8.4: 生命、化学进化和气候变化
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- 202249
学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 概述地球上生命的起源和随后的多样性
- 解释生命和地质活动如何影响大气的演变
- 描述大气温室效应和全球变暖的原因和影响
- 描述人类活动对我们星球大气层和生态的影响
据我们所知，地球似乎是太阳系中唯一有生命的行星。 生命的起源和发展是我们星球故事的重要组成部分。 生命起源于地球历史的早期，活生物体与环境相互作用已有数十亿年了。 我们认识到，生命形式已经演变以适应地球上的环境，我们现在开始意识到，生物的存在已经在重要方面改变了地球本身。 对生命和我们星球共同进化的研究是现代天体生物学科学的主题之一。
生命的起源
地壳的不安运动使地球上生命诞生的记录消失了。 根据化学证据，到大约39亿年前现存最古老的岩石形成时，生命已经存在。 在35亿年前，生命已经变得复杂，可以建造称为叠层石的大型殖民地，这种形式非常成功，以至于叠层石至今仍在地球上生长（图\(\PageIndex{1}\)）。 但是，在这些远古时代幸存下来的岩石很少，而且仅在过去的6亿年中才保存了大量的化石，不到我们星球历史的15％。
几乎没有关于生命实际起源的直接证据。 我们知道，与今天不同的是，早期地球的大气层含有大量的二氧化碳和一些甲烷，但没有氧气。 在没有氧气的情况下，可能发生许多复杂的化学反应，从而产生氨基酸、蛋白质和生命的其他化学组成部分。 因此，这些化学基石似乎很可能在地球历史的早期就已经存在，它们会结合起来形成活生物体。
在地球形成后的数千万年里，生命（可能只不过是大分子，比如今天的病毒）可能存在于温暖、营养丰富的海洋中，靠积聚的有机化学物质为生。 当这种容易获得的食物耗尽时，生命开始了漫长的进化之路，这条道路导致当今地球上出现了大量不同的生物。 当它这样做时，生命开始影响大气的化学成分。
除了研究古代岩石中的化学和化石证据所揭示的生命史外，科学家们还使用来自快速发展的遗传学和基因组学领域的工具，即研究地球上所有生命共享的遗传密码。 尽管每个人都有一组独特的基因（这就是遗传 “指纹” 对犯罪研究如此有用的原因），但我们也有许多共同的遗传特征。 你的基因组是你体内 DNA 的完整图谱，在 99.9% 的水平上与凯撒大帝或居里夫人的基因组相同。 在 99% 的水平上，人类和黑猩猩的基因组是相同的。 通过观察许多生物的基因序列，我们可以确定地球上的所有生命都是共同祖先的后代，我们可以使用物种之间的遗传变异来衡量不同物种之间的密切关系。
这些遗传分析工具使科学家能够构建所谓的 “生命之树”（图\(\PageIndex{2}\)）。 该图通过检查所有物种共有的核酸 RNA 序列来说明生物之间的关系方式。 这个数字表明，地球上的生命由你可能从未听说过的微观生物主导。 请注意，动植物王国只是最右边的两个小树枝。 生命的大部分多样性，以及我们的大部分进化，都发生在微生物层面。 事实上，知道一桶土壤中的微生物比银河系中的恒星还要多，这可能会让你感到惊讶。 在本书的后面部分，当我们转向在其他世界寻找生命时，你可能需要记住这一点。 最有可能出现在那里的 “外星人” 是微生物。
这样的遗传研究还得出了其他有趣的结论。 例如，看来存活的最早的陆地生命形式都适应了在高温下生活。 一些生物学家认为，生命实际上可能始于我们星球上极度炎热的地方。 还有一个有趣的可能性是，生命始于火星（火星降温得更快），而不是地球，是由从火星到地球的陨石 “播种” 到我们的星球上的。 火星岩石仍在进入地球，但到目前为止，还没有人显示出充当将微生物从火星运送到地球的 “太空飞船” 的证据。
大气的演变
地球生命进化的关键步骤之一是蓝藻的开发，蓝藻是一种非常成功的生命形式，它从环境中吸收二氧化碳并释放氧气作为废物。 这些成功的微生物繁殖，产生了我们称之为植物的所有生命形式。 由于用化学积木制造新植物材料的能量来自阳光，因此我们称之为光合作用过程。
对古代岩石化学成分的研究表明，尽管存在通过光合作用释放氧气的植物，但直到大约20亿年前，地球的大气层仍缺乏丰富的游离氧。 显然，与地壳的化学反应在氧气形成后就消失了氧气。 但是，慢慢地，生命进化复杂性的提高导致了植物种群的增长，从而增加了氧气产量。 同时，地质活动的增加似乎导致了我们星球表面的严重侵蚀。 在植物碳与氧气重组形成二氧化碳之前，它就掩埋了大部分的碳。
大约20亿年前，游离氧开始在大气中积聚，这种气体含量的增加导致了地球臭氧层的形成（回想一下，臭氧是氧气的三分子，O 3），它可以保护地表免受致命的太阳紫外线的伤害。 在此之前，生命在保护海洋之外冒险是不可想象的，因此地球的陆地是贫瘠的。
因此，氧气的存在，以及臭氧的存在，使陆地得以殖民。 它还使动物的大量繁殖成为可能，这些动物靠吸收和使用植物产生的有机物质作为自己的能量来源而生活。
随着动物在氧气日益丰富的环境中进化，它们得以开发出直接从大气中呼吸氧气的技术。 我们人类理所当然地认为地球大气中有大量的游离氧气可用，我们用它来释放我们摄入的食物中的能量。 尽管这样想可能看起来很有趣，但我们是进化为吸入植物废物的生命形式。 植物和相关微生物是主要生产者，它们利用阳光为我们其他人创造富含能量的 “食物”。
在行星范围内，生命的后果之一是大气中二氧化碳的减少。 在没有生命的情况下，地球可能会有一个由二氧化碳主导的大气层，比如火星或金星。 但是，生物加上高水平的地质活动，实际上剥夺了我们大气中的大部分气体。
温室效应和全球变暖
我们对大气中的二氧化碳含量特别感兴趣，因为这种气体在通过一种称为温室效应的过程来保持来自太阳的热量方面起着关键作用。 要了解温室效应是如何产生的，请考虑一下阳光照射到地球表面的命运。 光穿透我们的大气层，被地面吸收并加热表层。 在地球表面的温度下，该能量随后以红外线或热辐射的形式重新发射（图\(\PageIndex{3}\)）。 但是，我们大气中允许可见光通过的分子善于吸收红外能量。 因此，二氧化碳（以及甲烷和水蒸气）就像毯子一样，在大气中捕获热量并阻碍其流回太空。 为了保持能量平衡，必须提高地表和低层大气的温度，直到地球向太空辐射的总能量等于从太阳接收的能量。 我们大气中的二氧化碳含量越多，地球表面达到新平衡的温度就越高。
行星大气中的温室效应类似于园丁温室的加热，或者窗户卷起时被阳光照射的汽车内部。 在这些例子中，窗户玻璃起着温室气体的作用，它允许阳光进入，但减少了热辐射的向外流动。 结果，温室或汽车内部的温度比仅靠阳光加热所预期的要热得多。 在地球上，当前的温室效应使地表温度提高了约23°C。如果没有这种温室效应，平均地表温度将远低于冰点，地球将陷入全球冰河时代。
这是个好消息；坏消息是温室效应导致的供暖正在增加。 现代工业社会依赖从燃烧化石燃料中提取的能量。 实际上，我们正在开发数千万年前光合作用产生的富含能量的材料。 随着这些古老的煤炭和石油矿床被氧化（使用氧气燃烧），大量的二氧化碳被释放到大气中。 热带森林的广泛破坏加剧了这个问题，我们依靠热带森林从大气中提取二氧化碳和补充氧气供应。 在过去一个世纪中，工业和农业发展加快，大气中的二氧化碳含量增加了约30％，并继续以每年0.5％以上的速度增长。
在本世纪末之前，预计地球的二氧化碳水平将达到工业革命之前的两倍（图\(\PageIndex{4}\)）。 这种增加对地球表面和大气层（以及生活在那里的生物）的后果可能是气候的复杂变化，对许多物种来说可能是灾难性的。 现在，许多科学家团体正在使用精心设计的计算机模型研究这种全球变暖的影响，而气候变化已成为工业文明和地球生态的最大已知威胁（核战争除外）。
这段简短的PBS视频解释了温室效应的物理特性。
气候变化已经显而易见。 在世界各地，温度记录不断创下和打破；除了一个有记录以来最热的年份外，其他所有年份都发生在2000年以来。 冰川正在退缩，现在北极海的冰层比20世纪50年代首次用核潜艇探索时薄得多。 海平面上升（包括冰川融化和温度升高水位膨胀）构成了最直接的威胁之一，许多沿海城市计划修建堤防或海堤，以遏制预期的洪水。 温度升高速度是史无前例的，我们正在迅速进入 “未知领域”，人类活动正在导致地球上5000万年来的最高温度。
人类对我们星球的影响
地球是如此之大，已经存在了很长时间，以至于有些人难以接受人类确实在改变地球、大气层和气候。 例如，他们惊讶地发现，燃烧化石燃料所释放的二氧化碳是火山排放的二氧化碳的100倍。 但是，这些数据清楚地说明了我们的气候正在迅速变化，几乎所有的变化都是人类活动的结果。
这不是人类第一次极大地改变我们的环境。 一些最大的变化是在现代工业社会发展之前由我们的祖先造成的。 如果外星人在 5 万年前访问过地球，他们就会看到地球的大部分地区都在养活现在只能在非洲生存的大型动物。 澳大利亚的平原被巨型有袋动物所占据，例如diprododon和zygomaturus（相当于我们今天的大象的大小），以及一种高达10英尺的袋鼠。 北美和北亚饲养了猛犸象、剑齿猫、乳齿象、巨型树懒甚至骆驼。 太平洋岛屿上到处都是大型鸟类，广阔的森林覆盖了现在欧洲和中国的农场。 早期的人类猎人杀死了许多大型哺乳动物和有袋动物，早期的农民砍伐了大部分森林，波利尼西亚人横跨太平洋的扩张注定了大型鸟类的种群。
由于气候的迅速变化，更大规模的灭绝正在发生。 为了认识到我们对环境的影响，科学家们提议为人类活动开始对全球产生重大影响的当前时代起一个新名称，即人类生物。 尽管不是官方批准的名称，但 “antropocine” 的概念可用于识别我们人类现在代表着对地球大气层和生态的主导影响，无论好坏。
关键概念和摘要
生命起源于地球，当时大气层缺乏\(O_2\)，主要由大气层组成\(CO_2\)。 后来，光合作用产生了游离氧和臭氧。 现代基因组分析让我们了解地球上物种的广泛多样性是如何相互关联的。 \(CO_2\)大气中的甲烷通过温室效应加热地表；如今，越来越多的大气量\(CO_2\)正在导致我们星球的全球变暖。
词汇表
- 温室气体
- 大气中吸收和发射热红外线范围内的辐射的气体；在地球上，这些大气气体主要包括二氧化碳、甲烷和水蒸气
- 温室效应
- 红外辐射在行星表面附近（例如在大气层\(\ce{CO2}\)中）的覆盖（吸收）
- 光合作用
- 一系列复杂的化学反应，通过这些反应，一些生物可以利用阳光制造储存能量的产品（例如碳水化合物），将氧气作为副产品释放