前寒武紀：黎明前的漫漫長夜

作者：由中科院地質地球所發表于舞蹈時間：2021-02-02

黎明前的漫漫長夜

對於過去

人類總有一種天生的好奇和敬畏

對於生命

人類尚且還有很多未知等待探索

地球是人類唯一的家園，人們始終沒有停止對地球奧秘的探索。

從古代天圓地方的發問，到《山海經》中的奇聞怪談，再到《水經注》中對自然環境的描寫，無不展現出古代人對自然、對地球的好奇和不懈的探索。18世紀開始，對地球的探索步入科學研究的角度，人們開始爭論地球的成因和滄海桑田變化的原理，地球科學的發展進入高速階段，在短短一百多年的發展過程，人類的地球科學領域就發現並初步解決了眾多科學問題。

例如，我們知道了地球已經形成了46億年，我們知道了大陸是如何形成和演化的，發現了寒武紀生命大爆發，發現了五次生物大滅絕事件，發現了人類的演化史等等重要的科學問題，讓人們對地球乃至各種天體都有了整體的認知。

或許將地球46億年的過程一股腦地講出來是不可能的，也無法全面地講到地球的每一個細節，但與我們人類息息相關的生物界，或者說是生物的進化史是大眾所喜聞樂見的，地球從誕生到如今，不同時代的古生物面貌都是地球這一階段的縮影。接下來，文章將透過對地球不同時期的古環境面貌復原圖展現地球演化的獨特魅力。

首先是地球最早的紀元——前寒武紀。

圖｜前寒武紀復原圖

地球漫長的演化過程並不是單調的，從最初形成的大火球，到如今海陸穩定的蔚藍星球，這一過程經歷了數個別具特色的時代。我們將這些時代用地質年代單位劃分，既“

宙、代、紀、世、期

”，其中“紀”是最常用的年代單位，簡單理解為地球的不同紀元。

圖｜地球演化示意圖

就如同被大眾所熟知的，侏羅紀是恐龍的時代、寒武紀是三葉蟲的天下等等，不同的紀元有自己獨特的特色，較為特殊的是地球的第一個紀元——

“前寒武紀”

。其實這一命名是一個很不負責任的叫法，因為在地球46億年的歷史中，寒武紀前的長達40億年的時間都被統稱為

“前寒武紀”

，即

“隱生宙”

，其中有包含了冥古宙、太古宙、元古宙，涵蓋時間跨度長，且包含多個紀，所以將其統稱為一個紀確實不太合適。雖然早在30多億年前地球就已經出現了生物，但是由於在前寒武紀這段時間裡生物長期處於很低階的階段，主要是由低等的藻類生物組成，且這段時間經歷了複雜的變質作用且研究難度大，所以人們把缺少生命大規模活動的階段統稱為

“前寒武紀”

。

這漫長的40億年地球經過了多次翻天覆地的變化，從動盪到平靜的這段時間裡生命也悄然出現了。有人把寒武紀的生命大爆發稱為動物界的黎明，前寒武紀這段漫長的歲月我們就稱之為

“黎明前的漫漫長夜”

吧。

圖｜澳大利亞西部疊層石（來源：Frans Lanting / Getty Images）

最初的6億年被稱為

冥古宙（Hadean, 距今~46-40億年）

，多數以月球的東海撞擊事件為結束時間（~38。4億年）。地球從最初熾熱的岩漿海冷卻固化成球就用了約1億年的時間，分異出了地核，後來又隨著原始地幔的熔融分離，分異出了大量的地殼，歷經4~5億年，儘管一切趨於平靜，並且開始出現了早期的海洋、大氣，但在41億年前後，地球仍持續受到大量小行星、彗星的擊打，月球也是在一次猛烈的撞擊下從地球上分離出去。經過數億年的打擊，在惡劣環境中地球平靜了下來，形成了穩定的地月系統。

圖｜太陽系早期模型

圖｜冥古宙時小行星、彗星擊打下的地球

圖｜大撞擊事件

圖｜大撞擊事件後地月系統形成（來源：Richard Bizley）

圖｜月球在經過多次撞擊留下的隕石坑

但是由於強烈的改造作用，40億年前的物質並沒有儲存下來，淹沒在了地球深部，只有天上的月亮還記錄了40億年之前的事情，地球最古老的岩石樣品也僅僅只有40億年加拿大西北部Acasta片麻岩，最古老的年齡記錄僅出現在澳大利亞Jack Hill的44億年鋯石中。

圖｜阿卡斯塔40億年片麻岩

圖｜Jack Hill 44億年鋯石

冥古宙是沒有生命的，或者說是沒有記錄，但毋庸置疑的是冥古宙的生存環境是有史以來最惡劣的。有趣的是，1953年美國化學家生物學家斯坦利·勞埃德·米勒（Stanley Lloyd Miller）透過一個模擬早期地球火山爆發和雷電交加的化學實驗，奇蹟般地用甲烷、氨氣等早期氣體合成出了組成生命最必要的物質——氨基酸。經過後面的探索，在地球早期的天然條件下，可以合成出22種氨基酸、5種胺，這就是著名的

米勒-尤里實驗

，這為早期地球能演化出生命提供了重要依據。

米勒和米勒實驗模型

太古宙（Archean, 距今40-25億年）

的地球活動相對而言就清楚了很多，太古宙是40~25億年前的很長一段時期，又分為始太古代、古太古代、中太古代以及新太古代。地球雖然已經平靜下來，但地球的熱流值仍是現在的3倍以上，這些熱量來自於行星吸積形成地核釋放出的引力勢能與當時丰度更高的放射性元素衰變熱，所以太古宙出現了很多超高溫地質作用，像超高溫變質岩、科馬提巖等，這些在顯生宙之後就沒再出現。太古宙早期大陸地殼開始逐漸組建起來，形成了穩定的克拉通（指大陸地殼上的古老而穩定的部分），為生命的出現提前備好了溫室，直到現在我們仍在穩定克拉通上生活著。

圖｜主要的太古代克拉通分佈

最早的生命早在38億年前始太古代，就已出現，最早的地球生命出現在海底熱液噴出口附近，為早期無細胞核的原核生物。依據生物化學證據，38億年前格陵蘭的條帶狀磁鐵礦說明，那時生命就已經開始改造環境了，另外，37億年格陵蘭發現的錐形結構的白雲岩，可能也是原核生物的傑作。確切的最老生物化石依據發現在澳大利亞西部的矽質疊層石中，經過測年這裡地層的年齡約有35億年，化石類似於一些菌類絲狀體殘片化石。這些古原核生物都是單細胞生物，沒有細胞核，結構極其簡單，但到現在依舊存在。

圖｜早期生命產生在海底熱液噴口

圖｜澳大利亞鯊魚灣現在還在生長的疊層石

圖｜世界各地疊層石化石對比

圖｜澳大利亞現生藍藻與澳大利亞西部頂端燧石岩層太古宙藍藻化石對比

緩慢的生命程序無聊到讓人乏味，經過十幾億年的發展原核生物始終是原核生物，一直到太古宙末期，這些原核生物也只能在地表的沉積岩中掀起一小點兒“波瀾”。但是到了元古宙這些原核生物卻起到了至關重要的作用。

圖｜格陵蘭生物成因的錐形結構白雲岩

圖｜疊層石頂部剖面（來源：視覺中國）

元古宙（Proterozoic, 距今25-5.41億年）

是前寒武紀最後一個宙，也是開創性的時代，地球所有克拉通的穩定沉積蓋層都是在這個期間形成，我們腳下的土地就是在這段時間穩固下來，大部分的金屬礦產資源也在這段期間產生，並且最後的埃迪卡拉紀也為生物界產生了翻天覆地的變化。元古宙相對而言研究更加深入，元古宙有細分為古元古代、中元古代、新元古代，其下又按照不同時代的獨特地質作用分為十個紀，成鐵紀、層侵紀、造山紀、固結紀、蓋層紀、延展紀、狹帶紀、拉伸紀、成冰紀、埃迪卡拉紀。

圖｜元古代遍佈海岸線的疊層石復原圖

早在太古宙時期空氣中瀰漫的都是二氧化碳和甲烷一類的氣體，這些溫室氣體對地球起到了極大地保溫作用，比現在地球高出了幾十攝氏度。而最早的原核生物藍細菌，即藍藻，雖然進化過程緩慢，但是它們卻又一個重要的作用，那就是光合作用，能夠把空氣中的二氧化碳轉變為氧氣（後來人們認為植物細胞中的葉綠體就是吞噬藍藻形成的）。大批次的藍藻夜以繼日地辛苦勞作，經過漫長的十億年竟然把地球改造成了藍色的甚至有臭氧層保護的星球，這一作用被稱為

“大氧化事件”（Great Oxidation Event, GOE）

。由於氧氣的大量增加，使很多原本遊離在海洋中的鐵離子發生了氧化並沉澱到海底，形成了豐富的鐵礦石沉積，形成了被稱為

條帶狀鐵建造（BIF）

的全球性沉積鐵礦，這一時期對應於元古宙第一個紀元——

成鐵紀

。

圖｜條帶狀磁鐵礦（BIF，紅色為含三價鐵石英條帶，藍色為磁鐵礦）

圖｜BIF中的微生物

生命的再一次革命是真核生物的產生。經過大氧化事件的環境改造，23億年前大氣層的氧氣含量穩定下來，充足的氧氣為生命活動帶來了新的機會。在一次機緣巧合下，一隻貪吃的原核細胞吞入了另一隻原核細胞，這隻體內的原核細胞竟可以相對獨立的分裂、遺傳，逐漸演變成我們熟知的細胞核，細胞於此開始學會了有絲分裂。細胞不再是單打獨鬥，而是可以形成許許多多同根同源的細胞，組成多細胞生物。另外，在這種吞噬作用下，細胞產生了其他的細胞器，如線粒體、葉綠體等，這些零件為生命的演化解鎖了更多功能。只不過原核生物是何時出現的，一直是科學界爭論的話題。最早的真核生物出現的標誌，是一塊15。6億年前的多細胞藻類宏觀化石。最新研究發現，MIT的研究人員透過

“分子時鐘分析”法

，發現有一類只有真核生物才能合成的固醇，其主要的酶早在23億年就已經出現，所以最早的原核生物可能出現在23億年的某一天。在一些BIF鐵礦中，也曾發現有微生物多細胞藻類的痕跡。

圖｜真核細胞

生命的演化依舊很緩慢，從20億年到7億年前都沒有什麼起色，但卻在一次大災難中獲得了新生。7億年，地球發生了鉅變，整個地球像著了涼一樣，氣溫驟降，整個地球從兩極到赤道結上了厚達幾百米的冰蓋，這就是著名的

雪球地球事件（Snowball Earth）

，迄今為止最大的冰期。這一個碩大的冰球持續了1億年之久，被稱為成冰紀。雪球地球的形與當時

Rodinia超大陸

裂解有密切聯絡（超大陸是地球上週期性出現的所有大陸匯聚在一起形成的聯合超級大陸）。有學者認為超大陸的裂解使得海岸線增大，岩石風化速率加快，風化消耗溫室氣體，且降雨量加大使得溫室效應減弱，氣溫的快速減低使得地球進入了成冰紀元。

圖｜雪球地球事件

圖｜冰川沉積物下覆蓋著熱帶的鈣質沉積證明雪球地球的存在

圖｜Rodinia超大陸示意圖

被冰層圍困了1億年的地球終於在大量火山活動下重獲生機。而這次雪球地球事件的結束卻帶來了意想不到的變化——埃迪卡拉生物群的誕生。

圖｜冰磧岩上覆蓋帽白雲岩的出現代表雪球地球的結束

前寒武紀的漫漫長夜在熔岩和雷電中開啟，終於在熬過40億年之後迎來了第一縷曙光。或許是雪球地球長達1億年的壓迫使得生命迫切地尋找出路，又或是雪球地球給了生命冷靜思考的時間選對了進化的路。在雪球地球之後，地球環境變得空前的好，氧氣含量充足，真核生物開啟了第一輪大幅度進化，生命演化的歷史翻開了全新的篇章。6。3-5。4億年被稱為埃迪卡拉紀，在中國稱為震旦紀。在這段時間，地球多處出現了眾多埃迪卡拉生物群。