摘自《生命的新歷史：關於地球生命起源和演化的激進新發現》，作者：彼得·沃德和喬·基爾什溫克。版權所有 © 2015，彼得·沃德和喬·基爾什溫克。經 Bloomsbury Press 許可轉載。
也許這是對陸地生物的沙文主義，又或許宇宙中只有像我們這樣的生命才有可能存在。但是，對系外行星的探索，其核心目標是找到其他的“地球”。問題就變成了，如何定義一顆真正的類地行星。我們都對我們現在的星球有一個概念：被海洋主導，一個綠色和藍色的地方，以及我們的家園。但是，當我們回溯過去和展望未來時，我們發現地球過去和將來都會與我們現在稱之為家園的星球非常不同。“類地”實際上是一個時間和“地點”的定義。
在天文學和天體生物學中，目前存在著各種不同的定義，這兩個領域最關注的是如何定義我們居住的行星。最寬泛地說，一顆類地行星具有岩石表面和高密度核心。最嚴格地說，它應該具有“我們所知的生命”的重要必需品，包括適中的溫度和一個允許液態水在表面形成的的大氣層。“類地行星”通常用來表示類似於現代地球的行星，但我們知道，自形成以來的45.67億年中，地球發生了巨大的變化。在地球歷史的某些時期，我們自己的類地行星根本無法支援生命，而在其歷史的一半以上的時間裡，諸如動物和高等植物等複雜生命是不可能存在的。地球幾乎在其整個歷史中都是潮溼的。在形成月球的事件發生後的1億年內，一個火星大小的原行星撞擊到一個仍在吸積的地球大小的星體，就有了液態水。是巧合嗎？或者僅僅是由於攜帶大量水的水彗星撞擊地球表面，形成了來自外星的洪水？
支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
證據是在放射性定年為44億年前的礦物鋯石的微小沙粒中發現的。它們具有海水透過板塊構造式俯衝過程被吸入地幔的同位素指紋。即使我們的太陽在早期地球歷史中能量遠不及現在，大氣中也有足夠的溫室氣體來保持我們星球的溫暖。但比太陽熱量更重要的是，早期地球上的火山活動可能比現在活躍十倍——因此，大量的熱量從地球湧出，溫暖著海洋和陸地。一些天體生物學家現在認為，地球上的生命可能直到行星熱量冷卻到遠低於地球歷史最初十億年的水平時才開始，這是認為地球生命可能起源於另一顆行星（例如火星）的眾多原因之一。但是，在我們的太陽系早期歷史中，還有另一顆類地行星：金星。
在早期，金星本應處於太陽的宜居帶，儘管由於失控的溫室效應，它現在的表面溫度接近900°F（500°C），這無疑使其表面變得不適宜居住（儘管有些人認為其大氣中可能存在微生物生命，但我們認為這種可能性很小）。相比之下，火星的地質記錄清楚地表明它曾經有流動的水，甚至有可以磨圓卵石並形成沖積扇的大河和小溪。現在，水已經消失、凍結或只是在其近真空大氣中微弱的蒸汽。據推測，其較低的質量阻礙了地殼迴圈所必需的板塊構造過程，這降低了其金屬核心中的熱梯度，而這些熱梯度是產生保護大氣層的磁場所需的，並且距離太陽更遠使其更容易滑入永久的“雪球地球”狀態。如果火星上曾經存在生命，它可能仍然存在於地下，由放射性衰變的輕微地球化學能量驅動。
在大約46億年前（從現在開始，GA 指的是十億年前）之前，原始地球是由各種大小的“星子”形成的，這些星子是在黃道平面（所有行星都在其中執行的扁平空間區域）中凝聚的岩石和凍結氣體的小天體。在45.67 GA（日期非常精確，並且數字容易記住）時，一個火星大小的物體似乎撞擊了這個天體，導致行星的鎳鐵核融合，並且月球從之後短暫存在的一個矽蒸汽“大氣層”中凝聚而成。在其存在的最初數億年中，大量隕石不斷地猛烈撞擊這顆新行星。
地球形成表面的熔岩狀溫度和這次猛烈撞擊階段中湧入隕石釋放的能量無疑會造成不適宜生命生存的條件。在大約44億年前，由這些巨大的彗星和小行星持續不斷地撞擊所產生的能量本身，就足以使地球表面區域的溫度足以融化所有地表岩石，並使其保持熔融狀態。地表上不可能形成液態水。
新行星在最初的凝聚後不久就開始迅速變化。大約在45.6億年前，地球開始分層。最內部區域，一個主要由鐵和鎳組成的核，被一個密度較低的區域（稱為地幔）包圍。一個薄薄的、迅速硬化的、密度更小的岩石地殼在地幔之上形成，而濃厚的蒸汽和二氧化碳翻騰的大氣層充滿了天空。儘管地表沒有水，但大量的水會被鎖在地球內部，並且會以蒸汽的形式存在於大氣中。隨著較輕的元素向上冒泡，較重的元素下沉，水和其他揮發性化合物從地球內部排出並新增到大氣中。
早期的太陽系是一個擁有新行星和大量未被納入行星形成的垃圾的地方，它們都圍繞太陽執行。但是，並非所有這些軌道都是當今行星所顯示的穩定、低偏心率的橢圓。其中許多是高度傾斜的，並且更多的是在軌道行星和太陽之間交叉。因此，所有太陽系的“房地產”都遭受了宇宙的猛烈撞擊，尤其是在42到38 GA之間。其中一些天體（尤其是彗星）可能為行星的水含量做出了貢獻，但這仍然是一個激烈爭論的主題。我們根本不知道早期的地球透過宇宙撞擊獲得了多少水。最近的發現表明，從月球返回的樣本中存在的微量水與地球上的大量水相匹配，這表明我們的大部分水圈和大氣都溶解在火星大小的原行星 Thaea 巨大撞擊後形成的全球岩漿海洋中。
但是，那時存在的任何生命肯定都會付出代價。美國宇航局的科學家已經完成了對此類撞擊事件的數學模型。一個直徑500公里的物體與地球的碰撞導致了一場幾乎無法想象的災難。地球岩石表面的巨大區域將被汽化，形成一片溫度達數千度的過熱“岩石氣體”或蒸汽雲。正是這種大氣中的蒸汽導致整個海洋蒸發成蒸汽，沸騰成在海底留下熔融鹽的浮渣。透過向太空輻射進行冷卻將會發生，但新的海洋至少會在事件發生後數千年才會降落。如此大的、德克薩斯州大小的小行星或彗星可能會蒸發一萬英尺深的海洋，在此過程中使地球表面變得不適宜居住。
大約在38億年前，即使最嚴重的隕石撞擊已經過去，這些劇烈碰撞的頻率仍然比最近時期要高得多。白天的長度也不同，不到十個小時，因為地球的自轉速度更快。太陽看起來會暗淡得多，可能是一個熱量很少的紅色球體，因為它不僅燃燒的能量比今天少得多，而且還必須穿過一個有毒、翻騰的大氣層，該大氣層由滾滾的二氧化碳、硫化氫、蒸汽和甲烷組成——而且不存在大氣或海洋氧氣。天空本身可能是橙色到磚紅色的，而肯定覆蓋了地球幾乎所有表面的海洋，顏色會是泥濘的棕色。但它是一處擁有氣體、液態水以及擁有無數礦物質、岩石和環境（包括現在被認為對生命進化的兩部分過程所必需的環境）的“房地產”：產生許多“部分”，然後將它們全部聚集在工廠車間。
必要的生命支援系統及其歷史
地球生命起源最關鍵的先決條件之一是，大氣中的氣體必須具有足夠的“還原性”，以允許形成地球生命的構件，即生命前分子。被稱為氧化-還原的化學過程可以記住為“油-鑽”。這說明了一個化合物是失去電子（OIL：氧化是失去）還是獲得電子（RIG：還原是獲得）。電子就像可以交換能量的貨幣：在氧化中，電子的損失為能量的獲得買單。在還原中，電子的獲得是銀行裡的錢——這筆錢是以能量的形式存在的。例如，石油和煤是“還原的”。也就是說，它們在銀行裡有很多能量，當我們燃燒這些燃料時，它們會被氧化並釋放出來。換句話說，我們氧化它們，從而產生能量。
地球早期大氣層的組成是一個有爭議且被大量研究的話題。雖然氮的含量可能與今天相似，但有大量不同的證據表明幾乎沒有氧氣可用。然而，二氧化碳的含量將比今天高得多，這種富含二氧化碳的大氣將透過超級溫室效應產生類似溫室的條件，二氧化碳壓力比今天高一萬倍。
今天，我們的大氣層由78%的氮氣、21%的氧氣和不到1%的二氧化碳和甲烷組成——這種組成似乎是比較新的。正如越來越明顯的那樣，我們的大氣層可以相對迅速地改變其組成，尤其是在那個具有欺騙性的小1%中，其中包括二氧化碳和甲烷，這兩種所謂的溫室氣體（以及水蒸氣）的重要性遠遠超出其在大氣中的丰度。
元素迴圈和全球溫度
我們人體需要進行大量的複雜過程，以維持我們稱之為生命的奇特狀態。許多此類系統都涉及元素碳的運動。類似地，碳、氧和硫的運動是維持地球上適合生命生存環境的關鍵因素。其中，碳最為重要。
碳在固態、液態和氣態之間進行活躍的迴圈。碳在海洋、大氣和生命之間的轉移被稱為碳迴圈，這種運動對溫室氣體濃度變化引起的行星溫度變化有著最為關鍵的影響。我們所說的碳迴圈實際上是由兩個不同（但相互交叉）的迴圈組成的——短期碳迴圈和長期碳迴圈。短期碳迴圈主要由植物生命主導。光合作用過程中吸收二氧化碳，其中一些碳會被鎖定為活的植物組織——這是一種還原化合物，因此富含可釋放的能量。當植物死亡或葉子掉落時，這些碳會轉移到土壤中，並可能在土壤微生物、其他植物或動物體內再次轉化為其他碳化合物——其中還原碳化合物被氧化，為進行氧化的生物體提供能量。
與此同時，生物體還會將其他碳分子轉化為還原狀態，以便利用其能量。當它透過動物的食物鏈時，這種處於還原狀態的碳可以被氧化，然後作為二氧化碳氣體從動物或微生物中排出，從而使迴圈得以更新。然而，有時，仍然被鎖定在植物或動物組織中的富含能量的還原碳可能會在沒有被其他生物消耗的情況下被掩埋，成為地球地殼內大型有機碳儲層的一部分。這樣做，這些碳就不再是短期碳迴圈的一部分。
第二個，或長期的碳迴圈涉及非常不同型別的轉化。最重要的是，長期迴圈涉及碳從岩石記錄轉移到海洋或大氣中，然後再轉移回來。這種轉移的時間尺度通常以數百萬年為單位。碳在岩石之間的轉移可以引起地球大氣層變化，其幅度大於短期碳迴圈所能達到的變化，因為岩石中鎖定的碳比海洋、生物圈（所有生物體的總和）和大氣中的總和還要多。這似乎令人驚訝，因為僅生物的數量就非常龐大。但耶魯大學的鮑勃·伯納計算得出，如果地球上所有植物突然被燒燬，所有碳分子都進入大氣層，這種短期碳迴圈將使大氣中的二氧化碳增加約 25%。相比之下，過去長期的變化導致二氧化碳的上下波動幅度超過 1000%。
地球碳迴圈的一個關鍵方面涉及碳酸鈣或石灰石。這種常見的地球材料構成了大多數骨骼無脊椎動物的骨骼。它也存在於稱為顆石藻的微小浮游植物中，其骨骼積累形成稱為白堊的沉積岩。顆石藻的骨骼是地球宜居性的重要組成部分，因為它們有助於將長期溫度控制在穩定水平。由於板塊構造過程中被稱為俯衝的過程，最終，一些白堊被板塊構造傳送帶帶到俯衝帶，即地球地殼中的長凹陷，在那裡，大洋地殼在這些凹陷處向下沉入地球內部。在深入地球數英里的地方，現在遠低於海底表面，足夠的熱量和壓力會導致鈣質和矽質骨骼轉化為新的礦物，例如矽酸鹽，以及二氧化碳氣體。這些礦物和熱的二氧化碳氣體隨後會以富含氣體的上升岩漿的形式返回到地球表面，在那裡，礦物作為熔岩被擠出，氣體被釋放到大氣中。
這就是碳迴圈的關鍵過程。二氧化碳轉化為活的組織，最終腐爛並幫助形成其他種類的動植物的骨骼，這些骨骼最終在地球深處融合成熔岩和氣體，然後又被帶回到地表以更新迴圈。因此，長期碳迴圈對大氣氣體成分產生巨大影響，而大氣氣體成分本身在很大程度上控制著全球溫度。由於沉積物埋藏和侵蝕以及化學風化是決定海洋中產生多少以及多快地產生碳酸鹽和矽酸鹽生物骨骼的關鍵組成部分，最終，進入俯衝帶貪婪的吞噬深淵的礦物數量將決定透過火山泵入大氣中的二氧化碳和甲烷的數量。因此，整個過程在很大程度上受到生命的控制，並最終使地球上能夠存在生命。它不僅僅決定大氣濃度，它還產生了一種可以稱為行星恆溫器的東西，因為該迴圈存在一個反饋方面，可以調節地球的長期溫度。
恆溫器的工作原理如下。假設從地球火山噴出的二氧化碳量增加，導致更多二氧化碳和甲烷進入大氣層。許多這些分子進入高層大氣後，會使從地球表面上升的熱能（首先以陽光的形式到達那裡）反射回地球。這就是溫室效應。隨著更多熱能被困在大氣中，整個行星的溫度升高，在短期內導致更多液態水在大氣中蒸發為水蒸氣，而水蒸氣本身也是一種溫室氣體。然而，這種變暖會產生有趣的後果。隨著溫度升高，化學風化的速率增加。這對於矽酸鹽礦物的風化最為重要。正如我們所見，這種風化過程最終導致碳酸鹽或其他新型矽酸鹽礦物的形成，但風化過程本身會從大氣中剝離二氧化碳。
隨著風化速率的增加，越來越多的二氧化碳被從大氣中抽出，形成其他對全球溫度沒有直接影響的化合物。隨著大氣中二氧化碳水平開始下降，全球溫度也隨之下降，這是因為大氣中溫室氣體分子減少導致溫室效應減弱。與此同時，隨著氣溫降低，風化速率也會降低，並且由於可選擇的碳酸氫根離子和矽離子減少，沉澱的骨骼也會減少。最終，這將導致較少的骨骼材料被俯衝，以及較少的火山二氧化碳。現在地球正在迅速降溫。但與此同時，許多生態系統（如珊瑚礁或地表浮游生物區域）的規模會縮小，因此對大氣二氧化碳的需求也會減少。在這種情況下，火山開始排放比生物體可利用的更多的二氧化碳，迴圈得以更新。
關鍵的風化速率不僅僅受溫度影響。無論溫度如何，山脈的快速隆起都會導致矽酸鹽礦物侵蝕的加劇。因此，隆起的山脈會導致這些礦物更快地風化，並去除更多的大氣二氧化碳。地球迅速降溫。許多地質學家認為，大規模崎嶇的喜馬拉雅山脈的快速隆起導致大氣中二氧化碳水平突然下降，從而導致（或至少促成了）最終產生大約 250 萬年前開始的更新世冰河期的降溫。
影響化學侵蝕速率的第三個因素是植物生命的種類和豐度。“高等”（多細胞）植物在引起岩石物質的物理侵蝕方面非常有效，從而為化學風化提供更大的表面積。植物丰度的突然增加——或者進化出一種新的具有更深根系的植物，例如在大多數樹木中發現的——具有與短期內新山脈隆起相同的效果：風化速率增加，導致全球溫度下降。相反的情況——透過大規模滅絕或人為造成的森林砍伐來移除植物——會導致大氣迅速升溫。
即使是大陸的移動也會影響全球的風化速率，從而影響全球氣候。由於在較高溫度下風化進行得更快，即使在非常寒冷的時期，如果大陸漂移將大塊大陸從較高緯度移到赤道，世界也會變得更加寒冷。
化學風化在北極和南極地區非常緩慢，但在赤道地區卻很高。將大陸移至赤道地區將對全球溫度產生影響。大陸位置的另一個影響來自大陸的相對位置。如果用於構建骨骼的關鍵溶質和礦物質無法到達海洋，那麼無論進行多少化學風化都無法改變全球溫度。水可以做到這一點，但是，如果所有大陸都像 3 億年前形成盤古大陸時那樣合併在一起，那麼超大陸內部的廣闊區域將沒有降雨和河流入海。雖然在這個巨大大陸的中心產生了無數噸的碳酸氫鹽、溶解的鈣和矽離子，但其中大部分從未到達世界海洋。
最終，隨著降雨減少，即使在較高溫度下，風化速率也會降低，反饋系統可能無法像大陸分離時那樣良好地工作。大陸合併產生的較短的大陸海岸線長度會嚴重影響世界氣候，因為許多以前受海洋影響和溼地地區將轉變為遠離海洋及其水域的地區。沙漠和北極都顯示出較低的風化速率，因此透過降低風化礦物副產品吸收大氣中二氧化碳的速率來幫助世界變暖。
顯生宙二氧化碳和氧氣曲線
除了溫度之外，對地球生命歷史影響最大的物理因素，或許就是那些賦予生命的二氧化碳（對植物而言）和氧氣（對動物而言）的含量變化（表現為大氣壓強）。隨著時間的推移，我們星球大氣中二氧化碳和氧氣的相對含量一直（並將繼續）由廣泛的物理和生物過程決定。大多數人會驚訝地發現，直到地質時間的相對近期，這兩種氣體的水平都經歷了顯著的波動。但為什麼這兩種氣體的水平會發生變化呢？主要的決定因素是一系列化學反應，這些反應涉及地球地殼內外許多豐富的元素，包括碳、硫和鐵。這些化學反應涉及氧化和還原。在每種情況下，遊離氧（O2）都會與含有碳、硫或鐵的分子結合，形成新的化合物，在這個過程中，氧氣會從大氣中移除並儲存在新形成的化合物中。而透過其他涉及化合物還原的反應，氧氣又會被釋放回大氣中。植物在光合作用過程中就發生了這種情況，它們透過一系列複雜的中間反應，將二氧化碳還原，並釋放出遊離氧作為副產品。
已經有許多專門的模型被開發出來，以推斷過去氧氣和二氧化碳的含量隨時間的變化，其中被稱為 GEOCARB 的方程組是最古老也是最精密的。這個模型由耶魯大學的羅伯特·伯納設計，用於計算碳的含量。除了 GEOCARB 之外，伯納和他的學生還開發了獨立的模型來計算氧氣含量。這些模型共同展示了氧氣和二氧化碳隨時間變化的主要趨勢。這項工作代表了科學方法的一大勝利。隨著時間推移，氧氣和二氧化碳的上升和下降的重要性，確實是關於地球生命歷史的最新也是最根本的理解之一。
一些人認為，在大約 40 億年前，地球上的條件和物質已經適合生命的形成。但一個行星適宜居住並不意味著它一定會存在生命。從無生命到生命形成的這一過程，也就是下一章的主題，似乎是歷史上最複雜的化學實驗。雖然天體生物學家似乎不斷提及在地球上啟動生命是多麼“容易”，但更細緻的觀察卻表明絕非如此。
幾乎比任何其他方面都更明顯的是，地球大氣中各種成分的相互作用和濃度，不僅決定了地球上存在哪種生命（或是否存在任何生命），也決定了生命的歷史。在理解地球生命的程序時，越來越多人接受氧氣和二氧化碳水平的主導作用，這在許多方面都是 21 世紀在解讀地球歷史方面的一項創新。我們還了解到，另外兩種重要的氣體在生命的故事中也發揮了主導作用，並在接下來的篇幅中會提到：硫化氫 (H2S) 和甲烷 (CH4)。它們的故事也寫在岩石、生命和死亡之中。