地球的起源和演变：从宇宙大爆炸到人类的将来(25-30)

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虽然这是一个关于自然科学的课程, 但讨论范围到从宇宙大爆炸到太阳系形成到地球上生命演变, 解答了“人类从哪里来”的(哲学)问题

非专业人士的学习笔记, 难免有误, 请指教

地球的起源和演变：从宇宙大爆炸到人类的将来

第二十五课 板块构造(Plate Tectonics)

板块构造理论
地幔热对流是板块漂移的动力
板块边界 - 板块分离(divergent), 板块合并(convergent), 板块水平剪切(transform)
因为地球是球体(sphere), 在板块分离和板块合并时会出现水平剪切
板块构造理论把研究地球的各科学联系起来 - 古生物学(paleontology), 地质学, 地球物理学(geophysics), 等等

板块构造理论的证据
声纳技术绘制海底地图 - 大西洋中洋脊
磁力仪 - 大西洋底的玄武岩的磁极对称反转
地震 - 集中在板块边缘的俯冲带(subduction zones)且震中远离俯冲带时逐渐下沉

传导, 对流, 和辐射
地幔岩浆的传导和辐射作用很有限
对流也需要约一亿年才能完成一次循环

~40亿年前, 有几十个火山口 -> 地幔对流在以后10亿年里逐渐稳定 -> 形成几个巨型循环
板块分离处可以形成玄武岩山
板块合并处可以促进更多花岗岩形成 -> 很多花岗岩小岛

地球的矿物演变
地幔上层和地壳的热动力 -> 把外层矿物进一步分离集中 -> 形成新的矿物
第一次出现大量硫化物 - 含相对稀有金属元素
超高压下形成新的变质岩
约30亿年前, 地球的第五次矿物演变 - ~500种新矿物(共~1500种矿物)
(注: 好像伟晶岩的形成算作第四次矿物演变的一部分)

第二十六课 从地球化学(Geochemistry) 到生物化学(Biochemistry) - 原材料

生命化学
细胞是已知生命的基本单位 - 细胞由很复杂的分子群构成, 且有细胞膜与外界分隔
两个相互依赖的生命保持
新陈代谢 - 生长和复制所需的能量和原材料
遗传 - 把遗传信息复制到下一代
原材料 - 海洋, 大气, 岩石
能量 - 阳光, 宇宙放射线, 地球内部
碳 - 蛋白质, 碳水化合物, 和油脂的重要组成部分

生命开始的一系列步骤
合成含碳的小分子
把含碳小分子集中组成生命必需的结构 - 细胞膜, 聚合物(polymers)
能够复制自己, 而且能够变异进化

米勒-尤里实验(Miller-Urey Experiment) - 1953
简单的试验 - 加热的水, 混合气体, 电火花
生成了复杂的有机物
发现深海生物部落 - 1987
能量来自海底火山提供的化学能 - 不需阳光
发现极端微生物(extremophiles)
例如高度酸性液体, 火山口热水, 南极洲冰川, 天空中尘埃, 地下深处

第二十七课 生物分子(biomolecules) - 选择, 集中, 组装(assemble)

自我组装和合成(synthesis)
很多种氨基酸, 糖, 脂的可能性 -> 生命选择了其中相对较少的几种
从复杂的但稀释的, 生命出现之前的液体到生命大分子 - 选择, 集中, 组装的过程
两个相互补充的过程
自我组装(self-assembly)
例如, 一头亲水另一头斥水的脂类可以形成两层脂类的细胞膜
有模板的合成(template-directed synthesis)
例如, 氨基酸和糖类易溶于水, 可能在某些矿物晶体周围按某种顺序排列
正负电位应该起了相当作用

自我复制
至今还未能解决
地球有上亿年的时间和各种不同的地球化学环境
进化(evolution)很重要 - 变化(variation)和选择(selection)
生存的最终保证方式是可以自我复制

第二十八课 复制(reproduction)

最初的自我复制系统 - 三种模型
生命的定义包括自我复制(生殖)的功能

模型1. 逆柠檬酸循环(克雷布斯循环)
柠檬酸(citric acid, 含6个碳原子)可以分裂成一个醋酸(acetic acid, 含2个碳原子)和一个草酰乙酸(oxaloacetic acid, 含4个碳原子) -> 醋酸可以和CO2合成草酰乙酸, 草酰乙酸可以继续合成柠檬酸
这个循环在几乎所有生命细胞里都存在
模型2. 自催化网络(autocatalytic networks)
一群分子相对稳定能复制
目前没法验证的模型
模型3. 可以自我复制的RNA
RNA既可以包含遗传信息也可以催化蛋白质生成

生命起源的步骤
1. 生成小分子. 例如氨基酸和糖
2. 选择和组装成大结构
3. 分子群可以自我复制

通过自然选择的进化是最快最有效的得到新功能的方法
生命起源约在40-38亿年前

第二十九课 地质年表

地质年表

冥古代(the Hadean Eon) - 从地球起源到约40.3亿年前
能找到的最早的岩石 - 有可能找到更早的岩石, 所以难免以后有改变
太古代(the Archean Eon) - 从40.3亿到25亿年前
始太古代(the Eoarchean Era) - 从40.3亿到36亿年前
能找到的最早的岩石大多在热和压力下改变了
也有例外 - 带状铁岩(banded iron formations)
古太古代(the Paloarchean Era) - 从36到32亿年前
已经发现的最早的化石
中太古代(the Mesoarchean Era) - 从32亿到28亿年前
现代板块构造运动 - 第一块大陆的31亿年前形成
新太古代(the Neoarchean Era) - 从28亿到25亿年前
光合作用出现 → 大气层中氧气
元古代(the Proterozoic Eon) - 从25亿到542百年前
古元古代(the Paleoproterozoic Era) - 从25亿16亿年前
大气层氧化
已经发现的最早的微生物化石
中元古代(the mesoproterozoic Era) - 从16亿到10亿年前
最少一次超级大陆形成并解体
新矿物出现, 矿床形成
新元古代(the Neoproterozoic Era) - 从10亿到542百万年前
环境和生物重大演变 - 多细胞生物出现
显生宙(the Phanerozoic Eon)
现代地球生命

第三十课 红色地球 - 大气层氧化

大气层氧化 - 许多细节还在科研讨论中
地球形成后大气层里几乎没有氧气
氧气的腐蚀性很强
26亿年前形成的一些岩石在有氧环境会很快被腐蚀
约24.5亿年前, 大气层含估计0.2%的氧气
之后形成的岩石有明显的化学结构指向氧气的存在
矿物里硫(sulfur)的同位素比例在25亿年之前主要受紫外线影响(没有臭氧层, 大量宇宙紫外线可以到地球表面), 之后主要受原子质量影响(温度下较轻同位素更活跃)

光合作用
早期光合作用不生产氧气 - 现在还存在类似光合作用
现代光合作用 6CO2 + 6H2O + 阳光 → C6H12O6(葡萄糖) +6O2
是两种独立的光合作用的混合 - 光系统I和光系统II(Photosystem I and Photosystem II)
除了光合作用, 细胞还有其它方式产生氧气
还有一些自然界的化学反应可以产生氧气