地球上的生命出现在 40 亿年前，但由于大气层几乎没有氧气，它无法活跃地发展大约 20 亿年。然后氧气似乎增加了，但即使变成了多细胞生命，生命真的不想再着陆十亿年，海洋中也没有出现复杂的生物。这是一个很大的谜团：为什么生命似乎等待了 35 亿年，然后在接下来的 50 亿年突然加速并产生了包括我们人类在内的各种形式？似乎科学家们已经接近回答这个问题了。

为了让这些复杂的生物首先出现，然后开始它们在陆地上的胜利之路，空气中需要大量的游离氧（从那里进入海水）。但是这种氧气是怎么出现在地球大气中的，为什么它连续数亿年来回跳跃呢？

根据最新数据，我们星球上最早的生命痕迹至少有41亿年，甚至可能有42.8亿年。这意味着它的出现极其迅速：地球本身的年龄只有四十亿年。然而，在这个星球上的变化之后，进展非常缓慢。光合生物仅在其存在超过 15 亿年之后才积累了可观数量的氧气。然后他的注意力慢慢上升，但尽管如此，却很少有复杂生命的迹象。

大约 21 亿年前，出现了类似的情况：卷曲流感。这是大约一厘米长的生物，通常被称为最古老的多细胞生物（这种大小的细菌仍然值得怀疑）。许多科学家认为这是最古老的真核生物——这就是像你我这样的生物体的名称，它们起源于曾经“捕获”细菌的古菌细胞，这就是为什么它们被迫形成复杂但有用的适应性，例如细胞核.

但流感一旦出现，实际上并没有进化。它存在于 21 亿年的地层和9 亿年的地层中。没有明显的变化：显然，第一个多细胞生物安定得非常好，以至于它不需要改变任何东西。毫不奇怪，长达 8 亿年的科学时期被称为“无聊的十亿”或“地球的中世纪”。那里什么也没发生：气候均匀温暖，景色非常相似，进化似乎停止了。

问题出现了：接下来发生了什么？为什么我们所属的动物（Animalia）等生物会在过去 8 亿年中出现？陆生植物，没有它们陆生动物只能拖着最悲惨的存在，永远不会变得聪明？为什么进化会突然从慢节奏加速到自然冲刺？为什么她几乎要睡到那时？

过山车

发表在《科学》杂志上的新论文显着阐明了这个问题的答案。通过分析过去 15 亿年的碳同位素比例，作者展示了在此期间空气中的氧含量是如何变化的。它改变了整个画面。

乍一看，碳同位素与氧含量的关系似乎很奇怪。问题是光合生物更容易从环境中捕获较轻的碳原子，即碳 12 同位素。碳 13 对它们来说是“垃圾”，这些生物一生都是“垃圾”，在它们周围的沉积岩中留下了更高浓度的碳 13。关注“碳垃圾”的数量，可以相当准确地估算出特定时代的光合作用总量。

寒武纪之前存在于 6.35-5.42 亿年前的埃迪卡拉纪生物群。地球上第一个真正复杂的生物群。狄更斯水母在中心可见 - 这些是生活在那个时代的动物（虽然非常不寻常），并且在从澳大利亚到白海沿岸的沉积物中发现。它们的长度达到了55厘米。他们吃什么，他们如何生活是一个谜。没有嘴巴，没有生殖器官，甚至连肠子的存在都有很大的疑问。甚至它们是动物的事实也只能从它们亲属旁边底部存在的脚印链中推断出来。当您考虑到它们生活在微不足道的氧气浓度下，因此解剖学上的差异变得更容易理解，因此它们与现代动物一定有很大不同。

而这样的分析表明：从 10 亿年前到 5 亿年前，大气中的氧气含量一直在变化。此外，范围非常广泛——从当前水平的 1% 到 60% 不等。这意味着在几亿年的时间里，地球要么是一颗“含氧”的星球，空气中的氧气含量就像今天一样在五公里处（你可以呼吸，但只有在适应之后），或者实际上缺氧，氧气浓度仅为0.2%。第一种浓度可以支持我们已知类型的复杂生命，但第二种浓度不能。

例如，7.5 亿年前，当地球上存在复杂的“海南生物群”（类似蠕虫的动物）时，空气中含有 12% 的氧气。但在接下来的 30 年里，氧气含量急剧下降到 0.3%（比现在低 50 多倍）。毫不奇怪，海南生物群落到了尽头。只有当多细胞生物自己产生氧气时，多细胞生物才很容易在低浓度的氧气下生活（显然，上面讨论的螺旋流感就是这样做的）。否则，为“身体中间”的细胞提供呼吸作用远非如此简单：在那里“泵送”氧气变成了一项艰巨的任务。

但这还不是全部。最神秘的是，从这项工作来看，随着低温的开始——地球两次完全被冰覆盖的地质时期，一直到赤道——地球上发生了一场真正的“氧气逆革命”。从 12% 的氧气到低温，没有留下任何痕迹。

即使冰川期结束，地球“解冻”，空气中的氧气含量也没有超过百分之四。而且，它在整个寒武纪（539-4.85亿年前）甚至奥陶纪（485-4.44亿年前）都保持在这个水平。

Kimberella，一种来自埃迪卡拉纪的软体动物（仅没有壳）的远程功能类似物。长度可达15厘米，宽度可达5-7厘米。发现于澳大利亚和白海沿岸 。

与此同时，正是在寒武纪，生命经历了复杂形式多样性的急剧增加：三叶虫和许多其他多细胞生物出现并传播开来。事实证明，它们都存在于严重缺氧的情况下，我们甚至无法生存几分钟？

在这里，来自新工作的令人惊讶的结论才刚刚开始。另一个问题立即出现：这是怎么发生的？直到9.2亿年前，氧含量几乎没有剧烈波动，然后突然这样？为了什么？

行动等于反应

年表是这个问题最有可能的答案。氧含量的两个主要峰值 - 750 年前和大约 6.6 亿年前 - 发生在构成低温的两个主要冰川之前。这些是斯特（715-6.8 亿年前）和马里亚纳（650-6.35 亿年前）全球冰川。

从我们祖先所生活的我们熟悉的冰川时期来看，这两种恐龙与现代恐龙与中生代祖先的盗龙类（即鸟类）不同。有很多共同点，但古代的类似物要大得多。低温土地以赤道附近的低纬度大陆为代表。那里存在持续的冰川作用痕迹表明整个星球都被冰覆盖。

古代叠层石的遗迹，排列在古代浅水底部的细菌“垫子”

冰反射了我们恒星约 90% 的能量，因此这种全球冰川作用并没有像通常的更新世人属那样在数万年前融化一次，而是令人沮丧地稳定：它们持续了数千万年年。为了完成这项工作，他们不得不等待火山爆发使大气充满大量二氧化碳，从而将地球的热量损失减少到非常小的值。

虽然这样的过程正在进行，但光合作用本身是有压力的。厚冰层下的藻类根本无法合成氧气：没有光。在覆盖着一公里长的冰盖的土地上，你也不会特别进行光合作用。一些微藻可能存在于冰川表面，类似于那些使现代冰呈红色的微藻。但由于对地壳矿物质的获取为零，他们不得不永远缺乏微量元素。毫不奇怪，氧气浓度下降到 0.3%。

从某种意义上说，这些冰川作用是 750-8 亿年前在大气中产生过量氧气的同一力量的产物。很明显，从作品的图表中可以看出，由于某些光合生物群的快速繁殖，出现了急剧的增长。这些生物是什么？

下图：纵轴显示氧气含量占今天的百分比（黑线），横轴显示我们时代之前的数百万年。人们可以清楚地看到约 7.5 亿年区域的峰值，随后在全球低温冰川作用开始的区域几乎为零。

这个问题很难回答。今天最活跃的产氧群是原绿球菌（Prochlorococcus），一种极其特殊的蓝藻，直径只有 0.5-0.7 微米（是的，不是毫米）。有机体至关重要，因为它提供了空气中 20% 的氧气。但它仅在不到 40 年前的 1986 年开放——仅仅是因为它太小了。当然，它没有坚固耐用的硬壳，如果它存在于750-8亿年前，并且“负责”光合作用的爆发，从而使地球第一次真正意义上的氧气，那就没有办法了了解它。

原绿球菌不太可能一直存在。因为它们太多了——十亿十亿（octillion）——因此它们将不可避免地改变大气的组成。这里要理解的重要一点是，氧气是由许多生物体产生的，但在许多生态系统中，氧气的产生量大约等于它的消耗量。例如，在陆地丛林中，植物在生命中首先产生O 2， 然后在死后吸收它（由于残留物的腐烂和其他过程）。原绿球菌产生大量氧气，但生活在贫营养即营养贫乏的环境中。所以那里没有人消耗它们产生的氧气。而在死亡的情况下，他们的遗体只会下沉，并且不会消耗氧气来氧化遗体。

因此，有可能是原绿球菌的活动“启动”了所有这些氧气“过山车”。然而，其他一些生物群可能是革命性的光合作用者——大气的“氧化”真的变成了一场生物革命。

今天，还发现了叠层石。尽管形式大不相同，而且频率要低得多。来自澳大利亚的照片中的这些块状物是现代叠层石。但是为了今天的生存，它们必须生活在高盐环境中，例如，在浅海泻湖中，可以吃这种垫子的动物根本不想去。

但是，如您所知，行动等于反应。通过吸收二氧化碳并从中制造氧气，神秘的革命性光合作用使地球上的温室效应越来越弱。直到某一点，这无关紧要。直到平均行星 +17…+18 度，空气中的水蒸气含量如此之多，以至于不会发生冰川作用。毕竟，水蒸气还完美地吸收了红外辐射，并且不会让地球表面变得过冷。

然而，一旦平均温度低于这个阈值，两极上空的水蒸气就会从空气中消失。事实上，在寒冷的天气里，它的浓度会下降十倍或更多：空气越冷，它所含的水分就越少。这就是冰川作用开始的地方：通过极地地区失去热量，地球迅速被冰覆盖。冰将太阳光线反射到太空中，导致冰川加速……因此，在低温过程中，地球变成了一个雪球星球。

此外，根据已经提到的情景，它再次积累了数千万年的二氧化碳，然后再次解冻。但是，从新作品的图表中可以看出，在斯特冰期之后，神秘的光合作用革命者再次急剧增加了空气中的氧气浓度。在那之后，冰川再次开始 - 马里亚纳。

之后，跳跃明显变弱了。空气中的氧气含量既不会上升到 10-12%，也不会再低于该百分比。引人注目的是，埃迪卡拉纪的生物多样性大爆发从这里开始，不久之后，寒武纪开始了。事实证明，有些东西已经成为了尘世生活（或某人）拖车的刹车。

那个刹车使得氧气过山车的爬升和下降几乎没有以前那么快和艰难了。显然，这就是全球冰川消失的原因：如果没有人迅速将空气中的大量 CO 2转化为 O 2， 从而剥夺地球变暖的“毯子”，它们从何而来？

一系列灾难导致生活艰难？

所有这些都描绘了一幅意想不到的画面。早期认为生命进化成复杂事物需要温室和稳定条件的想法似乎经不起事实的考验。相反的情况很明显：光合作用生物量的急剧波动使世界“震撼”了如此之多，以至于它完全（并且不止一次）被包裹在冰壳中。毫无疑问，这意味着物种的大规模灭绝：冰下没有丰富的生物多样性。但同样可以肯定的是，生命是从两个极其发达的全球冰川的熔炉中诞生的。埃迪卡拉纪，然后是寒武纪。

什么可能是生物多样性爆炸的触发因素？一些光合物质的快速繁殖为这些光合物质可以食用的生物创造了独特的机会。根据现代观点，这些可能是在寒武纪突然大量出现的穴居生物。它们的化石很少，所以我们只能猜测它们的具体样子（假设它们或者类似于具有外骨骼的蠕虫，或者是一种原始软体动物）。需要大量的挖掘和运气才能确定。

在艾达卡拉纪和寒武纪时期某处出现的穴居生物有助于破坏以前巨大的叠层石。因此，曾经充满有毒物质的海床层获得了氧气，并成为相对复杂的生命发展的场所。谁知道：它可能有助于阻止二氧化碳过快地转化为氧气。这个过程连续数千万年两次用连续的冰盖束缚着地球。

但很可能是那些吃光合作用的人的快速繁殖阻止了他们再次繁殖到冻结地球的程度。这间接表明，在寒武纪生物多样性爆发开始后，叠层石开始出现的频率大大降低：蓝藻垫上的石头残留物 - 被蓝藻饱和的薄膜。科学家认为这是因为出现了许多以前不存在的以叠层石为食的生物。

另一个事实也表明了这一点：在奥陶纪-志留纪和二叠纪大灭绝之后，叠层石在短时间内再次频繁出现（毕竟吃过它们的人几乎都灭绝了）。但随着复杂生命形式的生物多样性恢复，叠层石再次退却。今天，叠层石主要存在于海水太咸或盐度不断急剧变化的地方：在那里，复杂的生物难以生存，因此根本没有人可以吃蓝藻垫。

尽管早期海洋植物的食用者带来了相对稳定，但寒武纪和奥陶纪的世界仍然，委婉地说，不舒服。工作图表上的氧含量使得复杂的陆地生物实际上被排除在外。“闷热”是对今天珠穆朗玛峰顶部氧气含量的最温和的定义。

为了至少让最简单的植物能够登陆，需要进行一次重大的进化飞跃。显然，正是世界不断变化的条件，有很多或很少的氧气，将生命推向了这极其困难的一步。

要创造一个拥有非常复杂的生物群的现代世界，还需要再迈出一步。大约在 4.5 亿年前的某个地方，它发生了：植物登陆了。这里的一切都非常相似。在绿色植物大规模殖民土地后不久，地球上的冰河时代再次开始，尽管没有低温时期那么严重。4.43亿年前的奥陶纪-志留纪大灭绝是在沿海地区出现大规模植物定植痕迹之后发生的。也有可能在这里，光合作用的不受控制的繁殖，在陆地上还没有敌人，导致空气中氧气含量的迅速增加和非常剧烈的冷却。毕竟，植物赖以构建身体和制造氧气的CO 2显然必须在那时减少。

是什么稳定了陆地植物的生态系统，这些植物完成了地球上的氧气革命，并将 O 2的浓度提高到现代值？可能与之前稳定海洋生态系统的事情相同：大量出现可以吃陆地植物的纯素生物。最终，我们也是从这些相同的有机体中产生的。

未来的教训

新工作的作者认为，由此得出的结论不仅对地球有价值，而且对在太阳系外的系外行星上寻找生命也很有价值。

首先，他们指出，在我们的星球上只有一次从无氧环境到有氧环境的突然转变——24.5 亿年前的一场氧气灾难——现在显然已经过时了（然而，这个想法之前已经受到了很多批评））。事实证明，在它之后，世界只吸收了空气中氧气的百分之一或二。此外，它的水平缓慢上升，直到 8 亿年前，氧气水平开始急剧上升 - 上面描述的“过山车”。

由此可见，具有大致类地气候的系外行星，但大气中没有大量 O 2的痕迹，不一定没有复杂的生命。相反，作者指出，在空气中氧气含量非常低的背景下，我们的星球上出现了复杂的生命形式。事实证明，只有在永久的陆地植被出现之后，空气中的 O 2才能变得和我们在地球上的一样多。换句话说：已经建立了一个具有“我们”温度但大气成分不同的系外行星，您需要继续在其上寻找物质 - 生命的标志，不要放弃，相信它已经死了。

其次，研究人员认为，他们发现的过山车可能表明，复杂的生命不需要稳定性和复原力，而是需要破坏旧的优势物种并允许新的优势物种前进的突然变化。与其说是生物气候上的“和平”，不如说是“战争”。

艺术家从围绕它旋转的行星上的云层中看到的红矮星的视图。从视觉上看，在这样的地方，日落时的星星应该看起来很大。更重要的是，它发出的辐射主要在红外线范围内，也就是说，它有效地融化了冰盖。

然而，最后的结论很难说是无可争辩的。正如我们上面提到的，低温冰期与达到高氧水平后的纪元可疑地重合。地球上的 O 2和 CO 2的水平在没有生物体的情况下，就其本身而言不会剧烈波动。因此，该工作的作者发现的非常剧烈的变化可能与其说是复杂生命进化的条件，不如说是在这个“复杂”生命之前出现的生命进化的结果。

然后我们仍然不知道复杂多细胞生物的爆炸性发展实际上需要什么：稳定性或不稳定性。很可能需要外部稳定性才能随着时间的推移产生一组活跃的氧化藻类。而随之而来的不稳定性正是此类藻类活动的必然结果。

无论如何，让我们添加它。如果这项工作的作者是正确的，并且复杂的生命不会在没有不稳定的情况下出现，那么红矮星周围的行星很可能会成为一个富有成效但非常简单的生物圈的所有者。就像在“无聊的十亿”中的地球上一样：氧气含量低，生物体小，完全没有复杂的陆地物种。无论是动物还是植物。

这一切都是因为红矮星周围的世界不可能有冰川作用。它们90%以上的辐射都在光谱的红外部分，而不是像太阳那样的可见光。冰反射可见光，但不反射红外辐射。也就是说，红矮星行星上的冰川不能形成一个以前温暖的世界。这意味着那里氧气含量的急剧波动是不可能的：没有全球冰盖能够“窒息”光合生物。

如果是这样，那么这项科学工作具有真正的全球意义。在我们的宇宙中，红矮星至少占地球大小行星的四分之三。如果说它们的气候稳定性使它们成为“缓慢进化”的携带者，那么这样的世界就是一个很好的殖民对象。没错，只有在引入陆地植物殖民者之后。但很难期待在那里遇见你自己的本土文明。