地球的起源和演變：從宇宙大爆炸到人類的將來(25-30)

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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

第二十五課 板塊構造(Plate Tectonics)

板塊構造理論
地幔熱對流是板塊漂移的動力
板塊邊界 - 板塊分離(divergent), 板塊合並(convergent), 板塊水平剪切(transform)
因為地球是球體(sphere), 在板塊分離和板塊合並時會出現水平剪切
板塊構造理論把研究地球的各科學聯係起來 - 古生物學(paleontology), 地質學, 地球物理學(geophysics), 等等

板塊構造理論的證據
聲納技術繪製海底地圖 - 大西洋中洋脊
磁力儀 - 大西洋底的玄武岩的磁極對稱反轉
地震 - 集中在板塊邊緣的俯衝帶(subduction zones)且震中遠離俯衝帶時逐漸下沉

傳導, 對流, 和輻射
地幔岩漿的傳導和輻射作用很有限
對流也需要約一億年才能完成一次循環

~40億年前, 有幾十個火山口 -> 地幔對流在以後10億年裏逐漸穩定 -> 形成幾個巨型循環
板塊分離處可以形成玄武岩山
板塊合並處可以促進更多花崗岩形成 -> 很多花崗岩小島

地球的礦物演變
地幔上層和地殼的熱動力 -> 把外層礦物進一步分離集中 -> 形成新的礦物
第一次出現大量硫化物 - 含相對稀有金屬元素
超高壓下形成新的變質岩
約30億年前, 地球的第五次礦物演變 - ~500種新礦物(共~1500種礦物)
(注: 好像偉晶岩的形成算作第四次礦物演變的一部分)

第二十六課 從地球化學(Geochemistry) 到生物化學(Biochemistry) - 原材料

生命化學
細胞是已知生命的基本單位 - 細胞由很複雜的分子群構成, 且有細胞膜與外界分隔
兩個相互依賴的生命保持
新陳代謝 - 生長和複製所需的能量和原材料
遺傳 - 把遺傳信息複製到下一代
原材料 - 海洋, 大氣, 岩石
能量 - 陽光, 宇宙放射線, 地球內部
碳 - 蛋白質, 碳水化合物, 和油脂的重要組成部分

生命開始的一係列步驟
合成含碳的小分子
把含碳小分子集中組成生命必需的結構 - 細胞膜, 聚合物(polymers)
能夠複製自己, 而且能夠變異進化

米勒-尤裏實驗(Miller-Urey Experiment) - 1953
簡單的試驗 - 加熱的水, 混合氣體, 電火花
生成了複雜的有機物
發現深海生物部落 - 1987
能量來自海底火山提供的化學能 - 不需陽光
發現極端微生物(extremophiles)
例如高度酸性液體, 火山口熱水, 南極洲冰川, 天空中塵埃, 地下深處

第二十七課 生物分子(biomolecules) - 選擇, 集中, 組裝(assemble)

自我組裝和合成(synthesis)
很多種氨基酸, 糖, 脂的可能性 -> 生命選擇了其中相對較少的幾種
從複雜的但稀釋的, 生命出現之前的液體到生命大分子 - 選擇, 集中, 組裝的過程
兩個相互補充的過程
自我組裝(self-assembly)
例如, 一頭親水另一頭斥水的脂類可以形成兩層脂類的細胞膜
有模板的合成(template-directed synthesis)
例如, 氨基酸和糖類易溶於水, 可能在某些礦物晶體周圍按某種順序排列
正負電位應該起了相當作用

自我複製
至今還未能解決
地球有上億年的時間和各種不同的地球化學環境
進化(evolution)很重要 - 變化(variation)和選擇(selection)
生存的最終保證方式是可以自我複製

第二十八課 複製(reproduction)

最初的自我複製係統 - 三種模型
生命的定義包括自我複製(生殖)的功能

模型1. 逆檸檬酸循環(克雷布斯循環)
檸檬酸(citric acid, 含6個碳原子)可以分裂成一個醋酸(acetic acid, 含2個碳原子)和一個草酰乙酸(oxaloacetic acid, 含4個碳原子) -> 醋酸可以和CO2合成草酰乙酸, 草酰乙酸可以繼續合成檸檬酸
這個循環在幾乎所有生命細胞裏都存在
模型2. 自催化網絡(autocatalytic networks)
一群分子相對穩定能複製
目前沒法驗證的模型
模型3. 可以自我複製的RNA
RNA既可以包含遺傳信息也可以催化蛋白質生成

生命起源的步驟
1. 生成小分子. 例如氨基酸和糖
2. 選擇和組裝成大結構
3. 分子群可以自我複製

通過自然選擇的進化是最快最有效的得到新功能的方法
生命起源約在40-38億年前

第二十九課 地質年表

地質年表

冥古代(the Hadean Eon) - 從地球起源到約40.3億年前
能找到的最早的岩石 - 有可能找到更早的岩石, 所以難免以後有改變
太古代(the Archean Eon) - 從40.3億到25億年前
始太古代(the Eoarchean Era) - 從40.3億到36億年前
能找到的最早的岩石大多在熱和壓力下改變了
也有例外 - 帶狀鐵岩(banded iron formations)
古太古代(the Paloarchean Era) - 從36到32億年前
已經發現的最早的化石
中太古代(the Mesoarchean Era) - 從32億到28億年前
現代板塊構造運動 - 第一塊大陸的31億年前形成
新太古代(the Neoarchean Era) - 從28億到25億年前
光合作用出現 → 大氣層中氧氣
元古代(the Proterozoic Eon) - 從25億到542百年前
古元古代(the Paleoproterozoic Era) - 從25億16億年前
大氣層氧化
已經發現的最早的微生物化石
中元古代(the mesoproterozoic Era) - 從16億到10億年前
最少一次超級大陸形成並解體
新礦物出現, 礦床形成
新元古代(the Neoproterozoic Era) - 從10億到542百萬年前
環境和生物重大演變 - 多細胞生物出現
顯生宙(the Phanerozoic Eon)
現代地球生命

第三十課 紅色地球 - 大氣層氧化

大氣層氧化 - 許多細節還在科研討論中
地球形成後大氣層裏幾乎沒有氧氣
氧氣的腐蝕性很強
26億年前形成的一些岩石在有氧環境會很快被腐蝕
約24.5億年前, 大氣層含估計0.2%的氧氣
之後形成的岩石有明顯的化學結構指向氧氣的存在
礦物裏硫(sulfur)的同位素比例在25億年之前主要受紫外線影響(沒有臭氧層, 大量宇宙紫外線可以到地球表麵), 之後主要受原子質量影響(溫度下較輕同位素更活躍)

光合作用
早期光合作用不生產氧氣 - 現在還存在類似光合作用
現代光合作用 6CO2 + 6H2O + 陽光 → C6H12O6(葡萄糖) +6O2
是兩種獨立的光合作用的混合 - 光係統I和光係統II(Photosystem I and Photosystem II)
除了光合作用, 細胞還有其它方式產生氧氣
還有一些自然界的化學反應可以產生氧氣