托福背景知识——地质篇之地球的历史

托福背景知识——地质篇之地球的历史

你真的了解我们的地球吗?


这是什么? 中间的亮点就是刚出生的太阳,在不是那么靠近原始太阳的地方,有那么一大坨云(cloud),会慢慢地因引力而碰撞(gravitational collapse),从而合并成原始的行星(protoplanet),这个原始行星就是我们的地球,这时距今大概45亿年。她开始时长这样:



【冥古宙】(Hadean)

慢慢的,因热流动的表面逐渐冷却,形成了地表(surface),然而,在这个看似沉默的地表之下,隐藏着一颗躁动的心脏,这颗躁动的心脏催生着无数次的火山喷发;同时,因为没有大气层的保护,以及太阳系中刚刚形成、轨道还不稳定的众多天体,地球还经历着无数次的小行星(asteroid)、陨石(meteorite)的撞击。其中,有一颗像火星(Mars-sized body)一样大的天体与地球发生碰撞,产生了月球;其他的小行星撞击则为地球带来了充足的水源和复杂的有机物(这两者为生命的产生创造了基础)。像这样的剧烈撞击大概持续了600万年,这段持续了600万年的时期就叫做冥古宙(Hadean)。


冥古宙逐渐冷却的地球(假想图)


【太古宙】(Archean)

之后,也就是大概38亿年前,地壳(crust)开始逐渐冷却,大陆(continent)开始形成,生命开始在海洋中出现。但是火山仍在不断喷发,新的无机物(mineral)在压力和热的作用下不断形成,矿物质开始逐渐沉淀在地壳中;同时,地球大气中因为火山喷发充斥着大量的硫化物。相对温暖的环境使海洋中产生了蓝藻细菌(cyanobacteria)和其他的一些吸收硫化物的细菌(sulfate-reducing bacteria),这些也就是生命最早的形态,统称为原核生物(Prokaryota)。这个约持续了14亿年的时间叫做太古宙(Archean),地球上是这个场景:

by Luca Dal Zilio


【元古代】(Proterozoic)

距今约24亿年前之后的一段时间,地球仍然被海洋占据,但原始大陆开始形成,与现在不同的是,当时的原始大陆是一整块,叫做超大陆(supercontinent)。同时,海洋中出现了大量的能够进行光合作用的生物,大气(atmosphere)中的氧气量从开始的1%-2%开始增加到现在的氧气量的水平。这段持续了大约19亿年的时期称作元古代(Proterozoic)。那个时候的地球是这个场景:

assignmentpoint.com


地球上的大陆是这个样的:


sciencenet.cn


【古生代】(Paleozoic)

大约从5亿年前至2.5亿年前,地球开始经历生命的集中爆发,也经历了数次的生物大灭绝。在爆发和灭绝中,动物从最初的无脊椎动物进化出了两栖动物;植物则进化出了蕨类植物。这段被称作古生代(Paleozoic)的时期又可细分为寒武纪(Cambrian),奥陶纪(Ordovician),志留纪(Silurian),泥盆纪(Devonian),石炭纪(Carboniferous)和二叠纪(Permian)。

其中,寒武纪时期突然出现了大量的,相对更大的多细胞生物(为何会突然出现大量复杂生物至今仍是生物界的未解之谜),特别是大量的无脊椎动物。

寒武纪时期的地球(假想图)


奥陶纪时期,海洋生物继续呈爆发式增长,到了奥陶纪末期,已经出现了初期的脊椎动物——鱼类。同时,在此时期,地球又开始经历较为剧烈的地质活动:地球板块的飘移导致板块间的相互挤压形成山脉;地球上冰川开始发育,很多大陆都被冰盖覆盖。因为大量发育的冰川,导致在奥陶纪末期到志留纪初期,海平面急剧降低,从而发生了地球历史上第一次的生物大灭绝,称为奥陶纪-志留纪大灭绝(Ordovician–Silurian extinction events)。在这次事件中,海洋中的生命几乎荡然无存。

奥陶纪末期的冰封地球(假想图)


经历过奥陶纪的生物大灭绝之后,地球进入了志留纪,这时地球气温开始上升,覆盖在大陆之上的冰盖开始融化,海平面重新上升,陆地再次被海洋淹没(inundate),地球上出现了大量的浅海区域(shallow areas)。经过奥陶纪生物灭绝,原本消失殆尽的海洋生物开始复苏,大量复杂的无脊椎动物进化而产生;鱼类开始出现并进化,大量被甲壳覆盖的水生动物出现。同时,很多生物开始在浅海区域繁衍,包括大量的蕨类植物,在志留纪末期发生了大面积的海水回退现象,导致植物开始暴露在陆地之上,陆生植物开始出现。

志留纪时期的地球(假想图)


泥盆纪是地球生命演变的重要时期。在这段时期中,硬骨鱼类开始大量出现,海洋逐渐被鱼类占领;由鱼类演变而来的两栖动物开始脱离海洋,占领陆地;在志留纪时期脱离海洋的陆生植物继续繁衍,并在泥盆纪时期演变成大规模的森林。在泥盆纪末期,地球生物再次遭遇大规模灭绝事件,称为泥盆纪大灭绝(Devonian Mass Extinction)。加拿大古生物学家Digby McLaren提出了小行星撞击假设(asteroid impact theory),认为泥盆纪末期,一颗小行星撞击地球,尘埃遮蔽了阳光,导致气温降低,冰川形成,海洋退却,居住在海洋的生物遭到大规模灭绝。

泥盆纪的地球(假想图 pbs.org)


石炭纪时期,两栖类动物逐渐演变成爬行动物,开始适应更广阔的大陆;昆虫(insect)、多足动物(myriapod)、蜘蛛纲动物(arachnid)开始出现;裸子植物(gymnosperm)继续进化,形成了高大的乔木,这也是现阶段煤炭的主要来源,石炭纪也因此得名。在石炭纪末期,森林几乎覆盖了整个大陆,导致地球上含氧量高达40%以上,因此,那时的生物体型巨大;但因为森林覆盖广,火山的喷发引发了大规模的森林火灾,导致地球气温急剧升高,有害气体覆盖整个地球并遮蔽太阳,从而,一方面植物因无法进行光合作用死亡;另一方面动物因为植物的大量死亡缺少食物饿死。

石炭纪时期的地球(假想图)

二叠纪时期,大陆板块继续漂移并逐渐形成泛大陆(Pangaea)。地质的变化促进了生物的演变。因为石炭纪末期的灭绝事件,喜水的动植物大量灭绝,耐旱的植物、昆虫、爬行动物大量繁衍。

在二叠纪末期,生物遭遇了历史上最大规模的灭绝,有超过90%的水生生物和超过70%的陆生生物灭绝。关于此次生物灭绝的成因还存在争议,接受比较广的原因火山喷发理论(volcanic eruption theory),认为火山喷发释放出了大量的二氧化碳,气温上升,并造成了植物的死亡燃烧消耗了大气中的氧气,同时导致海洋中的氧气几乎消耗殆尽,冰川融化,这时海平面快速上升,导致生存在海岸线附近的生物遭到灭顶之灾。

遭遇二叠纪末期生物灭绝之后的地球(假想图)


【中生代】(Mesozoic)

在二叠纪遭遇了最大规模的生物灭绝之后的1.9亿年中,地球进入了中生代(Mesozoic)。在中生代中,原本的泛大陆开始分裂、漂移(rifting);因为二叠纪末期的生物大灭绝,地球上的生态位(niche)出现大量空缺,以恐龙为代表的爬行动物开始主导整个星球,针叶林覆盖了地球大陆。因此,这段时期的地球也被称为爬行动物时期(Age of Reptile)或者针叶林时期(Age of Conifer)。中生代可分为三叠纪(Triassic)、侏罗纪(Jurassic)、白垩纪(Cretaceous)。


中生代地球(假想图)

其中,在三叠纪末期,地球海平面再次下降,导致了海洋生物的大规模灭绝,称为三叠纪大灭绝(Triassic–Jurassic extinction event),也就是第四次大规模生物灭绝事件。

在白垩纪末期,地球上再次发生了大规模的生物灭绝,也就是第五次大规模生物灭绝事件,又称白垩纪生物灭绝(Cretaceous–Paleogene extinction event or Cretaceous–Tertiary extinction),简称K–Pg extinction或K-T extinction,这次灭绝事件直接导致了恐龙的灭绝。关于这次灭绝,仍然存在很多理论和争议:显花植物(flowering plants)理论、哺乳动物竞争(competition of mammals)理论、气候变化(climate change)理论;但接受最广泛、认可度最高的理论是小行星撞击理论,即小行星撞击地球后激起尘埃遮蔽阳光,导致植物死亡,从而造成动物缺少食物。在地质界线上发现的铱异常和冲击石英的集中出现就是此理论的有力证据。

白垩纪大灭绝时的场景(假想图)

【新生代】(Cenozoic)

从距今6500万年前开始(持续至今),伴随着恐龙统治地球时代的结束,地球进入新生代。在新生代初期,大陆板块继续漂移,并逐步形成了今天我们看到的大陆板块构成;阿尔卑斯山山脉、喜马拉雅山脉在地壳的挤压下逐渐形成。在恐龙灭绝之后,大型的动物群落几乎全部消失,取而代之的是小型的动物群(fauna),这也就大大增加了动物的丰富性(diversity)和进化的几率、效率。在此后的一段时间,陆地上开始出现大规模的草原,食草动物(herbivore)也因此大量繁衍;同时,取代恐龙的哺乳动物开始统治地球,因此这个时代也被称为哺乳动物时代(Age of Mammals)。在距今约180万年前,人类活动的迹象开始出现,这也标志着地球开始逐渐进入了人类统治的时期。


新生代末期的地球(假想图)



地球时代年表

发布于 2019-06-17

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