20億年前的地球是什麼樣子的，我們的祖先在做什麼？

科學家告訴我們，地球已經有45.7億年的歷史了。那麼當地球年齡只有今天一半的時候，也就是距今約25億至20億年前，地球是什麼樣的呢？我們的祖先在當時以一種什麼樣的形態存在呢？

地質學家將地球歷史劃分為若干個單位，從大到小依次是：宙—代—紀—世—期—時，地球已經歷四個宙：冥古宙、太古宙、元古宙和顯生宙。距今25億年前是元古宙的開端，我們今天要講述的五億年曆史，就處於元古宙的第一個代——古元古代，涉及到三個紀：成鐵紀、層侵紀和造山紀。

加蓬出土的21億年前的化石，掃描出多細胞結構

不一樣的太陽和月亮

元古宙初期，太陽半徑約為今天的90%，太陽光強度也只有今天的85%。從理論上講，當時地球接收到的光和熱大不如今天，這會讓氣温下降到-50℃左右，足以將整個地球冰凍。若真這樣的話，地球就會像今天的火星一樣，成為沒有生命的不毛之地。

然而，有證據證明當時地球上是一片液態水的海洋，細菌和藍藻欣欣向榮。拯救這些原始生命的就是今天大家談之色變的温室效應。當時地球大氣中富含甲烷和二氧化碳，它們的存在給地球穿上了一件“大衣”，為生命保暖。

日落景觀

月球誕生於45億年前的一次撞擊，她自誕生之日起就在以3.8釐米/年的速度遠離地球，她所產生的潮汐摩擦也使地球的自轉越來越慢。距今25億年前，月球距地球約18萬千米，只有今天的一半左右。相應地，地球自轉一圈也比今天快一倍。

所以，在25億年前的地球上，太陽看起來比今天小，也暗淡一些。而月亮看起來卻大了一倍，海潮遠比今天來得猛烈，那時候的一天只有12個小時，而一年卻有714天。

太空中看地球和月亮

氧化的海洋和大氣

早期的地球處在一種缺氧的環境中。大氣以惰性的氮氣為主，含有豐富的甲烷和二氧化碳等還原性氣體。海洋中富含低價的亞鐵離子，將海水染成了淡綠色。早期生命以呼吸高價的鐵和硫為生。

藍藻早在35億年前就出現了，這是地球上第一種產氧生物。藍藻利用太陽光能，將水和二氧化碳合成有機養料，同時將氧氣作為廢氣釋放。藍藻產生的氧氣用了十億年的時間，將地球的缺氧環境徹底改變。

從25億至23億年前，地球步入成鐵紀，這是一個赤紅的時代，海洋中的亞鐵離子在這一時期被氧化成鐵離子。鐵鹽的溶解度比亞鐵鹽低，於是紛紛從海水中沉澱下去，形成了大片赤紅的鐵礦石。從那時起，淡綠色的海洋就變得無色透明，直到今天。

成鐵紀形成的鐵礦石

距今24億年前，全球海洋的亞鐵離子都已經被氧氣消耗殆盡，氧氣開始在大氣和海洋中積累，早期生命得以孕育並賴以生存的還原性環境遭到了破壞。氧氣的強氧化性會破壞細胞的生物膜結構和遺傳物質核酸，這導致大量厭氧的古菌和細菌滅絕。

這一因氧氣積累引發的災變，在地質史上被稱為大氧化事件，又叫氧氣危機或氧氣災難，是地球有史以來第一次，可能也是最嚴重的一次生物滅絕事件。只是由於當時的生物結構過於簡單，沒有留下多少化石，我們難以量化當時的生物損失有多大。

藍藻：改造大氣的先鋒

氧氣給生命帶來了危機，也帶來了機會。有氧代謝的產能效率遠比無氧代謝高，而且氧氣充滿了大氣和海洋，不像高價鐵和硫只侷限於某地。因此，氧氣充滿大氣層，為生物向更高等、更復雜的方向演化，並佔領地球表面每一個角落奠定了基礎。只有掌握了氧氣的生物才能有未來。

冰凍的地球

氧氣的積累破壞了大氣温室效應，這在早期太陽光較弱的情況下尤為致命。氧氣可以把高效的温室氣體甲烷轉化為不那麼高效的二氧化碳，更不幸的是，二氧化碳恰好是光合作用的原料。藍藻源源不斷地吸入二氧化碳，釋放出更多氧氣。

於是，大氧化事件開啓以後，大氣中甲烷和二氧化碳濃度下降了幾十到上百倍，地球氣温下降了70℃，整個地球被冰封。白雪皚皚的地球將更多太陽光反射回太空，形成了“冰室效應”，使地球更冷，地球由此進入第一個也是有史以來最嚴重的冰河時代——持續3億年的休倫冰期。

冰河時代的“雪球地球”

原始生命在休倫冰期遭受重創。低温使生物酶失去活性，維持生命的各種生化反應被抑制，更嚴重的是，冰晶會破壞細胞結構，導致機體死亡。

冰比水輕挽救了地球生命。與其他物質温度越低密度越大不同的是，水在4℃時密度最大，冰浮於水面之上。冰層起到保暖作用，不管大氣温度多低，水下都保持在4℃左右，基本的生命活動得以維持，從而保存了生命的火種。

距今20.5億年前，地球告別了層侵紀，進入造山紀。地殼上發生了大規模的造山運動，火山活動恢復活躍。火山將地球內部的大量甲烷和二氧化碳拋入空中，由此引發的温室效應迅速將地球解凍。於是休倫冰期結束，與此同時，生命也開始了從原核生物到真核生物的過渡。

温室效應：瑞士阿爾卑斯山的阿萊奇冰川正在不斷後退

生物變革：進化取得重大突破

真核生物的誕生：藍藻開創了大氧化時代，好氧細菌坐享其成，它們是大氧化事件的贏家。然而笑到最後的，卻是大氧化的受害者——古菌域生物。在25億年前，古菌是地球上佔優勢的生命形式，它們絕大多數都在大氧化事件中被氧氣殺滅了，少數倖存者被驅逐至海底火山口等極端缺氧環境中。

然而，有一小部分古菌不願意坐以待斃，它們發展出了DNA保護機制，併產生了核膜和染色體結構，從而演化成最早的真核生物。今天在地球上佔統治地位的動物、植物、真菌以及人類，都是真核生物，都是這一小部分古菌的後代。而藍藻和耗氧細菌，至今仍然是老樣子。可見，沒有生存壓力，就沒有進化動力。

距今21億年前，原始的真核生物吞噬了一種變形菌，出於某些原因，被吞噬的細菌沒有被消化，和吞噬者形成了內部共生關係。這種好氧細菌就演變成了真核細胞的有氧呼吸中心和產能機器——線粒體。從此以後，真核生物不僅適應了氧氣，還征服了氧氣。

顯微鏡下的綠藻，細胞核清晰可見

有性生殖的出現：原始生命以無性生殖方式繁衍，把遺傳物質複製成兩份，然後一分為二。無性生殖的生物都是長生不老的，也是一成不變的。所以它們在大氧化事件和休倫冰期中遭到了重創，只有少數種類僥倖憑基因突變活了下來。

有性生殖的繁殖方式與真核生物的誕生是相伴隨的。按這種生殖方式，每一代都經過基因重組，每個子代都各不不同，總有一個可以適應新環境。因此，有性生殖的生物在變化的環境中生存下去的幾率大大增加了。

有性生殖縮短了生命個體的長度，但採用這種方式繁殖，後代才能活得更久。長遠來看，有性生殖是生命延續的唯一機會。正因為此，我們今天看到的生物絕大多數都是有性生殖的。

雄孔雀開屏：有性生殖導致性二型現象

向多細胞結構的進化嘗試：2008年在加蓬出土的化石中掃描到了多細胞結構，可追溯至21億年前，這説明真核生物在誕生之初就開始了從單細胞結構向多細胞結構的進化嘗試。然而直到6億年前，後生生物（即多細胞生物）的化石都非常罕見，證明這次進化嘗試很快就胎死腹中了。

多細胞結構面臨着一個問題，就是體內與環境不直接接觸的細胞難以獲取氧氣。因此在低氧環境下試圖演化出後生生物的努力註定失敗，其中最著名的一次失敗嘗試就是距今5.85億年前的埃迪卡拉生物羣，它們試圖以扁平的身體佔領淺海，結果全軍覆沒。

埃迪卡拉生物羣

直到5.4億年前，大氣中氧含量達到15%，已經步入富氧時代，後生生物才得以蓬勃爆發，這就是寒武紀生物大爆發，地球從此進入絢麗多彩的顯生宙。

地質構造的轉折

我們知道地球內部是熾熱的，時不時爆發的火山和地震就是明證。然而地球本身不產熱，她的熱來自太陽系形成之初，終會散發到太空中去。作為一個保温箱，地球很合格，40多億年了地心都還沒涼透。

在地球早期，地核比今天更熱、更活躍，當時的岩漿經歷極端温度變化，能形成一種熔點高達1600℃、顏色非常灰暗的岩石——科馬提巖。這種岩石的密度很大，一旦形成就會向地下沉陷，這就是地質構造的垂直運動。早期地球存在水平構造和垂直構造兩種運動形式。

科馬提巖：今天的岩石不會再有的模樣

距今25億年前，隨着地球漸漸冷卻，科馬提巖不再有，地質垂直構造也就隨之消失了。從那以後，地球就只有水平構造這一種運動形式，岩漿冷卻形成的岩石在地殼上堆積，就形成了大陸。

地球的冷卻和垂直構造運動的消失，使地殼穩定下來，為此後生物的蓬勃發展提供了一個相對穩定的環境。想想看吧，如果地面在慢慢塌下去，岩漿隨時會冒出來，那該有多可怕。

然而，地球冷卻帶來的問題將在未來嚴重困擾人類。比如，埋藏於地下的有機碳難以重見天日，導致地球碳循環失衡，大氣中二氧化碳將被抽乾。再比如，液態的內核凝固，導致地球磁場消失，大氣層將被剝離，致命的宇宙射線可直達地面。

​因地球磁場存在形成的極光

結 語

元古宙之初的五億年，對地球、大氣和生命來説都是一個重大轉折。從這往前推15億年，是缺氧的太古宙，是古核生物（古菌）和原核生物（細菌、藍藻）的時代；從這後推15億年，是貧氧的元古宙，是原生真核生物的時代。

這一時期我們的單細胞祖先經歷了重重挫折，最終獲得了一個細胞核，成為真核生物。這一時期確定的三大進化方向：有氧、有性和多細胞，我們祖先堅持走了15億年。到5.4億年前，地球進入富氧的顯生宙，後生動物（動物、植物和真菌）的時代就來臨了，最終有了今天的我們和這個繽紛多彩的世界。

寒武紀生物大爆發