地球在歷史上海洋和大陸的比例是2:1，但其實(shí)在24億到21億年前，地球表面100%被冰覆蓋：這是一個(gè)雪球地球的場(chǎng)景。以下是生命本身如何造成地球歷史上最大的氣候?yàn)?zāi)難。盡管在4十億年前地球形成時(shí)，它只是一個(gè)幾億年后有生命誕生的世界。從那時(shí)起的這么多年里，它蓬勃發(fā)展，不斷進(jìn)化。

但在地球形成20億年之后，生命幾乎滅絕。氧氣的逐漸加入慢慢地改變了大氣，這對(duì)當(dāng)時(shí)地球上最常見的生物體來說是致命的。幾億年來，地球進(jìn)入了一個(gè)可怕的冰河時(shí)代，整個(gè)表面都被凍住了：今天我們稱之為“雪球地球”。這場(chǎng)災(zāi)難幾乎徹底毀滅了地球上的生命。

釀酒酵母是一種用于釀酒和其他發(fā)酵產(chǎn)品的酵母，如圖所示。在糖蜜等富含糖分的溶液存在的情況下，酵母細(xì)胞的數(shù)量會(huì)激增，但它們?cè)谏飳W(xué)上的成功是有限制的。生物課上最簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)之一就是把一組細(xì)胞放入營養(yǎng)液中，就像糖蜜中的酵母。這些生物最初會(huì)非常成功，因?yàn)槭澄锍渥悖瑳]有對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)，它們可以很容易地生存和繁殖。如果可以數(shù)一數(shù)里面的生物，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)數(shù)字呈指數(shù)增長。

但在短期內(nèi)，這一切都會(huì)改變。

酵母通過發(fā)酵過程消耗食物。這些細(xì)胞以糖為食，將糖轉(zhuǎn)化為酒精、三磷酸腺苷和二氧化碳作為廢物。但是如果有一個(gè)液態(tài)水，向它加入二氧化碳，就會(huì)形成碳酸。到了某個(gè)臨界點(diǎn)，它的酸性變得太大，酵母菌無法存活，種群就會(huì)崩潰。

在分離的富糖溶液中，酵母細(xì)胞的數(shù)量會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化。它首先呈指數(shù)增長，然后上升將趨于平穩(wěn)，接著種群數(shù)量將下降并崩潰，因?yàn)榻湍讣?xì)胞自身的代謝產(chǎn)物最終將毒害它們的環(huán)境。這可能是一個(gè)簡(jiǎn)單的生物學(xué)場(chǎng)景，但其結(jié)果幾乎是普遍的。在幾乎沒有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手或捕食者的情況下，加上幾乎無限的資源，一個(gè)活的種群將以指數(shù)級(jí)的速度增長。它將消耗可用的資源，產(chǎn)生它所產(chǎn)生的任何代謝產(chǎn)物，然后以高于替代水平的數(shù)量繁殖。

下一代將消耗，產(chǎn)生的代謝物，并繁殖的后代。只要資源是免費(fèi)的，這一進(jìn)程就將繼續(xù)下去。也就是說，直到它所經(jīng)歷的代謝過程達(dá)到了毒害環(huán)境的臨界水平。如果不加以控制，有機(jī)體就會(huì)用它們自身成功所產(chǎn)生的廢物毒害它們的棲息地。

溫室氣體排放量的增加，無論其如何，都對(duì)地球氣候產(chǎn)生了巨大的影響。這與自然事件沒有太大的不同，在自然事件中，有機(jī)體的廢物會(huì)毒害其環(huán)境。在太陽系的早期，出現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單的原核生物：?jiǎn)渭?xì)胞生物。雖然我們不知道理論上產(chǎn)生第一個(gè)單細(xì)胞生物的原始細(xì)胞的性質(zhì)，但有明確的證據(jù)表明，在地球大約5億年前，即大約40億年前，存在著單細(xì)胞細(xì)菌。

正如預(yù)期的那樣，進(jìn)化過程向許多不同的方向發(fā)展，以填補(bǔ)每一個(gè)可用的生態(tài)位。古細(xì)菌出現(xiàn)了，它們能夠在深海熱液噴口附近生存。質(zhì)粒作為獨(dú)立的DNA分子，不依附于細(xì)菌染色體本身，它攜帶著負(fù)責(zé)產(chǎn)生新能力的基因。幾億年后，第一個(gè)完全光合作用的生物體出現(xiàn)了。

酸桿菌，很可能是所有光合作用生物體中最早的一些。它們沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)或膜，它們的繁殖信息編碼在松散的、自由漂浮的DNA中，而這些細(xì)菌是無氧的：它們不通過光合作用產(chǎn)生氧氣。34億年前，第一個(gè)生物光合作用的證據(jù)開始出現(xiàn)。光合作用有許多不同的發(fā)生方式，但都涉及到特定波長的陽光照射到能夠吸收它的分子上，刺激一個(gè)電子，然后讓它的能量用于生命過程。

許多生物體，如綠色、紫色的硫和非硫細(xì)菌，利用各種分子在它們的反應(yīng)中提供電子，如氫、硫和許多酸。但生物體也進(jìn)化出了利用水作為電子供體的細(xì)菌：藍(lán)藻，即藍(lán)綠藻。不像其他生物體，藍(lán)藻產(chǎn)生分子氧作為廢物。

如圖所示，藍(lán)藻是地球上最早產(chǎn)生氧氣的光合生物。它們導(dǎo)致了地球早期歷史上巨大的氣候?yàn)?zāi)難。藍(lán)藻細(xì)菌今天仍然存活，是唯一產(chǎn)生氧氣的光合原核生物。它們不比其他不產(chǎn)氧的光合原核生物進(jìn)化。這些藍(lán)綠藻擁有內(nèi)部膜，它們的出現(xiàn)時(shí)間不晚于25億年前。

就在那個(gè)時(shí)候，地球的大氣層開始顯示出含有游離氧的證據(jù)。慢慢地，氧氣含量開始增加，一種似乎擁有無限資源的生物——陽光——開始毒害它的環(huán)境。氧不僅具有腐蝕性，還具有可燃性，這是歷史上最嚴(yán)重的氣候?yàn)?zāi)難的原因。

格陵蘭象腳冰川只是現(xiàn)今存在的巨大冰蓋的一小部分。在休倫冰河時(shí)期，人們認(rèn)為地球的所有表面，包括從極地到赤道緯度的大陸和海洋，都被冰覆蓋?？紤]到早期太陽的能量輸出要低得多，這大量的甲烷是使地球保持相對(duì)溫和的唯一因素。由于氧氣破壞了這種強(qiáng)大的溫室氣體，地球也無法留住它的熱量。歷史上最大的冰期，導(dǎo)致了近3億年滾雪球般的地球狀況。

盡管地球上不同大氣成分的確切比例尚不清楚，但在25億年前，大氣中存在大量甲烷，而且?guī)缀鯖]有氧氣。隨著氧氣的到來，甲烷被破壞，地球上最大的冰河時(shí)代開始了。在這個(gè)時(shí)候，覆蓋整個(gè)地球的異常寒冷的條件的證據(jù)是壓倒性的。整個(gè)北美北部的冰川沉積物顯示出25億至20億年前在冰川沉積物層之間發(fā)現(xiàn)的多種沉積物。

不幸的是，形成一個(gè)雪球地球非常容易，因?yàn)樗坪跏且粋€(gè)失控的過程。如果冰蓋離極地足夠遠(yuǎn)，就會(huì)增加地球的總反射率，這意味著地球吸收的太陽能更少。這將導(dǎo)致進(jìn)一步的降溫和的冰的形成，最終覆蓋整個(gè)地球表面包括大陸和海洋在內(nèi)的冰。

這張圖片美國宇航局的卡西尼號(hào)對(duì)土衛(wèi)二的任務(wù)：太陽系中已知的反射能力最強(qiáng)的星球。根據(jù)云層和其他因素的不同，地球反射了入射陽光的10%到30%，而土衛(wèi)二反射了99%的入射光，因?yàn)樗耆槐采w。盡管這對(duì)地球上的生命來說是災(zāi)難性的，但它并沒有結(jié)束。藍(lán)藻菌繼續(xù)繁榮，而其他較小的生物種群，面對(duì)巨大的選擇壓力和不斷變化的環(huán)境，朝著不同的方向進(jìn)化。更復(fù)雜的生物，積累了大量的基因和新的能力，生存的機(jī)會(huì)更大，因?yàn)樗鼈儗?duì)變化更有彈性。

與此同時(shí)，火山繼續(xù)在冰層下噴發(fā)。這些二氧化碳的積累可能會(huì)增加大氣中的溫室效應(yīng)，而同時(shí)產(chǎn)生的火山灰可能會(huì)降低地球的反射率，讓地球最終擺脫這個(gè)冰川時(shí)代。

當(dāng)火山爆發(fā)時(shí)，地球內(nèi)部的大量物質(zhì)，包括大量的有毒氣體，如二氧化硫，被釋放到大氣中。吸收陽光的氣體和物質(zhì)的結(jié)合，也許已經(jīng)把地球從胡倫冰期中解救了出來，但這需要數(shù)億年的時(shí)間。雖然它持續(xù)了大約3億年，但休倫冰期的結(jié)束與我們所掌握的第一個(gè)真核生物存在的證據(jù)是一致的。現(xiàn)在存在的細(xì)胞具有封閉的、分離的細(xì)胞器，可以執(zhí)行獨(dú)立的功能。真核生物后來產(chǎn)生了現(xiàn)存的所有原生生物、植物、真菌和動(dòng)物；如果氧氣沒有破壞我們富含甲烷的大氣層，導(dǎo)致這個(gè)古老的雪球地球場(chǎng)景，那么類人生命就不會(huì)出現(xiàn)，這是有爭(zhēng)議的。

雖然“雪球地球”的設(shè)想可能存在爭(zhēng)議，但值得懷疑的是細(xì)節(jié)，而不是整體效果?？梢钥隙ǖ氖?，在遙遠(yuǎn)的過去，熱帶地區(qū)大部分被冰覆蓋。胡倫冰期可能是地球歷史上最大規(guī)模的滅絕。在地球歷史上的這段時(shí)間可能是地球所面臨的最大規(guī)模滅絕。然而，即使在這個(gè)原始的階段，生命仍然無處不在，充滿活力，對(duì)現(xiàn)有的優(yōu)勢(shì)物種的破壞，讓其他新的生物得以進(jìn)化，并填補(bǔ)空缺的生態(tài)位。大氧合事件是地球歷史上的一個(gè)革命性事件。沒有它，生命可能永遠(yuǎn)不會(huì)變得復(fù)雜，并產(chǎn)生像人類這樣的智能生物體。