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1、地球早期生命环境的演化关键词：早期生命 天体撞击 全球大冰期 摘要:地质记录告诉我们,在地球约46亿年的整个历史中经历了无数次大大小小的劫难,其中在地球生命处于起源和早期演化阶段的前寒武纪,首先是“狂轰滥炸”,4.5亿～3.8亿年前由太阳系形成时留下的岩石体———小行星仍不断撞击着地球并烧焦了整个地球;后来的“雪球”,2.2亿～1.8亿年及大约6亿年前也许是大气中氧气的增加或Π和二氧化碳或Π和氨气或Π和甲烷等温室气体的缩减,使我们的星球进入冰封期。显然,生命挺过了所有的磨难,并以柔克刚的脱颖而出,甚至与环境相互作用共同向高级阶段演化。在至少38亿年前,随着
2、“狂轰滥炸”的停止,原始的生命也许已出现在地球上;到大约5.8亿年前,“雪球”刚结束,新元古代末期的埃迪卡拉大辐射和早寒武纪生命大爆发就接接踵而来,似乎早期地球生命大的进步性演化都是由大的劫难诱发的。1 概述地球早期生命及其环境的研究是当今国际地质科学、生物科学及环境科学共同关注的热点之一。近年来随着人类对地球环境问题的日益重视,从更深层次解释生命与环境之间的相互关系就显得格外重要。地层古生物学研究告诉我们,现在繁盛于地球的各种众多高等的复杂生命类型其实是由低等的简单有机体经历了漫长地质时期的进化和分异的结果。化石记录显示,地球生命的许多重大的演化都发生在
3、寒武纪以前的地球早期阶段,并与当时的环境戚戚相关。因此,地球早期生命环境的研究,对于我们深入了解地球环境在地质历史上的演化过程及对地球生命演化所起的重要作用,进而为我们保护赖以生存的环境提供有益的启示和参考,有着特殊重要的意义。2 早期生命的环境已知地球形成于约46亿年前,它的幼年是不解之谜最多的时期,其地质纪录不但非常模糊,而且还大多被几十亿年的板块构造作用和侵蚀作用所消除。然而,地球历史最初的10亿年中,早期的生命扰动可能就已存在,有机分子系统可能已经在自我复制,并从化学反应和太阳辐射中获得能量。美国哈佛大学地球化学家HeinrichD.Holland
4、[1]通过对阿基利亚岛(AkiliaIsland)条带状铁质岩组(BandedIronFormations,简称BIFS)中的δ13C值测定,甚至认为地球生命的存在超过38.5亿年。由于早期生命的化石极其稀少,而且还被结晶作用破坏,许多研究生命起源的学者们转而求助于地质学。希望弄清地球最初有生物居住时其表面及大气的状况。为了揭示最初的生命是什么样子,人们运用了各种技术手段,想从长期找不到化石的古太古代岩石中索取更多的与生命有关的信息。并在实验室里努力探索早期生命可能相似的化学反应过程或根据现代生物的基因去推理其遗传性质。尽管如此,地质学研究仍然离不开各种丰
5、富的想象力,甚至包括拔着自己头发升空的假说。结合现代天文学研究的成果,目前地质学界普遍接受的看法是,地球形成后最初的5亿年,狂轰滥炸般的天体撞击使整个地球异常的灼热,以致于一些学者认为:生命最初的发展也许并不在地球上,而是可能在地球以外的某个温和的世界,由彗星捎带到地球上来的。狂轰滥炸般的天体撞击停止后,地球可能又会遇到新的磨难。年轻的太阳虚弱而冷漠,使地球长期徘徊于冰封—准冰封状态,像个“雪球”。此外,氧气开始在大气圈泛滥,一方面加剧了地球的冻结,另一方面也威胁着厌氧的最初生命。目前流行的看法认为,地球早期生命经历的最主要的两大磨难就是“狂轰滥炸(Hea
6、vyBombardment)”和“雪球(SnowballEarth)”,其中可能分别包含若干个百万年的间歇期,使生命得以喘息和恢复。这些重大地质事件的记录,已经或正在被地球化学、岩石学、地层学及古生物学研究陆续发现。显然,生命在所有这些劫难中存活下来,不但得以演化发展,而且还改造了自身所处的环境。2.1 ”狂轰滥炸”美国斯坦福大学地球物理学家NormanH.Sleep和国家航空航天局(NASA)阿莫斯研究中心的行星物理学家KevinJ.Zahnle[2]认为,在距今46亿～38亿年期间,尤其是最初的5亿年,太阳系形成时离散的岩石体及其它物质(即,小行星及彗
7、星)不断地撞击着地球和其他行星。这些撞击中至少有一次是极其巨大的,撞击体可能有火星那么大,甚至更大。这次大撞击可能发生在地球形成后的1亿年内,撞击甩出的一大块或一大堆物质最终形成了月球。今天,我们仍可从月球及许多行星表面密集分布的由这类撞击造成的巨大环形山,想象这场持续约8亿年之久的狂轰滥炸的规模和后果。此后,来自地球本身岩石圈内和彗星撞击带来的水汇聚成了遍布地球的海洋,为生命提供了摇篮(最近,全世界各大天文台站都观测到木星轨道附近的利内亚尔彗星在接近太阳时化为水蒸气的过程,计算证明它几乎全由冰雪团块组成,含水量多过33亿kg。NASA的专家JohnMum
8、ma认为如它撞向地球,将在大气层上部解体,释放出大量的水和未受伤的
