20亿年前的地球是什么样子的，我们的祖先在做什么？

科学家告诉我们，地球已经有45.7亿年的历史了。那么当地球年龄只有今天一半的时候，也就是距今约25亿至20亿年前，地球是什么样的呢？我们的祖先在当时以一种什么样的形态存在呢？

地质学家将地球历史划分为若干个单位，从大到小依次是：宙—代—纪—世—期—时，地球已经历四个宙：冥古宙、太古宙、元古宙和显生宙。距今25亿年前是元古宙的开端，我们今天要讲述的五亿年历史，就处于元古宙的第一个代——古元古代，涉及到三个纪：成铁纪、层侵纪和造山纪。

加蓬出土的21亿年前的化石，扫描出多细胞结构

不一样的太阳和月亮

元古宙初期，太阳半径约为今天的90%，太阳光强度也只有今天的85%。从理论上讲，当时地球接收到的光和热大不如今天，这会让气温下降到-50℃左右，足以将整个地球冰冻。若真这样的话，地球就会像今天的火星一样，成为没有生命的不毛之地。

然而，有证据证明当时地球上是一片液态水的海洋，细菌和蓝藻欣欣向荣。拯救这些原始生命的就是今天大家谈之色变的温室效应。当时地球大气中富含甲烷和二氧化碳，它们的存在给地球穿上了一件“大衣”，为生命保暖。

日落景观

月球诞生于45亿年前的一次撞击，她自诞生之日起就在以3.8厘米/年的速度远离地球，她所产生的潮汐摩擦也使地球的自转越来越慢。距今25亿年前，月球距地球约18万千米，只有今天的一半左右。相应地，地球自转一圈也比今天快一倍。

所以，在25亿年前的地球上，太阳看起来比今天小，也暗淡一些。而月亮看起来却大了一倍，海潮远比今天来得猛烈，那时候的一天只有12个小时，而一年却有714天。

太空中看地球和月亮

氧化的海洋和大气

早期的地球处在一种缺氧的环境中。大气以惰性的氮气为主，含有丰富的甲烷和二氧化碳等还原性气体。海洋中富含低价的亚铁离子，将海水染成了淡绿色。早期生命以呼吸高价的铁和硫为生。

蓝藻早在35亿年前就出现了，这是地球上第一种产氧生物。蓝藻利用太阳光能，将水和二氧化碳合成有机养料，同时将氧气作为废气释放。蓝藻产生的氧气用了十亿年的时间，将地球的缺氧环境彻底改变。

从25亿至23亿年前，地球步入成铁纪，这是一个赤红的时代，海洋中的亚铁离子在这一时期被氧化成铁离子。铁盐的溶解度比亚铁盐低，于是纷纷从海水中沉淀下去，形成了大片赤红的铁矿石。从那时起，淡绿色的海洋就变得无色透明，直到今天。

成铁纪形成的铁矿石

距今24亿年前，全球海洋的亚铁离子都已经被氧气消耗殆尽，氧气开始在大气和海洋中积累，早期生命得以孕育并赖以生存的还原性环境遭到了破坏。氧气的强氧化性会破坏细胞的生物膜结构和遗传物质核酸，这导致大量厌氧的古菌和细菌灭绝。

这一因氧气积累引发的灾变，在地质史上被称为大氧化事件，又叫氧气危机或氧气灾难，是地球有史以来第一次，可能也是最严重的一次生物灭绝事件。只是由于当时的生物结构过于简单，没有留下多少化石，我们难以量化当时的生物损失有多大。

蓝藻：改造大气的先锋

氧气给生命带来了危机，也带来了机会。有氧代谢的产能效率远比无氧代谢高，而且氧气充满了大气和海洋，不像高价铁和硫只局限于某地。因此，氧气充满大气层，为生物向更高等、更复杂的方向演化，并占领地球表面每一个角落奠定了基础。只有掌握了氧气的生物才能有未来。

冰冻的地球

氧气的积累破坏了大气温室效应，这在早期太阳光较弱的情况下尤为致命。氧气可以把高效的温室气体甲烷转化为不那么高效的二氧化碳，更不幸的是，二氧化碳恰好是光合作用的原料。蓝藻源源不断地吸入二氧化碳，释放出更多氧气。

于是，大氧化事件开启以后，大气中甲烷和二氧化碳浓度下降了几十到上百倍，地球气温下降了70℃，整个地球被冰封。白雪皑皑的地球将更多太阳光反射回太空，形成了“冰室效应”，使地球更冷，地球由此进入第一个也是有史以来最严重的冰河时代——持续3亿年的休伦冰期。

冰河时代的“雪球地球”

原始生命在休伦冰期遭受重创。低温使生物酶失去活性，维持生命的各种生化反应被抑制，更严重的是，冰晶会破坏细胞结构，导致机体死亡。

冰比水轻挽救了地球生命。与其他物质温度越低密度越大不同的是，水在4℃时密度最大，冰浮于水面之上。冰层起到保暖作用，不管大气温度多低，水下都保持在4℃左右，基本的生命活动得以维持，从而保存了生命的火种。

距今20.5亿年前，地球告别了层侵纪，进入造山纪。地壳上发生了大规模的造山运动，火山活动恢复活跃。火山将地球内部的大量甲烷和二氧化碳抛入空中，由此引发的温室效应迅速将地球解冻。于是休伦冰期结束，与此同时，生命也开始了从原核生物到真核生物的过渡。

温室效应：瑞士阿尔卑斯山的阿莱奇冰川正在不断后退

生物变革：进化取得重大突破

真核生物的诞生：蓝藻开创了大氧化时代，好氧细菌坐享其成，它们是大氧化事件的赢家。然而笑到最后的，却是大氧化的受害者——古菌域生物。在25亿年前，古菌是地球上占优势的生命形式，它们绝大多数都在大氧化事件中被氧气杀灭了，少数幸存者被驱逐至海底火山口等极端缺氧环境中。

然而，有一小部分古菌不愿意坐以待毙，它们发展出了DNA保护机制，并产生了核膜和染色体结构，从而演化成最早的真核生物。今天在地球上占统治地位的动物、植物、真菌以及人类，都是真核生物，都是这一小部分古菌的后代。而蓝藻和好氧细菌，至今仍然是老样子。可见，没有生存压力，就没有进化动力。

距今21亿年前，原始的真核生物吞噬了一种变形菌，出于某些原因，被吞噬的细菌没有被消化，和吞噬者形成了内部共生关系。这种好氧细菌就演变成了真核细胞的有氧呼吸中心和产能机器——线粒体。从此以后，真核生物不仅适应了氧气，还征服了氧气。

显微镜下的绿藻，细胞核清晰可见

有性生殖的出现：原始生命以无性生殖方式繁衍，把遗传物质复制成两份，然后一分为二。无性生殖的生物都是长生不老的，也是一成不变的。所以它们在大氧化事件和休伦冰期中遭到了重创，只有少数种类侥幸凭基因突变活了下来。

有性生殖的繁殖方式与真核生物的诞生是相伴随的。按这种生殖方式，每一代都经过基因重组，每个子代都各不不同，总有一个可以适应新环境。因此，有性生殖的生物在变化的环境中生存下去的几率大大增加了。

有性生殖缩短了生命个体的长度，但采用这种方式繁殖，后代才能活得更久。长远来看，有性生殖是生命延续的唯一机会。正因为此，我们今天看到的生物绝大多数都是有性生殖的。

雄孔雀开屏：有性生殖导致性二型现象

向多细胞结构的进化尝试：2008年在加蓬出土的化石中扫描到了多细胞结构，可追溯至21亿年前，这说明真核生物在诞生之初就开始了从单细胞结构向多细胞结构的进化尝试。然而直到6亿年前，后生生物（即多细胞生物）的化石都非常罕见，证明这次进化尝试很快就胎死腹中了。

多细胞结构面临着一个问题，就是体内与环境不直接接触的细胞难以获取氧气。因此在低氧环境下试图演化出后生生物的努力注定失败，其中最著名的一次失败尝试就是距今5.85亿年前的埃迪卡拉生物群，它们试图以扁平的身体占领浅海，结果全军覆没。

埃迪卡拉生物群

直到5.4亿年前，大气中氧含量达到15%，已经步入富氧时代，后生生物才得以蓬勃爆发，这就是寒武纪生物大爆发，地球从此进入绚丽多彩的显生宙。

地质构造的转折

我们知道地球内部是炽热的，时不时爆发的火山和地震就是明证。然而地球本身不产热，她的热来自太阳系形成之初，终会散发到太空中去。作为一个保温箱，地球很合格，40多亿年了地心都还没凉透。

在地球早期，地核比今天更热、更活跃，当时的岩浆经历极端温度变化，能形成一种熔点高达1600℃、颜色非常灰暗的岩石——科马提岩。这种岩石的密度很大，一旦形成就会向地下沉陷，这就是地质构造的垂直运动。早期地球存在水平构造和垂直构造两种运动形式。

科马提岩：今天的岩石不会再有的模样

距今25亿年前，随着地球渐渐冷却，科马提岩不再有，地质垂直构造也就随之消失了。从那以后，地球就只有水平构造这一种运动形式，岩浆冷却形成的岩石在地壳上堆积，就形成了大陆。

地球的冷却和垂直构造运动的消失，使地壳稳定下来，为此后生物的蓬勃发展提供了一个相对稳定的环境。想想看吧，如果地面在慢慢塌下去，岩浆随时会冒出来，那该有多可怕。

然而，地球冷却带来的问题将在未来严重困扰人类。比如，埋藏于地下的有机碳难以重见天日，导致地球碳循环失衡，大气中二氧化碳将被抽干。再比如，液态的内核凝固，导致地球磁场消失，大气层将被剥离，致命的宇宙射线可直达地面。

​因地球磁场存在形成的极光

结 语

元古宙之初的五亿年，对地球、大气和生命来说都是一个重大转折。从这往前推15亿年，是缺氧的太古宙，是古核生物（古菌）和原核生物（细菌、蓝藻）的时代；从这后推15亿年，是贫氧的元古宙，是原生真核生物的时代。

这一时期我们的单细胞祖先经历了重重挫折，最终获得了一个细胞核，成为真核生物。这一时期确定的三大进化方向：有氧、有性和多细胞，我们祖先坚持走了15亿年。到5.4亿年前，地球进入富氧的显生宙，后生动物（动物、植物和真菌）的时代就来临了，最终有了今天的我们和这个缤纷多彩的世界。

寒武纪生物大爆发