前寒武纪：黎明前的漫漫长夜 / 开普饭

黎明前的漫漫长夜

对于过去

人类总有一种天生的好奇和敬畏

对于生命

人类尚且还有很多未知等待探索

地球是人类唯一的家园，人们始终没有停止对地球奥秘的探索。

从古代天圆地方的发问，到《山海经》中的奇闻怪谈，再到《水经注》中对自然环境的描写，无不展现出古代人对自然、对地球的好奇和不懈的探索。18世纪开始，对地球的探索步入科学研究的角度，人们开始争论地球的成因和沧海桑田变化的原理，地球科学的发展进入高速阶段，在短短一百多年的发展过程，人类的地球科学领域就发现并初步解决了众多科学问题。

例如，我们知道了地球已经形成了46亿年，我们知道了大陆是如何形成和演化的，发现了寒武纪生命大爆发，发现了五次生物大灭绝事件，发现了人类的演化史等等重要的科学问题，让人们对地球乃至各种天体都有了整体的认知。

或许将地球46亿年的过程一股脑地讲出来是不可能的，也无法全面地讲到地球的每一个细节，但与我们人类息息相关的生物界，或者说是生物的进化史是大众所喜闻乐见的，地球从诞生到如今，不同时代的古生物面貌都是地球这一阶段的缩影。接下来，文章将通过对地球不同时期的古环境面貌复原图展现地球演化的独特魅力。

首先是地球最早的纪元——前寒武纪。

图｜前寒武纪复原图

地球漫长的演化过程并不是单调的，从最初形成的大火球，到如今海陆稳定的蔚蓝星球，这一过程经历了数个别具特色的时代。我们将这些时代用地质年代单位划分，既“宙、代、纪、世、期”，其中“纪”是最常用的年代单位，简单理解为地球的不同纪元。

图｜地球演化示意图

就如同被大众所熟知的，侏罗纪是恐龙的时代、寒武纪是三叶虫的天下等等，不同的纪元有自己独特的特色，较为特殊的是地球的第一个纪元——“前寒武纪”。其实这一命名是一个很不负责任的叫法，因为在地球46亿年的历史中，寒武纪前的长达40亿年的时间都被统称为“前寒武纪”，即“隐生宙”，其中有包含了冥古宙、太古宙、元古宙，涵盖时间跨度长，且包含多个纪，所以将其统称为一个纪确实不太合适。虽然早在30多亿年前地球就已经出现了生物，但是由于在前寒武纪这段时间里生物长期处于很低级的阶段，主要是由低等的藻类生物组成，且这段时间经历了复杂的变质作用且研究难度大，所以人们把缺少生命大规模活动的阶段统称为“前寒武纪”。

这漫长的40亿年地球经过了多次翻天覆地的变化，从动荡到平静的这段时间里生命也悄然出现了。有人把寒武纪的生命大爆发称为动物界的黎明，前寒武纪这段漫长的岁月我们就称之为“黎明前的漫漫长夜”吧。

图｜澳大利亚西部叠层石

最初的6亿年被称为冥古宙（Hadean, 距今~46-40亿年），多数以月球的东海撞击事件为结束时间（~38.4亿年）。地球从最初炽热的岩浆海冷却固化成球就用了约1亿年的时间，分异出了地核，后来又随着原始地幔的熔融分离，分异出了大量的地壳，历经4~5亿年，尽管一切趋于平静，并且开始出现了早期的海洋、大气，但在41亿年前后，地球仍持续受到大量小行星、彗星的击打，月球也是在一次猛烈的撞击下从地球上分离出去。经过数亿年的打击，在恶劣环境中地球平静了下来，形成了稳定的地月系统。

图｜太阳系早期模型

图｜冥古宙时小行星、彗星击打下的地球

图｜大撞击事件

图｜大撞击事件后地月系统形成(来源：Richard Bizley)

图｜月球在经过多次撞击留下的陨石坑

但是由于强烈的改造作用，40亿年前的物质并没有保存下来，淹没在了地球深部，只有天上的月亮还记录了40亿年之前的事情，地球最古老的岩石样品也仅仅只有40亿年加拿大西北部Acasta片麻岩，最古老的年龄记录仅出现在澳大利亚Jack Hill的44亿年锆石中。

图｜阿卡斯塔40亿年片麻岩

图｜Jack Hill 44亿年锆石

冥古宙是没有生命的，或者说是没有记录，但毋庸置疑的是冥古宙的生存环境是有史以来最恶劣的。有趣的是，1953年美国化学家生物学家斯坦利·劳埃德·米勒（Stanley Lloyd Miller）通过一个模拟早期地球火山爆发和雷电交加的化学实验，奇迹般地用甲烷、氨气等早期气体合成出了组成生命最必要的物质——氨基酸。经过后面的探索，在地球早期的天然条件下，可以合成出22种氨基酸、5种胺，这就是著名的米勒-尤里实验，这为早期地球能演化出生命提供了重要依据。

米勒和米勒实验模型

太古宙（Archean, 距今40-25亿年）的地球活动相对而言就清楚了很多，太古宙是40~25亿年前的很长一段时期，又分为始太古代、古太古代、中太古代以及新太古代。地球虽然已经平静下来，但地球的热流值仍是现在的3倍以上，这些热量来自于行星吸积形成地核释放出的引力势能与当时丰度更高的放射性元素衰变热，所以太古宙出现了很多超高温地质作用，像超高温变质岩、科马提岩等，这些在显生宙之后就没再出现。太古宙早期大陆地壳开始逐渐组建起来，形成了稳定的克拉通（指大陆地壳上的古老而稳定的部分），为生命的出现提前备好了温室，直到现在我们仍在稳定克拉通上生活着。

图｜主要的太古代克拉通分布

最早的生命早在38亿年前始太古代，就已出现，最早的地球生命出现在海底热液喷出口附近，为早期无细胞核的原核生物。依据生物化学证据，38亿年前格陵兰的条带状磁铁矿说明，那时生命就已经开始改造环境了，另外，37亿年格陵兰发现的锥形结构的白云岩，可能也是原核生物的杰作。确切的最老生物化石依据发现在澳大利亚西部的硅质叠层石中，经过测年这里地层的年龄约有35亿年，化石类似于一些菌类丝状体残片化石。这些古原核生物都是单细胞生物，没有细胞核，结构极其简单，但到现在依旧存在。

图｜早期生命产生在海底热液喷口

图｜澳大利亚鲨鱼湾现在还在生长的叠层石

图｜世界各地叠层石化石对比

图｜澳大利亚现生蓝藻与澳大利亚西部顶端燧石岩层太古宙蓝藻化石对比

缓慢的生命进程无聊到让人乏味，经过十几亿年的发展原核生物始终是原核生物，一直到太古宙末期，这些原核生物也只能在地表的沉积岩中掀起一小点儿“波澜”。但是到了元古宙这些原核生物却起到了至关重要的作用。

图｜格陵兰生物成因的锥形结构白云岩

图｜叠层石顶部剖面

元古宙（Proterozoic, 距今25-5.41亿年）是前寒武纪最后一个宙，也是开创性的时代，地球所有克拉通的稳定沉积盖层都是在这个期间形成，我们脚下的土地就是在这段时间稳固下来，大部分的金属矿产资源也在这段期间产生，并且最后的埃迪卡拉纪也为生物界产生了翻天覆地的变化。元古宙相对而言研究更加深入，元古宙有细分为古元古代、中元古代、新元古代，其下又按照不同时代的独特地质作用分为十个纪，成铁纪、层侵纪、造山纪、固结纪、盖层纪、延展纪、狭带纪、拉伸纪、成冰纪、埃迪卡拉纪。

图｜元古代遍布海岸线的叠层石复原图

早在太古宙时期空气中弥漫的都是二氧化碳和甲烷一类的气体，这些温室气体对地球起到了极大地保温作用，比现在地球高出了几十摄氏度。而最早的原核生物蓝细菌，即蓝藻，虽然进化过程缓慢，但是它们却又一个重要的作用，那就是光合作用，能够把空气中的二氧化碳转变为氧气（后来人们认为植物细胞中的叶绿体就是吞噬蓝藻形成的）。大批量的蓝藻夜以继日地辛苦劳作，经过漫长的十亿年竟然把地球改造成了蓝色的甚至有臭氧层保护的星球，这一作用被称为“大氧化事件”（Great Oxidation Event, GOE）。由于氧气的大量增加，使很多原本游离在海洋中的铁离子发生了氧化并沉淀到海底，形成了丰富的铁矿石沉积，形成了被称为条带状铁建造（BIF）的全球性沉积铁矿，这一时期对应于元古宙第一个纪元——成铁纪。

图｜条带状磁铁矿(BIF，红色为含三价铁石英条带，蓝色为磁铁矿)

图｜BIF中的微生物

生命的再一次革命是真核生物的产生。经过大氧化事件的环境改造，23亿年前大气层的氧气含量稳定下来，充足的氧气为生命活动带来了新的机会。在一次机缘巧合下，一只贪吃的原核细胞吞入了另一只原核细胞，这只体内的原核细胞竟可以相对独立的分裂、遗传，逐渐演变成我们熟知的细胞核，细胞于此开始学会了有丝分裂。细胞不再是单打独斗，而是可以形成许许多多同根同源的细胞，组成多细胞生物。另外，在这种吞噬作用下，细胞产生了其他的细胞器，如线粒体、叶绿体等，这些零件为生命的演化解锁了更多功能。只不过原核生物是何时出现的，一直是科学界争论的话题。最早的真核生物出现的标志，是一块15.6亿年前的多细胞藻类宏观化石。最新研究发现，MIT的研究人员通过“分子时钟分析”法，发现有一类只有真核生物才能合成的固醇，其主要的酶早在23亿年就已经出现，所以最早的原核生物可能出现在23亿年的某一天。在一些BIF铁矿中，也曾发现有微生物多细胞藻类的痕迹。

图｜真核细胞

生命的演化依旧很缓慢，从20亿年到7亿年前都没有什么起色，但却在一次大灾难中获得了新生。7亿年，地球发生了巨变，整个地球像着了凉一样，气温骤降，整个地球从两极到赤道结上了厚达几百米的冰盖，这就是著名的雪球地球事件（Snowball Earth），迄今为止最大的冰期。这一个硕大的冰球持续了1亿年之久，被称为成冰纪。雪球地球的形与当时Rodinia超大陆裂解有密切联系（超大陆是地球上周期性出现的所有大陆汇聚在一起形成的联合超级大陆）。有学者认为超大陆的裂解使得海岸线增大，岩石风化速率加快，风化消耗温室气体，且降雨量加大使得温室效应减弱，气温的快速减低使得地球进入了成冰纪元。

图｜雪球地球事件

图｜冰川沉积物下覆盖着热带的钙质沉积证明雪球地球的存在

图｜Rodinia超大陆示意图

被冰层围困了1亿年的地球终于在大量火山活动下重获生机。而这次雪球地球事件的结束却带来了意想不到的变化——埃迪卡拉生物群的诞生。

图｜冰碛岩上覆盖帽白云岩的出现代表雪球地球的结束

前寒武纪的漫漫长夜在熔岩和雷电中开启，终于在熬过40亿年之后迎来了第一缕曙光。或许是雪球地球长达1亿年的压迫使得生命迫切地寻找出路，又或是雪球地球给了生命冷静思考的时间选对了进化的路。在雪球地球之后，地球环境变得空前的好，氧气含量充足，真核生物开启了第一轮大幅度进化，生命演化的历史翻开了全新的篇章。6.3-5.4亿年被称为埃迪卡拉纪，在中国称为震旦纪。在这段时间，地球多处出现了众多埃迪卡拉生物群。

图｜埃迪卡拉生物群

埃迪卡拉生物群是最早被发现的前寒武生物群，发现于澳大利亚砂岩中，距今5.65亿年前。主要组成生物有海绵、水母、盾形动物、三叶动物等等，狄更斯水母是典型代表。由于大量为软体动物，只能以印痕的形式保留在砂岩的地层中。这些生物都可以被论证为现在某些生物的祖先，使得大家的寻祖计划总算能找到一个合适的尽头，这无疑是让古生物学家欣喜若狂的事。