地球之水與物種進(jìn)化

歐陽自遠(yuǎn)

地球

天緣巧合的奇跡

在浩瀚的太陽系里，唯有地球，生機(jī)勃勃，萬物生長(zhǎng)。地球孕育了生物物種的多樣性，進(jìn)化出高等智慧的人類并支撐著人類建立高度文明的社會(huì)。這一切，都是因?yàn)榈厍蛴兄锰飒?dú)厚的條件。

地球與太陽的距離恰到好處，不遠(yuǎn)不近。

地球的身軀恰如其分，不大不小。

地球的運(yùn)行從容而穩(wěn)定。

地球有巖石質(zhì)外殼，72%的面積被水體覆蓋，為生命的生存與繁衍提供了廣闊的空間。

海洋的潮汐為生物的遷涉提供了動(dòng)力。

地球被磁層、電離層、臭氧層和大氣層所包裹，層層設(shè)防，讓生命免于遭受宇宙輻射的損傷。

地球的大氣層最早由火山噴出的有毒氣體組成，逐漸演化為二氧化碳為主的大氣層，再進(jìn)一步演化成氮-氧大氣層，助長(zhǎng)了生命的繁衍。

地球表面的水體（海洋、湖泊與河流）由強(qiáng)酸性水體逐漸演化為弱酸性直至中性水體，有利于生物的棲息與進(jìn)化。

在地球漫長(zhǎng)的演化歷程中，大氣層、水體與生物物種的協(xié)調(diào)演化，呈現(xiàn)出一種完美的和諧。地球繁多的生物物種和智慧生命的起源與成長(zhǎng)，是地球長(zhǎng)期演化的產(chǎn)物，是天緣巧合所造就，是宇宙的奇跡！

水從何處來

地球水的來源

水在生命產(chǎn)生的過程中發(fā)揮了舉足輕重的作用，那么地球上水最初是從哪里來的呢？科學(xué)家們進(jìn)行了大量的研究，提出了各種假說。

目前，地球水的來源主要有兩種假說：一種假說認(rèn)為，地球形成初期，地球內(nèi)部的地幔物質(zhì)大規(guī)模熔融，通過大面積、長(zhǎng)時(shí)間的火山噴發(fā)，熔巖流覆蓋了地球表面，釋放出以水蒸氣為主的大量揮發(fā)分，冷卻后在地面匯集形成水體，地球水來源于地球的地幔除氣過程;另一種假說認(rèn)為，大量彗星撞擊地球，彗星帶來的水是地球水的來源。

太陽系形成初期，地球等類地行星（包括月球）的早期都發(fā)生過全球性的巖漿洋事件。地球內(nèi)部物質(zhì)（主要是地幔）熔融，通過大范圍的火山噴發(fā)，熔巖流大面積覆蓋地面，大量氣體揮發(fā)物排出地球。根據(jù)地球火山噴發(fā)的熔巖流體積隨時(shí)間的變化，表明地球的火山活動(dòng)在逐漸減弱。通過各種模型的計(jì)算，地球早期火山活動(dòng)噴發(fā)的氣體揮發(fā)分總量大約為178億億噸。

根據(jù)全世界各類火山噴發(fā)氣體揮發(fā)物的研究，地球內(nèi)部的除氣過程排出的氣體揮發(fā)分主要是水蒸氣，占總量的70%～90%，其次是二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、硫化氫（H2S）、氯化氫（HCl）、氨（NH3）、氯化氨（NH4Cl）、氯氣（Cl2）、氮?dú)猓∟2）和硫（S）等。地球內(nèi)部除氣過程釋出的水蒸氣（冷卻后成為水體，匯集在地球表面）平均可達(dá)142億億噸水體，可以滿足地球水體的水總量。根據(jù)地球各類水體的氫、氧同位素組成和二氧化碳的碳、氧同位素組成的系統(tǒng)測(cè)定和研究，確證地球的水來自地球地幔物質(zhì)的除氣過程。

還有一種假說認(rèn)為，地球上的水是彗星撞擊地球帶來的。事實(shí)真的如此嗎？需要采用科學(xué)的方法去驗(yàn)證。

彗星的彗核是由固態(tài)水和塵埃物質(zhì)組成，如果地球上的水真的來自彗星，據(jù)天文學(xué)家估算，至少要2000萬顆中等以上體積彗星的水資源才能填滿地球上的海洋。太陽系的演化歷史難以提供相關(guān)的科學(xué)依據(jù)。

科學(xué)家研究水的同源性，往往是通過測(cè)定水或冰的氫同位素組成（氘/氫，或D/H）來鑒別。地球海水的 D/H為1.56×10-4，根據(jù)哈雷彗星（Halley）、百武彗星（Hyakutake）和海爾波普彗星（Hale-Bopp）等彗星的D/H比，發(fā)現(xiàn)彗星水的D/H比是地球海水D/H比的2倍多。2014年8月，歐空局的羅塞塔探測(cè)器抵達(dá)67P/楚留莫夫-格拉希門克彗星。羅塞塔號(hào)軌道器釋放菲萊著陸器登陸67P的彗核表面，測(cè)定了彗星冰的氫同位素的D/H比為5.3×10-4，是地球海水D/H比的3倍。這些數(shù)據(jù)表明，彗星水與地球水不是同源，彗星水不是地球水的來源。

海洋、大氣層與生物物種

進(jìn)化的協(xié)調(diào)發(fā)展

在地球的早期階段，海洋、大氣層與生物進(jìn)化經(jīng)歷了一個(gè)十分漫長(zhǎng)而又協(xié)調(diào)發(fā)展的過程。各種因素相互影響，逐漸變化，最終形成了適宜生命存在的、生機(jī)勃勃的地球。

在太陽系形成早期，地球和其他類地行星都具有原始大氣層，當(dāng)太陽早期處于T型變星階段，強(qiáng)烈的太陽風(fēng)將行星的原始大氣層驅(qū)趕殆盡，到達(dá)離太陽更遠(yuǎn)的巨行星區(qū)域。現(xiàn)今地球與其他類地行星的大氣層屬次生大氣層。地球的大氣層與地球的水體，經(jīng)歷了極其復(fù)雜的協(xié)調(diào)演化歷程，形成了現(xiàn)今的氮-氧大氣層和現(xiàn)今的海洋水體。

地球形成后，地球內(nèi)部通過強(qiáng)烈的火山活動(dòng)排出大量的水蒸氣（H2O）和二氧化硫（SO2）、硫化氫（H2S）、氯化氫（HCl）、氯氣（Cl2）、氮?dú)猓∟2）、硫蒸汽（S）、氨（NH3）、氯化氨（NH4Cl）等揮發(fā)分，形成了初始的原始火山氣體的大氣層。大量的強(qiáng)酸性揮發(fā)分溶解在水體中，使得地球的海水成為強(qiáng)酸性的水體。在25億年前，地球大氣層仍然是以火山的噴氣產(chǎn)物為主，形成火山大氣層;而海水演化成為氯化物水體，海水的pH值可能小于等于4。

在20億年前后，海洋演化為氯化物-碳酸鹽水體，海水的pH值為4～5。大氣層中積累了大量的二氧化碳（CO2），逐漸形成以二氧化碳為主要成分的二氧化碳大氣層。隨著海水pH值的增大，CO2的溶解度增高，出現(xiàn)大量的碳酸鹽沉淀。特別是古生代大量動(dòng)植物的出現(xiàn)，使大氣層中CO2的分壓下降，氧氣（O2）含量迅速上升，大氣逐漸演化為現(xiàn)今的氮-氧大氣圈。水體演化為氯化物-碳酸鹽-硫酸鹽水體，進(jìn)一步演化為現(xiàn)今的中性-略微偏堿性的水體。地球大氣層與水體的發(fā)育呈現(xiàn)出一種協(xié)同演化的特征。

地球形成于約距今46億年前。大約距今38億年前，在地球濃密的原始火山大氣層環(huán)境下，在強(qiáng)酸性水體中誕生了原核生物。澳大利亞發(fā)現(xiàn)的35億年前的瓦拉翁納群中的絲狀細(xì)菌化石，是地球上發(fā)現(xiàn)最早并具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的化石。

地球上最早出現(xiàn)的異養(yǎng)型原核生物細(xì)菌，在氯化物的海水中經(jīng)過不斷的分化和發(fā)展，終于又出現(xiàn)了能夠進(jìn)行光合作用、從無機(jī)物合成有機(jī)養(yǎng)料的自養(yǎng)型原核生物藍(lán)藻。藍(lán)藻是最早出現(xiàn)的放氧生物，使得地球上原始大氣中氧氣濃度不斷增加，為喜氧生物提供了有利的生活環(huán)境。在加拿大甘弗林組中，發(fā)現(xiàn)了完好的距今約20億年的細(xì)菌和藍(lán)藻化石。

在氯化物-碳酸鹽-硫酸鹽水體中，隨著真核生物的出現(xiàn)，動(dòng)、植物開始分化和發(fā)展。動(dòng)物的出現(xiàn)，綠色植物（真核植物和原核藍(lán)藻）通過葉綠素光合作用制造食物，是自然界的生產(chǎn)者;細(xì)菌和真菌是自然界的分解者;動(dòng)物是自然界的消費(fèi)者。地史上最早的動(dòng)物化石是距今7億～6億年前澳大利亞的伊迪卡拉動(dòng)物群，其中以腔腸動(dòng)物的似水母類、海鰓類、環(huán)節(jié)動(dòng)物和少量節(jié)肢動(dòng)物為主。

距今6億年前的早古生代，出現(xiàn)了“海洋藻類時(shí)代”和“海洋無脊椎動(dòng)物時(shí)代”。在中國云南發(fā)現(xiàn)了距今5.7億年的澄江動(dòng)物群，主要由水母、三葉蟲、金臂蟲、非三葉蟲節(jié)肢動(dòng)物、蠕形動(dòng)物、海綿、無鉸腕足類、軟舌螺和藻類等組成，是目前世界上保存最早的軟體的多門類動(dòng)物群。

在氮-氧大氣層和接近于現(xiàn)今海水的環(huán)境中，5億年以來，出現(xiàn)了地史上最早具鈣質(zhì)硬殼的小殼動(dòng)物群，包括軟舌螺、單板類、腹足類、腕足類等，這與當(dāng)時(shí)海水的pH值接近于7并富含鈣質(zhì)有關(guān)。

由于自然環(huán)境有利于海洋無脊椎動(dòng)物的繼續(xù)發(fā)展，層孔蟲、苔蘚蟲等先后出現(xiàn)，筆石、腕足類、鸚鵡螺等顯著分異。珊瑚和層孔蟲、苔蘚蟲等一起，是溫暖淺海的重要造礁動(dòng)物。

距今大約5.7億～2.3億年間，大氣層、海洋水體跟現(xiàn)在情況已差不多。生物進(jìn)入空前繁盛時(shí)期，數(shù)量、種群空前地增長(zhǎng)。從距今2.3億年到6700萬年前，是裸子植物時(shí)代和爬行動(dòng)物時(shí)代。從6700萬年以來的新生代是被子植物和哺乳動(dòng)物時(shí)代。大約300多萬年以來，地球上出現(xiàn)了人類。