地球誕生之謎最原始的地球是怎樣的？

知乎日報：

　　今天的地球是顆豐饒、寧靜、成熟的星球，這顆蔚藍色的星球與太陽的距離不遠不近，温度、濕度適宜;在大氣層外圍，臭氧層有效地阻擋了紫外線對地球生命的輻射;氧氣的出現為生物的進化提供了基礎。可以説，地球似乎就是專門為生命的出現和演化而準備的。

　　然而，你可知道，在地球最早的時代，它也曾遭受重重創傷?——火海融透，隕星迸濺，狂暴的海洋掀起滔天巨浪，氧氣對第一代地球生命無情滅殺，而覆蓋全球的冰雪把地球變成一個冰球。而奇特的是，正是這一次又一次猛烈的打擊，磨練了地球，重塑了地球，使地球不斷走向成熟，最終成為一個生機盎然的星球。可以説，正是災難和浩劫促進了地球的成長。

　　煎熬出來的地球磁場

　　來，讓我們來到地球誕生之初，那個混沌初開的時刻。那個時候的太陽系正經歷着劇烈的陣痛——數量眾多的巖質小行星、冰彗星及各種小碎塊橫衝直撞，所有的行星都飽受撞擊，新生的地球也無從逃避。

　　由於受到連續不斷的撞擊，地球表面温度急劇升高;同時，由於地球被自身的重力不斷壓縮，內部的密度和壓力也越來越大，使地球內部的温度不斷上升;再加上岩石中的放射性物質，如鈾、釷等在衰變時也會釋放出能量。這是怎樣的煎熬!剛剛形成的地球在這三股熱流的作用下慢慢熔化。當地球處於熔融狀態時，鐵、鎳等密度較大的物質開始向地心下沉，而硅酸鹽、鎂等較輕的物質則向上浮到地表。這些物質的下沉和聚集又會釋放出更多的熱能，從而加速了這一過程。

　　當時的地球既無大氣，也無海洋，熔岩隨處可見，到處都是一片火海，天空中還瀰漫着各種有毒氣體，就如同煉獄一般，人們恐怕很難將這樣的環境和孕育生命的地球聯繫起來。不過，正是這次物質的重新分佈，為生命的起源奠定了基礎。

　　由於地核內物質受到的壓力較大，温度也較高，陷入地核的鐵、鎳等磁性物質中的電子擺脱了原子核的引力，成為自由電子。這些電子趨向於朝壓力較低的地幔移動，這樣，地核處於帶正電狀態，地幔附近處於帶負電狀態，地球內部就有了一個穩定的電流，從而使地球形成了一個磁場強度穩定的南北磁極。

　　地球磁場的出現使得宇宙中射向地球的各種帶電粒子發生偏轉，保護地球生物免遭輻射。更重要的是，它可以牢牢地將大氣層吸附在地球上空，避免其被太陽風暴帶走。沒有大氣層，地球上恐怕也就只能出現有限的幾種微生物了。

　　除了地球以外，火星是太陽系中最接近生物生存環境的行星。火星探測器發回的照片顯示，火星地表存在小河道，很多地方都曾受到水的侵蝕，也很可能出現過海洋和湖泊。但遺憾的是，火星上的水存在的時間很短，大約四十億年前就消失了。究其原因，除了火星質量不夠大，無法產生足夠的引力以外，其內部磁場的突然消失也是一個關鍵的因素。沒有磁場的吸引，原始海洋中的水分蒸發後在各種宇宙射線的作用下紛紛擺脱了火星的束縛，失去了水分的火星也就失去了產生複雜生命的機會。

　　撞出一個月球

　　可以説，地球是在不斷地撞擊中逐漸形成和完善的，不過，在這之後一次巨大而猛烈的撞擊則差點毀掉了這個新生的星球。

　　在太陽系形成之初，太陽有一顆叫做忒伊亞的行星，它的體積接近於火星，質量達到了地球的10%。大約45億年前，這顆行星從側面撞向了地球，這是一次規模空前的大碰撞。與之前的微星體撞擊地球不同，由於忒伊亞的質量很大，它給地球帶來的衝擊力是此前任何撞擊都無法比擬的。

　　這次撞擊對這兩顆行星來説，無疑都是一場噩夢。當時的情景就猶如兩輛重型卡車相撞後的車禍現場，大塊的地殼物質和大量碎屑被巨大的衝擊力撞得飛散到空中。行星忒伊亞從此在太陽系中消失了，它的內核陷入到地球內部，成為了地球的一部分。

　　地球雖能倖免於難，但同樣付出了慘痛的代價，地球的早期地幔被直接撕開，忒伊亞直接轟進位於地球最深部的地核，剛剛從熾熱的狀態中逐漸冷卻下來的地球又恢復了熔融的狀態，而地球自轉的軸線也因此偏轉了23度。這次碰撞也為地球注入了巨大的能量，使其自轉速度陡然加快，大概相當於現在的4倍，也就是説，當時地球的一晝夜只有6個小時。地球高速自轉的直接結果就是地表惡劣的氣候條件，時速800多千米的颶風席捲了整個地球。照此情形發展下去，我們無論如何也看不到生命形式能夠在此誕生的任何希望。

　　然而，這次撞擊對地球的影響遠不止於此。當初飛散到空中的碎片互相撞擊、合併到一起，歷經百年的時間最終冷卻並形成圍繞地球飛行的月球。月球形成後，地球很快就感受到了它對地球上海洋的巨大引力以及對地球潮汐的影響。

　　當時的月球看起來比現在要大得多，因為45億年前的月球距離地球只有2.5萬千米，而今天這一距離則被拉大到了38.4萬千米。而外界天體引發地球潮汐的作用力與它們之間距離的立方呈反比，這就意味着，45億年前，月球對地球的引潮力是今天的3600倍。想象一下，幾千米高的巨浪，數百千米的時速，每天兩次不停地衝刷着陸地深處，那是怎樣驚心動魄的場景!如果當時陸地上已經有生命存在的話，那時的驚濤駭浪無疑會給這些生物帶來滅頂之災，每當漲潮的時候，它們要在很短的時間內跑出幾千米遠才能避免被海浪捲走，而這種情形每隔3個小時就會發生一次(別忘了當時的一天只有6個小時)。

　　遼闊的海洋在這個近地月球的輔助下恣意妄為，週而復始地蹂躪着廣大的陸地。整個地球陷入了一片狂風巨浪之中，如此惡劣的環境是不是再次為任何可能的生命形式的誕生增添了新的障礙呢?答案正好相反，狂暴的海洋恰恰是地球生命誕生的必要前奏。

　　狂暴的海洋催生生命

　　在這次撞擊之前，雖然地球上已經出現了江河湖海，但那時的海洋中的鹽分是非常低的，也沒有什麼無機離子。不過，威力巨大的海浪為這片原始海洋帶來了新的物質，每次落潮時，陸地表面大量的礦物質都被海浪裹挾着進入了海里。這片淡水海洋因此逐漸變“鹹”了。與此同時，在閃電、宇宙射線等能源的作用下，原始大氣中少量的甲烷、氨氣、氫氣等氣體變成了有機小分子。這些有機分子也進入了原始海洋中，最終，能夠孕育最原始生命的“原始湯”終於誕生了。

　　隨着“原始湯”中各種礦物質和有機分子的逐漸增加，經過長期的相互作用，在條件適合的情況下，最終形成了原始的氨基酸和核酸分子等有機高分子物質，為原始生命的誕生奠定了至關重要的基礎。

　　儘管地球在朝着有利於生命誕生的方向發展，但當時的地球依然動盪不安，兇猛的海浪足以摧毀任何新生的生命。那麼，我們的地球又是如何平息這一巨浪的呢?

　　事實上，降服巨浪的武器就是它自身。瘋狂的海浪猶如一把雙刃劍，它一次次地在陸地上耀武揚威的同時，也逐漸消耗了自己的能量。漲潮和落潮的時候，海水與陸地表面會發生劇烈的摩擦，這種摩擦對地球的運動有重要的影響。通過摩擦產生的熱能最終都散失了，而能量的散失導致地球的自轉速度不斷變慢，日子也不斷變長。而根據天體物理學的知識，由於地球自轉變慢，月球也會逐漸遠離地球，它對地球的潮汐作用力也逐漸減弱，使得狂暴一時的潮汐巨浪最終安靜下來。

　　這時的“原始湯”才終於成為了孕育生命的温牀，在這個生命的搖籃裏，有機高分子物質經過長期的積累和相互作用，逐漸聚合到一起，構成一個獨立的多分子體系，進而演變成具有原始新陳代謝能力並且可以進行自我複製的原始生命。

　　現在回過頭來看，我們或許有理由相信：正是當初那場慘烈的超級大碰撞，為原始生命的誕生創造了條件。不過，這些原始生命的成長和進化並不是一帆風順的，它們依然要面臨嚴峻的生死考驗。

　　氧氣：屠殺者與養育者

　　大約38億年前，地球上首次出現了單細胞原核生物。那時候的地球與現在截然不同。地球的大氣成分主要是二氧化碳和硫，幾乎沒有氧氣，因此天空是紅色的。

　　歲月悠悠，10億年過去了，地球上才進化出可以進行光合作用的藍綠藻，它們依靠陽光來進行新陳代謝，在這個過程中吸收二氧化碳，吐出氧氣。氧氣的出現，永遠改變了地球的未來命運。

　　氧氣開始在海水中不斷擴散，那些在海洋裏以硫化物為生的厭氧微生物幾乎全部被氧殺死，地球第一代生命就這樣滅絕了。這是地球生命史上最悲壯的一幕，史稱“氧的大屠殺”。

　　藍綠藻的隊伍則在幾百萬年間越來越壯大，並且向海洋中釋放出更多的氧氣。很快，海洋中溶解的氧氣就飽和了，氧氣從海洋源源不斷進入天空，那是地球歷史上第一次如此大量的氧氣被釋放到空氣中，氧氣在大氣中與甲烷反應，將甲烷消耗殆盡後，其含量就開始在大氣中逐漸累積，最終達到地球大氣成分的20%以上，天空變成了美麗的蔚藍色。

　　雖然氧氣無情地滅殺了第一代地球生命，但用現代的眼光來看，這無疑是件值得慶賀的事情，大氣中終於出現氧氣了，更高級更復雜的喜氧生命應運而生。當氧氣充溢着地球天空時，地球生命開始了一個新曆程。

　　而且，太陽發出的紫外線照射到氧氣時還會將其變成另外一種氣體——臭氧。在距地球表面20千米的同温層中，高能量的紫外線將氧分子(O2)分解成氧原子(O)，而氧原子與另一氧分子結合，即生成臭氧。由於紫外線會破壞生物DNA的結構、殺死細胞，在臭氧出現之前，所有生物必須躲在海洋中，才能避免受到紫外線的輻射，而臭氧的出現真正為生物向陸地的進化鋪平了道路。

　　歷經3億年的冰凍地球

　　然而，等待這些微生物的不是更舒適的環境，而是一個漫長的冰河期。這個冰河期從24億年前到21億年前，持續了3億年之久，這是地質史上最嚴重且持續時間最長的一次冰河時期，比人們所熟知的6億多年前的“雪球事件”更為嚴重。這個漫長的冰河期正是地球大氧化引起的。

　　在24億年前，太陽的光照強度只有現在的85%，但地球上的温度卻比現在高。這是因為當時大氣中温室氣體的濃度比現在高得多，大概是現在的20多倍，這些温室氣體主要是二氧化碳和甲烷。比起大家都很熟悉的二氧化碳，甲烷的作用似乎更加突出，因為甲烷產生的温室效應比二氧化碳要強上百倍。不過，甲烷卻很容易與氧氣發生化學反應，生成二氧化碳。所以，當氧氣進入大氣後，將籠罩在地球表面的甲烷都變成了二氧化碳，這就意味着地球的保温能力急劇地下降了。

　　地球温度大大降低後，位於地球兩極的冰帽就會逐步擴大，海洋開始結冰，並向赤道方向推進。隨着結冰的範圍越來越大，地球對陽光的反射作用愈加強大，而能夠吸收的陽光則越來越少，從而導致其進一步降温。這一效應反過來又加速了冰原向赤道的方向推進。氣象學家經過計算發現：

　　北緯30度

　　是臨界點，一旦冰原推進過這個緯度，地球就會因為吸收的陽光不足以維持地球的温度，從而進入一個不可逆轉的惡性循環中，直至整個地球變成一個大冰球，而24億年前的情況正是如此。

　　完全冰封的地球上不再有降水了，甚至也不下雪了，因為大氣中所有的水蒸氣都已經凝結了，海洋中冰的厚度達到了上千米，當時地球的平均温度只有零下50℃。科學家們認為，即便是擁有現代科技的人類，在面對整個地球被冰封的氣候災難時，可做的也很少，基本上只能坐以待斃。更何況當時的生物比人類低等得多，它們的表現也更加無助，當時絕大多數生物都滅絕了，儘管有極少數極其頑強的微生物在這場大災難中倖存下來，但是它們也只得在如此極端的環境下艱難地存活。而這次的冰封持續了足足有3億年。

　　冰火兩重天

　　地球的當務之急是讓自己從冰凍中解脱出來，完成這一任務的第一功臣當屬二氧化碳。在冰封時期，大氣中二氧化碳的濃度並不是很高。不過，地球被凍住以後，各地的火山依然定時噴發(地核內部並不會受到地表冰封的影響)，沉積到海底的二氧化碳被大量釋放出來。這樣，經過3億年的積累，大氣中二氧化碳的濃度越來越高，温室效應也越來越強。最終使冰原開始融化。

　　當冰開始化成水之後，由於水能夠吸收更多的陽光，從而使地球更加温暖，導致冰原融化得更快，而海洋麪積的增加又能吸收更多的陽光，這樣一個良性循環讓地球僅用了1000年，就從冰凍狀態中恢復過來了。

　　正當那些僥倖活下來的生物慶幸大地回春的時候，它們卻發現地球的温度恢復到正常水平後依然還在上升。當時大氣中二氧化碳的濃度比現在高得多，冰原融化後有更多的火山開始噴發，又向空中釋放了更多的二氧化碳。同時，温暖的環境讓更多的水蒸氣進入大氣，而水蒸氣也是温室氣體，這樣，當時地球的温室效應比任何時候都更強烈，而温度的升高又會促使更多的水蒸氣進入大氣，從而使温度進一步升高。最終，地球的温度達到了50℃，比冰河期足足升高了100℃。

　　經歷了3億年的冰凍，那些活下來的生物等到了冰河的消融，但並沒有迎來自己的春天，大部分生物又在熊熊“烈火”的折磨下滅絕了。但這種劇烈的寒冷和炎熱氣候的交替，對生命的進化起着選擇和過濾的作用。那些留存下來的少數生命為適應極端的環境張力而經歷了迅速的基因變異，這些基因變異使生命得以朝着複雜的種類進化。

　　在此後的十幾億年中，地球又交替經歷了幾次冰封與酷熱的環境，這些交替的過程都與二氧化碳在大氣中的含量有關。其中，最著名的一次就是發生在6億多年前的“雪球事件”，這次冰川覆蓋了地球數千萬年，最後也是火山噴發釋放的二氧化碳拯救了地球。

　　氣候的每一次鉅變對於地球上的生物來説都無異於一場浩劫，99%曾在地球上生存過的物種都在一連串冰與火的考驗中滅絕了。經歷了無數的浩劫，無數的微生物的死亡，海洋中積蓄了大量的養分，而倖存下來的生物在與環境的鬥爭中也在不斷地向前發展。終於，在距今5億多年前，地球上首次出現了多細胞的生物，隨後，一場絢麗的生物大爆發來臨了，地球上的生物也逐漸繁盛起來。

　　可以説，地球能變成現在這樣一個生命的搖籃，與早期經受的種種浩劫是分不開的。儘管災難曾將地球和地球上的生命推向了滅絕的邊緣，但沒有災難，也就不可能有之後生物繁榮發展的景象，更不可能有今日的我們。