中文网

地球是我们唯一的家园。在我们研究过的太阳系及以外的所有奇妙世界中，没有一个世界能像地球一样。我们的家园星球被液态水所覆盖，拥有富含氧气的大气层，这使得众多的植物和动物得以进化--包括我们人类。

但其实地球并不是一直如此适于生存。如果你能穿越时空回到早期的地球，缺乏氧气的大气会使你窒息。人类生存所需的气体直到地球走过她一半年岁时才大量出现。

“罗塞塔”号拍摄的新月形地球当“罗塞塔”号在2009年11月13日飞越地球时，它观察到地球处于一个薄薄的新月形阶段。这张图片是为制作24小时内地球旋转的动画而拍摄的一系列图片中的一张。那么，地球的大气层是如何获得氧气的呢？简单来说，早期的微生物利用一个很著名的过程产生了它：光合作用。光合作用是植物和其他生物体利用阳光、水和二氧化碳来产生能量的过程。作为副产品，氧气被释放出来，随着时间的推移，这给了地球一个适合复杂生命体存在的富氧大气。让我们从头开始回顾这个过程是怎么在宇宙舞台中发生的。来自早期地球的关照和喂养我们的太阳大约在45.7亿年前从一团坍塌的尘埃和气体中形成，正位于银河系的一个不起眼的角落中。太阳形成后留下的物质凝聚成我们太阳系的其他一切，包括地球，它诞生于大约45.5亿年前。在大约45.1亿年前，当一个名为Theia的火星大小的世界闯入地球时，地球实际上还是一个刚刚形成的“婴儿”。在与Theia相撞的过程中，地球的大部分地幔都被撞击融化了，而碰撞产生的熔融残余物形成了月球。汽化的岩石和硅酸盐云环绕着地球，使我们的地球像一个小型的、火热的木星一样闪闪发光。月球的形成

这张来自NASA艾姆斯模拟的照片显示了在一个名为Theia的火星大小的世界撞击早期地球后不久可能出现的情况。这里看到的熔化的碎片从碰撞中流出，这些碎片被认为后来形成了月球。

我们的星球在其早期历史中被更多的太空石块击中。这些撞击可能在40至38亿年前激增，当时巨行星的轨道发生变化，将物体抛向整个内太阳系。这一事件被称为 "晚期重轰击"。

我们不知道地球上出现生命的确切时间。有可能生命出现后被巨大的撞击消灭了多次，然后才永久地占据了地球。我们最早的生命的直接证据可以追溯到大约37亿年前。我们所知道的生命需要水，所以当生命出现时，地球必然存在一些水。但是这些水是从哪里来的呢？

一种理论是，当地球诞生时，水的元素前体被锁在其岩石中。第二种可能性是富含水的小行星轰击了地球，把水带到这里。也有可能是这两种理论的结合。

地球的组成部分可能不是冰，因为太阳是如此炽热足以使内太阳系内的冰直接升华--直接从固体变成气体。然而，水的化学前体有可能已经存在于形成地球的岩石中。

欧洲航天局（ESA)的“罗塞塔”号任务表明，像67P/Churyumov-Gerasimenko这样的彗星上的水与地球上的水并不匹配。尽管如此，富含水的小行星仍然是地球上水来源的一种可能性。支持此论点的证据来自最近的日本“隼鸟2号”（Hayabusa 2）任务，它将小行星龙宫（Ryugu）的样本带回地球，并检测出丰富的水粒子。另一项最近的研究推测，撞击地球并形成我们月球的巨大世界Theia可能是地球水的来源。

从蓝藻到智人

早期的生物体生活在没有氧气和充满二氧化碳的大气层中，类似于今天的金星和火星。这些微生物是如何在如此恶劣的条件下生存的并不完全清楚，但是科学家们已经在地中海的咸水深处和智利阿塔卡马沙漠的一条含砷河流中发现了现今仍然能在无氧环境下生活的微生物。

然后，不寻常的事情发生了：一种名为蓝藻细菌的微观生物出现了，并开始利用阳光、二氧化碳和水来生产食物，这个过程被称为光合作用。光合作用的副产品是氧气。估计这一事件发生的时间从30亿至28亿至27亿至25亿年前不等。

显微镜下的蓝藻细菌

蓝藻细菌负责生产地球早期的氧气。这种类型的蓝藻，原球藻，生产了我们生物圈中20%的氧气。该图像是用透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）拍摄的。

起初，蓝藻产生的氧气被封存在矿物和海水中。但是在24亿到25亿年前，蓝藻产生的氧气逸散并储存在地球的大气中。这个时间段，大气中的氧气水平开始明显上升，被称为“大氧化事件”（Great Oxidation Event）。

与此同时，微生物开始不断进化。一些微生物开始生活在其他微生物体内，然后组合在一起，形成了更复杂的生命的前兆。简单的、基于氧气的生命开始出现，例如海绵，它早在7.6亿年前就出现了。

大约3.5亿年前，地球的氧气水平达到了20%，这与今天大气中的氧气百分比差不多。氧气浓度之后继续上升到35%，然后由于气候变冷和许多植物的大规模死亡使氧气浓度骤然下降到12%。氧气水平在那之后持续上下波动着，直至稳定在今天的大气含氧量21%。

氧气为一些传奇性的动物存在，包括我们人类，创造了条件。非鸟类的恐龙在2.45亿年至6600万年前进化并游荡在地球上--直到一个10公里宽的小陨石撞击地球时，恐龙的时代结束了。我们的智人祖先直到30万年前才出现，所以从宇宙的时间尺度上来看，人类的历史不过是一个小小的插曲。

通往其他世界的指南

通过了解地球的背景故事，我们能够更好地研究其他世界。虽然检测到富含氧气的系外行星大气层可能意味着有着外星生命的存在，但没有氧气的大气层并不一定意味着一个星球缺乏生命。这颗系外行星可能只是在为它自己的“大氧化事件”做准备，或者可能承载着根本不产生或不依赖氧气的生命。

土星的第六颗卫星泰坦（Titan）的大气层可能与早期地球相似。早期地球生物体产生的甲烷可能在我们的星球周围形成了与土卫六类似的橙色雾气，使早期生命免受太阳紫外线的影响。NASA的“蜻蜓”任务（Dragonfly mission）定于2027年发射，任务是揭示这个神秘卫星的秘密。

今天，地球海洋中的光合作用生物产生了地球上大约一半的氧气。一个特殊的物种--原绿球菌（Prochlorococcus），产生了我们生物圈中20%的氧气。原绿球菌是蓝藻细菌的一种，与最初向我们的大气层输送氧气的生物类型相同。我们今日世界的运行过程与几十亿年前的塑造过程并没有什么不同。来源：中科星宇天文科技研究院版权保护声明：

西安科普是以传播科学科普知识为主的公益性公众号，均不通过采编的内容（包括文字、图片、音频、视频、软件、程序等）参与任何商业活动、获取商业利益。本公众号采编内容版权归原作者所有，如有侵权，请及时联系删除，如需转载请注明出处，特此鸣谢！