黎 明 前 的 漫 漫 長 夜

對於(yu) 過去

人類總有一種天生的好奇和敬畏

對於(yu) 生命

人類尚且還有很多未知等待探索

地球是人類唯一的家園，人們(men) 始終沒有停止對地球奧秘的探索。

從(cong) 古代天圓地方的發問，到《山海經》中的奇聞怪談，再到《水經注》中對自然環境的描寫(xie) ，無不展現出古代人對自然、對地球的好奇和不懈的探索。18世紀開始，對地球的探索步入科學研究的角度，人們(men) 開始爭(zheng) 論地球的成因和滄海桑田變化的原理，地球科學的發展進入高速階段，在短短一百多年的發展過程，人類的地球科學領域就發現並初步解決(jue) 了眾(zhong) 多科學問題。

例如，我們(men) 知道了地球已經形成了46億(yi) 年，我們(men) 知道了大陸是如何形成和演化的，發現了寒武紀生命大爆發，發現了五次生物大滅絕事件，發現了人類的演化史等等重要的科學問題，讓人們(men) 對地球乃至各種天體(ti) 都有了整體(ti) 的認知。

或許將地球46億(yi) 年的過程一股腦地講出來是不可能的，也無法全麵地講到地球的每一個(ge) 細節，但與(yu) 我們(men) 人類息息相關(guan) 的生物界，或者說是生物的進化史是大眾(zhong) 所喜聞樂(le) 見的，地球從(cong) 誕生到如今，不同時代的古生物麵貌都是地球這一階段的縮影。接下來，文章將通過對地球不同時期的古環境麵貌複原圖展現地球演化的獨特魅力。

首先是地球最早的紀元——前寒武紀。

圖｜前寒武紀複原圖

地球漫長的演化過程並不是單調的，從(cong) 最初形成的大火球，到如今海陸穩定的蔚藍星球，這一過程經曆了數個(ge) 別具特色的時代。我們(men) 將這些時代用地質年代單位劃分，既“宙、代、紀、世、期”，其中“紀”是最常用的年代單位，簡單理解為(wei) 地球的不同紀元。

圖｜地球演化示意圖

就如同被大眾(zhong) 所熟知的，侏羅紀是恐龍的時代、寒武紀是三葉蟲的天下等等，不同的紀元有自己獨特的特色，較為(wei) 特殊的是地球的第一個(ge) 紀元——“前寒武紀”。其實這一命名是一個(ge) 很不負責任的叫法，因為(wei) 在地球46億(yi) 年的曆史中，寒武紀前的長達40億(yi) 年的時間都被統稱為(wei) “前寒武紀”，即“隱生宙”，其中有包含了冥古宙、太古宙、元古宙，涵蓋時間跨度長，且包含多個(ge) 紀，所以將其統稱為(wei) 一個(ge) 紀確實不太合適。雖然早在30多億(yi) 年前地球就已經出現了生物，但是由於(yu) 在前寒武紀這段時間裏生物長期處於(yu) 很低級的階段，主要是由低等的藻類生物組成，且這段時間經曆了複雜的變質作用且研究難度大，所以人們(men) 把缺少生命大規模活動的階段統稱為(wei) “前寒武紀”。

這漫長的40億(yi) 年地球經過了多次翻天覆地的變化，從(cong) 動蕩到平靜的這段時間裏生命也悄然出現了。有人把寒武紀的生命大爆發稱為(wei) 動物界的黎明，前寒武紀這段漫長的歲月我們(men) 就稱之為(wei) “黎明前的漫漫長夜”吧。

圖｜澳大利亞(ya) 西部疊層石(來源：Frans Lanting / Getty Images)

最初的6億(yi) 年被稱為(wei) 冥古宙（Hadean, 距今~46-40億(yi) 年），多數以月球的東(dong) 海撞擊事件為(wei) 結束時間（~38.4億(yi) 年）。地球從(cong) 最初熾熱的岩漿海冷卻固化成球就用了約1億(yi) 年的時間，分異出了地核，後來又隨著原始地幔的熔融分離，分異出了大量的地殼，曆經4~5億(yi) 年，盡管一切趨於(yu) 平靜，並且開始出現了早期的海洋、大氣，但在41億(yi) 年前後，地球仍持續受到大量小行星、彗星的擊打，月球也是在一次猛烈的撞擊下從(cong) 地球上分離出去。經過數億(yi) 年的打擊，在惡劣環境中地球平靜了下來，形成了穩定的地月係統。

圖｜太陽係早期模型

圖｜冥古宙時小行星、彗星擊打下的地球

圖｜大撞擊事件

圖｜大撞擊事件後地月係統形成(來源：Richard Bizley)

圖｜月球在經過多次撞擊留下的隕石坑

但是由於(yu) 強烈的改造作用，40億(yi) 年前的物質並沒有保存下來，淹沒在了地球深部，隻有天上的月亮還記錄了40億(yi) 年之前的事情，地球最古老的岩石樣品也僅(jin) 僅(jin) 隻有40億(yi) 年加拿大西北部Acasta片麻岩，最古老的年齡記錄僅(jin) 出現在澳大利亞(ya) Jack Hill的44億(yi) 年鋯石中。

圖｜阿卡斯塔40億(yi) 年片麻岩

圖｜Jack Hill 44億(yi) 年鋯石

冥古宙是沒有生命的，或者說是沒有記錄，但毋庸置疑的是冥古宙的生存環境是有史以來最惡劣的。有趣的是，1953年美國化學家生物學家斯坦利·勞埃德·米勒（Stanley Lloyd Miller）通過一個(ge) 模擬早期地球火山爆發和雷電交加的化學實驗，奇跡般地用甲烷、氨氣等早期氣體(ti) 合成出了組成生命最必要的物質——氨基酸。經過後麵的探索，在地球早期的天然條件下，可以合成出22種氨基酸、5種胺，這就是著名的米勒-尤裏實驗，這為(wei) 早期地球能演化出生命提供了重要依據。

米勒和米勒實驗模型

太古宙（Archean, 距今40-25億(yi) 年）的地球活動相對而言就清楚了很多，太古宙是40~25億(yi) 年前的很長一段時期，又分為(wei) 始太古代、古太古代、中太古代以及新太古代。地球雖然已經平靜下來，但地球的熱流值仍是現在的3倍以上，這些熱量來自於(yu) 行星吸積形成地核釋放出的引力勢能與(yu) 當時豐(feng) 度更高的放射性元素衰變熱，所以太古宙出現了很多超高溫地質作用，像超高溫變質岩、科馬提岩等，這些在顯生宙之後就沒再出現。太古宙早期大陸地殼開始逐漸組建起來，形成了穩定的克拉通（指大陸地殼上的古老而穩定的部分），為(wei) 生命的出現提前備好了溫室，直到現在我們(men) 仍在穩定克拉通上生活著。

圖｜主要的太古代克拉通分布

最早的生命早在38億(yi) 年前始太古代，就已出現，最早的地球生命出現在海底熱液噴出口附近，為(wei) 早期無細胞核的原核生物。依據生物化學證據，38億(yi) 年前格陵蘭(lan) 的條帶狀磁鐵礦說明，那時生命就已經開始改造環境了，另外，37億(yi) 年格陵蘭(lan) 發現的錐形結構的白雲(yun) 岩，可能也是原核生物的傑作。確切的最老生物化石依據發現在澳大利亞(ya) 西部的矽質疊層石中，經過測年這裏地層的年齡約有35億(yi) 年，化石類似於(yu) 一些菌類絲(si) 狀體(ti) 殘片化石。這些古原核生物都是單細胞生物，沒有細胞核，結構極其簡單，但到現在依舊存在。

圖｜早期生命產(chan) 生在海底熱液噴口

圖｜澳大利亞(ya) 鯊魚灣現在還在生長的疊層石

圖｜世界各地疊層石化石對比

圖｜澳大利亞(ya) 現生藍藻與(yu) 澳大利亞(ya) 西部頂端燧石岩層太古宙藍藻化石對比

緩慢的生命進程無聊到讓人乏味，經過十幾億(yi) 年的發展原核生物始終是原核生物，一直到太古宙末期，這些原核生物也隻能在地表的沉積岩中掀起一小點兒(er) “波瀾”。但是到了元古宙這些原核生物卻起到了至關(guan) 重要的作用。

圖｜格陵蘭(lan) 生物成因的錐形結構白雲(yun) 岩

圖｜疊層石頂部剖麵(來源：視覺中國)

元古宙（Proterozoic, 距今25-5.41億(yi) 年）是前寒武紀最後一個(ge) 宙，也是開創性的時代，地球所有克拉通的穩定沉積蓋層都是在這個(ge) 期間形成，我們(men) 腳下的土地就是在這段時間穩固下來，大部分的金屬礦產(chan) 資源也在這段期間產(chan) 生，並且最後的埃迪卡拉紀也為(wei) 生物界產(chan) 生了翻天覆地的變化。元古宙相對而言研究更加深入，元古宙有細分為(wei) 古元古代、中元古代、新元古代，其下又按照不同時代的獨特地質作用分為(wei) 十個(ge) 紀，成鐵紀、層侵紀、造山紀、固結紀、蓋層紀、延展紀、狹帶紀、拉伸紀、成冰紀、埃迪卡拉紀。

圖｜元古代遍布海岸線的疊層石複原圖

早在太古宙時期空氣中彌漫的都是二氧化碳和甲烷一類的氣體(ti) ，這些溫室氣體(ti) 對地球起到了極大地保溫作用，比現在地球高出了幾十攝氏度。而最早的原核生物藍細菌，即藍藻，雖然進化過程緩慢，但是它們(men) 卻又一個(ge) 重要的作用，那就是光合作用，能夠把空氣中的二氧化碳轉變為(wei) 氧氣（後來人們(men) 認為(wei) 植物細胞中的葉綠體(ti) 就是吞噬藍藻形成的）。大批量的藍藻夜以繼日地辛苦勞作，經過漫長的十億(yi) 年竟然把地球改造成了藍色的甚至有臭氧層保護的星球，這一作用被稱為(wei) “大氧化事件”（Great Oxidation Event, GOE）。由於(yu) 氧氣的大量增加，使很多原本遊離在海洋中的鐵離子發生了氧化並沉澱到海底，形成了豐(feng) 富的鐵礦石沉積，形成了被稱為(wei) 條帶狀鐵建造（BIF）的全球性沉積鐵礦，這一時期對應於(yu) 元古宙第一個(ge) 紀元——成鐵紀。

圖｜條帶狀磁鐵礦(BIF，紅色為(wei) 含三價(jia) 鐵石英條帶，藍色為(wei) 磁鐵礦)

圖｜BIF中的微生物

生命的再一次革命是真核生物的產(chan) 生。經過大氧化事件的環境改造，23億(yi) 年前大氣層的氧氣含量穩定下來，充足的氧氣為(wei) 生命活動帶來了新的機會(hui) 。在一次機緣巧合下，一隻貪吃的原核細胞吞入了另一隻原核細胞，這隻體(ti) 內(nei) 的原核細胞竟可以相對獨立的分裂、遺傳(chuan) ，逐漸演變成我們(men) 熟知的細胞核，細胞於(yu) 此開始學會(hui) 了有絲(si) 分裂。細胞不再是單打獨鬥，而是可以形成許許多多同根同源的細胞，組成多細胞生物。另外，在這種吞噬作用下，細胞產(chan) 生了其他的細胞器，如線粒體(ti) 、葉綠體(ti) 等，這些零件為(wei) 生命的演化解鎖了更多功能。隻不過原核生物是何時出現的，一直是科學界爭(zheng) 論的話題。最早的真核生物出現的標誌，是一塊15.6億(yi) 年前的多細胞藻類宏觀化石。最新研究發現，MIT的研究人員通過“分子時鍾分析”法，發現有一類隻有真核生物才能合成的固醇，其主要的酶早在23億(yi) 年就已經出現，所以最早的原核生物可能出現在23億(yi) 年的某一天。在一些BIF鐵礦中，也曾發現有微生物多細胞藻類的痕跡。

圖｜真核細胞

生命的演化依舊很緩慢，從(cong) 20億(yi) 年到7億(yi) 年前都沒有什麽(me) 起色，但卻在一次大災難中獲得了新生。7億(yi) 年，地球發生了巨變，整個(ge) 地球像著了涼一樣，氣溫驟降，整個(ge) 地球從(cong) 兩(liang) 極到赤道結上了厚達幾百米的冰蓋，這就是著名的雪球地球事件（Snowball Earth），迄今為(wei) 止最大的冰期。這一個(ge) 碩大的冰球持續了1億(yi) 年之久，被稱為(wei) 成冰紀。雪球地球的形與(yu) 當時Rodinia超大陸裂解有密切聯係（超大陸是地球上周期性出現的所有大陸匯聚在一起形成的聯合超級大陸）。有學者認為(wei) 超大陸的裂解使得海岸線增大，岩石風化速率加快，風化消耗溫室氣體(ti) ，且降雨量加大使得溫室效應減弱，氣溫的快速減低使得地球進入了成冰紀元。

圖｜雪球地球事件

圖｜冰川沉積物下覆蓋著熱帶的鈣質沉積證明雪球地球的存在

圖｜Rodinia超大陸示意圖

被冰層圍困了1億(yi) 年的地球終於(yu) 在大量火山活動下重獲生機。而這次雪球地球事件的結束卻帶來了意想不到的變化——埃迪卡拉生物群的誕生。

圖｜冰磧岩上覆蓋帽白雲(yun) 岩的出現代表雪球地球的結束

前寒武紀的漫漫長夜在熔岩和雷電中開啟，終於(yu) 在熬過40億(yi) 年之後迎來了第一縷曙光。或許是雪球地球長達1億(yi) 年的壓迫使得生命迫切地尋找出路，又或是雪球地球給了生命冷靜思考的時間選對了進化的路。在雪球地球之後，地球環境變得空前的好，氧氣含量充足，真核生物開啟了第一輪大幅度進化，生命演化的曆史翻開了全新的篇章。6.3-5.4億(yi) 年被稱為(wei) 埃迪卡拉紀，在中國稱為(wei) 震旦紀。在這段時間，地球多處出現了眾(zhong) 多埃迪卡拉生物群。

圖｜埃迪卡拉生物群

埃迪卡拉生物群是最早被發現的前寒武生物群，發現於(yu) 澳大利亞(ya) 砂岩中，距今5.65億(yi) 年前。主要組成生物有海綿、水母、盾形動物、三葉動物等等，狄更斯水母是典型代表。由於(yu) 大量為(wei) 軟體(ti) 動物，隻能以印痕的形式保留在砂岩的地層中。這些生物都可以被論證為(wei) 現在某些生物的祖先，使得大家的尋祖計劃總算能找到一個(ge) 合適的盡頭，這無疑是讓古生物學家欣喜若狂的事。

圖｜埃迪卡拉生物演化圖

圖｜埃迪卡拉生物群複原圖

圖｜狄更斯水母

圖｜金伯拉蟲

圖｜斯普裏格蠕蟲

圖｜三分盤蟲

甕安生物群是中國代表的前寒武紀生物群，也是目前最老的埃迪卡拉紀生物群，距今6.1-5.6億(yi) 年，並發現了早期生物胚胎化石，記錄早期細胞分裂的過程。這一切卻距離冰期結束才一千萬(wan) 年，生命就跨過了單細胞到多細胞、原生動物到後生動物、輻射對稱到兩(liang) 側(ce) 對稱的鴻溝，多細胞動物的曆史從(cong) 這個(ge) 點開始展開。

圖｜甕安生物群中生物胚胎化石

圖｜甕安生物群始杯海綿化石

湖北三峽地區及世界其他地區也陸續發現了多個(ge) 埃迪卡拉紀生物群，這些早期前寒武生物長相獨特，形態各異，有些甚至想不通它們(men) 是如何運動、如何進食的，這或許也是生命在不斷地嚐試，縱使失敗也是在進化的道路上。

圖｜三峽地區前寒武紀化石

很遺憾的是，這些大部分埃迪卡拉生物沒有幸存下來，永遠地留在了前寒武紀。由於(yu) 晚期大量小殼動物的出現，埃迪卡拉的軟體(ti) 動物毫無還手之力地成為(wei) 了盤中餐，並且迅速沒落消失。

漫漫長夜之後的第一道曙光是短暫的，轉瞬間這束光便消失了，但隨後迎來的是顯生宙永恒的白晝。埃迪卡拉紀為(wei) 地球帶來了生命演化的種子，舊的時代過去了，但文明將會(hui) 繼續，新一代的生命為(wei) 整個(ge) 地球開啟了另一道新的篇章——寒武紀生命大爆發。

圖｜新的篇章——寒武紀生命大爆發

美編：盧陽陽

校對：陶 琴



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