2.地球大氣層的變化

隨著地球的演化，大氣層的成分與溫度逐步變化到適合生命產(chǎn)生的條件；反過來，生命的存在也使大氣層發(fā)生了一定的變化。

地球演化的最重要的方面之一是大氣的形成，因為正是這種氣體的集合物使得生物能從海洋中緩慢地移動出去，并能繼續(xù)生存下去。從20世紀(jì)50年代以來，研究人員就提出假說，認為地球大氣是由來自地球內(nèi)部的氣體所形成的，當(dāng)火山噴出氣體時，就是地球的所謂連續(xù)脫氣的例子。但科學(xué)家們對這種脫氣過程是在距今約44億年時突然發(fā)生（那時地核剛分異出來），還是隨時間而逐漸發(fā)生的問題尚存疑問。

為了弄清楚這個問題，還是采用測定同位素的方法（大氣中稀有氣體和火山熔巖中小氣泡中的稀有氣體氬、氙的同位素），其計算結(jié)果表明：80%到85%的大氣都是在最初的100萬年期間脫氣產(chǎn)生的，其余的大氣是在以后的44億年期間內(nèi)緩慢而不斷地釋放出的。

原始大氣成分中最肯定具有優(yōu)勢的是二氧化碳，氮是另一個最豐富的氣體，還含有微量的甲烷、氨、二氧化硫和鹽酸，但沒有氧。除了含有豐富的水外，原始大氣類似于金星或火星的大氣。這種大氣含有相當(dāng)多的像氨和甲烷之類的氣體，足以產(chǎn)生有機物質(zhì)。

隨著地球的演化，大氣中的成分發(fā)生很大的變化，即二氧化碳比例的下降。二氧化碳從大氣中轉(zhuǎn)移到地表的巖石中。地球的二氧化碳目前埋藏在像石灰?guī)r之類的碳酸鹽巖石中，盡管目前并不清楚二氧化碳是何時被轉(zhuǎn)移到巖石中的。今天的碳酸鈣主要是在生物活動期間形成的，在太古代時期，碳可能主要是在無機反應(yīng)過程中被轉(zhuǎn)移的。

地球的快速脫氣從地幔中釋放出大量的水，形成海洋和水文循環(huán)，那時很可能存在于大氣中的各種酸侵蝕巖石，從而形成富含碳酸鹽的巖石。然而，這一機制的相對重要性是有爭論的。亨里奇·郝蘭德認為在太古代時期大氣中的二氧化碳量很快減少并停留在低水平上。查明早期大氣中的二氧化碳含量對理解控制氣候的機制是至為關(guān)鍵的，兩個有時是相互爭論的陣營提出了有關(guān)這一作用是如何進行的觀點，第一個陣營認為全球溫度和二氧化碳是受若干無機地球化學(xué)反饋作用所控制的，而另一個則斷言它們受生物排除作用的控制。

詹姆斯·沃爾克、詹姆斯·卡斯廷和保羅·漢斯于1981年提出了無機模式，他們認為在太古代開始時二氧化碳的含量是高的并且也未急劇下降。這—三人小組提出：隨著氣候的變暖（在太古時代大氣中由于有二氧化碳也有溫室效應(yīng)，使氣溫升高），更多的水會蒸發(fā)，水文循環(huán)將變得越來越強有力，從而增大降水和徑流；大氣中的二氧化碳同雨水混合形成碳酸徑流，從而使地表的礦物受到風(fēng)化作用；硅酸鹽礦物同大氣中的碳相結(jié)合，就將碳結(jié)合在沉積巖中。大氣中二氧化碳較少又意味著溫室效應(yīng)較小，這種無機負反饋過程抵消了太陽能量的增加。

第二陣營提出了第二種模式——生物排除模式。一位創(chuàng)始人詹姆斯·拉夫洛克提出的一種理論認為像浮游生物之類的光合微生物在富二氧化碳環(huán)境中有著很高的繁殖力，它們將二氧化碳轉(zhuǎn)變成碳酸鈣沉積物從而緩慢地將其從空氣和海洋中排除出去。當(dāng)時，有一種叫“蓋亞”假說：地球上的生命有著調(diào)節(jié)溫度和地表成分的能力，從而能使之適合于生物的生存。在更近的時候，泰勒·沃爾克和大衛(wèi)·施沃茨曼提出另一種蓋亞式的解決辦法。他們指出細菌通過分解有機物質(zhì)和產(chǎn)生腐殖酸能增加土壤中的二氧化碳含量，這兩種活動都能加速風(fēng)化作用，從而將二氧化碳從大氣中排除出去。

碳的問題對生物如何影響大氣的情節(jié)仍然有著決定性的意義，對于形成大氣氧富集（某些生命形態(tài)發(fā)育的前提之一）這一至關(guān)重要的作用來說，碳的埋藏是一個關(guān)鍵。此外，由于人類排放氧化碳，全球變暖作用目前可能正在發(fā)生。在1～2億年期間內(nèi)，海洋中的藻類產(chǎn)生出了氧，但是由于氧是高度活性的氣體以及古代海洋中有許多還原礦物（例如很易被氧化的鐵），因此由活生物產(chǎn)生的大部分氧在其可能到達大氣圈之前就已被消耗完了，何況在大氣圈中它還可能遇到能與之起反應(yīng)的一些氣體。

即使一些進化過程在無氧氣時代產(chǎn)生出更復(fù)雜的生命形態(tài)，它們也不會含有氧。此外，只要它們一離開海洋，未被大氣所濾掉的太陽的紫外光也可能會殺死它們。像沃爾克和普雷斯頓·克勞德這樣的研究人員提出：只有在大約距今20億年的時候，在海水中的大多數(shù)還原礦物已被氧化之后，大氣氧才的確富集起來了。在距今20億年到10億年之間，大氣氧含量達到了現(xiàn)代水平，從而為進化著的生物提供了一個生態(tài)位。

亨蘭德研究了諸如氧化鐵或氧化鈾之類的某些礦物的穩(wěn)定性之后，證明了在距今20億年之前的太古代大氣中的氧含量是低的。現(xiàn)今的一致意見是，目前的氧含量（20%）是光合活動的產(chǎn)物。然而，問題是大氣中的這一氧含量是隨時間逐漸增加的還是突然增加的，最新的研究表明，氧的增加是在距今21億年到20.3億年之間突然開始的并在距今15億年的時候達到了今天的含量。

大氣中氧的存在對于試圖生活在地表附近或地表之上的生物來說還有另一主要的好處，因為它除去了紫外輻射。紫外輻射能使許多分子分解——從DNA和氧到能影響平流層臭氧損耗的氯氟烴類。紫外輻射能量能將氧分子分解成很不穩(wěn)定的原子形態(tài)O，后者又能結(jié)合成O₂和一種很特殊的分子O₃（即臭氧），臭氧本身又吸收紫外輻射。只有在大氣中的氧豐富到足以使臭氧形成之后，生命才有可能植根于或立足于陸地上。生命從原核生物（無細胞核的單細胞生物）快速進化到真核生物（有細胞核的單細胞生物）和后生生物（多細胞生物）也剛好發(fā)生在氧和臭氧存在的這10億年之久的時代，這種情況并不是一種巧合，它完全得益于大氣在這一時期達到了相當(dāng)穩(wěn)定的氧含量。

由不同氣體相對濃度所表示的大氣成分受到地球上生命的強烈影響。早期大氣的水和二氧化碳的濃度相當(dāng)高，而且某些專家認為還有高濃度的甲烷、氨和氮。在生物出現(xiàn)之后，對我們的生存也是必不可少的氧就越來越多了，在今天的大氣中僅有微量的二氧化碳。

大氣演化過程中，有一很有興趣的問題，即大氣溫度隨歷史發(fā)展的變化也反映了氣候的變化，這些都與生物的進化有密切關(guān)系。不同的地質(zhì)紀(jì)，有不同的氣溫，因而也有不同的生物品種存在。從距今4億年時開始，對當(dāng)時的溫度估算相對地說要比較穩(wěn)定，各個紀(jì)的地下化石已能較豐富地保存下來。隨著氣候（主要是溫度）的變化，生物會發(fā)生變化，其次序也很明顯，由開始的原湯狀態(tài)到出現(xiàn)藻類、疊層石、水母等原始生物，接著出現(xiàn)帶刺魚、魚甲龍，然后從海洋爬上陸地，再進入到恐龍時期，最后發(fā)展到哺乳動物，以至最后發(fā)展到人。