地球之水與物種進化

歐陽自遠

地球

天緣巧合的奇跡

在浩瀚的太陽系里，唯有地球，生機勃勃，萬物生長。地球孕育了生物物種的多樣性，進化出高等智慧的人類并支撐著人類建立高度文明的社會。這一切，都是因為地球有著得天獨厚的條件。

地球與太陽的距離恰到好處，不遠不近。

地球的身軀恰如其分，不大不小。

地球的運行從容而穩定。

地球有巖石質外殼，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力。

地球被磁層、電離層、臭氧層和大氣層所包裹，層層設防，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，再進一步演化成氮-氧大氣層，助長了生命的繁衍。

地球表面的水體（海洋、湖泊與河流）由強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化。

在地球漫長的演化歷程中，大氣層、水體與生物物種的協調演化，呈現出一種完美的和諧。地球繁多的生物物種和智慧生命的起源與成長，是地球長期演化的產物，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

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

目前，地球水的來源主要有兩種假說：一種假說認為，地球形成初期，地球內部的地幔物質大規模熔融，通過大面積、長時間的火山噴發，熔巖流覆蓋了地球表面，釋放出以水蒸氣為主的大量揮發分，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）的早期都發生過全球性的巖漿洋事件。地球內部物質（主要是地幔）熔融，通過大范圍的火山噴發，熔巖流大面積覆蓋地面，大量氣體揮發物排出地球。根據地球火山噴發的熔巖流體積隨時間的變化，表明地球的火山活動在逐漸減弱。通過各種模型的計算，地球早期火山活動噴發的氣體揮發分總量大約為178億億噸。

根據全世界各類火山噴發氣體揮發物的研究，地球內部的除氣過程排出的氣體揮發分主要是水蒸氣，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）、氮氣（N2）和硫（S）等。地球內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142億億噸水體，可以滿足地球水體的水總量。根據地球各類水體的氫、氧同位素組成和二氧化碳的碳、氧同位素組成的系統測定和研究，確證地球的水來自地球地幔物質的除氣過程。

還有一種假說認為，地球上的水是彗星撞擊地球帶來的。事實真的如此嗎？需要采用科學的方法去驗證。

彗星的彗核是由固態水和塵埃物質組成，如果地球上的水真的來自彗星，據天文學家估算，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的科學依據。

科學家研究水的同源性，往往是通過測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，發現彗星水的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器抵達67P/楚留莫夫-格拉希門克彗星。羅塞塔號軌道器釋放菲萊著陸器登陸67P的彗核表面，測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。這些數據表明，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

進化的協調發展

在地球的早期階段，海洋、大氣層與生物進化經歷了一個十分漫長而又協調發展的過程。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，當太陽早期處于T型變星階段，強烈的太陽風將行星的原始大氣層驅趕殆盡，到達離太陽更遠的巨行星區域。現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，經歷了極其復雜的協調演化歷程，形成了現今的氮-氧大氣層和現今的海洋水體。

地球形成后，地球內部通過強烈的火山活動排出大量的水蒸氣（H2O）和二氧化硫（SO2）、硫化氫（H2S）、氯化氫（HCl）、氯氣（Cl2）、氮氣（N2）、硫蒸汽（S）、氨（NH3）、氯化氨（NH4Cl）等揮發分，形成了初始的原始火山氣體的大氣層。大量的強酸性揮發分溶解在水體中，使得地球的海水成為強酸性的水體。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，出現大量的碳酸鹽沉淀。特別是古生代大量動植物的出現，使大氣層中CO2的分壓下降，氧氣（O2）含量迅速上升，大氣逐漸演化為現今的氮-氧大氣圈。水體演化為氯化物-碳酸鹽-硫酸鹽水體，進一步演化為現今的中性-略微偏堿性的水體。地球大氣層與水體的發育呈現出一種協同演化的特征。

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境下，在強酸性水體中誕生了原核生物。澳大利亞發現的35億年前的瓦拉翁納群中的絲狀細菌化石，是地球上發現最早并具有細胞結構的化石。

地球上最早出現的異養型原核生物細菌，在氯化物的海水中經過不斷的分化和發展，終于又出現了能夠進行光合作用、從無機物合成有機養料的自養型原核生物藍藻。藍藻是最早出現的放氧生物，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境。在加拿大甘弗林組中，發現了完好的距今約20億年的細菌和藍藻化石。

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

距今6億年前的早古生代，出現了“海洋藻類時代”和“海洋無脊椎動物時代”。在中國云南發現了距今5.7億年的澄江動物群，主要由水母、三葉蟲、金臂蟲、非三葉蟲節肢動物、蠕形動物、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物群。

在氮-氧大氣層和接近于現今海水的環境中，5億年以來，出現了地史上最早具鈣質硬殼的小殼動物群，包括軟舌螺、單板類、腹足類、腕足類等，這與當時海水的pH值接近于7并富含鈣質有關。

由于自然環境有利于海洋無脊椎動物的繼續發展，層孔蟲、苔蘚蟲等先后出現，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物。

距今大約5.7億～2.3億年間，大氣層、海洋水體跟現在情況已差不多。生物進入空前繁盛時期，數量、種群空前地增長。從距今2.3億年到6700萬年前，是裸子植物時代和爬行動物時代。從6700萬年以來的新生代是被子植物和哺乳動物時代。大約300多萬年以來，地球上出現了人類。