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地球：我就在你面前，你看我几分像从前

中科院物理所

2025-02-02 13:04发布于北京中科院物理所官方账号

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引言

数月前，笔者曾写过一篇关于“巴黎奖牌”的科普文章，讲述铁矿石被用于修筑宏伟的巴黎铁塔，而铁塔的更换材料又被回收嵌于奖牌，见证人类的发展。文章引发了许多讨论，其中有一条评论引人深思：“埃菲尔铁塔的每一个零件都被更换过，那它还是原来的埃菲尔铁塔吗？”，同样，也有读者给了类似的回复：“人体的细胞每七年就会全部更新一遍，七年后，你，还是你吗？”。

这些问题确实耐人寻味，实际上，它们与哲学史上的一个经典悖论不谋而合——“忒修斯之船”。

1. 忒修斯之船

相传，雅典国王忒修斯在成为国王之前，曾率领勇士们驾船前往克里特岛，斩杀米诺陶，拯救了一群作为贡品的童男童女。为了纪念他的英雄事迹，人们将他所乘坐的船命名为“忒修斯之船”。然而，随着时间推移，船上的木板逐渐腐朽，不得不一块一块地被替换，直至整艘船上已无一块原始的木板。问题随之而来：这艘船还是原来的忒修斯之船吗？如果不是，那么究竟在替换哪一块木板时，它不再是原来的船了呢？

图1：忒修斯之船

同样作为科普作者，我不禁会想到：我们所居住的地球，在其漫长的历史中经历了无数次剧烈的变化，从形态到组成，几乎每个时期的地球都与之前的大不相同。那么，我们是否还可以说，今天的地球，依然是那个原来的地球呢？

2. 地球的巨变

如今的地球，是一颗充满生命的蓝色星球。如果你从太空中俯瞰，她主要被蔚蓝的海洋覆盖，剩下的陆地上，生机勃勃的森林、山川和城市构成了我们熟悉的景象。然而，你有没有想过，40亿年前的地球是什么样子呢？

图2：原始地球模拟图与现在地球卫星图

2.1地球的诞生

在早期的太阳系中，一片由气体和尘埃组成的星云漂浮在宇宙深处。某种扰动——可能是一颗超新星爆发产生的冲击波——导致这片星云开始收缩。随着星云不断收缩，物质逐渐向中心聚集，中心部分的密度和温度急剧上升，最终点燃了恒星，形成了我们今天的太阳。与此同时，围绕太阳的尘埃和气体在引力作用下凝聚成了行星、小行星等天体，当然也包括我们的地球。

图3：早期太阳系

在地球形成的早期阶段，它是一个炽热的、完全熔融的球体，表面覆盖着炽热的岩浆。这种高温不仅是由原始星子碰撞产生的能量引起的，还受到了放射性元素衰变释放热量的驱动。随着时间的推移，地球表面逐渐冷却，出现了最早的固态地壳，但这个地壳极不稳定，频繁地被熔化和重塑。同时，地球内部的物质开始分层。较重的铁和镍等元素下沉到地心，形成了地核；较轻的硅酸盐则构成了地幔。这一分异过程标志着地球内部结构的初步形成，而这个阶段的地球就被称为原地球。

图4：原地球与现在地球结构比对

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2.2 地球的重塑与月球的形成

-忒伊亚撞击

时间大约在45亿年前，太阳系仍处于剧烈的“行星撞击”时期。一颗火星大小的行星体——科学家称之为“忒伊亚”——与早期的地球发生了灾难性碰撞。这次碰撞极其猛烈，导致地球的外层和忒伊亚的大量物质被抛射到太空。这些抛射物在地球轨道附近逐渐聚集，最终便形成了月球。

与此同时，这次碰撞对地球本身也产生了深远的影响。首先，地球的自转状态发生了重大改变。由于碰撞的巨大冲击力，地球自转速度显著加快，一天的长度被缩短至大约5到10小时。此外，地球自转轴发生倾斜，形成了今天大约23.5度的倾角。这一倾斜导致了地球的季节变化，对气候系统产生了深远的影响。

近期，嫦娥五号任务带回的月壤样本与地球岩石的成分相似，这进一步支持了“忒伊亚撞击假说”，即月球的形成源于与地球的这场剧烈碰撞。

图5：月球形成示意图

（左右滑动查看更多图片）

2.3进一步演化：

地壳形成、海洋与生命的起源

“忒伊亚撞击”事件导致地球表面处于熔融状态，经历了相当长的一段时间后，地球逐渐开始冷却，形成了固态的地壳。

图6：撞击后地球表面处于熔融状态

在随后的几亿年里，地球继续遭受其他天体的撞击，这一时期被称为“重轰炸期”。这些撞击虽然没有完全重新熔化地球表面，但它们依然对地球的演化产生了深远影响。这段时间也是地球最早大陆块的形成时期，虽然这些“原始大陆”远小于今天的大陆，但它们代表着地壳开始分裂并趋于稳定。形成的最古老的地壳块体被称为“克拉通”，它们是地球上最稳定的部分，为后来的大陆漂移和地质活动打下了基础。

在这段时间，火山活动依然十分剧烈，源源不断地向大气层喷出气体。早期的大气层与今天截然不同，由二氧化碳、甲烷、氨气和水蒸气等气体构成，几乎不含氧气。这些气体主要来自活跃的火山喷发。随着地球表面的温度继续降低，蒸发到空气中的水蒸气逐渐凝结为雨水，填充了低洼地带，最终形成了最早的海洋。这些原始海洋不仅是地球环境的一大转折点，也是生命起源的重要场所。

图7：原始海洋的形成

也是大约在40亿年前的时候，地球上出现了最早的生命迹象。虽然这些早期生命形式极其简单，但它们开启了地球生物演化的漫长历程。最早的生命主要是微小的单细胞生物，包括细菌和古菌，它们生活在缺氧的环境中，依靠化学合成或其他非光能的方式生存。这些生物常常在海洋深处的热液喷口附近栖息，因为那里有丰富的化学物质供它们代谢利用。这一时期的地球大气中几乎没有氧气，充满了甲烷、二氧化碳和氨等气体，厌氧生物在这样的环境中蓬勃发展。

图8：细菌结构

这一阶段，地球从熔融的火球演化为有固态地壳、海洋和简单生命的星球。这些变化使地球逐渐从一个贫氧、炽热的星体，向一个稳定且具备孕育生命条件的世界迈进。尽管当时的大气与今天相比依然极不相同，但这些变化为复杂生命形式的诞生打下了坚实的基础。

2.4更复杂的生命和“大氧化”事件

随着时间的推移，一种新的生命形式——蓝藻（也称蓝绿藻）在大约35亿年前出现。这些蓝藻通过光合作用捕获太阳能，将水和二氧化碳转化为能量，并释放出氧气。尽管这一过程开始时的氧气并没有直接进入大气层，而是与海水中的铁等元素结合形成铁氧化物，但随着光合作用的持续进行，氧气逐渐积累，最终超过了海洋和岩石对氧气的吸收能力。大气中的氧气含量开始上升。

这个氧气释放过程并非一蹴而就，持续了数亿年，直到大约23.3亿年前，地球经历了历史性的大氧化事件（Great Oxidation Event, GOE）。这是大气中氧气含量首次大规模上升的时期，对地球的生物圈和环境产生了深远影响。氧气的积累为能够耐受氧气的生物提供了生存机会，同时对厌氧生物来说，氧气是一种有毒的气体，导致了它们的大规模灭绝。

这场“氧气灾难”是地球生命史上的一次重大转折。大氧化事件不仅改变了生物的生存方式，也深刻地影响了地球的气候。氧气与甲烷等温室气体发生反应，减少了大气中的温室效应，导致了全球气温的下降。

图9：蓝藻

这一极端的气候变化虽然对生物产生了巨大压力，但也推动了生物的进一步进化。氧气的积累为复杂生命形式的出现奠定了基础。有氧呼吸的高效能量转换方式，使得生物体可以支持更加复杂的功能，这为多细胞生物的进化提供了动力。在大氧化事件之后的数亿年间，地球上开始出现早期的多细胞生物。大约在16亿年前，多细胞生命形式开始显现，这些生命体通过细胞分化和分工，能够实现更复杂的生物功能。从最初的单细胞生物到多细胞生物的出现，生命在数十亿年的演化中逐渐复杂化。而大氧化事件不仅是这一过程中关键的生态转折点，也展示了生命与地球环境之间的紧密互动：生命改变了地球的化学环境，同时环境的变化又推动了生命的进化。

图10：菌落多细胞生物

2.5雪球地球

大约在距今7.5亿到6.35亿年前，地球仿佛变成了一颗巨大的冰雪星球（23亿年前到21亿年前也发生类似情况）。或许你曾看过动画电影《冰河世纪》，影片中，巨大的猛犸象曼尼、活泼好动的树懒希德和敏捷的剑齿虎迪亚哥，在寒冷的冰原上踏上了充满挑战的冒险旅程。

图11：电影《冰河世纪》

然而，影片所展现的冰川时代，只是距今约两百万年前的冰河时期。而在地球的漫长历史中，还有过比这更加寒冷、严酷的时期——“雪球地球”。从两极到赤道，整个地表几乎被厚厚的冰层覆盖，地球宛如一个白色的雪球在太空中旋转。那时的海洋被冻结，曾经波涛汹涌的海水变成了静止的冰面；陆地上，山脉被冰雪掩埋，唯有少数山峰刺破苍穹，宛如冰封的巨剑指向天际。寒风在冰层上肆虐，卷起晶莹的冰屑，仿佛为这片冰封的世界谱写着一曲冷酷的乐章。

图12:雪球地球

“雪球地球”的形成并非偶然。多种因素使地球陷入了深度冰冻。23亿年前到21亿年的第一次“雪球地球”（也称赫顿期雪球地球），它的成因与大氧化事件密切关联。蓝藻等原始光合作用生物在地球早期通过光合作用产生大量氧气，导致大气中氧气含量急剧增加。氧气与大气中的甲烷发生反应，甲烷被氧化为二氧化碳和水。甲烷是一种强效温室气体，减少甲烷会大幅削弱温室效应。

第二次雪球地球则是由与板块运动使大量陆地集中在低纬度地区，导致陆地风化加剧，这一过程中消耗了大量的二氧化碳，削弱了温室效应。而太阳辐射强度在那个时期可能较弱，种种因素叠加，最终将地球推向了极寒的边缘。然而，极端的冰封并未终结地球上的生命，反而成了生命演化的关键转折点。尽管地球大部分地区被冰层覆盖，但在冰层下的海洋中，生命顽强地存活下来。在这严苛的环境下，生物不断进化，适应极端的寒冷与缺氧环境。

当“雪球地球”时期结束时，随着冰层的融化，大量储存在冰层中的营养物质被释放到海洋中，促使了生命的复苏和爆发。新的物种迅速涌现，地球的生态系统也因此变得更加丰富多样，为后来的生命大爆发奠定了基础。

2.6生命的爆发又灭绝

在经历了“雪球地球”之后，地球的气候逐渐回暖，生命重新蓬勃发展。与此同时，地球的板块构造也在不断运动，塑造着行星的外貌。板块构造驱动着大陆的移动，不断形成和拆解超级大陆。大约在11亿年前，地球形成了超级大陆“罗迪尼亚”，然而到了寒武纪时期，罗迪尼亚超级大陆逐渐分裂，导致全球地质活动活跃，新的生态环境为寒武纪生命大爆发提供了条件。

大约在5.3亿年前，地球迎来了寒武纪大爆发，这是生命演化史上最为重要的事件之一。

图13：寒武纪生物大爆发

这个时期，复杂的多细胞生物在短短几千万年内突然大量出现，海洋里涌现出无数新的物种，动物们首次拥有了外骨骼、眼睛、感官器官和捕食结构。如今许多生命的基本形态都可以追溯到寒武纪大爆发时期，如节肢动物、软体动物、棘皮动物等。这一时期的地球，海洋充满了生命的活力，而生命开始以复杂的方式占据不同的生态位。其中，我们所熟知的古生物-三叶虫，就是其中之一，他们头部似弯弓，复眼闪烁。胸部如铠甲，分节明显，纹理交织，尾部狭长，背甲坚硬，两条深沟造就对称之美。地球至今保留有许多他们的足迹。

图14：三叶虫化石

图15：三叶虫还原图

大约在3.8亿年前，鱼类中的某些物种由于环境的变化开始进化出适应陆地生活的能力。由于水体中的氧气时常短缺，这些鱼类不得不寻找新的呼吸方式。它们的鳃逐渐弱化，演化出能够呼吸空气的肺，同时，鱼鳍进化成了四肢的前身，使它们能够在水面上“爬行”或短暂地离开水域。这一演化过程让它们不仅可以应对缺氧的水域，还可以在陆地上寻找食物。

随着时间的推移，板块运动继续影响着地球的面貌。大约在3亿年前，地球又一次经历了超级大陆的聚合，这一次形成了“盘古大陆”。

图16：最著名的超大陆-盘古大陆

盘古大陆的出现带来了大陆性气候和海洋的深刻改变，引发了大量生物的分化。巨大的内陆干旱地区和沿海湿润地区共同塑造了生物的进化路径。最突出的便是爬行类动物在中生代（2.5 亿年 - 6500 万）迅速崛起，并辐射出各式各样的支系，除绝大部分在陆地生活外，有的还重返水域成为水生爬行动物，有的侵入空中成为飞翔的爬行动物，它们是脊椎动物进化史中第一个成功占据海陆空三大领域的代表，统治地球长达一亿多年，因此中生代也被称为 “爬行动物时代” 或 “龙的时代”。

图17：爬行动物统治地球

恰如故事似乎有高潮就会有结尾般，大约在6600万年前，地球经历了一场剧烈的灾难，可以说是生物演化史上最著名的灭绝事件之一——一颗直径约10公里的小行星撞击了今天的墨西哥尤卡坦半岛。

图18：小行星撞击地球

这次撞击产生了巨大的能量，造成了全球性的气候变化，天空被尘埃和气体覆盖，阳光无法照射到地表，导致气温急剧下降，生态系统崩溃。撞击引发的连锁反应使得当时的许多物种，特别是恐龙在短时间内灭绝。白垩纪-第三纪大灭绝不仅终结了恐龙统治的时代，也标志着哺乳动物时代的到来。哺乳动物凭借较小的体型和更适应极端环境的生理特征，逐渐占据了主导地位，最终演化出了我们今天熟知的许多物种。这场大灭绝事件是地球生物演化史上的又一次重塑。生命虽然在这一刻遭遇重大挫折，但也正是由于这场灾难，新的生命形态得以崛起，地球的生态系统经历了深刻的变化，为人类的最终出现铺平了道路。

图19：恐龙的灭绝

2.7人类的崛起以及带来的改变

白垩纪-第三纪大灭绝事件终结了恐龙在地球上的统治，但地球的生命进程并未因此中断。随着恐龙的消失，地球进入了一个新的时代——新生代。经过漫长的生态恢复期，哺乳动物逐渐成为主宰。那些体型较小、适应性强的物种，迅速扩展到各种生态环境中。

新生代早期，地球气候温暖湿润，森林广泛覆盖，这为哺乳动物的多样化发展提供了理想条件。从灵长类到大型食肉动物，物种逐步进化与繁盛。这一时期，地壳板块继续漂移，逐渐塑造出今日的大陆形态。与此同时，南北极地区开始形成冰盖，标志着地球进入了冰期循环。气候波动和海洋变化不断重塑地球的生态系统，物种在适应与灭绝之间徘徊，生物多样性经历了一次次高潮和低谷。

图20：演化时间表

人类也从地球历史的幕布上逐渐走到最前排，约700万年前，早期人类的祖先从非洲大地上开始直立行走，这一行为为后续的工具使用、智力发展奠定了基础。经历漫长的演化，早期智人的出现和演化，逐渐推动了他们的适应能力和创新意识。

农业革命、工业革命更是将人类推到的一个前所未有的高度之上，农业革命后，土地的广泛开发和耕作对地球的自然环境产生了深刻影响。自此，人类大规模砍伐森林，尤其是在亚马逊、东南亚和非洲等地区，全球森林覆盖率显著下降。栖息地丧失、物种灭绝的现象频发。根据联合国的统计，过去100年间，全球已失去了大约一半的热带雨林。这不仅影响了全球的碳循环，还加剧了气候变化。

工业革命以来，二氧化碳排放量急剧增加，导致全球气温上升。极端天气事件如热浪、飓风、洪水的频率也逐年增加。气候变化加速了冰川的融化，显著影响了南极和格陵兰岛的冰盖，海平面上升威胁着全球沿海地区的居民。自19世纪以来，人类活动已经导致超过80万种物种的灭绝，包括如旅鸽、大海牛等标志性物种。过度捕猎、栖息地破坏、污染及气候变化，都是导致生物多样性危机的主要原因。

如今，人类活动的痕迹遍布全球。从城市建筑到交通系统、能源使用与消费模式，地球的每一个角落都受到了影响。科学家们提出了“人类世”（Anthropocene）这一概念，来描述由人类主导的地质时代。气候变暖、物种灭绝和海平面上升，无不与人类活动有着千丝万缕的联系。这些问题警示我们，人类已不仅是地球的生物之一，更是决定地球未来的重要力量。

3. 今天的地球，

依然是那个原来的地球吗？

自46亿年前诞生以来，地球经历了从炽热的熔融球体，到月球的形成、海洋与大气的诞生，再到“雪球地球”期的极寒封冻和生物大爆发。我们见证了恐龙的统治与灭绝，也目睹了人类的崛起和对地球的深远影响。这一系列重大事件，使地球在每个阶段都与之前截然不同。它的面貌、气候、生物和地质都在不停变迁、进化与重塑。这时候我们不禁要问“今天的地球，依然是那个原来的地球吗？”

图21：地球时钟

回到最初“忒修斯之船”这个哲学问题，我们不妨看看哲学家如何回答的。

如果按照古希腊的德谟克利特（Democritus）和伊壁鸠鲁（Epicurus）的物质主义观点角度来看，一个物体的同一性依赖于其物质组成部分。如果所有部分都被替换，那么这个物体就不再是原来的那个物体。因此，最后被完全替换的船已经不再是忒修斯之船，而是一艘全新的船。似乎正如哲学家赫拉克利特所言“人不能两次踏进同一条河流。”自然发生变化的船也不再是同一条船。但如果依照亚里士多德的“实体论”观点来看，物体的同一性更多由它的“形式”或“本质”决定，而不是它的物质。因此，即使忒修斯之船的物质（木板）被完全替换，它的形式（即它作为“忒修斯之船”的概念）依然保持不变（可以简单理解为结构功能没有变化）。因此，在亚里士多德的观点下，船依旧是“忒修斯之船”。

似乎问题的关键就是在于我们如何看待“事物（身份）的同一性”和“物质的连续性”之间的关系。约翰·洛克（John Locke）在《人类理解论》提出的“个人同一性”的概念。他提出，物体的同一性取决于其“持续存在的生命体”或功能性整体，而不是其物质组成。因此，按照洛克的观点，忒修斯之船在物质上发生变化后，依然可以被视为同一条船。但莱布尼茨也曾提出同一性原则，强调事物的本质取决于它所有的属性。因此，根据这个逻辑，忒修斯之船替换木板的过程如果使其与原来不再完全相同，那么它已经不是原来的船了。

在忒修斯之船悖论中，由于对“同一性”的定义和理解的不同，所以至今没有定论。更现代的观点如，物理学家和哲学家德里克·帕菲特 (Derek Parfit) 认为“同一性”并不像传统认为的那样重要，个人身份或物质同一性可能并不是问题的核心。取而代之的是“心理连续性”或“功能连续性”更为重要。

我们当然可以认为，地球已不再是最初的那个地球，因为地球的物质、形态、气候和生态都经历了极大的变化；但我也依然可以把地球叫做地球，因为地球的本质依然保留着它作为一个行星的核心特质：它围绕着太阳公转，承载着生命，拥有独特的地质循环和内部动力系统。因此，尽管它经历了无数的改变，地球在某种意义上仍是“那个”地球。也揭示了地球不仅是一个持续变化的动态系统，也是一个能够适应、恢复甚至进化的星球。

所以：地球既是原来的地球，也是一个不断演化的全新星球。每一次改变都是其成长的过程，而这些改变本身，正是地球之所以成为地球的原因。尽管经历了许多次改变，它的身份依旧与最初息息相关，既承载过去的痕迹，又指向未来的可能性。

End

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来源：石头科普工作室

编辑：二分

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