我们的地球——生命的起源

138亿年前宇宙起源自“大爆炸”,即一个体积无限小,密度无限大的物质发生了爆炸。大爆炸奇点约60亿年前,一个含有气体和尘埃的旋转碟型云向内崩塌创造了太阳系。

138亿年前宇宙起源自“大爆炸”,即一个体积无限小,密度无限大的物质发生了爆炸。

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大爆炸奇点

约60亿年前,一个含有气体和尘埃的旋转碟型云向内崩塌创造了太阳系。太阳系的行星可能由轨道尘埃和岩石相互碰撞融合而成。

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太阳系之初

在太阳系形成过程中,地球有大量岩石、冰碎片连同尘埃和气体聚合而成。当这些物质在46亿年前相互碰撞时,产生了巨大的能量,将地球加热到5000摄氏度。

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最初的地球

随之而来的是持续了1亿年的“熔融”,这期间的地球内部形成了如今的形态。较重的铁和镍下沉到地球中心,形成了一个半径为3470米高密度热核。较轻的矿物质则上移到地球表面,在约45亿年前形成岩石外壳。在地壳和地核之间形成了厚2900千米的热岩石层,这就是地幔。从这个炎热内部上升的热流,仍在不断地重塑着地表形态,如火山喷发和地震。

人们认为,在约45亿年前,一个火星大小的行星撞入地球。

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行星撞入地球

月球 阿波罗计划从月球带回来的岩石可追溯到45亿年前。这比地球略微晚了一点,月球可能由地球与其他星体撞击后喷散出来的岩石构成,但也有极少部分人认为是被地球引力捕获而来的无关物体。

从创造了宇宙的“大爆炸”到地球生命的出现,中间相隔了大约100亿年,而更复杂生物的出现则还要等30亿年。

到了40亿年前,地壳冷却,微生物便应运而生。生命到底如何起源?这仍是现今科学界争论最大的问题之一。在20世纪50年代早期,芝加哥大学斯坦利·米勒通过实验表明,利用原始大气、一部分水和几道闪电,就可以创造出生命基本构成之一——氨基酸。还有科学家推测,最早的有机分子可能源自太阳系的某个地方,由40亿年前撞击地球的陨石携带而来。不管最早的细菌是如何而来,它们都不得不在极端的环境中生存,没有氧气、没有保护地、暴露在太阳的紫外线照射中。

约35亿年前,地球气温下降,海洋和早期的大气得以形成。

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冷却的地球

生命的起源 地球早期历史是一个缓慢却剧烈变化的过程,随着炙热的地表逐渐冷却,微小生命的第一个迹象得以显露。

碳足迹 我们最早发现的实体化石已有35亿年的历史,但可能再早两亿年的岩石中有着更古老的生物足迹,不过这些岩石形成于地球较年轻时,因此经受了当时的高温和高压,在此过程中并不能保存下来,35亿年前也就不存在化石。不过,生物的某些化学成分却能够耐受高温和高压,所以即便实体化石不能存在,却能找到化石学足迹。

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37亿年前碳足迹

地表上年数超过35亿年的岩石很少能见到,少数可见的地方之一是在格陵兰岛西部的衣苏阿。这些37亿年前的岩石含有可能是光合细菌留下的碳足迹。它们栖息在水表,遗体掉落到海底上,在海底的沉积物中积累。

早期的生命迹象 到了35亿年前,原始藻类和微生物大量分布在温暖的浅水边缘像垫子一样覆盖在海底沉积物表面,当这些垫子周期性地被沉积物覆盖时,原始微生物便会朝着阳光向上迁移,在较高的地方形成新的垫子。这一过程最终形成了独特的“叠层石”高地。这些高地是前寒武纪早期光秃秃的火山环境中唯一可见的生命迹象。

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远古叠层石形成

叠层石 肉眼可以看见的最早化石是叠层石,是位于大陆架浅水区富含石灰质的层积结构。第一批叠层石有30多亿年的历史,最近发现的有37亿年前的叠层石,这是前寒武纪早期最普遍的化石。叠层石是由蓝藻的光合作用形成的,起初在海底上形成垫子,地,垫子被沉积物覆盖之后,微生物便会向上迁徙,形成一系列高一米宽30厘米的层积。类似的层积在如今的热带温暖水域仍可发现。这些层积十分独特,非常容易形成化石。

叠层石化石 这些叠层石标本来自美国蒙大拿州冰川国家公园的前寒武纪海洋地层。

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叠层石

如今,与古代光合细菌相似的浮游生物构成了大多数水生食物链的基础。

陆地、海洋和生命。大规模火山气体和水蒸汽的喷发形成了早期大气和最早的地表水。但地质学家仍不确定陆地或陆壳是如何形成的。约40亿年前地壳内较轻的富硅质岩石也许攀升到足够高度,从而形成陆地“岛屿”,约10亿年后,这些“岛屿”之间的碰撞被认为是最早的大型陆地的形成原因。

水生微生物,生命之始 已知最早的地球生物化石发现于已有35亿年历史的海底沉积岩中。这些微生物生存在没有氧气的环境中,还要经受极端温度和酸性海水的考验。

在前寒武纪早期,地球大气几乎全部由氮气和二氧化碳构成,因此,当时所有的生命形式都是厌氧菌。

生存在极端环境中 20世纪80年代以来,人们发现现代的原始生物也可以生活在多种极端环境中。这为了解古代微生物如何生存提供了宝贵的经验。美国怀俄明州黄石国家公园的喷泉是嗜热菌的家,它们在85摄氏度的水温中也能生长繁盛。而走另一个极端的,但是嗜冷菌,它们喜欢生活在南极洲的海水里,那里的温度仅有五摄氏度。嗜碱菌生活在碱湖里,而嗜酸菌则生活在酸水中。

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嗜热菌生存环境

海底温泉的发现还揭露了“化能合成”的微生物的存在,它们不需要阳光就能繁殖自身细胞。这些都属于单细胞生物,能适应100摄氏度以上的高温,以沸水溶解的矿物质盐为食物。

所以,这些极端微生物都属于已知最早的原始生物——古细菌。古细菌和真细菌“包括蓝藻”都属于无细胞核的小细胞原始生物,这一点将它们与更高级的生命形式如动植物区分开来,后者为有细胞核的大细胞。古细菌能够在沸水、冰、酸、碱和黑暗等极端环境中生存。古细菌还是厌氧菌,也就是说,它们无需氧气就能生存。

大西洋底的黑烟筒 在大西洋海底发现的深海热泉能够喷出富含矿物质的水,早期微生物便以这些矿物质为食。

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海底烟囱

氧气产生 所有的光合作用微生物都会产生氧气,这是利用二氧化碳,水和阳光繁殖细胞的副产品。大气中氧气的累积,直到25亿年前才变得显著。此时的微生物更加繁盛。在此之前,大气中含量最多的是氮气和二氧化碳。

燧石 加拿大安大略省西部的燧石沉积岩“磁质石”富含二氧化硅,已有19亿年的历史,其中还有一些世界上保存最完好的前寒武纪微体化石。纹理细密的岩石横切面显示出当时微生物的不同结构。

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燧石中微体化石

条带状含铁建造 澳大利亚西部的这种红色含铁岩层有18亿到25亿年的历史。其颜色是氧化铁(或赤铁矿)导致的。海水中的亚铁离子从早期大气中吸取氧气,通过氧化反应形成氧化铁。

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含铁岩层

活化石 在墨西哥科特斯海等温暖的浅海区,叠层石结构如今正以数十亿年前形成的方式生成。沉积物和微生物一同建造着这种古怪的结构。

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微生物垫子

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