2 蓝色星球

红棕星球

地球刚形成的时候呈现出红棕色调：大地为橙红色，天空为棕灰色。地球成为蓝色星球，是因为大地和天空主色调都变成了蓝色。在地球早期，火山熔岩使大地呈现橙红色，经过几亿年的冷却，海洋形成，地表转变为蓝色调。

天空的颜色来源于太阳光的散射。今天大气的主要成分是氮气和氧气，合计占比达到99%，氧气和氮气的分子尺寸有效散射蓝光，使天空呈现蓝色。然而早期大气来源于火山喷发和地幔逸气，氮和氧的浓度极低，呈现棕灰色调。

地球富含硫、氢、碳，早期大气主要由这些元素及其化合物组成。大气具备极高的流动性，性质活泼的成分通过化学反应被吸收固化，逐渐流失，也可能因太阳风或热运动从地球逃逸。氮元素一来化学性质稳定，二来原子量大难以逃逸，是天然的大“永久居民”。虽然地球中氮元素含量较低，但是在地质变迁的长期积累中，今天氮元素在大气层中占比达到了78%，除了深藏在地底难以被交换出来的部分，绝大部分氮元素都在大气中。

现代大气第二大成分，占比21%的氧则和氮完全相反，是化学性质极度活跃的元素，这是一个非常意外的发展。虽然氧元素占地球总质量达到30%，仅次于铁，但是氧元素总是和其他元素进行化学结合形成化合物，自然状态下几乎不会存在游离态的氧，因此原始大气不含氧。

光能生命

早期生命依托特定的化学环境存在，富铁环境中的生命进行铁呼吸，富硫环境中的生命进行硫呼吸，等等。因为依赖特定的化学反应获得能量，被统称为为化学能生命。这种特别富集的化学环境成为生命热点，也是生命分布的局限条件。绝大部分地区不具备极端的化学属性，不能支持生命存在。

光合作用生命超越了对地点的高度依赖，这种生命依然通过复杂的化学反应合成有机物，但是它们的能量来源是光能，因为不依赖化学能，被称为光能生命。光合作用所需物质是水和二氧化碳，所需能量是太阳光，因为阳光和二氧化碳遍布全球，这意味着有水的地方都可以成为栖息地。所谓有水的地方，并不局限于地球表面超过70%的水体。人类看来不存在水源的地方，在微观生命的尺度，存在大量足以维持光合作用的湿气。因此，光能生命阶段，生命开始全球普遍分布。

光合作用会产生氧气作为副产品，光合生物持续的氧气排放，最终使无氧大气变成了有氧大气。

蓝藻菌

蓝藻菌可能在40亿年前出现，是最成功的光能生命。蓝藻菌的繁盛从最开始一直持续到今天，被认为是生命史上最成功的物种。蓝藻菌被认为是有氧大气的主要开创者。

蓝藻菌排放的氧气首先被环境物质捕获，因此蓝藻菌先是氧化了所在环境。十几亿年之后，环境吸收能力达到饱和，氧气进入大气，使大气有氧化。这就是大气氧化事件，氧气对大多数物质产生强大的化学腐蚀效果，在地表造成广泛而剧烈的环境变化，因此又名氧气灾变。

大气氧化事件

海洋里生存着大量光能生命，局部环境已经被饱和氧化，缺少生命的陆地受到有氧大气的冲击更大。当时陆地上没有土壤也没有植物，以裸露岩石为主。降雨四处流淌却没有水道，直到被蒸发。是大气氧化侵蚀软化了岩石，使降雨得以冲刷出水道，于是河流、湖泊和海岸线出现，构建出汇聚海洋的陆地水网。这构成了广泛的地形地貌改变的一部分。

大冰期

大气本身也遭到氧化，大气中的甲烷和氧气反应变成二氧化碳和水蒸气。甲烷是强温室气体，其消失削弱了大气温室效应，地表温度降低，连赤道地区也发生冰冻，形成雪球地球。这便是第一次大冰期。永久冰川是地球处于大冰期的标志性事件。第一次大冰期于24亿年前出现，持续到21亿年前，在此之后大冰期重复发生，成为大气氧化事件之后定义地球气候的结构性事件。今天南北两极存在永久冰川，证明地球正处于一次大冰期中。

已知的大冰期数据显示，地球平均气温可能降低超过10摄氏度，有些大冰期降温幅度会低于10摄氏度。对于动物来说，10摄氏度的平均气温降温幅度是毁灭性的打击，但是在宇宙维度上，这种程度的温差变化其实微不足道。水星昼夜温差可达600摄氏度，而金星几乎没有昼夜温差。在第一次大冰期之前，地球平均气温变动幅度也要更大。也就是说，大冰期实际上开启了地球平均气温更加稳定的时代，而不是相反。原始生命能适应极大的温差变化，但几亿年前才出现的动物对温度变化极度敏感，这从侧面证明了地球温度在大冰期后更趋稳定。

大气中的游离氧元素形成臭氧层，吸收了来自太阳的大量紫外辐射，这些辐射对生命的威胁极大，因此臭氧层在生命环境的稳定性中扮演了不可或缺的角色。

真核生命

有氧大气对原始化学能生命也造成重大威胁，它们依赖的特定化学环境遭到重大破坏，它们的无氧新陈代谢方式也被无所不在的氧化反应威胁。生命在大氧化时代经历了一场重大灭绝危机。

原始生命原本具备在恶劣环境下的极高生存能力，渡过大氧化时代后，在更稳定的生命环境中，几乎难以出现危及物种存亡的环境危机。就好像蓝藻菌统治地球长达40亿年，很多远古物种也一直生存到今天，动物世界残酷的生存竞争形成的刻板印象，并不适用于微观生命界。

有一些物种继续在无氧环境中存在，譬如生活在人体内的多种细菌；还有一些物种进化出有氧呼吸方式。两种呼吸方式在人体中都被采用。在有氧运动中，细胞利用氧气分解葡萄糖和脂肪，提供能量；运动强度提高，细胞供氧不足时，通过发酵分解葡萄糖和脂肪。简单来说，有氧呼吸是燃烧，而无氧呼吸是发酵。同样一个葡萄糖分子，通过有氧呼吸消耗释放的能量是无氧呼吸的解决20倍。

有氧呼吸让生命发生了一次能量跃迁，新的可用能量开启了新的进化领域，使复杂生命成为可能。这便是真核生命，动物、植物以及人都是真核生命。真核生命拥有细胞核，即位于细胞内部，由细胞膜包裹的细胞器，或者复杂亚细胞结构。此前的原核细胞生命内部并无亚组织，基因物质没有细胞膜保护，漂浮在细胞质中。

真核生命的进化路径更加丰富多彩。例如，有一些复杂生命是通过吞噬和共生产生的，植物细胞普遍含有的叶绿体和动物细胞内普遍含有的线粒体属于内共生体，拥有自己的独立遗传体系。人类胚胎形成时，精子内的线粒体会被卵子排斥，受精卵的线粒体完全来自于母体。因此，人类的线粒体基因几乎完全来自于母亲，基因研究基于这个原理发展出一些很有用的研究。

氧气坍塌

蓝藻菌也发生进化，开始有氧呼吸。这对大气氧浓度造成了一些非常有意思且非常关键的影响。

蓝藻菌进行光合作用生产有机物，同时排放氧气。蓝藻生产的有机物主要有两个用途：用于代谢以及用于身体构筑。蓝藻进行无氧呼吸时，并不会消耗氧气。当蓝藻进行有氧呼吸，一份有机物需要消耗一份氧气，正好与生产这份有机物排出的氧数量相当，被呼吸消耗的有机物的氧气净排放于是归零。

用于构筑身体组织的有机物的氧气净排放在身体死亡后结算。微观生物拥有某种永生特质，难以准确判断其死亡时点，但是蓝藻菌组织经常性的坏死脱落，此时发生结算。构成生命组织的有机大分子无法完全自然降解，通常称为异养微生物的食物。如果异养微生物进行有氧呼吸，那么这部分有机物的氧气净排放也会归零。死去的身体组织也有可能被埋藏并化石化，这种情况下，化石化的组织在重新露出地面并被氧化之前，其氧气净排放将永远为正值，为大气氧浓度做出贡献。只不过，化石化取决于很多因素，例如骨头因为够坚固较易变成化石，蓝藻菌的身体组织没有复杂到那种程度，化石化的难度很高。

总而言之，有氧呼吸出现以来，蓝藻菌的氧气净排放量开始直线下降，理论上可以降到零。大气氧化事件之后，发生了氧气坍塌事件。在大氧化时代，大气氧浓度峰值可能达到了1%。之后氧浓度开始持续下滑，可能跌破0.002%，这是无氧大气和有氧大气的分界线。

大气跌回无氧状态，蓝藻菌切换到无氧呼吸，大气氧浓度便会回升。很多微观生命和早期真核生命都有双模呼吸功能，以应对不稳定的大气氧浓度。人类虽然只进行有氧呼吸，但是体内一些细胞依然具备无氧呼吸功能。

无聊十亿年

18亿年前到8亿年前这段时间，地表环境、生物演化和岩石圈相比其他地质时代异乎寻常的稳定，马丁·布拉西尔将这段时间称为无聊十亿年。18亿年前的大气氧浓度依然极低，真核生命开始大量出现，但是氧浓度低下限制了生命大型化的空间，微观生命继续主导地球。

蓝色天空

在大氧化期间，天空开始转蓝，呈淡蓝色；在无聊10亿年间，天空呈深蓝色，带一点紫色调，色泽比今天呈明亮蓝色的天空更深、更暗。