地球的起源和演变：从宇宙大爆炸到人类的将来(37-42)

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虽然这是一个关于自然科学的课程, 但讨论范围到从宇宙大爆炸到太阳系形成到地球上生命演变, 解答了“人类从哪里来”的(哲学)问题

非专业人士的学习笔记, 难免有误, 请指教

地球的起源和演变：从宇宙大爆炸到人类的将来

第三十七课 雪球地球(Snowball Earth)和温室地球(Hothouse Earth)

雪球地球假设

冰川运动会留下一系列的特殊的沉积层特征 - 例如漂砾(erratic boulders)和冰碛(moraines)

在7.4亿年和5.8亿年前之间形成的沉积岩有很多这些特征 - 有可能地球表面在这段时间里多次几乎被冰雪完全覆盖, 只有火山口和周边没有冰雪

温室地球假设

板块构造 -> 火山喷发 -> 释放水和二氧化碳 -> 温室效应 -> 过了正反馈临界值 -> 冰雪全融化 -> 温室地球

雪球地球和温室地球交替出现

早期雪球地球(冰川期)

第一次雪球地球 - 约29亿年前

斯图尔特冰川期(Sturtian glaciation) - 7.4亿年前开始, 7.2亿年前高峰

马里诺冰川期(Marinoan glaciation) - 6.5亿年前开始

加斯基尔冰川期(Gaskiers glaciation) - 5.8亿年前开始

第三十八课 第二次大气层氧化

极端全球变化

每次雪球地球后有一段温室地球时期 - 大气层中氧气在温室地球时期里也增加一些

大约2亿年里, 氧气从
动植物逐渐占领海洋和大陆的基础

磷元素

现代生物的必须元素 - DNA/RNA, ATP都需要

雪球地球时期供应量很有限

粘土矿物工厂假设(The Clay Mineral Factory Hypothesis)

生命的存在加速粘土矿物的形成, 粘土矿物提供适宜的生物生存环境 - 形成正反馈回路

粘土矿物形成 - 酸雨(碳酸)和微生物加速岩石风化

粘土矿物常有微弱正负电极 - 吸引微生物的负正极

微生物和粘土矿物的正反馈增加大气层氧气含量

更多粘土矿物 -> 更多高碳生物 -> 更多富碳沉积层 -> 更多氧气在大气层 -> 更多高碳生物

地球的水银循环

一般生物细胞不能和水银共存 -> 但某些微生物演化后可以合成甲基汞(methyl mercury) -> 甲基汞易溶于水, 可以穿透细胞膜

地球的水银循环在约18亿年前大改变

18亿年前有数种汞矿物形成 -> 之后的12亿年没有已知的汞矿石形成

微生物把大量汞合成甲基汞, 溶在海洋里

从第一次到第二次大气层氧化

地表下的氧化严重滞后

矿物记录 - (42)钼和(75)铼形成的矿物中更多以高价出现(深度氧化)而不是低价

第三十九课 碳元素 - 地下生物, 燃料, 甲烷(Methane)

地球上的碳元素

碳在宇宙里大量存在

碳是生命重要成分 - 有机化学

还有很多未解决/解释的问题

地球含多少碳 - 估计>1%

地下深处的微生物 - 可以深达三英里

许多病毒 - 大量遗传信息

地下甲烷(CH4)

甲烷是很强力的温室效应气体

甲烷水合物 - 北极冻土层和海底有大量存储

如果形成正反馈, 可以有很大影响

甲烷有两个来源

微生物的新陈代谢

非生物来源 - 高压下碳酸盐和水反应

测量同位素含量

甲烷中的碳可以是碳12或碳13, 氢可以是氢或氘

理论计算, 由碳13和一个或更多氘组成的烷

如果在200度以下组成 - 微生物

如果在1000度以上组成 - 由岩石组成

(测量仪器在课程录制时还没有制造/验证出来)

第四十课 生物矿物(Biominerals)和早期动物

新细胞生物

约20亿年前, 真核细胞出现

可能是一个细胞把另一个细胞整个吞了

6.1到5.45亿年前, 埃迪卡拉纪(Ediacaran Period)

单细胞生命会整体移动 - 动物前身

雪球地球-温室地球周期在生物演变起了重要作用

5.75亿年前, 化石显示有光合作用能力的藻类可以在沼泽地生存

大气层含氧高 -> 臭氧层 -> 吸收紫外线 -> 陆地动植物才可能

寒武纪生命大爆发(Cambrian Explosion)

约5.3亿年前, 有保护壳(碳酸钙或二氧化硅)的动物出现

海洋生物大变样 - 多细胞生物

新一轮矿物演变 - 方解石、文石、白云石、磷酸盐羟基磷灰石和蛋白石

海平面改变 - 页岩、石灰岩、砂岩、煤、砂岩、石灰岩、页岩的沉积层序列

第四十一课 从罗迪尼亚大陆到盘古大陆 - 陆地植物

生物进化

从5.4亿到3.5亿年前, 快速演变进化

一旦臭氧层建立, 生命占据陆地, 海洋, 和天空

至少5个相互关联的因素影响了地球表面

板块构造

气候 - 热到冷然后冷到热, 但没有雪球地球或温室地球那样极端

大气层的氧气含量

海平面 - 不停升高降低

生命 - 迅速且不可逆转地进化

显生宙(The Phanerozoic Eon)

化石记录更完整

动植物演变, 尤其是陆地动植物, 对环境变化十分敏感

陆地植物

4.75亿年前出现了独特的坚固的微生物孢子(microscopic spores)

4.32亿年前出现了简单的维管植物(vascular plants) - 根系和茎

4亿年前陆地绿色景观 - 树一样的菌类, 虽然没有叶子; 一些昆虫和蜘蛛类动物

第四十二课 氧气含量和气候反复改变

动物界

4.5亿年前 - 海洋脊椎动物

3.75亿年前 - 最早的四足动物(会行走的鱼)

3.65亿年前 - 最早的两栖动物(四肢和小趾)

最早的陆地动物 - 昆虫, 蜘蛛, 蠕虫等小动物

石炭纪(The Carboniferous Period)

3.4亿至3亿年前 - 两栖动物主宰陆地

约3.2亿年前 - 爬行动物出现(保护性鳞甲, 硬壳蛋)

约3亿年前, 树一样高的蕨类植物丛林, 沼泽, 和草地

矿物的演变接近现代

气候变热, 变冷, 又变热

生物改变了地球上的环境 - 岩石的侵蚀模式, 溪流河岸逐渐稳定, 更深的粘土层

碳和氧交织的循环

还没有真菌或白蚁可以消化死亡了的植物 -> 被埋葬 -> 形成含碳的煤矿 -> 更多氧气被释放入大气 -> 2.7亿年前, 大气层含氧约30% -> 沙漠化气候 -> 2.5亿年前, 大气层含氧只有15% -> 爬行动物主宰(海龟、鳄鱼、恐龙和蜥蜴类动物的祖先)