地球之水与物种进化

欧阳自远

地球

天缘巧合的奇迹

在浩瀚的太阳系里，唯有地球，生机勃勃，万物生长。地球孕育了生物物种的多样性，进化出高等智慧的人类并支撑着人类建立高度文明的社会。这一切，都是因为地球有着得天独厚的条件。

地球与太阳的距离恰到好处，不远不近。

地球的身躯恰如其分，不大不小。

地球的运行从容而稳定。

地球有岩石质外壳，72%的面积被水体覆盖，为生命的生存与繁衍提供了广阔的空间。

海洋的潮汐为生物的迁涉提供了动力。

地球被磁层、电离层、臭氧层和大气层所包裹，层层设防，让生命免于遭受宇宙辐射的损伤。

地球的大气层最早由火山喷出的有毒气体组成，逐渐演化为二氧化碳为主的大气层，再进一步演化成氮-氧大气层，助长了生命的繁衍。

地球表面的水体（海洋、湖泊与河流）由强酸性水体逐渐演化为弱酸性直至中性水体，有利于生物的栖息与进化。

在地球漫长的演化历程中，大气层、水体与生物物种的协调演化，呈现出一种完美的和谐。地球繁多的生物物种和智慧生命的起源与成长，是地球长期演化的产物，是天缘巧合所造就，是宇宙的奇迹！

水从何处来

地球水的来源

水在生命产生的过程中发挥了举足轻重的作用，那么地球上水最初是从哪里来的呢？科学家们进行了大量的研究，提出了各种假说。

目前，地球水的来源主要有两种假说：一种假说认为，地球形成初期，地球内部的地幔物质大规模熔融，通过大面积、长时间的火山喷发，熔岩流覆盖了地球表面，释放出以水蒸气为主的大量挥发分，冷却后在地面汇集形成水体，地球水来源于地球的地幔除气过程;另一种假说认为，大量彗星撞击地球，彗星带来的水是地球水的来源。

太阳系形成初期，地球等类地行星（包括月球）的早期都发生过全球性的岩浆洋事件。地球内部物质（主要是地幔）熔融，通过大范围的火山喷发，熔岩流大面积覆盖地面，大量气体挥发物排出地球。根据地球火山喷发的熔岩流体积随时间的变化，表明地球的火山活动在逐渐减弱。通过各种模型的计算，地球早期火山活动喷发的气体挥发分总量大约为178亿亿吨。

根据全世界各类火山喷发气体挥发物的研究，地球内部的除气过程排出的气体挥发分主要是水蒸气，占总量的70%～90%，其次是二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）、氯化氢（HCl）、氨（NH3）、氯化氨（NH4Cl）、氯气（Cl2）、氮气（N2）和硫（S）等。地球内部除气过程释出的水蒸气（冷却后成为水体，汇集在地球表面）平均可达142亿亿吨水体，可以满足地球水体的水总量。根据地球各类水体的氢、氧同位素组成和二氧化碳的碳、氧同位素组成的系统测定和研究，确证地球的水来自地球地幔物质的除气过程。

还有一种假说认为，地球上的水是彗星撞击地球带来的。事实真的如此吗？需要采用科学的方法去验证。

彗星的彗核是由固态水和尘埃物质组成，如果地球上的水真的来自彗星，据天文学家估算，至少要2000万颗中等以上体积彗星的水资源才能填满地球上的海洋。太阳系的演化历史难以提供相关的科学依据。

科学家研究水的同源性，往往是通过测定水或冰的氢同位素组成（氘/氢，或D/H）来鉴别。地球海水的 D/H为1.56×10-4，根据哈雷彗星（Halley）、百武彗星（Hyakutake）和海尔波普彗星（Hale-Bopp）等彗星的D/H比，发现彗星水的D/H比是地球海水D/H比的2倍多。2014年8月，欧空局的罗塞塔探测器抵达67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星。罗塞塔号轨道器释放菲莱着陆器登陆67P的彗核表面，测定了彗星冰的氢同位素的D/H比为5.3×10-4，是地球海水D/H比的3倍。这些数据表明，彗星水与地球水不是同源，彗星水不是地球水的来源。

海洋、大气层与生物物种

进化的协调发展

在地球的早期阶段，海洋、大气层与生物进化经历了一个十分漫长而又协调发展的过程。各种因素相互影响，逐渐变化，最终形成了适宜生命存在的、生机勃勃的地球。

在太阳系形成早期，地球和其他类地行星都具有原始大气层，当太阳早期处于T型变星阶段，强烈的太阳风将行星的原始大气层驱赶殆尽，到达离太阳更远的巨行星区域。现今地球与其他类地行星的大气层属次生大气层。地球的大气层与地球的水体，经历了极其复杂的协调演化历程，形成了现今的氮-氧大气层和现今的海洋水体。

地球形成后，地球内部通过强烈的火山活动排出大量的水蒸气（H2O）和二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）、氯化氢（HCl）、氯气（Cl2）、氮气（N2）、硫蒸汽（S）、氨（NH3）、氯化氨（NH4Cl）等挥发分，形成了初始的原始火山气体的大气层。大量的强酸性挥发分溶解在水体中，使得地球的海水成为强酸性的水体。在25亿年前，地球大气层仍然是以火山的喷气产物为主，形成火山大气层;而海水演化成为氯化物水体，海水的pH值可能小于等于4。

在20亿年前后，海洋演化为氯化物-碳酸盐水体，海水的pH值为4～5。大气层中积累了大量的二氧化碳（CO2），逐渐形成以二氧化碳为主要成分的二氧化碳大气层。随着海水pH值的增大，CO2的溶解度增高，出现大量的碳酸盐沉淀。特别是古生代大量动植物的出现，使大气层中CO2的分压下降，氧气（O2）含量迅速上升，大气逐渐演化为现今的氮-氧大气圈。水体演化为氯化物-碳酸盐-硫酸盐水体，进一步演化为现今的中性-略微偏碱性的水体。地球大气层与水体的发育呈现出一种协同演化的特征。

地球形成于约距今46亿年前。大约距今38亿年前，在地球浓密的原始火山大气层环境下，在强酸性水体中诞生了原核生物。澳大利亚发现的35亿年前的瓦拉翁纳群中的丝状细菌化石，是地球上发现最早并具有细胞结构的化石。

地球上最早出现的异养型原核生物细菌，在氯化物的海水中经过不断的分化和发展，终于又出现了能够进行光合作用、从无机物合成有机养料的自养型原核生物蓝藻。蓝藻是最早出现的放氧生物，使得地球上原始大气中氧气浓度不断增加，为喜氧生物提供了有利的生活环境。在加拿大甘弗林组中，发现了完好的距今约20亿年的细菌和蓝藻化石。

在氯化物-碳酸盐-硫酸盐水体中，随着真核生物的出现，动、植物开始分化和发展。动物的出现，绿色植物（真核植物和原核蓝藻）通过叶绿素光合作用制造食物，是自然界的生产者;细菌和真菌是自然界的分解者;动物是自然界的消费者。地史上最早的动物化石是距今7亿～6亿年前澳大利亚的伊迪卡拉动物群，其中以腔肠动物的似水母类、海鳃类、环节动物和少量节肢动物为主。

距今6亿年前的早古生代，出现了“海洋藻类时代”和“海洋无脊椎动物时代”。在中国云南发现了距今5.7亿年的澄江动物群，主要由水母、三叶虫、金臂虫、非三叶虫节肢动物、蠕形动物、海绵、无铰腕足类、软舌螺和藻类等组成，是目前世界上保存最早的软体的多门类动物群。

在氮-氧大气层和接近于现今海水的环境中，5亿年以来，出现了地史上最早具钙质硬壳的小壳动物群，包括软舌螺、单板类、腹足类、腕足类等，这与当时海水的pH值接近于7并富含钙质有关。

由于自然环境有利于海洋无脊椎动物的继续发展，层孔虫、苔藓虫等先后出现，笔石、腕足类、鹦鹉螺等显著分异。珊瑚和层孔虫、苔藓虫等一起，是温暖浅海的重要造礁动物。

距今大约5.7亿～2.3亿年间，大气层、海洋水体跟现在情况已差不多。生物进入空前繁盛时期，数量、种群空前地增长。从距今2.3亿年到6700万年前，是裸子植物时代和爬行动物时代。从6700万年以来的新生代是被子植物和哺乳动物时代。大约300多万年以来，地球上出现了人类。