海洋的演化是怎樣的？

地球及其海洋的演化的故事無(wú)疑是世界上最偉大的奇事、肥皂劇和災(zāi)難電影的匯演。地球就是演出的大舞臺(tái)，而古代和現(xiàn)代的生命的所有形式扮演著舞臺(tái)上的角色。故事開(kāi)始于一個(gè)奇異陌生的環(huán)境，地面受到小行星劇烈的碰撞，猛烈的火山不斷噴發(fā)，頻發(fā)的大地震撕扯著陸地。間或寒冷的氣溫使地球突然陷入嚴(yán)寒，其余的時(shí)候這個(gè)星球倒是適于生活的溫暖舒適的地方。當(dāng)大陸發(fā)生漂移、相互碰撞或相互分離時(shí)，海平面將發(fā)生升降變化，在這個(gè)壯觀一幕中的角色也隨之發(fā)生變化。有時(shí)它們形態(tài)相似，有時(shí)卻又是迥然不同的生命體。在使生物發(fā)生災(zāi)變的事件中，新的角色出現(xiàn)了，而原來(lái)的個(gè)體有的受到了致命性的傷害，有的則被新的居統(tǒng)治地位的種類(lèi)所取代。在整個(gè)故事中，一個(gè)不變的因子貫穿著大部分階段，這就是：海洋存在著并孕育著生命。海洋和她的居民在地球的發(fā)展和生命的演化中起著重要的作用。我們?nèi)祟?lèi)相當(dāng)于這個(gè)故事近尾聲時(shí)的一瞬。但是通過(guò)追尋海洋與生命的演化過(guò)程和地球不斷變化的歷史，我們對(duì)我們這個(gè)動(dòng)態(tài)的星球、對(duì)生命的脆弱以及我們?nèi)祟?lèi)自身的起源有了深入的了解。這是每個(gè)人都應(yīng)該知道的一個(gè)故事，因?yàn)閺闹姓鎸?shí)地透視出我們?nèi)祟?lèi)自身的渺小，以及我們可能對(duì)地球產(chǎn)生的巨大影響。

在開(kāi)始追述歷史的航行前，重要的是記錄下來(lái)地球的歷史是怎樣拼合起來(lái)的，以及為什么其中一些片段謎一樣地缺失了。我們利用現(xiàn)代科技可以把孩子們的成長(zhǎng)過(guò)程錄下來(lái)，以便將來(lái)一天他們可以看到自己的出生和成長(zhǎng)。遺憾的是，地球和海洋的形成和演化過(guò)程沒(méi)有錄像。科學(xué)家們只能從古老的巖石、化石和其他行星中尋找線索，重現(xiàn)地球和海洋的歷史。比如我們對(duì)地球形成的了解，基本上是得自于對(duì)星際碰撞、隕星、古老的隕石坑和惰性氣體的研究。這些惰性氣體如氙、氪、氬在太陽(yáng)上含量豐富，在地球上卻很稀少。

科學(xué)家們?cè)谘芯抗诺厍颉⒑Ｑ蠛驮缙诤Ｑ笾械纳鼤r(shí)所遇到的難題是現(xiàn)代海洋采樣的難度所無(wú)法相比的。邏輯上，有關(guān)早期海洋和原始海洋中生命的最佳信息應(yīng)來(lái)自于海底的沉積物和埋藏的化石。然而當(dāng)我們探討了海洋的地質(zhì)情況、海底擴(kuò)張和洋殼在深海溝的消亡后，我們發(fā)現(xiàn)洋殼在不斷地再生循環(huán)著。雖然地球有幾十億年的歷史，但現(xiàn)代海洋里最老的沉積物和巖石的年齡只有一億八千萬(wàn)年左右。幸好大陸板塊沒(méi)有發(fā)生顯著的再循環(huán)，高山的巖石中經(jīng)常含有被抬升于海面之上的古老的海洋沉積物和化石。但是巖石和化石記錄遠(yuǎn)不夠完整，常常比較分散，使解譯變得比較困難。

幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家們?cè)诖箨?、海洋甚至外層空間搜尋能解答地球演化之謎的星星點(diǎn)點(diǎn)的證據(jù)。本文對(duì)星際演化的闡述中，由于篇幅所限，只包括了一部分解譯地球歷史的化石和巖石的描述。

另一個(gè)將簡(jiǎn)要提及但卻更為重要的信息來(lái)源是深海鉆探計(jì)劃（DSDP）以及其后繼者大洋鉆探計(jì)劃（ODP）。這兩個(gè)計(jì)劃是國(guó)際上空前的一次科學(xué)家、技術(shù)人員和管理者的大合作，其目的就是從深海底采集沉積物和巖芯樣品。這些深海孔資料曾經(jīng)為板塊構(gòu)造、海平面變化和全球氣候變化研究提供了一些最為重要的豐富的科學(xué)數(shù)據(jù)。

地球大約有45億年的歷史，地球演化發(fā)生的時(shí)間尺度通常是幾十億年、幾百萬(wàn)年和幾十萬(wàn)年的數(shù)量級(jí)。但是我們往往以人的一生的長(zhǎng)短來(lái)考慮時(shí)間尺度，數(shù)量級(jí)是一百年，細(xì)分后還有年、月、星期、小時(shí)和分鐘這樣的時(shí)間片段。地質(zhì)學(xué)家利用巖石研究地球的歷史時(shí)，意識(shí)到對(duì)應(yīng)于地球演化階段建立一種參考時(shí)間的方法的必要性，所以他們建立了地質(zhì)年代表。

地質(zhì)年代表中世代的劃分基于某些化石或化石群的出現(xiàn)和消失。起初，地質(zhì)年代被劃分為有生命時(shí)代和無(wú)生命時(shí)代兩個(gè)部分。近幾十年來(lái)，研究發(fā)現(xiàn)原始生命開(kāi)始的時(shí)間要比以前認(rèn)為的要早的多，因此改變了最初的年代劃分系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)在的分類(lèi)，地球歷史的最早時(shí)期稱(chēng)為前寒武紀(jì)，從45億年前到大約5.5億年前，這段時(shí)期生物的演化還不足以留下豐富的化石。從寒武紀(jì)開(kāi)始（約5.5億年前），劃分出古生代、中生代和新生代，分別代表古代生物、過(guò)渡時(shí)期生物和現(xiàn)代生物的時(shí)代。

海洋的誕生

在地球早期的生長(zhǎng)過(guò)程中，巨大的星際碰撞有規(guī)律地發(fā)生著，把大量的塵埃釋放到大氣中，遮住了所有的陽(yáng)光，使地球陷入徹底的黑暗中。彗星、大量凝固的氣體和冰塊以及小行星撞擊著地球，猛烈的風(fēng)暴在地球上肆虐。巨大的撞擊和不斷的火山噴發(fā)產(chǎn)生的大爆炸使埋藏于巖石中的水和氣體釋放到大氣中。這時(shí)的大氣，條件惡劣，密度很大，由二氧化碳、水蒸氣、氮?dú)夂推渌麕追N氣體組成。塵埃、蒸汽和火山灰形成的黑云籠罩著天空，狂雷巨閃劃破黑暗，熾熱的巖漿海在地面上沸騰著、激蕩著。早期地球的黑暗讓人無(wú)法想像它會(huì)變成一個(gè)藍(lán)色的星球。

科學(xué)家們利用一種新技術(shù)來(lái)估測(cè)地球誕生的時(shí)間：放射性測(cè)年。地球上所有的元素由于它們?cè)雍藘?nèi)的中子和質(zhì)子數(shù)的不同，而有一定的原子量。一些元素如鈾、鐳、鉀和碳，由于同一種元素的原子核內(nèi)中子數(shù)不同而有幾種不同的表現(xiàn)形式，稱(chēng)為元素的同位素。同位素原子量雖然不同，但它們的化學(xué)性質(zhì)是相同的。一些同位素不穩(wěn)定，具有放射性。放射性同位素以一定的速率衰變，衰變速率稱(chēng)為半衰期。元素的半衰期就是這種元素從原始質(zhì)量衰變到一半時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間。如果地質(zhì)學(xué)家知道了某種元素的半衰期，他們就可以通過(guò)測(cè)定每體和子體（衰變的產(chǎn)物）的質(zhì)量來(lái)計(jì)算巖石的年齡。例如，碳有三種同位素：兩種是穩(wěn)定的（碳12和碳13）；一種是不穩(wěn)定的，即具有放射性（碳14）。當(dāng)碳14衰變時(shí)，放出熱量，生成氮14。碳14的半衰期是5570年，也就是說(shuō)，在某種物質(zhì)中的碳14需要花5570年的時(shí)間使一半的碳14轉(zhuǎn)變?yōu)榈?4。地質(zhì)學(xué)家們可以通過(guò)測(cè)定現(xiàn)在巖石中碳14和氮14的量，來(lái)估計(jì)巖石的年齡，這就是碳測(cè)年法。

科學(xué)家們認(rèn)為隕石和地球具有相同的年齡，通過(guò)對(duì)隕石進(jìn)行放射性測(cè)年，得出隕石已經(jīng)有45億歲了?，F(xiàn)在，科學(xué)家們認(rèn)為地球在早期形成過(guò)程中受到一個(gè)巨大的小行星撞擊，使地球的一部分脫離出去，形成了月球。所有的月球巖石的測(cè)年結(jié)果都略小于45億年。古隕石坑，尤其是月球表面上的古隕石坑中的巖石的測(cè)年結(jié)果表明，大約45億年前，地球已經(jīng)長(zhǎng)到了現(xiàn)在的大小，彗星和小行星的撞擊頻率開(kāi)始減慢。

到44億年前，撞擊的減少使巖漿海的活動(dòng)減弱，地球的表面開(kāi)始冷卻，慢慢地，冷凝的巖漿形成一層薄而黑的地殼覆蓋著地球。雖然行星撞擊和火山噴發(fā)時(shí)不時(shí)地把地殼撕開(kāi)，把熾熱的巖漿噴向天空，但是，隨著撞擊的不斷減少，冷卻的不斷進(jìn)行，地球表面形成了越來(lái)越厚的地殼。冷卻使大氣中的水蒸氣冷凝，水滴以降雨的形式落到地面上。不久，暴雨沖刷大地，形成了第一個(gè)水的海洋。這時(shí)的海水是酸性的，而且非常熱，水溫大概有100℃（212°F）?；鹕絿姲l(fā)和大量的降雨把一些元素帶入海洋中，使海洋稍稍有一點(diǎn)兒鹽度。環(huán)繞地球的大氣仍充滿著二氧化碳，并且密度大，具有腐蝕性。隨著越來(lái)越多冷凝水的形成，陽(yáng)光開(kāi)始穿透黑云。這時(shí)海的周?chē)Ａ⒅吒叩沫h(huán)形山，但水的侵蝕力量是巨大的，兇猛的洪水沖出深谷，沖蝕著山峰。最近的幾次小行星撞擊使海洋產(chǎn)生了滔天巨浪，海嘯席卷了整個(gè)地球。因?yàn)槟菚r(shí)的月球更接近；地球，所以海洋中的潮汐作用很強(qiáng)。

大氣中的二氧化碳開(kāi)始溶入海洋，與海洋中的碳酸根離子結(jié)合形成碳酸鈣或石灰石。隨著沉積在海底的石灰石越來(lái)越多，大氣中的二氧化碳逐漸減少，天空變得明亮起來(lái)。碳酸鈣調(diào)節(jié)著海洋的酸性，使海洋的化學(xué)環(huán)境略帶苦澀，其作用就像胃酸過(guò)多的人服用的抗酸藥物一樣。太陽(yáng)的輻射增加，使地球的溫度上升，大量的水從海洋中蒸發(fā)出來(lái)，使海平面下降，露出許多陸地。在雨水和河流的風(fēng)化作用下，更多的礦物質(zhì)從新的陸地進(jìn)入海洋，海洋的鹽度開(kāi)始上升。

在這一時(shí)期，地球上的氣候變化可能異常劇烈，同時(shí)火山噴發(fā)、地震海嘯仍不斷改造著地球表面。一些科學(xué)家認(rèn)為，在這段時(shí)期，災(zāi)難性的小行星碰撞仍時(shí)有發(fā)生，海洋以幾十年為周期不斷地蒸發(fā)著、改造著。