地球的起源和演變：從宇宙大爆炸到人類的將來(37-42)

此課程來自“ The Great Courses”
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雖然這是一個關於自然科學的課程, 但討論範圍到從宇宙大爆炸到太陽係形成到地球上生命演變, 解答了“人類從哪裏來”的(哲學)問題

非專業人士的學習筆記, 難免有誤, 請指教

地球的起源和演變：從宇宙大爆炸到人類的將來

第三十七課 雪球地球(Snowball Earth)和溫室地球(Hothouse Earth)

雪球地球假設
冰川運動會留下一係列的特殊的沉積層特征 - 例如漂礫(erratic boulders)和冰磧(moraines)
在7.4億年和5.8億年前之間形成的沉積岩有很多這些特征 - 有可能地球表麵在這段時間裏多次幾乎被冰雪完全覆蓋, 隻有火山口和周邊沒有冰雪

溫室地球假設
板塊構造 -> 火山噴發 -> 釋放水和二氧化碳 -> 溫室效應 -> 過了正反饋臨界值 -> 冰雪全融化 -> 溫室地球
雪球地球和溫室地球交替出現

早期雪球地球(冰川期)
第一次雪球地球 - 約29億年前
斯圖爾特冰川期(Sturtian glaciation) - 7.4億年前開始, 7.2億年前高峰
馬裏諾冰川期(Marinoan glaciation) - 6.5億年前開始
加斯基爾冰川期(Gaskiers glaciation) - 5.8億年前開始

第三十八課 第二次大氣層氧化

極端全球變化
每次雪球地球後有一段溫室地球時期 - 大氣層中氧氣在溫室地球時期裏也增加一些
大約2億年裏, 氧氣從<1%增加到~20%
動植物逐漸占領海洋和大陸的基礎
磷元素
現代生物的必須元素 - DNA/RNA, ATP都需要
雪球地球時期供應量很有限

粘土礦物工廠假設(The Clay Mineral Factory Hypothesis)
生命的存在加速粘土礦物的形成, 粘土礦物提供適宜的生物生存環境 - 形成正反饋回路
粘土礦物形成 - 酸雨(碳酸)和微生物加速岩石風化
粘土礦物常有微弱正負電極 - 吸引微生物的負正極
微生物和粘土礦物的正反饋增加大氣層氧氣含量
更多粘土礦物 -> 更多高碳生物 -> 更多富碳沉積層 -> 更多氧氣在大氣層 -> 更多高碳生物

地球的水銀循環
一般生物細胞不能和水銀共存 -> 但某些微生物演化後可以合成甲基汞(methyl mercury) -> 甲基汞易溶於水, 可以穿透細胞膜
地球的水銀循環在約18億年前大改變
18億年前有數種汞礦物形成 -> 之後的12億年沒有已知的汞礦石形成
微生物把大量汞合成甲基汞, 溶在海洋裏

從第一次到第二次大氣層氧化
地表下的氧化嚴重滯後
礦物記錄 - (42)鉬和(75)錸形成的礦物中更多以高價出現(深度氧化)而不是低價

第三十九課 碳元素 - 地下生物, 燃料, 甲烷(Methane)

地球上的碳元素
碳在宇宙裏大量存在
碳是生命重要成分 - 有機化學
還有很多未解決/解釋的問題
地球含多少碳 - 估計>1%
地下深處的微生物 - 可以深達三英裏
許多病毒 - 大量遺傳信息

地下甲烷(CH4)
甲烷是很強力的溫室效應氣體
甲烷水合物 - 北極凍土層和海底有大量存儲
如果形成正反饋, 可以有很大影響
甲烷有兩個來源
微生物的新陳代謝
非生物來源 - 高壓下碳酸鹽和水反應

測量同位素含量
甲烷中的碳可以是碳12或碳13, 氫可以是氫或氘
理論計算, 由碳13和一個或更多氘組成的烷
如果在200度以下組成 - 微生物
如果在1000度以上組成 - 由岩石組成
(測量儀器在課程錄製時還沒有製造/驗證出來)

第四十課 生物礦物(Biominerals)和早期動物

新細胞生物
約20億年前, 真核細胞出現
可能是一個細胞把另一個細胞整個吞了
6.1到5.45億年前, 埃迪卡拉紀(Ediacaran Period)
單細胞生命會整體移動 - 動物前身
雪球地球-溫室地球周期在生物演變起了重要作用
5.75億年前, 化石顯示有光合作用能力的藻類可以在沼澤地生存
大氣層含氧高 -> 臭氧層 -> 吸收紫外線 -> 陸地動植物才可能

寒武紀生命大爆發(Cambrian Explosion)
約5.3億年前, 有保護殼(碳酸鈣或二氧化矽)的動物出現
海洋生物大變樣 - 多細胞生物
新一輪礦物演變 - 方解石、文石、白雲石、磷酸鹽羥基磷灰石和蛋白石
海平麵改變 - 頁岩、石灰岩、砂岩、煤、砂岩、石灰岩、頁岩的沉積層序列

第四十一課 從羅迪尼亞大陸到盤古大陸 - 陸地植物

生物進化
從5.4億到3.5億年前, 快速演變進化
一旦臭氧層建立, 生命占據陸地, 海洋, 和天空

至少5個相互關聯的因素影響了地球表麵
板塊構造
氣候 - 熱到冷然後冷到熱, 但沒有雪球地球或溫室地球那樣極端
大氣層的氧氣含量
海平麵 - 不停升高降低
生命 - 迅速且不可逆轉地進化

顯生宙(The Phanerozoic Eon)
化石記錄更完整
動植物演變, 尤其是陸地動植物, 對環境變化十分敏感

陸地植物
4.75億年前出現了獨特的堅固的微生物孢子(microscopic spores)
4.32億年前出現了簡單的維管植物(vascular plants) - 根係和莖
4億年前陸地綠色景觀 - 樹一樣的菌類, 雖然沒有葉子; 一些昆蟲和蜘蛛類動物

第四十二課 氧氣含量和氣候反複改變

動物界
4.5億年前 - 海洋脊椎動物
3.75億年前 - 最早的四足動物(會行走的魚)
3.65億年前 - 最早的兩棲動物(四肢和小趾)
最早的陸地動物 - 昆蟲, 蜘蛛, 蠕蟲等小動物

石炭紀(The Carboniferous Period)
3.4億至3億年前 - 兩棲動物主宰陸地
約3.2億年前 - 爬行動物出現(保護性鱗甲, 硬殼蛋)
約3億年前, 樹一樣高的蕨類植物叢林, 沼澤, 和草地
礦物的演變接近現代

氣候變熱, 變冷, 又變熱
生物改變了地球上的環境 - 岩石的侵蝕模式, 溪流河岸逐漸穩定, 更深的粘土層
碳和氧交織的循環
還沒有真菌或白蟻可以消化死亡了的植物 -> 被埋葬 -> 形成含碳的煤礦 -> 更多氧氣被釋放入大氣 -> 2.7億年前, 大氣層含氧約30% -> 沙漠化氣候 -> 2.5億年前, 大氣層含氧隻有15% -> 爬行動物主宰(海龜、鱷魚、恐龍和蜥蜴類動物的祖先)