1、月球的形成

在我之前的回答里植物在进化史上是如何登陆的？，我已经详尽的描述了月球对植物登陆的作用。潮汐推送藻类留在沙滩上，经过长期的作用以及自然选择，终于产生 ANR 基因突变的个体活了下来。从此以后全球生态位都被占满，这极大地加快了生物进化速度，也就有了恐龙、鸟类和之后的哺乳类。也为我们的祖先肉鳍鱼在泥盆纪登陆创造了条件。

月球的存在加快了水生生物登陆的速度，如果只有太阳，潮汐并不会像现在这样壮观而激烈。植物登陆的速度一定会慢非常多。而人类出现的进程也将会被拖慢。

现在广泛被接受的月球形成假说叫做大碰撞说。它被广泛接受的原因也是因为智人登陆了月球并且带回来月尘，对月尘的分析表明月球表面曾经融化，月球和陆地岩石的稳定同位素比率是相同的——这暗示着一个共同的起源。一些天文现象也支持这种假说，比如地月自转方向相同，在其他恒星系统中也有类似碰撞的证据，并形成了碎片盘。

在 46 亿年前，地球出现了，初生的地球并没有现在这样大，只有当前体积 60%—90%左右。而且初生的地球比较暴躁，时刻都在喷火。

过了大概一亿年的时间^[1]，有一颗现在被命名为 Theia（被翻译为忒伊亚、提亚和泰娅）的行星撞击了地球，她的体积跟火星一般大。当地球几乎完全形成时，泰娅被认为以倾斜的角度撞击地球。计算机模拟表明，撞击角约为 45°，初始撞击速度低于 4 km / s。但是，月球岩石中的氧同位素丰度表明，泰娅和地球“剧烈混合”，表明撞击角度很陡。泰娅的铁芯会沉入年轻的地球核心，并且泰娅的大部分地幔会积聚到地球的地幔中。来自泰娅和地球的地幔物质中有很大一部分会被喷射到地球周围的轨道中（如果以轨道速度和逃逸速度之间的速度射出）或进入太阳周围的单个轨道（如果以更高的速度射出） 。地球周围轨道上的物质迅速聚集成月球（可能在不到一个月的时间内，但在不超过一个世纪的时间内）。根据对此类事件的计算机模拟进行的估算表明，泰娅原始质量的约 20％最终将成为绕地球旋转的碎片环，而大约一半的物质会聚集成月球。通过这种碰撞，地球将获得大量的角动量和质量。

这个过程像这个样子

2004 年普林斯顿的数学家和天文学家合作写了一篇标题简单而粗暴的报告^[2]，Where Did the Moon Come From?提出了一种看法，泰娅在地球拉格朗日点的时候是十分稳定的，随着泰娅质量的增长，脱离轨道撞击地球。

而 2019 年明斯特大学的研究^[3]发现地球核心的钼同位素源于太阳系外部，它们可能将水带入地球，由此他们认为泰娅可能是太阳系之外来的。虽然我觉得这个想法真是脑洞大开，但是这个研究发表在 Nature Astronomy 上，可能代表了学术界的认同。

不论怎样，这种撞击加大了地球的质量，而根据万有引力定律，地球对水分和空气的吸附能力增强。这开始为生命的发生搭建合适的环境。后来海洋生物在潮汐的作用下不断抢滩登陆，这种自然选择终于选择出了适合在陆地生活的植物，陆地这块超大空间也终于有了用武之地。

这个假说太美了，对于研究生物进化的人来说，简直是完美到不可思议。不仅解释了地球对水和空气的吸附，更为后来的植物登陆提供了条件。但是这个假说依旧存在这一些不能解释的地方，例如金星经过类似撞击并没有行成月亮这种卫星。

2、水的起源

读完高中生物可能很多人会相互打趣你喝的水可能之前是动物的尿液。或者再哲学一点可以表述为，你这具躯体不过是大自然借给你的，死后会再次进入物质循环。虽然现在的火葬习俗改变了某些物质的循环，但水和二氧化碳依然会重新进入大自然。

非常遗憾的是，我们依然没有搞清楚地球上水的来源，在这个回答里陨石中首次发现核糖，对地球生命来自外太空的起源论有什么意义？我稍微提及了一下。

我个人比较偏向于认同地球水起源于地球内部。

对锆石的一项研究发现，液态水早在地球形成后不久，距今 44.04±0.08 亿年前便已经存在^[4]

澳大利亚地球科学家 Ted Ringwood 发现了以他名字命名的尖晶橄榄石，这种矿物质的 1.5%是由水分子构成的。

2018 年发表在 science 上的最新分析^[5]显示，410 千米至 660 千米深处的地幔转换带富含液态水，660 千米至 800 千米深处的下地幔上层可能也是如此。这是迄今在地球最深处发现的水，也是首次发现地幔转换带含水的直接证据。

发现于夏威夷海底的枕形玄武岩表明地球 38 亿年之前已经存在海洋。虽然科学界各种假说之间存在根本性的矛盾。甚至有一种假说恰巧跟我提到的第一点相违背，这种假说认为月球并不是由地球形成的，而水的形成是由于月球撞击地球。

不过各种地质证据表明水极大可能是由火山喷发带到地球表面的。

火山喷出的气体包含有大量的水蒸气，剧烈的火山喷发能够将岩石内部的水分带到地球表面，同时形成酸雨。所以在讨论恐龙灭绝时外星撞击说和火山喷发说争论不休。我个人是支持后者的，并且同时倾向于是陆地植被的进化导致恐龙缺少食物而灭绝。

水的出现为生命的发生进一步创造了条件，液态水所形成的海洋为原始生物提供了更加稳定的环境，海洋并不像陆地那样频繁发生地质变化，也隔离了太阳风带来的带电粒子和各种宇宙射线。对有机分子形成起到了重要的作用，也为后来的生物进化提供了必不可少的自然物质。最近的研究表明人类的 DNA 可以追溯到海底嗜热菌。

3、地磁场的形成

地磁场能够使大部分太阳风偏转方向。没有了地磁场，太阳风中的带电粒子就会剥去阻挡紫外线的臭氧层，生物体也就会受到紫外线的侵害。火星大气层所剩无几，就是因为火星没有磁场。

鸽子、候鸟以及海龟等长途迁徙的动物都是依靠地磁场来确定路线的，人类也凭借地磁场辨别方向。但是地磁场最重要的作用是为生命的发生搭建来最重要的防线——大气层。同时还可以阻挡宇宙射线。

人们认为，地球磁场是由铁芯中导电铁合金的电流产生的，而电流是由于铁芯散逸的热量而产生的对流引起的^[6]。就像上文中提及的泰娅的铁芯融入地球一样，地球的铁芯是一个半径约 3400 公里（地球半径为 6370 公里）的铁合金区域。它分为半径为 1220 km 的实心内芯和液态外芯。5730℃的液体的外芯通过热流从内芯运动到核幔边界，这里的温度大概是 3530°C。

1980 年 McElhinny 发表的研究报告中^[7]，对澳大利亚的红色辉晶岩和枕形玄武岩进行了古地磁研究。发现 35 亿年前就存在地磁场。

地磁场为大气层的形成起到了关键作用，地球质量增大加大了对空气的附着能力，地磁场的形成对抗太阳风中的带电粒子和宇宙射线，保护了大气层，主要是保住了臭氧层。为生命的遗传稳定构建了更好的自然环境。

而生命发生的四大要素（阳光、水、空气、地磁场）之首的太阳则一直稳稳地位于太阳系中心为地球提供源源不断的能量。等到地磁场出现，保住了地球的大气层，地球终于有了生命发生的稳定环境。

在这四大要素的共同作用下，地球成为太阳系甚至宇宙中最独特的那颗蓝星，并开启了波澜壮阔的生物地质演化^[8]。

4、氧气的地质演化

阶段 1 (3.85–2.45 Ga)： 实际上大气中没有氧气. 大洋仍为缺氧的，可能在浅海的存在氧气

阶段 2 (2.45–1.85 Ga)：氧气被产生，且增加到 0.02 至 0.04 atm， 但被海洋与海床岩石吸收

阶段 3 (1.85–0.85 Ga)：氧气增加到饱和了海洋耗氧，但被陆地表面吸收，氧气含量没有明显变化

阶段 4 与 5 (0.85–现今)：氧气在大气层中累积

本文讲述的前三个过程是非常宏观的生命演化地质条件，而氧气也是生命赖以生存的重要气体。它的地质历史也是一个谜团，我们知道氧气是非常活泼的，非常容易参与各种化学反应，而现在的空气中大概含有 21%的氧气，他们大量聚集的原因也困扰着科学界。

首先介绍阶段 2，现在我们一般认为氧气是在 23 亿年前的“大氧化事件”期间首次出现在地球大气中的，那时光合作用细菌开始向大气释放氧气。游离氧与溶解在海洋中的铁反应，并以氧化铁的形式沉降到海床。沉积记录中的生锈红色条带可以佐证该想法。

根据 2000 年马里兰大学的 Farquhar 发表在 science 上对硫同位素的研究^[9]指出，大约 24.5 亿年前，硫的同位素比例发生了变化。

在气相蒸馏反应中，硫被氧化时会形成硫酸盐，与包含 S34 或 S32 的反应产物相比，包含 S33 同位素的反应产物异常多。这与我们现代的比例不一样。

Farquhar 在 24.5 亿年的地球岩石中看到了这种同位素变化。并且计算出当时大气中氧气含量大概是 10ppm。

宾夕法尼亚大学的地球化学家迪克·霍兰德^[10]（Dick Holland）认为氧气在大约 27 亿到 28 亿年前被生产出来。在大约 24.5 亿年前被稳定分布在大气中。在产氧生物的出现与大气中实际的氧合作用之间似乎存在明显的时间间隔。

产生氧气的原因可能是蓝细菌（一度被归类为藻类，曾经被广泛称为蓝绿藻或者蓝藻）接管了地球，并在光合作用中以废物的形式排出氧气。

蓝细菌的出现直接改变了当时的生态环境，大多数厌氧生物的生存空间被挤压，因而绝大多数灭绝。同时可能由于蓝细菌光合作用产生的游离氧气使得大气层中的甲烷消失，从而引发了冰河期——休伦冰河期，这是地球上最长的冰河期。

而地质发现的铁锈沉积带的能够侧面证明在大氧化事件之前就存在氧气或者能够进行光合作用的原核生物。

所以地球上游离氧气的产生可能是一个光合生物逆袭的故事，在 35 亿年前，部分原核生物已经可以进行光合作用，此时产生的游离氧气被海水中的铁吸收掉同时形成了沉积带，于是它们的生存空间被挤压，地球上经历了大概几亿年缺乏游离氧气的时代，这种猜想对应的是阶段 1。

后来经过进化产生了超强物种蓝细菌，繁殖速度快而且生存能力强，直到今天我们依然能够看到他们。他们就慢慢占据了生态优势，疯狂繁殖发育并且进行光合作用释放游离氧气，使得之前的大多数生物都灭绝了。

2009 年发表在 nature 上的一篇研究^[11]显示，原始海洋中镍的含量是当今水域中镍的 400 倍。被称为产甲烷菌的微生物喜欢富含镍的水，它们将甲烷释放到大气中。甲烷可防止氧气聚集。

测试岩石的科学家发现，大约在 27 至 24 亿年前，海洋溶解的镍下降了。这对应于大氧化事件。镍的缺乏可能会杀死产甲烷菌，并留给藻类和其他在光合作用过程中释放氧气的生命形式。

而这个过程跨越了阶段 3，也就是 18 亿年前 -8 亿年前，这个过程被称为 boring billion，被翻译为无聊的十亿年，地球枯燥时代，地球中世纪以及贫瘠十亿年等各种中文形式。在这个时期氧气含量比较低而且非常稳定，科学家认为此时部分蓝细菌利用硫化氢进行化学作用产生硫来维持生命，而不是利用水来产生氧气。这就导致了这十亿年进化速度非常慢。

前文提及到光合蓝细菌的爆发吸收了温室气体导致来休伦冰河，这可能是导致无聊十亿年的原因，而无聊十亿年中植物（红藻）进化出细胞器和有性生殖，这可能为寒武纪物种大爆发提供了物质基础。之后就进入了阶段 4，直到今天。

回头来看，蓝细菌在长期竞争中胜过了产生其他气体的菌类，并为现在的氧气环境构建了物质基础，之后蓝细菌进化成植物的叶绿体，这些高效率的产氧植物为智人的产生奠定了基础。现在适合智人生存的气体环境还是非常苛刻的，只有夏尔巴人能够在低氧环境下生存。

更新好累，最后来一张自然进度条吧，包括了宇宙进度条，地球进度条与人类进度条。

目前的古地质和古生物研究还属于非常新兴的学科，毕竟生物学也是 21 世纪的学科嘛。想要完整展示空间历史和地球历史是非常困难的，还是要等更多的地质证据和化石证据来说明。因为现代科学更偏向于认同生态系统演化这个概念，物种灭绝是因为当时物质环境下稳定的生态系统由于某种微小条件的改变而引发蝴蝶效应从而使得绝大多数物种无法继续生存下去。而拼凑出古生态系统的完整图案是一件非常困难的事情。