地球大歷史/柯智懷

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大型隕石撞擊

發現

• 地球形成早期，地球軌道上隕石的量比現在要多出許多。地球曾數次被直徑數百公里的巨大隕石撞擊。
• 大型隕石的撞擊可以融化地表，蒸發海洋，噴射地殼飛離地表。
• 相當基礎的原核生物這個時期已經發展出來了。

問題

• 在那之前發展出來的基礎生命與現在的生命有沒有直接關聯？
• 還是說那之前發展出來的生命已經遭遇了隕石浩劫而滅絕，現在的是另外一批重新發展出來的？
  • 如果有直接關聯的話，生命能不能活過這樣的浩劫？
  • 考慮三個基本問題：
    1. 哪裡可以成為生命的避難所？
    2. 生命能夠來到這個避難所嗎？
    3. 生命能躲在這個避難所裡直到災難過去嗎？

回答

1. 地表和地幔之間，有一個溫度低於蛋白質分解溫度50度的安全區，深達地下三千公尺，在那裏地幔的熱能不會造成太大的影響。當隕石撞擊時，熱能只能傳達一千公尺深，然後就停了下來。如果生物能來到兩三千公尺的地下深處，這裡就能成為生命的避難所。
2. 地質學家在從深兩三千公尺的礦坑帶回岩石、礦物樣本以後，在其中發現了生命的證據，許多種類在地表上未有發現，故生命可達如此深度的假設，有證據支持。
3. 生物學家對古鹽礦石中密封數百萬年的微生物進行培養實驗，發現供給營養一個月後，微生物復活並重新繁衍。像這樣的微生物可能得以躲藏在避難所中極長的時間，重回地表而存續下去。

雪球地球

發現

• 散落地球各地的「迷路石」是被冰河流動影響而出現在成份相異地表處的岩石。通常是從附近的山上掉下來的。
• 熔岩凝固後，熔岩內磁性分子的指向就永久固定。從永久固定的方向可以導出熔岩凝固時所在的緯度。
• 依據磁性分子指向分析的結果，在某些迷路石樣本中找到熔岩凝固時的緯度接近赤道的例子，因而導出地球曾一度到赤道附近都有冰河覆蓋的理論。

時間軸

第一次冰封期

約在23億年前發生，20億年前結束。

1. 在藍綠藻出現之前，甲烷桿菌使用海底熱泉輸出的營養成份產生甲烷，為當時地球的主要溫室氣體。
2. 藍綠藻出現後，行光合作用，產生大量氧氣，氧氣再進一步與甲烷反應，導致甲烷轉變為二氧化碳。

   CH₄+O₂→CO₂+2H₂O

3. 由於甲烷的溫室作用比二氧化碳強22倍以上，甲烷被二氧化碳取代以後，地球的氣溫就急遽下降，開始冰封。
4. 冰封時期火山還在繼續活動，而火山爆發釋出了大量的二氧化碳。
5. 因為海洋冰封了，所以原本應該像今天一樣溶入海水的二氧化碳只能堆積在空中。
6. 二氧化碳最終不斷堆積，約為今天的兩、三百倍，達到了過去甲烷能產生的溫室效果，使冰層融化，結束雪球地球。
7. 解除冰封後，綠藻等光合作用生物從熱泉返回全球海洋，使用空氣中大量的二氧化碳製造大量的氧氣，可形成胞器、粒線體，促成真核生物的出現。

第二次冰封期

約在7.5億年前發生，5.8億年前結束。

1. 岩石風化會消耗空氣中的二氧化碳，被冰層覆蓋的岩石不會被風化。

   CO₂+H₂O+CaCO₃→Ca(HCO₃)₂

2. 但羅迪尼亞超大陸收聚到赤道附近，幾乎沒有任何冰層覆蓋在大陸上，無法阻斷岩石的風化。
3. 消耗二氧化碳的速度超過了火山爆發補充的速度。長期累積導致地球再次冰封。
4. 因為海洋冰封了，所以原本應該像今天一樣溶入海水的二氧化碳只能堆積在空中；陸地也被冰封了，所以不會風化消耗二氧化碳。
5. 像前一次冰封期一樣結束。
6. 解除冰封後，大量的二氧化碳給予更多能讓光合作用生物產生氧氣的機會，大量的氧氣讓真核生物能夠巨大化，促成大型生物的產生，首先是艾迪卡拉生物群，然後是寒武紀大爆發。

泥盆紀大滅絕與動物登陸

發現

1. 第二次冰封期結束允許臭氧層形成後，地面不再受太陽輻射直接侵襲，植物開始登陸。其中古羊齒蕨於泥盆紀登陸，為最早的陸生樹木。
2. 受到板塊運動的影響，當時的古勞倫大陸、波羅地大陸與阿瓦隆尼亞三大陸塊逐漸合併形成超大陸，原本位於各大陸之間的巨神海不斷閉合，導致海洋生物的棲息地大幅減少，許多生物，特別是無法移動的珊瑚、海綿、海葵等，接二連三滅絕，剩餘生物之間的競爭也會變得激烈。
3. 泥盆紀末期，古生代具主導地位的海洋生物三葉蟲演化出許多棘刺等自衛形態，顯示海洋中的競爭確實愈發劇烈。

時間軸

1. 應隨競爭的劇化，巨型盾皮魚類出現，以弱勢、行動緩慢且體型細小的硬骨魚為食。泥盆紀初期，絕大多數的脊椎動物是盾皮魚綱，硬骨魚沒有空間演化。
2. 大陸碰撞帶動了造山運動，使高聳的加里東山脈產生。高山阻擋雲層的流通，在山壁上產生降雨匯集於山腳，產生了河流，在古羊齒蕨森林的伴隨下形成了河流生態系。
3. 無法在海洋的激烈競爭中生存的硬骨魚類移入淡水生態系。古羊齒蕨的落葉也為河流帶來了重要的養分。
4. 當時的河流類似今日雨林形態，會有乾季和雨季，因而有魚類演化出肺部，在河水含氧量極低的乾季時，可將口部伸出水中獲取氧氣。
5. 隨時間經過，河流生態系中也開始出現大型掠食者，某些小型魚類為了躲避這些掠食者，演化出前肢狀的魚鰭，可撥開古羊齒蕨的連枝落葉，在狹縫中躲避大型掠食者的攻擊。這就是元祖的兩棲類動物，棘螈。
6. 棘螈後代的四肢後來變得越來越適合用於在陸地上移動，脊椎動物逐漸進駐陸地。
7. 部分硬骨魚的肺演化為魚膘，允許其在水中懸浮，重回海洋後，淘汰了必須不停移動才不會下沉的盾皮魚。

二疊紀大滅絕、哺乳動物與爬蟲類的氣囊

時間軸

1. 二疊紀，盤古大陸形成，大量海洋板塊受到擠壓，沉入地下，融成岩漿，最後匯聚成一股1000公里長的熔岩柱噴發，地球溫度升高，深海封著甲烷的水合冰熔解，釋放大量溫室氣體，造成超級溫室效應。
2. 甲烷與空氣中的氧產生反應，氧含量大幅減少。
3. 為了適應低氧的環境，原生哺乳類動物肋骨後退，演化出橫隔膜、更大的肺部、胎生與哺乳，與爬蟲類分化。
4. 爬蟲類則演化出氣囊，大大提高呼吸效率，促成爬蟲動物的巨大化、恐龍的出現，並為未來鳥類的飛行能力打下基礎。

盤古大陸的分離、靈長類與眼部進化

時間軸

1. 恐龍受隕石撞擊而滅絕後，原本四處躲藏的小型哺乳類出現發展空間，恐龍的後代恐冠鳥等巨鳥在各大陸稱霸，成為陸地上最兇猛的掠食者。
2. 亞洲與歐洲隔著海，與美洲隔著冰橋，阻隔其他大陸上的巨型鳥類，使哺乳動物有演化為掠食者的空間。
3. 五千五百萬年前，地殼運動造成氣溫上升，亞洲和美洲之間的冰橋環境變得不那麼惡劣，使肉食哺乳類移入其他大陸，許多巨鳥物種受獵食滅絕。
4. 全球暖化也使適應寒冷的針葉林大量消失。闊葉林變高，樹冠出現，靈長類不用冒著被捕食的危險下到地面，得以大量繁衍並演化。靈長類的雙眼由兩側移向前方，產生立體視覺，得以準確測量樹枝間的距離，有助於在樹間跳躍遷移。
5. 三千三百萬年前南極和澳洲分離，改變世界洋流，南極開始冰封。氣溫降低、海平面下降，闊葉林退到赤道附近，激化生物間的競爭。靈長類演化出眼窩壁和中央窩，產生焦點視覺，使其能夠比同類花費更少的時間覓食，有利於在氣溫低、食物來源減少的時期生存。
6. 演化出焦點視覺後，靈長目演化出強壯的臉部肌肉，能做出更豐富的表情，使靈長類有社會化和複雜分工的能力。
7. 靈長類也在樹上演化出彩色視覺以辨認果實。

靈長類適應草原生活

1. 七百萬年前，印度次大陸碰撞歐亞板塊，喜馬拉雅山脈隆起，大幅改變地球氣候。
2. 非洲的低緯度森林與雨林消失，被草原和沙漠取代。
3. 樹木消失後，靈長類演化為雙腳站立，並逐步直立，以在廣闊的草原上得到更多的食物。
4. 早期人類有食用掠食者所獵動物剩肉的匠人，以及

主題解說

自左向右，第一排，石油的成分苯(C₆H₆)，甲烷(CH₄)，丁烷(C₄H₁₀)，乙烷(C₆H₆)，乙烯(C₂H₄)；第二排，另外兩種石油成分丙烷(C₃H₈)和乙炔(C₂H₂)，別名雙氧水的過氧化氫(H₂O₂)，以及具有共振結構而無法以分子模型表現的臭氧(O₃)

過氧化氫的生成

水分子先遭紫外線電解，然後單獨的氧原子與其他水分子結合，生成過氧化氫。

1. 一莫耳是6.02214129*10²³顆分子。
2. 電解一莫耳的水分子需要285.8千焦耳的能量。

   H₂O+E→H₂+O

3. 結合氧原子與水分子以生成一莫耳的過氧化氫分子需要98.2千焦耳的能量。

   H₂O+O+E→H₂O₂

4. 生成一莫耳的過氧化氫分子所需的總能量是384千焦耳。

   285.8+98.2=384.0

5. 使用普朗克公式「能量=普朗克常數/頻率」計算能達到所需能量的最小電磁波頻率，得到9.6233*10⁸兆赫，即9.6233*10¹⁴赫茲
6. 得出能達到所需能量的電磁波最小頻率值屬於紫外線，包含8*10¹⁴赫茲到3*10¹⁶赫茲之間的頻段。

臭氧的生成

氧分子遭紫外線分解，產生自由的氧原子，和其他的氧分子結合，產生臭氧。

O₂+E→O+O

O₂+O+E→O₃

石油的生成

（維基百科）

大多數地質學家認為石油像煤和天然氣一樣，是古代有機物通過漫長的壓縮和加熱後逐漸形成的。按照這個理論石油是由史前的海洋動物和藻類屍體變化形成的。（陸上的植物則一般形成煤。）經過漫長的地質年代這些有機物與淤泥混合，被埋在厚厚的沉積岩下。在地下的高溫和高壓下它們逐漸轉化，首先形成臘狀的油頁岩，後來退化成液態和氣態的碳氫化合物。由於這些碳氫化合物比附近的岩石輕，它們向上滲透到附近的岩層中，直到滲透到上面緊密無法滲透的、本身則中空的岩層中。這樣聚集到一起的石油形成油田。通過鑽井和泵取人們可以從油田中獲得石油。

地質學家將石油形成的溫度範圍稱為「油窗」。溫度太低石油無法形成，溫度太高則會形成天然氣。雖然石油形成的深度在世界各地不同，但是「典型」的深度為四至六千米。由於石油形成後還會滲透到其它岩層中去，因此實際的油田可能要淺得多。因此形成油田需要三個條件：豐富的源岩，滲透通道和一個可以聚集石油的岩層構造。

古代水陸分佈

6億年前，潘諾西亞大陸與泛非洋

5.6億年前，阿瓦隆尼亞、巴爾提卡和西伯利亞大陸從潘諾西亞大陸分裂

5.4億年前，巨神海在三個陸塊間擴張

5億年前，潘諾西亞大陸開始向東南漂移；地質學家從此開始稱潘諾西亞大陸為岡瓦那大陸

4.7億年前，阿瓦隆尼亞、巴爾提卡和西伯利亞大陸達到分裂的極點

4.5億年前，阿瓦隆尼亞、巴爾提卡和西伯利亞大陸開始重新合併，巨神海收縮

4.3億年前，巨神海消失，勞倫西亞大陸形成，勞倫西亞與岡瓦那大陸之間的泛非洋殘餘成為古忒提斯洋

4億年前，岡瓦那大陸重新向西北漂移，往勞倫西亞大陸的方向移動

3.4億年前，勞倫西亞與岡瓦那大陸相接，盤古大陸的雛形出現

3億年前，盤古大陸初步成形，但西伯利亞大陸仍在向外漂移

2.8億年前，西伯利亞大陸開始向內漂移

2.6億年前，西伯利亞大陸與原勞倫西亞大陸合併，形成盤古大陸

2.2億年前，盤古大陸達到合併的極點

2億年前，盤古大陸開始重新分裂，首先是作為歐亞大陸雛形的原西伯利亞大陸

1.5億年前，剩餘的盤古大陸一分為三，北美大陸、南美—非洲大陸以及印度—澳洲—南極大陸

1.2億年前，印度、澳洲與南極洲分裂

1億年前，南美洲與非洲分裂

3千500萬年前，印度次大陸碰撞歐亞大陸，促成喜瑪拉雅造山運動

現在的世界地圖