揭開生命的序章：前寒武紀(jì)

葉山

地球形成之初想象圖

從誕生至今，地球經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的成長(zhǎng)歲月，生命的孕育和衰亡不斷上演著。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡刭|(zhì)學(xué)家們通過研究不同年代的巖層和化石來了解地球的各個(gè)時(shí)期，并將其劃分為冥古宙、太古宙、元古宙和顯生宙四個(gè)時(shí)期。

顯生宙，顧名思義就是生命活躍的時(shí)期，始于5.4 億年前的寒武紀(jì)，一直持續(xù)至今，地球上的無數(shù)生命在顯生宙譜寫出了華麗的樂章。

而在顯生宙之前的時(shí)期，由于時(shí)間太久遠(yuǎn)，生命形態(tài)也遠(yuǎn)不如顯生宙興盛，給我們留下的巖層和化石線索寥寥無幾，但它卻占據(jù)了地球歷史長(zhǎng)河中的絕大多數(shù)時(shí)間，這一時(shí)期也被籠統(tǒng)地稱為地球的“前寒武紀(jì)”。

冥古宙地貌想象圖

冥古宙

一場(chǎng)“交通事故”引發(fā)的后期重轟炸

最初的6億年被稱作冥古宙，也叫作地球的“天文時(shí)期”。在這一段時(shí)間里，初生的地球沒有留下任何地質(zhì)記錄，因此，人們只能通過一些天文知識(shí)去推測(cè)那個(gè)時(shí)期地球上發(fā)生了什么。

地球形成之初，整個(gè)星球混沌一體，它的總體成分和構(gòu)造與太陽系里的球粒隕石①類似，沒有地核、地幔和地殼等圈層結(jié)構(gòu)。那時(shí)，太陽系內(nèi)部的各行星還沒有形成現(xiàn)在這樣有序的公轉(zhuǎn)運(yùn)行規(guī)則，所以在宇宙空間中經(jīng)常會(huì)發(fā)生一些“交通事故”。

大約44億年前，發(fā)生了一場(chǎng)非常嚴(yán)重的“事故”：一顆火星大小的行星（西方科學(xué)家將其命名為忒亞星）撞上了地球。在這場(chǎng)天地大沖撞里，這顆“忒亞星”直接灰飛煙滅，地球也遭到重創(chuàng)——在碰撞產(chǎn)生的熱量里，地球從表面到內(nèi)部幾乎都被熔融。

早期行星撞擊想象圖

直到40億年前，后期重轟炸結(jié)束，地球終于迎來了安全穩(wěn)定的宇宙環(huán)境。沒有了隕石的轟炸，地球表面安靜下來，在撞擊中被熔融的地表也開始凝固，形成了地球上保存最古老的巖石，比如加拿大東部的火成巖。這意味著什么呢？有了確切年齡的巖石，就有了關(guān)于這個(gè)年代的地質(zhì)記錄，也就意味著地球告別了“天文時(shí)期”，進(jìn)入了一個(gè)新階段——太古宙。

在太古宙的初期，除了巖石圈的形成以外，地球還誕生了兩個(gè)重要的寶貝——海洋和生命。地球上的水來自何處，目前科學(xué)家們并無定論，比較主流的觀點(diǎn)是冥古宙時(shí)期被含水的隕石和彗星帶到地球上的。不過不管怎樣，這一時(shí)期地球上的水匯聚于地表，形成了最初的海洋，而海洋又孕育了最初的生命。

生命的誕生是個(gè)奇跡。形成于冥古宙的有機(jī)物在海里不斷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，終于在一次機(jī)緣巧合下，新形成的有機(jī)物分子擁有了利用周圍的物質(zhì)進(jìn)行自我復(fù)制的能力，便成為最初的生命。當(dāng)然，它們都是極簡(jiǎn)單的微生物，類似今天的病毒，因?yàn)槟菚r(shí)的地球環(huán)境遠(yuǎn)比現(xiàn)在惡劣，并不支持復(fù)雜的生物生存。目前科學(xué)家們所公認(rèn)最早的生命痕跡，是澳大利亞西部的一處疊層石，它們形成于35億年前。

太古宙地貌想象圖

疊層石是一種特殊的分層沉積物堆積構(gòu)造，是微生物在巖層里留下的杰作。

條帶狀鐵礦

過了3～5億年，生命完成了升級(jí)，藍(lán)細(xì)菌等生物學(xué)會(huì)了光合作用。此后，生命獲得了改變地球大氣環(huán)境的能力，開始為大氣層供氧。到了太古宙后期，大氣層中的氧含量明顯上升，充足的氧氣和溶解在水中的二價(jià)鐵離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，讓其轉(zhuǎn)換成了難溶于水的三價(jià)鐵，析出了紅褐色的氧化鐵沉淀物。這些氧化鐵和硅酸鹽沉積物交錯(cuò)沉積，并固結(jié)為巖石，在世界各地形成了漂亮的條帶狀鐵礦。

元古宙生物想象圖

元古宙

從“亂發(fā)脾氣”到“自我調(diào)節(jié)”

如果說冥古宙時(shí)期的地球是個(gè)愛發(fā)脾氣，情緒不穩(wěn)定的小孩子，那么到了元古宙，地球就是學(xué)會(huì)自我調(diào)節(jié)，慢慢長(zhǎng)大的青少年。大氣層含氧量的上升和條帶狀鐵礦的大規(guī)模出現(xiàn)，標(biāo)志著地球歷史來到了元古宙。隨著地表的氧含量繼續(xù)上升，大氣成分發(fā)生了變化，地球的溫度開始下降，并在約24 億年前進(jìn)入了一次大規(guī)模的冰川期。在這段被稱為“休倫大冰期”的時(shí)間里，全球多數(shù)地區(qū)都覆蓋在冰雪之下，因此這一時(shí)期也被稱為“第一次雪球地球事件”。冰層之下的地球開始了自我調(diào)節(jié)。在同一時(shí)期，板塊構(gòu)造活動(dòng)開始進(jìn)行，它促發(fā)了火山活動(dòng)，并由此釋放出了二氧化碳，增加了地球的溫室效應(yīng)，最終讓地球慢慢地解了凍。獲得了更多二氧化碳的大氣層能夠更好地為地球保溫，讓地球的環(huán)境趨于穩(wěn)定。約20 億年前，臭氧層形成，從此地表不再直接暴露在強(qiáng)烈的紫外線下。此時(shí)，地球的基本條件已經(jīng)準(zhǔn)備好孕育出更高級(jí)的生命形態(tài)了。

19億年前，細(xì)胞內(nèi)擁有細(xì)胞器的真核生物出現(xiàn)，這在生命進(jìn)化史上是一個(gè)重要的里程碑，它為后來的動(dòng)植物、真菌的分化奠定了基礎(chǔ)，讓生命有機(jī)會(huì)演化出繽紛多樣的形式。元古宙中期，地球上已經(jīng)出現(xiàn)了肉眼可見的多細(xì)胞生物，并且它們開始了有性繁殖。

直到8 億年前，板塊運(yùn)動(dòng)讓原本聚合在一起的羅迪尼亞超級(jí)大陸發(fā)生分裂，在熱帶地區(qū)形成了許多較小的大陸。這次分裂使得熱帶地區(qū)增添了許多新的海岸線。熱帶沿海地區(qū)氣溫高、濕度大，容易促進(jìn)巖石中硅酸鹽礦物的化學(xué)風(fēng)化，而化學(xué)風(fēng)化會(huì)吸收掉大量的二氧化碳，這會(huì)削弱地球的溫室效應(yīng)。地球氣溫驟降，進(jìn)入“成冰紀(jì)大冰期”，冰川在陸地上形成并不斷擴(kuò)大。

雪球地球想象圖

冰川擁有較高的反照率，能夠反射掉更多的太陽能，從而讓地球獲得的熱量減少。終于，地球陷入了一個(gè)變冷、變冷、再變冷的循環(huán)里，連熱帶地區(qū)也被完全冰封，這便是比前一次更加嚴(yán)重的“第二次雪球地球事件”。即便是在這樣極端的條件下，生命進(jìn)化的步伐也沒有停下。雖然數(shù)千米厚的冰層讓大部分生物無法生存，但少部分生活在深海熱泉、火山口附近或其他特殊區(qū)域的生物得以幸免，這其中包括在中國(guó)發(fā)現(xiàn)的淮南生物群。這場(chǎng)大冰期持續(xù)了近2 億年，之后，地球靠著火山釋放出的溫室氣體逐漸解凍。而那些頑強(qiáng)存活下來的生物也迎來了新一輪的綻放。

當(dāng)冰川融化、海平面上升的時(shí)候，海水中幸存的生物迅速擴(kuò)散到更加廣闊的生存空間。地質(zhì)學(xué)家在澳大利亞南部發(fā)現(xiàn)了約6 億年前的埃迪卡拉生物群，那里的生物已經(jīng)有了更高級(jí)的形態(tài)，為生命在顯生宙的精彩歷程拉響了啟航的汽笛。5.4 億年前“寒武紀(jì)生命大爆炸”事件的發(fā)生，標(biāo)志著前寒武紀(jì)的故事告一段落了。