摘自《生命的新历史：关于地球生命起源和演化的激进新发现》，作者：彼得·沃德和乔·基尔什温克。版权所有 © 2015，彼得·沃德和乔·基尔什温克。经 Bloomsbury Press 许可转载。
也许这是对陆地生物的沙文主义，又或许宇宙中只有像我们这样的生命才有可能存在。但是，对系外行星的探索，其核心目标是找到其他的“地球”。问题就变成了，如何定义一颗真正的类地行星。我们都对我们现在的星球有一个概念：被海洋主导，一个绿色和蓝色的地方，以及我们的家园。但是，当我们回溯过去和展望未来时，我们发现地球过去和将来都会与我们现在称之为家园的星球非常不同。“类地”实际上是一个时间和“地点”的定义。
在天文学和天体生物学中，目前存在着各种不同的定义，这两个领域最关注的是如何定义我们居住的行星。最宽泛地说，一颗类地行星具有岩石表面和高密度核心。最严格地说，它应该具有“我们所知的生命”的重要必需品，包括适中的温度和一个允许液态水在表面形成的的大气层。“类地行星”通常用来表示类似于现代地球的行星，但我们知道，自形成以来的45.67亿年中，地球发生了巨大的变化。在地球历史的某些时期，我们自己的类地行星根本无法支持生命，而在其历史的一半以上的时间里，诸如动物和高等植物等复杂生命是不可能存在的。地球几乎在其整个历史中都是潮湿的。在形成月球的事件发生后的1亿年内，一个火星大小的原行星撞击到一个仍在吸积的地球大小的星体，就有了液态水。是巧合吗？或者仅仅是由于携带大量水的水彗星撞击地球表面，形成了来自外星的洪水？
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证据是在放射性定年为44亿年前的矿物锆石的微小沙粒中发现的。它们具有海水通过板块构造式俯冲过程被吸入地幔的同位素指纹。即使我们的太阳在早期地球历史中能量远不及现在，大气中也有足够的温室气体来保持我们星球的温暖。但比太阳热量更重要的是，早期地球上的火山活动可能比现在活跃十倍——因此，大量的热量从地球涌出，温暖着海洋和陆地。一些天体生物学家现在认为，地球上的生命可能直到行星热量冷却到远低于地球历史最初十亿年的水平时才开始，这是认为地球生命可能起源于另一颗行星（例如火星）的众多原因之一。但是，在我们的太阳系早期历史中，还有另一颗类地行星：金星。
在早期，金星本应处于太阳的宜居带，尽管由于失控的温室效应，它现在的表面温度接近900°F（500°C），这无疑使其表面变得不适宜居住（尽管有些人认为其大气中可能存在微生物生命，但我们认为这种可能性很小）。相比之下，火星的地质记录清楚地表明它曾经有流动的水，甚至有可以磨圆卵石并形成冲积扇的大河和小溪。现在，水已经消失、冻结或只是在其近真空大气中微弱的蒸汽。据推测，其较低的质量阻碍了地壳循环所必需的板块构造过程，这降低了其金属核心中的热梯度，而这些热梯度是产生保护大气层的磁场所需的，并且距离太阳更远使其更容易滑入永久的“雪球地球”状态。如果火星上曾经存在生命，它可能仍然存在于地下，由放射性衰变的轻微地球化学能量驱动。
在大约46亿年前（从现在开始，GA 指的是十亿年前）之前，原始地球是由各种大小的“星子”形成的，这些星子是在黄道平面（所有行星都在其中运行的扁平空间区域）中凝聚的岩石和冻结气体的小天体。在45.67 GA（日期非常精确，并且数字容易记住）时，一个火星大小的物体似乎撞击了这个天体，导致行星的镍铁核融合，并且月球从之后短暂存在的一个硅蒸汽“大气层”中凝聚而成。在其存在的最初数亿年中，大量陨石不断地猛烈撞击这颗新行星。
地球形成表面的熔岩状温度和这次猛烈撞击阶段中涌入陨石释放的能量无疑会造成不适宜生命生存的条件。在大约44亿年前，由这些巨大的彗星和小行星持续不断地撞击所产生的能量本身，就足以使地球表面区域的温度足以融化所有地表岩石，并使其保持熔融状态。地表上不可能形成液态水。
新行星在最初的凝聚后不久就开始迅速变化。大约在45.6亿年前，地球开始分层。最内部区域，一个主要由铁和镍组成的核，被一个密度较低的区域（称为地幔）包围。一个薄薄的、迅速硬化的、密度更小的岩石地壳在地幔之上形成，而浓厚的蒸汽和二氧化碳翻腾的大气层充满了天空。尽管地表没有水，但大量的水会被锁在地球内部，并且会以蒸汽的形式存在于大气中。随着较轻的元素向上冒泡，较重的元素下沉，水和其他挥发性化合物从地球内部排出并添加到大气中。
早期的太阳系是一个拥有新行星和大量未被纳入行星形成的垃圾的地方，它们都围绕太阳运行。但是，并非所有这些轨道都是当今行星所显示的稳定、低偏心率的椭圆。其中许多是高度倾斜的，并且更多的是在轨道行星和太阳之间交叉。因此，所有太阳系的“房地产”都遭受了宇宙的猛烈撞击，尤其是在42到38 GA之间。其中一些天体（尤其是彗星）可能为行星的水含量做出了贡献，但这仍然是一个激烈争论的主题。我们根本不知道早期的地球通过宇宙撞击获得了多少水。最近的发现表明，从月球返回的样本中存在的微量水与地球上的大量水相匹配，这表明我们的大部分水圈和大气都溶解在火星大小的原行星 Thaea 巨大撞击后形成的全球岩浆海洋中。
但是，那时存在的任何生命肯定都会付出代价。美国宇航局的科学家已经完成了对此类撞击事件的数学模型。一个直径500公里的物体与地球的碰撞导致了一场几乎无法想象的灾难。地球岩石表面的巨大区域将被汽化，形成一片温度达数千度的过热“岩石气体”或蒸汽云。正是这种大气中的蒸汽导致整个海洋蒸发成蒸汽，沸腾成在海底留下熔融盐的浮渣。通过向太空辐射进行冷却将会发生，但新的海洋至少会在事件发生后数千年才会降落。如此大的、德克萨斯州大小的小行星或彗星可能会蒸发一万英尺深的海洋，在此过程中使地球表面变得不适宜居住。
大约在38亿年前，即使最严重的陨石撞击已经过去，这些剧烈碰撞的频率仍然比最近时期要高得多。白天的长度也不同，不到十个小时，因为地球的自转速度更快。太阳看起来会暗淡得多，可能是一个热量很少的红色球体，因为它不仅燃烧的能量比今天少得多，而且还必须穿过一个有毒、翻腾的大气层，该大气层由滚滚的二氧化碳、硫化氢、蒸汽和甲烷组成——而且不存在大气或海洋氧气。天空本身可能是橙色到砖红色的，而肯定覆盖了地球几乎所有表面的海洋，颜色会是泥泞的棕色。但它是一处拥有气体、液态水以及拥有无数矿物质、岩石和环境（包括现在被认为对生命进化的两部分过程所必需的环境）的“房地产”：产生许多“部分”，然后将它们全部聚集在工厂车间。
必要的生命支持系统及其历史
地球生命起源最关键的先决条件之一是，大气中的气体必须具有足够的“还原性”，以允许形成地球生命的构件，即生命前分子。被称为氧化-还原的化学过程可以记住为“油-钻”。这说明了一个化合物是失去电子（OIL：氧化是失去）还是获得电子（RIG：还原是获得）。电子就像可以交换能量的货币：在氧化中，电子的损失为能量的获得买单。在还原中，电子的获得是银行里的钱——这笔钱是以能量的形式存在的。例如，石油和煤是“还原的”。也就是说，它们在银行里有很多能量，当我们燃烧这些燃料时，它们会被氧化并释放出来。换句话说，我们氧化它们，从而产生能量。
地球早期大气层的组成是一个有争议且被大量研究的话题。虽然氮的含量可能与今天相似，但有大量不同的证据表明几乎没有氧气可用。然而，二氧化碳的含量将比今天高得多，这种富含二氧化碳的大气将通过超级温室效应产生类似温室的条件，二氧化碳压力比今天高一万倍。
今天，我们的大气层由78%的氮气、21%的氧气和不到1%的二氧化碳和甲烷组成——这种组成似乎是比较新的。正如越来越明显的那样，我们的大气层可以相对迅速地改变其组成，尤其是在那个具有欺骗性的小1%中，其中包括二氧化碳和甲烷，这两种所谓的温室气体（以及水蒸气）的重要性远远超出其在大气中的丰度。
元素循环和全球温度
我们人体需要进行大量的复杂过程，以维持我们称之为生命的奇特状态。许多此类系统都涉及元素碳的运动。类似地，碳、氧和硫的运动是维持地球上适合生命生存环境的关键因素。其中，碳最为重要。
碳在固态、液态和气态之间进行活跃的循环。碳在海洋、大气和生命之间的转移被称为碳循环，这种运动对温室气体浓度变化引起的行星温度变化有着最为关键的影响。我们所说的碳循环实际上是由两个不同（但相互交叉）的循环组成的——短期碳循环和长期碳循环。短期碳循环主要由植物生命主导。光合作用过程中吸收二氧化碳，其中一些碳会被锁定为活的植物组织——这是一种还原化合物，因此富含可释放的能量。当植物死亡或叶子掉落时，这些碳会转移到土壤中，并可能在土壤微生物、其他植物或动物体内再次转化为其他碳化合物——其中还原碳化合物被氧化，为进行氧化的生物体提供能量。
与此同时，生物体还会将其他碳分子转化为还原状态，以便利用其能量。当它通过动物的食物链时，这种处于还原状态的碳可以被氧化，然后作为二氧化碳气体从动物或微生物中排出，从而使循环得以更新。然而，有时，仍然被锁定在植物或动物组织中的富含能量的还原碳可能会在没有被其他生物消耗的情况下被掩埋，成为地球地壳内大型有机碳储层的一部分。这样做，这些碳就不再是短期碳循环的一部分。
第二个，或长期的碳循环涉及非常不同类型的转化。最重要的是，长期循环涉及碳从岩石记录转移到海洋或大气中，然后再转移回来。这种转移的时间尺度通常以数百万年为单位。碳在岩石之间的转移可以引起地球大气层变化，其幅度大于短期碳循环所能达到的变化，因为岩石中锁定的碳比海洋、生物圈（所有生物体的总和）和大气中的总和还要多。这似乎令人惊讶，因为仅生物的数量就非常庞大。但耶鲁大学的鲍勃·伯纳计算得出，如果地球上所有植物突然被烧毁，所有碳分子都进入大气层，这种短期碳循环将使大气中的二氧化碳增加约 25%。相比之下，过去长期的变化导致二氧化碳的上下波动幅度超过 1000%。
地球碳循环的一个关键方面涉及碳酸钙或石灰石。这种常见的地球材料构成了大多数骨骼无脊椎动物的骨骼。它也存在于称为颗石藻的微小浮游植物中，其骨骼积累形成称为白垩的沉积岩。颗石藻的骨骼是地球宜居性的重要组成部分，因为它们有助于将长期温度控制在稳定水平。由于板块构造过程中被称为俯冲的过程，最终，一些白垩被板块构造传送带带到俯冲带，即地球地壳中的长凹陷，在那里，大洋地壳在这些凹陷处向下沉入地球内部。在深入地球数英里的地方，现在远低于海底表面，足够的热量和压力会导致钙质和硅质骨骼转化为新的矿物，例如硅酸盐，以及二氧化碳气体。这些矿物和热的二氧化碳气体随后会以富含气体的上升岩浆的形式返回到地球表面，在那里，矿物作为熔岩被挤出，气体被释放到大气中。
这就是碳循环的关键过程。二氧化碳转化为活的组织，最终腐烂并帮助形成其他种类的动植物的骨骼，这些骨骼最终在地球深处融合成熔岩和气体，然后又被带回到地表以更新循环。因此，长期碳循环对大气气体成分产生巨大影响，而大气气体成分本身在很大程度上控制着全球温度。由于沉积物埋藏和侵蚀以及化学风化是决定海洋中产生多少以及多快地产生碳酸盐和硅酸盐生物骨骼的关键组成部分，最终，进入俯冲带贪婪的吞噬深渊的矿物数量将决定通过火山泵入大气中的二氧化碳和甲烷的数量。因此，整个过程在很大程度上受到生命的控制，并最终使地球上能够存在生命。它不仅仅决定大气浓度，它还产生了一种可以称为行星恒温器的东西，因为该循环存在一个反馈方面，可以调节地球的长期温度。
恒温器的工作原理如下。假设从地球火山喷出的二氧化碳量增加，导致更多二氧化碳和甲烷进入大气层。许多这些分子进入高层大气后，会使从地球表面上升的热能（首先以阳光的形式到达那里）反射回地球。这就是温室效应。随着更多热能被困在大气中，整个行星的温度升高，在短期内导致更多液态水在大气中蒸发为水蒸气，而水蒸气本身也是一种温室气体。然而，这种变暖会产生有趣的后果。随着温度升高，化学风化的速率增加。这对于硅酸盐矿物的风化最为重要。正如我们所见，这种风化过程最终导致碳酸盐或其他新型硅酸盐矿物的形成，但风化过程本身会从大气中剥离二氧化碳。
随着风化速率的增加，越来越多的二氧化碳被从大气中抽出，形成其他对全球温度没有直接影响的化合物。随着大气中二氧化碳水平开始下降，全球温度也随之下降，这是因为大气中温室气体分子减少导致温室效应减弱。与此同时，随着气温降低，风化速率也会降低，并且由于可选择的碳酸氢根离子和硅离子减少，沉淀的骨骼也会减少。最终，这将导致较少的骨骼材料被俯冲，以及较少的火山二氧化碳。现在地球正在迅速降温。但与此同时，许多生态系统（如珊瑚礁或地表浮游生物区域）的规模会缩小，因此对大气二氧化碳的需求也会减少。在这种情况下，火山开始排放比生物体可利用的更多的二氧化碳，循环得以更新。
关键的风化速率不仅仅受温度影响。无论温度如何，山脉的快速隆起都会导致硅酸盐矿物侵蚀的加剧。因此，隆起的山脉会导致这些矿物更快地风化，并去除更多的大气二氧化碳。地球迅速降温。许多地质学家认为，大规模崎岖的喜马拉雅山脉的快速隆起导致大气中二氧化碳水平突然下降，从而导致（或至少促成了）最终产生大约 250 万年前开始的更新世冰河期的降温。
影响化学侵蚀速率的第三个因素是植物生命的种类和丰度。“高等”（多细胞）植物在引起岩石物质的物理侵蚀方面非常有效，从而为化学风化提供更大的表面积。植物丰度的突然增加——或者进化出一种新的具有更深根系的植物，例如在大多数树木中发现的——具有与短期内新山脉隆起相同的效果：风化速率增加，导致全球温度下降。相反的情况——通过大规模灭绝或人为造成的森林砍伐来移除植物——会导致大气迅速升温。
即使是大陆的移动也会影响全球的风化速率，从而影响全球气候。由于在较高温度下风化进行得更快，即使在非常寒冷的时期，如果大陆漂移将大块大陆从较高纬度移到赤道，世界也会变得更加寒冷。
化学风化在北极和南极地区非常缓慢，但在赤道地区却很高。将大陆移至赤道地区将对全球温度产生影响。大陆位置的另一个影响来自大陆的相对位置。如果用于构建骨骼的关键溶质和矿物质无法到达海洋，那么无论进行多少化学风化都无法改变全球温度。水可以做到这一点，但是，如果所有大陆都像 3 亿年前形成盘古大陆时那样合并在一起，那么超大陆内部的广阔区域将没有降雨和河流入海。虽然在这个巨大大陆的中心产生了无数吨的碳酸氢盐、溶解的钙和硅离子，但其中大部分从未到达世界海洋。
最终，随着降雨减少，即使在较高温度下，风化速率也会降低，反馈系统可能无法像大陆分离时那样良好地工作。大陆合并产生的较短的大陆海岸线长度会严重影响世界气候，因为许多以前受海洋影响和湿地地区将转变为远离海洋及其水域的地区。沙漠和北极都显示出较低的风化速率，因此通过降低风化矿物副产品吸收大气中二氧化碳的速率来帮助世界变暖。
显生宙二氧化碳和氧气曲线
除了温度之外，对地球生命历史影响最大的物理因素，或许就是那些赋予生命的二氧化碳（对植物而言）和氧气（对动物而言）的含量变化（表现为大气压强）。随着时间的推移，我们星球大气中二氧化碳和氧气的相对含量一直（并将继续）由广泛的物理和生物过程决定。大多数人会惊讶地发现，直到地质时间的相对近期，这两种气体的水平都经历了显著的波动。但为什么这两种气体的水平会发生变化呢？主要的决定因素是一系列化学反应，这些反应涉及地球地壳内外许多丰富的元素，包括碳、硫和铁。这些化学反应涉及氧化和还原。在每种情况下，游离氧（O2）都会与含有碳、硫或铁的分子结合，形成新的化合物，在这个过程中，氧气会从大气中移除并储存在新形成的化合物中。而通过其他涉及化合物还原的反应，氧气又会被释放回大气中。植物在光合作用过程中就发生了这种情况，它们通过一系列复杂的中间反应，将二氧化碳还原，并释放出游离氧作为副产品。
已经有许多专门的模型被开发出来，以推断过去氧气和二氧化碳的含量随时间的变化，其中被称为 GEOCARB 的方程组是最古老也是最精密的。这个模型由耶鲁大学的罗伯特·伯纳设计，用于计算碳的含量。除了 GEOCARB 之外，伯纳和他的学生还开发了独立的模型来计算氧气含量。这些模型共同展示了氧气和二氧化碳随时间变化的主要趋势。这项工作代表了科学方法的一大胜利。随着时间推移，氧气和二氧化碳的上升和下降的重要性，确实是关于地球生命历史的最新也是最根本的理解之一。
一些人认为，在大约 40 亿年前，地球上的条件和物质已经适合生命的形成。但一个行星适宜居住并不意味着它一定会存在生命。从无生命到生命形成的这一过程，也就是下一章的主题，似乎是历史上最复杂的化学实验。虽然天体生物学家似乎不断提及在地球上启动生命是多么“容易”，但更细致的观察却表明绝非如此。
几乎比任何其他方面都更明显的是，地球大气中各种成分的相互作用和浓度，不仅决定了地球上存在哪种生命（或是否存在任何生命），也决定了生命的历史。在理解地球生命的进程时，越来越多人接受氧气和二氧化碳水平的主导作用，这在许多方面都是 21 世纪在解读地球历史方面的一项创新。我们还了解到，另外两种重要的气体在生命的故事中也发挥了主导作用，并在接下来的篇幅中会提到：硫化氢 (H2S) 和甲烷 (CH4)。它们的故事也写在岩石、生命和死亡之中。