正如它所像的青金石宝石一样，我们从卫星照片中立即认出的这颗蓝色、云雾缭绕的行星，看起来非常稳定。 大陆和海洋，被富氧大气层环绕，孕育着我们熟悉的生命形式。然而，这种恒定性是人类时间体验产生的一种错觉。地球及其大气层一直在不断变化。板块构造移动着大陆，抬升山脉，移动着海底，而一些尚未完全理解的过程则在改变着气候。
这种持续的变化是地球自大约45亿年前诞生以来的特征。从一开始，热量和重力就塑造了地球的演化。这些力量逐渐与生命出现产生的全球性影响相结合。探索这段过去为我们提供了理解生命起源以及可能的未来的唯一途径。
科学家们过去认为，包括地球、水星、金星和火星在内的岩石行星，是由尘埃云的快速引力坍缩形成的，这种收缩产生了一个致密的球体。在20世纪60年代，阿波罗太空计划改变了这种观点。对月球陨石坑的研究表明，这些坑洼是由大约45亿年前大量存在的物体撞击造成的。此后，撞击的数量似乎迅速减少。这一观察结果使奥托·施密特的吸积理论重新焕发活力。这位俄罗斯地球物理学家在1944年提出，行星的体积是逐步增长的，一步一步地。
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根据施密特的理论，宇宙尘埃聚集在一起形成微粒，微粒变成砾石，砾石变成小球，然后变成大球，然后变成微小的行星，或星子，最终，尘埃变得像月球那么大。随着星子变得越来越大，它们的数量减少了。因此，星子或陨石之间的碰撞次数减少了。可用于吸积的物质减少意味着需要很长时间才能形成一颗大型行星。华盛顿卡内基研究所的乔治·W·韦瑟里尔计算表明，形成一个直径为10公里的物体和一个地球大小的物体之间可能需要经过大约1亿年的时间。
吸积过程对地球产生了显著的热力学后果，这些后果有力地指导了地球的演化。巨大的天体撞击地球，在其内部产生巨大的热量，融化了那里发现的宇宙尘埃。由此产生的熔炉——位于地下约200至400公里处，被称为岩浆海洋——活跃了数百万年，引发了火山爆发。在地球年轻的时候，火山活动和来自地球内部的熔岩流在地表造成的热量，因巨大的物体（其中一些可能像月球甚至火星那么大）的不断轰击而加剧。在这个时期，生命是不可能存在的。
除了阐明地球是通过吸积形成的之外，阿波罗计划还促使科学家们尝试重建早期地球随后的时间和物理发展。地质学的奠基人，包括查尔斯·莱尔，曾认为这项事业是不可能的，他曾说过这样一句话：没有开始的痕迹，没有结束的希望。这句话表达了这样一种观点，即年轻的地球无法被重建，因为它的残余物被它自身的活动所摧毁。但是，20世纪60年代同位素地质学的发展使这种观点过时了。在阿波罗计划和月球发现的启发下，地球化学家开始应用这项技术来理解地球的演化。
使用所谓的放射性时钟对岩石进行年代测定，使地质学家能够在不含化石的古老地层上工作。放射性时钟的指针是同位素——原子量不同的同种元素原子——地质时间是通过一种同位素衰变成另一种同位素的速率来测量的[参见Derek York的“地球的最早历史”；《大众科学》，1993年1月]。在众多时钟中，基于铀238衰变为铅206和铀235衰变为铅207的时钟是特殊的。年代地质学家可以通过仅分析放射性母体铀的子体产物——在本例中为铅——来确定样品的年龄。
淘锆石
同位素地质学使地质学家能够确定，地球的吸积最终导致了地球的分异：地核的形成——地球磁场的来源——以及大气层的开始。1953年，加州理工学院的克莱尔·C·帕特森的经典著作使用铀铅时钟确定了地球和许多形成地球的陨石的年龄为45.5亿年。然而，在20世纪90年代初期，我们中的一位（阿莱格尔）对铅同位素的研究导致了一种新的解释。
正如帕特森所认为的那样，一些陨石确实是在大约45.6亿年前形成的，它们的碎片构成了地球。但是，地球继续通过星子的轰击而增长，直到大约1.2亿至1.5亿年后。在那时——44.4亿至44.1亿年前——地球开始保持其大气层并创造其地核。美国地质调查局丹佛分部的布鲁斯·R·多伊和罗伯特·E·扎特曼在二十年前就已经提出了这种可能性，并且与韦瑟里尔的估计相符。
大陆的出现稍晚一些。根据板块构造理论，这些陆地是地球地壳中唯一不会在由地幔对流驱动的地热循环中被回收和破坏的部分。因此，大陆提供了一种记忆形式，因为早期生命的记录可以在它们的岩石中读取。然而，地质活动，包括板块构造、侵蚀和变质作用，几乎摧毁了所有古老的岩石。很少有碎片在这台地质机器中幸存下来。
然而，近几十年来，人们再次利用同位素地球化学做出了几项重要发现。牛津大学的斯蒂芬·穆尔巴斯领导的一个小组在格陵兰岛西部发现了一片地层，其年龄在37亿至38亿年之间。此外，麻省理工学院的塞缪尔·A·鲍林勘探了北美的一个小区域——阿卡斯塔片麻岩——据认为其年龄为39.6亿年。
最终，对矿物锆石的探索引导其他研究人员发现了更古老的地层。锆石通常存在于大陆岩石中，在侵蚀过程中不会溶解，而是以颗粒形式沉积在沉积物中。因此，少量的锆石可以存活数十亿年，并可以作为地球更古老地壳的见证。对古老锆石的寻找始于巴黎，由安妮·维特拉克和乔尔·R·兰斯洛特（后来分别在马赛大学和现在的尼姆大学）以及穆尔巴斯和阿莱格尔共同开展。最终成功的是澳大利亚国立大学堪培拉分校的一个团队，由威廉·康普斯顿领导。该团队在西澳大利亚发现了年龄在41亿至43亿年之间的锆石。
锆石不仅对于理解大陆的年龄至关重要，而且对于确定生命首次出现的时间也至关重要。最早的、年龄无可争议的化石是在澳大利亚和南非发现的。这些蓝藻遗迹大约有35亿年的历史。美因茨马克斯·普朗克化学研究所的曼弗雷德·希德洛夫斯基研究了格陵兰岛西部的伊苏阿地层，并认为早在38亿年前就存在有机物。由于早期生命的大部分记录已被地质活动摧毁，我们无法确切地说出它首次出现的时间——也许它出现得非常快，甚至可能在42亿年前。
来自气体的故事
地球演化最重要的方面之一是大气层的形成，因为正是这种气体组合使生命能够从海洋中爬出来并得以维持。自20世纪50年代以来，研究人员就假设地球大气层是由从地球内部逸出的气体形成的。火山喷发气体是地球持续排气的例证，正如人们所称的那样。但科学家们质疑，这个过程是突然发生的——大约在44亿年前，当地核分异时——还是随着时间的推移逐渐发生的。
为了回答这个问题，阿莱格尔和他的同事研究了稀有气体的同位素。这些气体——包括氦、氩和氙——具有化学惰性的特性，也就是说，它们在自然界中不与其他元素发生反应。其中两种气体对于大气研究尤为重要：氩气和氙气。氩气有三种同位素，其中氩40是由钾40的衰变产生的。氙气有九种同位素，其中氙129有两种不同的来源。氙129是地球和太阳系形成之前核合成的结果。它也是由放射性碘129的衰变产生的，而放射性碘129在地球上已经不存在了。这种形式的碘在早期就存在，但后来消失了，氙129以碘129为代价而增长。
像大多数夫妇一样，氩40和钾40，以及氙129和碘129都有故事可讲。它们是极好的计时器。虽然大气层是由地幔的排气形成的，但它不包含任何钾40或碘129。地球形成并释放的所有氩40和氙129都存在于今天的大气层中。氙从地幔中排出并保留在大气层中；因此，这种元素的大气层-地幔比率使我们能够评估分异的年龄。 trapped 在地幔中的氩气和氙气通过钾40和碘129的放射性衰变而演化。因此，如果地幔的总排气发生在地球形成的早期，那么大气层将不包含任何氩40，但会包含氙129。
想要测量这种衰变比率的研究人员面临的主要挑战是，在地幔岩石中获得高浓度的稀有气体，因为它们的含量极其有限。幸运的是，在洋中脊发生了一种自然现象，火山熔岩在此过程中将一些硅酸盐从地幔转移到地表。少量被困在地幔矿物中的气体随着熔体上升到地表，并浓缩在熔岩流外层玻璃质边缘的小囊泡中。这个过程将地幔气体的量浓缩了104或105倍。通过疏浚海底收集这些岩石，然后在灵敏的质谱仪中在真空中压碎它们，地球化学家可以确定地幔中同位素的比率。结果非常令人惊讶。对这些比率的计算表明，大气层中80%到85%的气体是在地球最初的一百万年内排出的；其余的气体在接下来的44亿年中缓慢但持续地释放出来。
这种原始大气层的成分肯定以二氧化碳为主，氮气是第二大最丰富的气体。还存在微量的甲烷、氨、二氧化硫和盐酸，但没有氧气。除了存在大量的水之外，大气层与金星或火星的大气层相似。原始大气层演化的细节尚有争议，特别是由于我们不知道当时的太阳有多强。然而，一些事实是无可争议的。二氧化碳显然发挥了至关重要的作用。此外，许多科学家认为，演化中的大气层含有足够数量的气体，如氨和甲烷，从而产生了有机物。
然而，太阳的问题仍然没有解决。一种假说认为，在太古代（从大约45亿年前到25亿年前），太阳的能量只有今天的75%。这种可能性提出了一个难题：在相对寒冷的气候中，生命是如何生存下来的？而寒冷的气候应该伴随着较弱的太阳。康奈尔大学的卡尔·萨根和乔治·穆伦在1970年提出了解决所谓的“微弱早期太阳悖论”的方案。两位科学家认为，甲烷和氨气非常有效地捕获红外辐射，并且含量非常丰富。这些气体可能产生了超级温室效应。这个想法受到了批评，理由是这些气体具有高反应性，并且在大气中寿命短。
什么控制了二氧化碳？
在20世纪70年代后期，现任斯克里普斯海洋研究所的维拉巴德兰·拉马纳坦，以及石溪大学的罗伯特·D·塞斯和托拜厄斯·欧文提出了另一种解决方案。他们假设早期大气层中不需要甲烷，因为二氧化碳已经足够丰富，可以产生超级温室效应。这个论点再次提出了一个不同的问题：早期大气层中究竟有多少二氧化碳？陆地二氧化碳现在埋藏在碳酸盐岩中，如石灰岩，尽管尚不清楚它是什么时候被困在那里的。今天，碳酸钙主要是在生物活动中产生的；在太古代，碳可能主要是在无机反应过程中被去除的。
地球的快速排气从地幔中释放出大量的水，形成了海洋和水文循环。可能存在于大气中的酸腐蚀了岩石，形成了富含碳酸盐的岩石。然而，这种机制的相对重要性尚有争议。哈佛大学的海因里希·D·霍兰德认为，太古代大气层中二氧化碳的含量迅速下降并保持在较低水平。
理解早期大气层中二氧化碳的含量对于理解气候控制至关重要。两个相互冲突的阵营提出了关于这个过程如何运作的观点。第一组认为，全球温度和二氧化碳是由无机地球化学反馈控制的；第二组则认为，它们是由生物去除控制的。
当时在密歇根大学安娜堡分校的詹姆斯·C·G·沃克、詹姆斯·F·卡斯廷和保罗·B·海斯在1981年提出了无机模型。他们假设，在太古代初期，气体的含量很高，并且没有急剧下降。三人认为，随着气候变暖，更多的水蒸发，水文循环变得更加活跃，降水和径流增加。大气中的二氧化碳与雨水混合，形成碳酸径流，使地表矿物暴露于风化作用。硅酸盐矿物与大气中存在的碳结合，将其封存在沉积岩中。大气中二氧化碳的减少反过来意味着温室效应的减弱。无机负反馈过程抵消了太阳能的增加。
这种解决方案与第二种范式形成对比：生物去除。盖亚假说的创始人詹姆斯·E·洛夫洛克提出的一种理论认为，光合作用微生物，如浮游植物，在高二氧化碳环境中会非常活跃。这些生物缓慢地从空气和海洋中去除二氧化碳，将其转化为碳酸钙沉积物。批评者反驳说，在地球存在生命的大部分时间里，浮游植物甚至还没有进化出来。（盖亚假说认为，地球上的生命有能力调节温度和地球表面的成分，并使其对生物体保持舒适。）
在20世纪90年代初期，纽约大学的泰勒·沃尔克和霍华德大学的大卫·W·施瓦茨曼提出了另一种盖亚式解决方案。他们指出，细菌通过分解有机物和产生腐殖酸来增加土壤中二氧化碳的含量。这两种活动都加速了风化作用，从而从大气中去除二氧化碳。然而，在这一点上，争议变得尖锐起来。包括现在在宾夕法尼亚州立大学的卡斯廷和霍兰德在内的一些地球化学家认为，虽然生命可能解释了太古代之后二氧化碳的部分去除，但无机地球化学过程可以解释大部分的封存。这些研究人员认为，对于大部分地质时间来说，生命是一种相当微弱的气候稳定机制。
来自藻类的氧气
碳问题仍然是生命如何影响大气层的关键。碳埋藏是建立大气氧气浓度的关键，而大气氧气浓度是某些生命形式发展的先决条件。此外，全球变暖正在发生，这是人类释放碳的结果。在十亿或二十亿年的时间里，海洋中的藻类产生了氧气。但是，由于这种气体具有很高的反应活性，并且古代海洋中存在许多还原性矿物——例如，铁很容易被氧化——生物产生的许多氧气在到达大气层之前就被消耗殆尽，而在大气层中，氧气会遇到与它发生反应的气体。
即使在厌氧时代，进化过程产生了更复杂的生命形式，它们也没有氧气。此外，如果它们离开海洋，未经滤过的紫外线阳光很可能会杀死它们。当时在加州大学圣巴巴拉分校的沃克和普雷斯顿·克劳德等研究人员认为，大约在20亿年前，在海洋中大部分还原性矿物被氧化后，大气中的氧气才开始积累。在10亿到20亿年前之间，氧气达到了目前的水平，为生命的进化创造了一个生态位。
通过检查某些矿物的稳定性，如氧化铁或氧化铀，霍兰德表明，在20亿年前，太古代大气层中的氧含量很低。人们普遍认为，目前20%的氧含量是光合作用的结果。然而，问题是大气中的氧含量是随着时间的推移逐渐增加的还是突然增加的。最近的研究表明，氧气的增加突然开始于21亿年前至20.3亿年前之间，目前的状况是在15亿年前达到的。
大气中氧气的存在对于试图生活在地表或地表以上的生物体来说，还有另一个主要好处：它可以过滤紫外线辐射。紫外线辐射会分解许多分子——从DNA和氧气到与平流层臭氧消耗有关的氯氟烃。这种能量将氧气分裂成高度不稳定的原子形式O，原子形式O可以重新组合成O2，并组合成非常特殊的分子O3，即臭氧。臭氧反过来吸收紫外线辐射。直到大气中的氧气足够丰富，能够形成臭氧层，生命才有可能在陆地上扎根或立足。生命从原核生物（没有细胞核的单细胞生物）到真核生物（有细胞核的单细胞生物）再到后生动物（多细胞生物）的快速进化发生在长达十亿年的氧气和臭氧时代，这并非巧合。
尽管大气层在这个时期达到了相当稳定的氧气水平，但气候绝非一成不变。在向现代地质时期过渡的过程中，经历了漫长的相对温暖或寒冷的阶段。生活在海底附近的化石浮游生物贝壳的成分提供了海底水温的衡量标准。记录表明，在过去的一亿年中，海底水域冷却了近15摄氏度。海平面下降了数百米，大陆漂移分离。内陆海大部分消失，气候平均冷却了10到15摄氏度。大约在2000万年前，南极洲似乎开始形成永久冰盖。
大约在200万到300万年前，古气候记录开始显示，在约4万年的周期中，暖期和冷期显著地扩张和收缩。这种周期性很有趣，因为它与地球完成一次自转轴倾角摆动所需的时间相对应。长期以来人们一直推测，最近的研究也计算出，已知的轨道几何形状变化可能会使冬夏之间太阳光的照射量改变大约10%左右，并可能导致冰河时代的开始或结束。
人类温暖的手
最有趣和令人困惑的发现是，在大约60万到80万年前，主导周期从4万年周期转变为10万年间隔，且波动幅度非常大。上一个主要的冰期大约在1万年前结束。在2万年前的鼎盛时期，大约两公里厚的冰盖覆盖了北欧和北美的大部分地区。冰川在世界各地的高原和山脉中扩张。陆地上锁住的冰足以导致海平面比今天下降100多米。巨大的冰盖冲刷了陆地，改变了地球的生态面貌，地球的平均温度比现在低5摄氏度。
暖期和冷期之间较长间隔的确切原因尚未理清。火山爆发可能发挥了重要作用，墨西哥的埃尔奇琼火山和菲律宾的皮纳图博火山的影响就证明了这一点。构造事件，如喜马拉雅山脉的形成，可能影响了世界气候。即使是彗星的撞击也可能影响短期的气候趋势，并对生命造成灾难性的后果[参见Walter Alvarez和Frank Asaro的“是什么导致了大规模灭绝？来自外星的撞击”；以及Vincent E. Courtillot的“是什么导致了大规模灭绝？火山爆发”；《大众科学》，1990年10月]。令人惊奇的是，尽管发生了剧烈的、间歇性的扰动，但气候已被缓冲到足以维持生命35亿年。
过去30年来最关键的气候发现之一来自格陵兰岛和南极洲的冰芯。当雪落在这些冰冻的大陆上时，雪粒之间的空气会被困住，形成气泡。雪逐渐被压缩成冰，连同它捕获的气体一起。其中一些记录可以追溯到50多万年前；科学家们可以分析来自地表以下深达3600米（2.2英里）的冰层中的冰和气泡的化学成分。
冰芯钻探者已经确定，古代埃及人和阿纳萨齐印第安人呼吸的空气与我们今天呼吸的空气非常相似——除了过去100或200年来引入的大量空气污染物。在这些添加的气体或污染物中，主要是额外的二氧化碳和甲烷。自大约1860年——工业革命扩张以来——由于工业化和森林砍伐，大气中二氧化碳的水平增加了30%以上；由于农业、土地利用和能源生产，甲烷水平增加了一倍以上。这些气体增加的量捕获热量的能力是21世纪气候变化担忧的驱动因素[参见Stephen H. Schneider的“变化的气候”；《大众科学》，1989年9月]。
冰芯显示，全球温度持续自然变化的速率通常约为每千年1摄氏度。这些变化仍然足够显著，以至于彻底改变了物种的栖息地，并可能导致猛犸象和剑齿虎等有魅力的巨型动物群的灭绝。但是，来自冰芯的最非凡的故事不是过去1万年间气候的相对稳定性。看来，在上一个冰河时代2万年前的鼎盛时期，空气中的二氧化碳比我们所处的全新世时期少了50%，甲烷含量也不到一半。这一发现表明，二氧化碳、甲烷和气候变化之间存在正反馈。
支持这种不稳定的反馈系统观点的理由如下。当世界更冷时，温室气体的浓度较低，因此捕获的热量较少。随着地球变暖，二氧化碳和甲烷的含量增加，加速了变暖。如果生命在这个故事中发挥了作用，那将是推动，而不是反对气候变化。人类成为这个循环的一部分后，他们似乎也帮助加速了变暖，这种可能性越来越大。自19世纪中期以来，由于工业化、土地利用变化和其他现象造成的温室气体排放，这种变暖尤其明显。不过，不确定性仍然存在。
然而，大多数科学家会同意，生命很可能是气候变化和温室气体之间正反馈的主要因素。20世纪末，全球平均地表温度迅速上升[参见对面页面的插图]。事实上，从20世纪80年代至今，是过去2000年中最温暖的时期。有记录以来最温暖的20年中，有19年发生在1980年之后，最温暖的12年都发生在1990年之后。有史以来最热的年份是1998年，2002年和2003年分别位居第二和第三位。我们有充分的理由相信，如果不是皮纳图博火山爆发，20世纪90年代会更加炎热：这座火山向高层大气中排放了足够的尘埃，阻挡了一些入射的阳光，导致全球降温了几十分之一度，持续了几年。
过去140年的变暖可能是自然发生的吗？越来越确定的是，答案是否定的。
右边的方框显示了一项引人注目的研究，该研究试图将北半球的温度记录向前推进整整1000年。弗吉尼亚大学的气候学家迈克尔·曼及其同事进行了一项复杂的统计分析，涉及约112个与温度相关的不同因素，包括树木年轮、山地冰川的范围、珊瑚礁的变化、太阳黑子活动和火山活动。
由此产生的温度记录是对如果可以使用基于温度计的测量方法可能会获得的温度的重建。（1860年之后的年份使用实际温度测量值。）如置信区间所示，在这1000年的温度重建中，每一年都存在相当大的不确定性。但总体趋势是明确的：在前900年中，温度逐渐下降，然后在20世纪急剧上升。这张图表表明，20世纪90年代不仅是本世纪最温暖的十年，也是整个过去一千年中最温暖的十年。
通过研究从太古代高二氧化碳、低氧气的大气层到大约5亿年前的伟大进化进步时代的过渡，我们清楚地看到，生命可能是气候稳定的一个因素。在另一个例子中——在冰河时代和间冰期循环中——生命似乎具有相反的功能：加速变化而不是减缓变化。这一观察结果使我们中的一位（施耐德）认为，气候和生命是共同进化的，而不是生命仅仅作为气候的负反馈。
如果我们人类将自己视为生命的一部分——也就是说，自然系统的一部分——那么可以说，我们对地球的集体影响意味着我们可能在地球的未来中发挥重要的共同进化作用。目前人口增长的趋势、对提高生活水平的需求以及利用技术和组织来实现这些以增长为导向的目标，都加剧了污染。当污染的代价很低，大气被当作免费的下水道时，二氧化碳、甲烷、氯氟烃、一氧化二氮、硫氧化物和其他有毒物质就会积聚起来。
前方剧变
在他们的报告《2001年气候变化》中，政府间气候变化专门委员会的气候专家估计，到2100年，世界将变暖1.4至5.8摄氏度。该范围的低端——每100年1.4摄氏度的变暖率——仍然比历史上全球范围内自然变化的平均速率每1000年1摄氏度快14倍。如果出现该范围的高端，那么我们可能会看到气候变化的速度比自然平均条件快近60倍，这可能会导致许多人认为危险的变化。以这种速度变化几乎肯定会迫使许多物种尝试迁移它们的栖息地，就像它们在1万到1.5万年前的冰河时代/间冰期过渡时期所做的那样。物种不仅要以快14到60倍的速度应对气候变化，而且很少有物种会像冰河时代末期和间冰期开始时那样拥有不受干扰的开放迁徙路线。这种显著变暖的负面影响——仅举几例，对健康、农业、沿海地理和遗产遗址的影响——也可能是严重的。
为了对未来的气候变化做出关键预测，以便了解地球上生态系统的命运，我们必须深入陆地、海洋和冰层，尽可能多地从地质、古气候和古生态记录中学习。这些记录为我们校准粗糙的仪器提供了背景，我们必须使用这些仪器来窥视阴影笼罩的环境未来，一个越来越受我们影响的未来。
作者 克劳德·J·阿莱格尔 和 斯蒂芬·H·施耐德 研究地球地质历史及其气候的各个方面。阿莱格尔是巴黎大学教授，并担任巴黎地球物理研究所地球化学系主任。他是美国国家科学院外籍院士。施耐德是斯坦福大学生物科学系教授，也是环境科学与政策中心联合主任。他于1992年荣获麦克阿瑟奖学金，并于2002年当选为美国国家科学院院士。