地球是我們唯一的家園。在我們研究過的太陽系及以外的所有奇妙世界中，沒有一個世界能像地球一樣。我們的家園星球被液態水所覆蓋，擁有富含氧氣的大氣層，這使得眾多的植物和動物得以進化--包括我們人類。
但其實地球並不是一直如此適於生存。如果你能穿越時空回到早期的地球，缺乏氧氣的大氣會使你窒息。人類生存所需的氣體直到地球走過她一半年歲時才大量出現。
「羅塞塔」號拍攝的新月形地球
當「羅塞塔」號在2009年11月13日飛越地球時，它觀察到地球處於一個薄薄的新月形階段。這張圖片是為製作24小時內地球旋轉的動畫而拍攝的一系列圖片中的一張。
那麼，地球的大氣層是如何獲得氧氣的呢？簡單來說，早期的微生物利用一個很著名的過程產生了它：光合作用。光合作用是植物和其他生物體利用陽光、水和二氧化碳來產生能量的過程。作為副產品，氧氣被釋放出來，隨著時間的推移，這給了地球一個適合複雜生命體存在的富氧大氣。
讓我們從頭開始回顧這個過程是怎麼在宇宙舞台中發生的。
來自早期地球的關照和餵養
我們的太陽大約在45.7億年前從一團坍塌的塵埃和氣體中形成，正位於銀河系的一個不起眼的角落中。太陽形成後留下的物質凝聚成我們太陽系的其他一切，包括地球，它誕生於大約45.5億年前。
在大約45.1億年前，當一個名為Theia的火星大小的世界闖入地球時，地球實際上還是一個剛剛形成的「嬰兒」。在與Theia相撞的過程中，地球的大部分地幔都被撞擊融化了，而碰撞產生的熔融殘餘物形成了月球。汽化的岩石和矽酸鹽雲環繞著地球，使我們的地球像一個小型的、火熱的木星一樣閃閃發光。
月球的形成
這張來自NASA艾姆斯模擬的照片顯示了在一個名為Theia的火星大小的世界撞擊早期地球後不久可能出現的情況。這裡看到的熔化的碎片從碰撞中流出，這些碎片被認為後來形成了月球。
我們的星球在其早期歷史中被更多的太空石塊擊中。這些撞擊可能在40至38億年前激增，當時巨行星的軌道發生變化，將物體拋向整個內太陽系。這一事件被稱為 "晚期重轟擊"。
我們不知道地球上出現生命的確切時間。有可能生命出現後被巨大的撞擊消滅了多次，然後才永久地占據了地球。我們最早的生命的直接證據可以追溯到大約37億年前。我們所知道的生命需要水，所以當生命出現時，地球必然存在一些水。但是這些水是從哪裡來的呢？
一種理論是，當地球誕生時，水的元素前體被鎖在其岩石中。第二種可能性是富含水的小行星轟擊了地球，把水帶到這裡。也有可能是這兩種理論的結合。
地球的組成部分可能不是冰，因為太陽是如此熾熱足以使內太陽系內的冰直接升華--直接從固體變成氣體。然而，水的化學前體有可能已經存在於形成地球的岩石中。
歐洲航天局（ESA)的「羅塞塔」號任務表明，像67P/Churyumov-Gerasimenko這樣的彗星上的水與地球上的水並不匹配。儘管如此，富含水的小行星仍然是地球上水來源的一種可能性。支持此論點的證據來自最近的日本「隼鳥2號」（Hayabusa 2）任務，它將小行星龍宮（Ryugu）的樣本帶回地球，並檢測出豐富的水粒子。另一項最近的研究推測，撞擊地球並形成我們月球的巨大世界Theia可能是地球水的來源。
從藍藻到智人
早期的生物體生活在沒有氧氣和充滿二氧化碳的大氣層中，類似於今天的金星和火星。這些微生物是如何在如此惡劣的條件下生存的並不完全清楚，但是科學家們已經在地中海的鹹水深處和智利阿塔卡馬沙漠的一條含砷河流中發現了現今仍然能在無氧環境下生活的微生物。
然後，不尋常的事情發生了：一種名為藍藻細菌的微觀生物出現了，並開始利用陽光、二氧化碳和水來生產食物，這個過程被稱為光合作用。光合作用的副產品是氧氣。估計這一事件發生的時間從30億至28億至27億至25億年前不等。
顯微鏡下的藍藻細菌
藍藻細菌負責生產地球早期的氧氣。這種類型的藍藻，原球藻，生產了我們生物圈中20%的氧氣。該圖像是用透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）拍攝的。
起初，藍藻產生的氧氣被封存在礦物和海水中。但是在24億到25億年前，藍藻產生的氧氣逸散並儲存在地球的大氣中。這個時間段，大氣中的氧氣水平開始明顯上升，被稱為「大氧化事件」（Great Oxidation Event）。
與此同時，微生物開始不斷進化。一些微生物開始生活在其他微生物體內，然後組合在一起，形成了更複雜的生命的前兆。簡單的、基於氧氣的生命開始出現，例如海綿，它早在7.6億年前就出現了。
大約3.5億年前，地球的氧氣水平達到了20%，這與今天大氣中的氧氣百分比差不多。氧氣濃度之後繼續上升到35%，然後由於氣候變冷和許多植物的大規模死亡使氧氣濃度驟然下降到12%。氧氣水平在那之後持續上下波動著，直至穩定在今天的大氣含氧量21%。
氧氣為一些傳奇性的動物存在，包括我們人類，創造了條件。非鳥類的恐龍在2.45億年至6600萬年前進化並遊蕩在地球上--直到一個10公里寬的小隕石撞擊地球時，恐龍的時代結束了。我們的智人祖先直到30萬年前才出現，所以從宇宙的時間尺度上來看，人類的歷史不過是一個小小的插曲。
通往其他世界的指南
通過了解地球的背景故事，我們能夠更好地研究其他世界。雖然檢測到富含氧氣的系外行星大氣層可能意味著有著外星生命的存在，但沒有氧氣的大氣層並不一定意味著一個星球缺乏生命。這顆系外行星可能只是在為它自己的「大氧化事件」做準備，或者可能承載著根本不產生或不依賴氧氣的生命。
土星的第六顆衛星泰坦（Titan）的大氣層可能與早期地球相似。早期地球生物體產生的甲烷可能在我們的星球周圍形成了與土衛六類似的橙色霧氣，使早期生命免受太陽紫外線的影響。NASA的「蜻蜓」任務（Dragonfly mission）定於2027年發射，任務是揭示這個神秘衛星的秘密。
今天，地球海洋中的光合作用生物產生了地球上大約一半的氧氣。一個特殊的物種--原綠球菌（Prochlorococcus），產生了我們生物圈中20%的氧氣。原綠球菌是藍藻細菌的一種，與最初向我們的大氣層輸送氧氣的生物類型相同。我們今日世界的運行過程與幾十億年前的塑造過程並沒有什麼不同。
來源：中科星宇天文科技研究院
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