史前地球——地球诞生之谜

[2015-07-17] 作者:世界未解之迷网 阅读量: 分享到_微信朋友圈:

  今天的地球是颗丰饶、宁静、成熟的星球,这颗蔚蓝色的星球与太阳的距离不远不近,温度、湿度适宜;在大气层外围,臭氧层有效地阻挡了紫外线对地球生命的辐射;氧气的出现为生物的进化提供了基础。可以说,地球似乎就是专门为生命的出现和演化而准备的。

 

  然而,你可知道,在地球最早的时代,它也曾遭受重重创伤?——火海融透,陨星迸溅,狂暴的海洋掀起滔天巨浪,氧气对第一代地球生命无情灭杀,而覆盖全球的冰雪把地球变成一个冰球。而奇特的是,正是这一次又一次猛烈的打击,磨练了地球,重塑了地球,使地球不断走向成熟,最终成为一个生机盎然的星球。可以说,正是灾难和浩劫促进了地球的成长。

  煎熬出来的地球磁场

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  来,让我们来到地球诞生之初,那个混沌初开的时刻。那个时候的太阳系正经历着剧烈的阵痛——数量众多的岩质小行星、冰彗星及各种小碎块横冲直撞,所有的行星都饱受撞击,新生的地球也无从逃避。

  由于受到连续不断的撞击,地球表面温度急剧升高;同时,由于地球被自身的重力不断压缩,内部的密度和压力也越来越大,使地球内部的温度不断上升;再加上岩石中的放射性物质,如铀、钍等在衰变时也会释放出能量。这是怎样的煎熬!刚刚形成的地球在这三股热流的作用下慢慢熔化。当地球处于熔融状态时,铁、镍等密度较大的物质开始向地心下沉,而硅酸盐、镁等较轻的物质则向上浮到地表。这些物质的下沉和聚集又会释放出更多的热能,从而加速了这一过程。

  当时的地球既无大气,也无海洋,熔岩随处可见,到处都是一片火海,天空中还弥漫着各种有毒气体,就如同炼狱一般,人们恐怕很难将这样的环境和孕育生命的地球联系起来。不过,正是这次物质的重新分布,为生命的起源奠定了基础。

  由于地核内物质受到的压力较大,温度也较高,陷入地核的铁、镍等磁性物质中的电子摆脱了原子核的引力,成为自由电子。这些电子趋向于朝压力较低的地幔移动,这样,地核处于带正电状态,地幔附近处于带负电状态,地球内部就有了一个稳定的电流,从而使地球形成了一个磁场强度稳定的南北磁极。

  地球磁场的出现使得宇宙中射向地球的各种带电粒子发生偏转,保护地球生物免遭辐射。更重要的是,它可以牢牢地将大气层吸附在地球上空,避免其被太阳风暴带走。没有大气层,地球上恐怕也就只能出现有限的几种微生物了。

  除了地球以外,火星是太阳系中最接近生物生存环境的行星。火星探测器发回的照片显示,火星地表存在小河道,很多地方都曾受到水的侵蚀,也很可能出现过海洋和湖泊。但遗憾的是,火星上的水存在的时间很短,大约四十亿年前就消失了。究其原因,除了火星质量不够大,无法产生足够的引力以外,其内部磁场的突然消失也是一个关键的因素。没有磁场的吸引,原始海洋中的水分蒸发后在各种宇宙射线的作用下纷纷摆脱了火星的束缚,失去了水分的火星也就失去了产生复杂生命的机会。

  撞出一个月球

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  可以说,地球是在不断地撞击中逐渐形成和完善的,不过,在这之后一次巨大而猛烈的撞击则差点毁掉了这个新生的星球。

  在太阳系形成之初,太阳有一颗叫做忒伊亚的行星,它的体积接近于火星,质量达到了地球的10%。大约45亿年前,这颗行星从侧面撞向了地球,这是一次规模空前的大碰撞。与之前的微星体撞击地球不同,由于忒伊亚的质量很大,它给地球带来的冲击力是此前任何撞击都无法比拟的。

  这次撞击对这两颗行星来说,无疑都是一场噩梦。当时的情景就犹如两辆重型卡车相撞后的车祸现场,大块的地壳物质和大量碎屑被巨大的冲击力撞得飞散到空中。行星忒伊亚从此在太阳系中消失了,它的内核陷入到地球内部,成为了地球的一部分。

  地球虽能幸免于难,但同样付出了惨痛的代价,地球的早期地幔被直接撕开,忒伊亚直接轰进位于地球最深部的地核,刚刚从炽热的状态中逐渐冷却下来的地球又恢复了熔融的状态,而地球自转的轴线也因此偏转了23度。这次碰撞也为地球注入了巨大的能量,使其自转速度陡然加快,大概相当于现在的4倍,也就是说,当时地球的一昼夜只有6个小时。地球高速自转的直接结果就是地表恶劣的气候条件,时速800多千米的飓风席卷了整个地球。照此情形发展下去,我们无论如何也看不到生命形式能够在此诞生的任何希望。

  然而,这次撞击对地球的影响远不止于此。当初飞散到空中的碎片互相撞击、合并到一起,历经百年的时间最终冷却并形成围绕地球飞行的月球。月球形成后,地球很快就感受到了它对地球上海洋的巨大引力以及对地球潮汐的影响。

  当时的月球看起来比现在要大得多,因为45亿年前的月球距离地球只有2.5万千米,而今天这一距离则被拉大到了38.4万千米。而外界天体引发地球潮汐的作用力与它们之间距离的立方呈反比,这就意味着,45亿年前,月球对地球的引潮力是今天的3600倍。想象一下,几千米高的巨浪,数百千米的时速,每天两次不停地冲刷着陆地深处,那是怎样惊心动魄的场景!如果当时陆地上已经有生命存在的话,那时的惊涛骇浪无疑会给这些生物带来灭顶之灾,每当涨潮的时候,它们要在很短的时间内跑出几千米远才能避免被海浪卷走,而这种情形每隔3个小时就会发生一次(别忘了当时的一天只有6个小时)。

  辽阔的海洋在这个近地月球的辅助下恣意妄为,周而复始地蹂躏着广大的陆地。整个地球陷入了一片狂风巨浪之中,如此恶劣的环境是不是再次为任何可能的生命形式的诞生增添了新的障碍呢?答案正好相反,狂暴的海洋恰恰是地球生命诞生的必要前奏。

  狂暴的海洋催生生命

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  在这次撞击之前,虽然地球上已经出现了江河湖海,但那时的海洋中的盐分是非常低的,也没有什么无机离子。不过,威力巨大的海浪为这片原始海洋带来了新的物质,每次落潮时,陆地表面大量的矿物质都被海浪裹挟着进入了海里。这片淡水海洋因此逐渐变“咸”了。与此同时,在闪电、宇宙射线等能源的作用下,原始大气中少量的甲烷、氨气、氢气等气体变成了有机小分子。这些有机分子也进入了原始海洋中,最终,能够孕育最原始生命的“原始汤”终于诞生了。

  随着“原始汤”中各种矿物质和有机分子的逐渐增加,经过长期的相互作用,在条件适合的情况下,最终形成了原始的氨基酸和核酸分子等有机高分子物质,为原始生命的诞生奠定了至关重要的基础。

  尽管地球在朝着有利于生命诞生的方向发展,但当时的地球依然动荡不安,凶猛的海浪足以摧毁任何新生的生命。那么,我们的地球又是如何平息这一巨浪的呢?

  事实上,降服巨浪的武器就是它自身。疯狂的海浪犹如一把双刃剑,它一次次地在陆地上耀武扬威的同时,也逐渐消耗了自己的能量。涨潮和落潮的时候,海水与陆地表面会发生剧烈的摩擦,这种摩擦对地球的运动有重要的影响。通过摩擦产生的热能最终都散失了,而能量的散失导致地球的自转速度不断变慢,日子也不断变长。而根据天体物理学的知识,由于地球自转变慢,月球也会逐渐远离地球,它对地球的潮汐作用力也逐渐减弱,使得狂暴一时的潮汐巨浪最终安静下来。

  这时的“原始汤”才终于成为了孕育生命的温床,在这个生命的摇篮里,有机高分子物质经过长期的积累和相互作用,逐渐聚合到一起,构成一个独立的多分子体系,进而演变成具有原始新陈代谢能力并且可以进行自我复制的原始生命。

  现在回过头来看,我们或许有理由相信:正是当初那场惨烈的超级大碰撞,为原始生命的诞生创造了条件。不过,这些原始生命的成长和进化并不是一帆风顺的,它们依然要面临严峻的生死考验。

  氧气:屠杀者与养育者

  大约38亿年前,地球上首次出现了单细胞原核生物。那时候的地球与现在截然不同。地球的大气成分主要是二氧化碳和硫,几乎没有氧气,因此天空是红色的。

  岁月悠悠,10亿年过去了,地球上才进化出可以进行光合作用的蓝绿藻,它们依靠阳光来进行新陈代谢,在这个过程中吸收二氧化碳,吐出氧气。氧气的出现,永远改变了地球的未来命运。

  氧气开始在海水中不断扩散,那些在海洋里以硫化物为生的厌氧微生物几乎全部被氧杀死,地球第一代生命就这样灭绝了。这是地球生命史上最悲壮的一幕,史称“氧的大屠杀”。

  蓝绿藻的队伍则在几百万年间越来越壮大,并且向海洋中释放出更多的氧气。很快,海洋中溶解的氧气就饱和了,氧气从海洋源源不断进入天空,那是地球历史上第一次如此大量的氧气被释放到空气中,氧气在大气中与甲烷反应,将甲烷消耗殆尽后,其含量就开始在大气中逐渐累积,最终达到地球大气成分的20%以上,天空变成了美丽的蔚蓝色。

  虽然氧气无情地灭杀了第一代地球生命,但用现代的眼光来看,这无疑是件值得庆贺的事情,大气中终于出现氧气了,更高级更复杂的喜氧生命应运而生。当氧气充溢着地球天空时,地球生命开始了一个新历程。

  而且,太阳发出的紫外线照射到氧气时还会将其变成另外一种气体——臭氧。在距地球表面20千米的同温层中,高能量的紫外线将氧分子(O2)分解成氧原子(O),而氧原子与另一氧分子结合,即生成臭氧。由于紫外线会破坏生物DNA的结构、杀死细胞,在臭氧出现之前,所有生物必须躲在海洋中,才能避免受到紫外线的辐射,而臭氧的出现真正为生物向陆地的进化铺平了道路。

  历经3亿年的冰冻地球

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  然而,等待这些微生物的不是更舒适的环境,而是一个漫长的冰河期。这个冰河期从24亿年前到21亿年前,持续了3亿年之久,这是地质史上最严重且持续时间最长的一次冰河时期,比人们所熟知的6亿多年前的“雪球事件”更为严重。这个漫长的冰河期正是地球大氧化引起的。

  在24亿年前,太阳的光照强度只有现在的85%,但地球上的温度却比现在高。这是因为当时大气中温室气体的浓度比现在高得多,大概是现在的20多倍,这些温室气体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,因为甲烷产生的温室效应比二氧化碳要强上百倍。不过,甲烷却很容易与氧气发生化学反应,生成二氧化碳。所以,当氧气进入大气后,将笼罩在地球表面的甲烷都变成了二氧化碳,这就意味着地球的保温能力急剧地下降了。

  地球温度大大降低后,位于地球两极的冰帽就会逐步扩大,海洋开始结冰,并向赤道方向推进。随着结冰的范围越来越大,地球对阳光的反射作用愈加强大,而能够吸收的阳光则越来越少,从而导致其进一步降温。这一效应反过来又加速了冰原向赤道的方向推进。气象学家经过计算发现:北纬30度是临界点,一旦冰原推进过这个纬度,地球就会因为吸收的阳光不足以维持地球的温度,从而进入一个不可逆转的恶性循环中,直至整个地球变成一个大冰球,而24亿年前的情况正是如此。

  完全冰封的地球上不再有降水了,甚至也不下雪了,因为大气中所有的水蒸气都已经凝结了,海洋中冰的厚度达到了上千米,当时地球的平均温度只有零下50℃。科学家们认为,即便是拥有现代科技的人类,在面对整个地球被冰封的气候灾难时,可做的也很少,基本上只能坐以待毙。更何况当时的生物比人类低等得多,它们的表现也更加无助,当时绝大多数生物都灭绝了,尽管有极少数极其顽强的微生物在这场大灾难中幸存下来,但是它们也只得在如此极端的环境下艰难地存活。而这次的冰封持续了足足有3亿年。

  冰火两重天

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  地球的当务之急是让自己从冰冻中解脱出来,完成这一任务的第一功臣当属二氧化碳。在冰封时期,大气中二氧化碳的浓度并不是很高。不过,地球被冻住以后,各地的火山依然定时喷发(地核内部并不会受到地表冰封的影响),沉积到海底的二氧化碳被大量释放出来。这样,经过3亿年的积累,大气中二氧化碳的浓度越来越高,温室效应也越来越强。最终使冰原开始融化。

  当冰开始化成水之后,由于水能够吸收更多的阳光,从而使地球更加温暖,导致冰原融化得更快,而海洋面积的增加又能吸收更多的阳光,这样一个良性循环让地球仅用了1000年,就从冰冻状态中恢复过来了。

  正当那些侥幸活下来的生物庆幸大地回春的时候,它们却发现地球的温度恢复到正常水平后依然还在上升。当时大气中二氧化碳的浓度比现在高得多,冰原融化后有更多的火山开始喷发,又向空中释放了更多的二氧化碳。同时,温暖的环境让更多的水蒸气进入大气,而水蒸气也是温室气体,这样,当时地球的温室效应比任何时候都更强烈,而温度的升高又会促使更多的水蒸气进入大气,从而使温度进一步升高。最终,地球的温度达到了50℃,比冰河期足足升高了100℃。

  经历了3亿年的冰冻,那些活下来的生物等到了冰河的消融,但并没有迎来自己的春天,大部分生物又在熊熊“烈火”的折磨下灭绝了。但这种剧烈的寒冷和炎热气候的交替,对生命的进化起着选择和过滤的作用。那些留存下来的少数生命为适应极端的环境张力而经历了迅速的基因变异,这些基因变异使生命得以朝着复杂的种类进化。

  在此后的十几亿年中,地球又交替经历了几次冰封与酷热的环境,这些交替的过程都与二氧化碳在大气中的含量有关。其中,最著名的一次就是发生在6亿多年前的“雪球事件”,这次冰川覆盖了地球数千万年,最后也是火山喷发释放的二氧化碳拯救了地球。

  气候的每一次巨变对于地球上的生物来说都无异于一场浩劫,99%曾在地球上生存过的物种都在一连串冰与火的考验中灭绝了。经历了无数的浩劫,无数的微生物的死亡,海洋中积蓄了大量的养分,而幸存下来的生物在与环境的斗争中也在不断地向前发展。终于,在距今5亿多年前,地球上首次出现了多细胞的生物,随后,一场绚丽的生物大爆发来临了,地球上的生物也逐渐繁盛起来。

  可以说,地球能变成现在这样一个生命的摇篮,与早期经受的种种浩劫是分不开的。尽管灾难曾将地球和地球上的生命推向了灭绝的边缘,但没有灾难,也就不可能有之后生物繁荣发展的景象,更不可能有今日的我们。

    
    

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