一，它在各种不同的生境里都有，像岩石、土壤、水生环境之类的。
CaCO3 以及黄铁矿从先前的寒武纪开始一直延续到现在，并且在很多环境里都有它们的身影。
咱这个实验拿黄铁矿、文石还有蛇纹石这三种矿物，以及它们跟组氨酸之间的相互作用，来评估矿物在生命化学起源里的作用。
在另一项关于分析氨基酸跟层状双氢氧化物表面相互作用的工作里（LDH），瞧见所有被评估的氨基酸都通过形成氢桥，被吸附到带正电荷的 LDH 表面的 C 端氧上。
矿物质在像核糖核酸（RNA）、脱氧核糖核酸（DNA）以及肽核酸（PNA）这类核酸的合成过程中所起到的作用，已经被证实了。
用 RNA、DNA 和 PNA 对镁铝层状双氢氧化物 (LDH) 矿物进行评估之后，发现这种矿物让 DNA 变成了信息存储的分子，而 RNA 和 PNA 则保留了其他的功能，这就为结合生活提供了基础。
还显示矿物质能有别的作用；矿物表面除了利于氨基酸或核苷酸的合成与聚合之外，还能保护有机体免遭紫外线辐射和水解。
支持矿物质参与生命起源的第三个证据就是，不同王国的所有生物体在它们的结构里都含有矿物质部分。
生物控制的生物矿化一般是在群落里的单个单元里头完成的，不过矿物质的形成，是在单元外面和单元里面都能实现的。
在单元外有晶体形成的时候，已经有人提出每个生物体的表皮有助于成核以及晶体的生长。
在单元内晶体的合成过程里，成核是通过囊泡或者液泡来完成的。
生物体中晶体的形成那可是相当重要的，毕竟它们有着特定的功能；趋磁细菌用来在地球磁场里定位的那种磁铁矿晶体。
靠 CaCO3 晶体的生物有软体动物、海绵、贝壳、珍珠，还有所有脊椎动物（像人类）的耳石以及蛋壳。
有些生物能产生晶体去抵御周围环境，像苏云金芽孢杆菌，它就拿自己的晶体当作杀虫剂来用。
草酸钙晶体的形成在植物中已经被广泛地研究，这些晶体能起到保护食草动物、对重金属进行解毒以及调节钙水平的作用。
这种方式让矿物质对第一个生物分子的合成有好处，是因为前寒武纪里的矿物质被浓缩、排列、聚合起来，还能防止紫外线辐射和水解，这样就能形成键，进而形成氨基酸、核酸、脂类和碳水化合物。
这二者结合在一起就构成了首个有机体，之后演化出了生活在地球上的所有有机体。
前寒武纪的微化石那可是超级简单的（像球体、亚球体还有半球体之类的），特别容易被误认为是那些被称作生物形态的中空矿物生长物给模仿了。
【四、硅碳酸盐化合物作为矿物质参与生命起源的研究模型】
硅碳酸盐化合物（生物形态）被称作纯无机材料的空心自组装聚集体，它的形态跟生物体内存在的结构很像。
生物形态是在特定的条件里，依靠二氧化硅（SiO?）以及碱土金属在碱性的 pH 值环境下进行共沉淀而形成的。
这些聚集体的形成机制涵盖了四个步骤：
在第一步里，碳酸盐沉淀会形成聚集体。
2) 把碳酸根离子的浓度降低，这样就能让碳酸氢根离子解离，从而回收 HCO(?) /CO(3)(2?)平衡；
释放出来的质子被能溶解的硅给吸收了，使得硅酸的浓度上升了。
4）有利于碳酸盐晶体周围硅的沉淀，阻碍其生长；通过低聚反应，质子从沉淀位点被去除。
由于在原始地球的主要条件下形成，如高温、富含二氧化硅的海洋和高 pH 值，并且与第一批生物的化石有相似之处，生物形态可能是理解生命化学起源的关键部分。
生物矿化过程发生在0.548 Ga附近，形成方解石，文石，白云石，羟基磷灰石, 和蛋白石骨架。
大约三分之二的生物体形成磷酸盐骨骼，其余三分之一则用钙形成骨骼；但在不到 2000 万年的时间里，比例发生了变化，超过一半的生物体的骨骼是由碳酸钙构成的，其中方解石结构是最常用的。
【总结】
矿物质一直是水圈、岩石圈和地球所有组成部分形成的基础。
矿物集合起来生成了首个生物分子，这些生物分子又被前寒武纪时存在的矿物给聚集、排列、聚合起来，还受到保护，免受紫外线辐射和水解的影响。
反过来，是矿物的存在让键的形成有了可能，进而形成了像氨基酸聚合物、核酸、脂质和碳水化合物这类的生物分子。
当下，生物体的骨骼主要是靠三种矿物质来构成的，分别是碳酸钙、磷酸钙以及硅。
碳酸钙在生物系统里起着主要作用，从生物矿化开始到现在一直都这样，这跟获取生物形态需要的矿物质是相符的。
生物形态在其他学科的研究里特别重要，能帮我们明白生物矿化过程是咋发生的，还能让我们知道怎么把这些知识用在新一代纳米材料的设计和制造上。
这些有机体组合到一起就形成了首个生命体，然后慢慢演化成了地球上所有有机体的一部分。本实验表明矿物对所有生物王国物种的起源、进化以及延续都有着重要的作用。
[2]孙卫东，【初步探讨氯在岩浆演化过程中的地球化学性质】
[3]曹竣云，【从碳的转化与排放角度来看地球生物的演化历程】
王之峰，其对生态环境地球化学评价中的矿物学展开了研究。
