地球的悠久历史始于一个史诗般的序幕：与火星大小的太空岩石的碰撞撕裂了这颗年轻的行星，并抛出了形成月球的碎片。在接下来的几十亿年里，情节曲折。海洋形成。生命出现。太阳能驱动的微生物向空气中释放氧气。巨大的环境变化重塑了地球表面并推动了早期生命的进化。
在经历了这个快速变化的狂野时期后，一切开始放缓。大约 18 亿年前，气候趋于稳定。氧气水平趋于稳定。进化似乎停滞了。大约 10 亿年的时间里，地球上没有发生太多变化。科学家称这段时期是地球历史上最沉闷的时期。它被称为“无聊的十亿年”。
但科学家们正在重新审视这十亿个无聊的生物，并提出了截然不同、令人着迷的替代方案。最近的研究将这个时代重新塑造为生命史上可能至关重要（且绝对有争议）的一章，不久之后，随着动物的出现，生命史发生了新的转折。
一些地球化学家表示，最近对亿万年前地球大气中缺氧环境的测量提供了一个更有力的论据，证明当时的环境阻碍了动物的进化，直到大约 8 亿年前地球大气时代结束、氧气含量上升之后。生物学家反驳即使在氧气极少的情况下，动物也能出现并存活下来。对现代海绵进行的新实验支持了这一理论。生物学家说，这一时期不是发展放缓的时期，而是简单生命和现代动物之间最重要的进化垫脚石时期。一些科学家甚至提出，新兴动物应该为提高氧气水平和结束无聊的十亿年而受到赞扬。他们说，生命才是主导，而不是环境条件。
加州大学河滨分校的地球化学家蒂莫西·莱昂斯认为，弄清是什么让地球摆脱了单调的中年时期，将揭示复杂生命出现的原因。它甚至可能揭示什么可能支持或阻碍遥远星球上生物的出现。
“长期以来，人们普遍认为无聊的十亿人口是极其平凡的，”莱昂斯说道，“但这是地球生命史上至关重要的一章，而且其中有一些基本问题我们还不了解。”
一口清新的空气
地球上第一次出现氧气是在 32 亿多年前，当时最早的光合微生物蓝藻进化而来（SN 在线：9/8/15）。这些细菌向环境中释放氧气。然而，当这些微生物死亡时，它们的遗体会腐烂并消耗氧气。通常情况下，蓝藻的生死不会产生净氧气增益。幸运的是，对于嗜氧生命来说，堆积的沉积物可以将腐烂的有机物埋在海底，并阻止氧气的减少。
在无聊的十亿年前，大约 24 亿到 23 亿年前，蓝藻向地球大气中注入了氧气（SN：10/10/09，第 11 页）。这次氧气含量上升被称为“大氧化事件”，它永久地改变了地球的化学成分，并消灭了地球表面几乎所有不耐氧的生命。
氧气的呼吸最终促使了被称为真核生物的复杂生命形式的进化，这些生物具有独特的细胞核和细胞器。早期的真核生物——动物和植物的祖先——出现在无聊的十亿年前，即 18 亿年前。在最初的几亿年里，单细胞和多细胞的真核生物勉强维持生存，而细菌和古细菌则毫无疑问地统治着地球的生态系统（SN: 12/31/11，第 12 页）。
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传奇历史
地球上的生命和氧气在数十亿年中一直紧密地纠缠在一起。在被称为大氧化事件的上升之后，氧气水平（蓝色）似乎稳定了大约 10 亿年，尽管缺乏关于大部分间隔的精确数据。在此期间，尽管超大陆形成和分裂，但地球仍然保持温暖，没有冰川（以雪花为标志）。
几十年来，许多科学家将“无聊十亿”缺乏真核生物扩张和进化（化石记录表明）归咎于氧气含量低。如今，氧气约占地球大气的五分之一；早期研究认为“无聊十亿”的氧气浓度为现代氧气浓度的 1% 到 40%。这是有道理的，因为大多数“无聊十亿”发生在中元古代，当时腐烂的有机碳物质埋藏在海洋沉积物下的速度呈扁平状。氧气的产生和消耗大致互相抵消。
低氧并不是这十亿年唯一的特征——其不变的性质与之前和之后的两个动态时代形成了鲜明对比：古元古代和新元古代。在这两个地质时期，有机碳埋藏的剧烈波动是常态。同样，虽然古元古代和新元古代包括地球的大规模冰冻，但没有大冰川期使这十亿年寒冷。据科学家所知，温暖而稳定的气候持续了数亿年。
田纳西大学诺克斯维尔分校的地质学家琳达·卡说，从科学角度来看，这 10 亿年前古元古代的稳定性让其黯然失色，而邻近更为活跃的时代长期以来一直吸引着研究人员的注意力。“如果你去那些令人兴奋的地方，就更容易获得资金，”她说。“你要么想研究动物进化的新元古代，要么想研究最古老的时代，因为最古老的时代总是很酷。”
但仔细观察后，科学家们现在发现这十亿年所特有的稳定性——在地球历史上是前所未有、从未重复过的——比其他时期的环境变化更难解释。
耶鲁大学地球化学家诺亚·普兰夫斯基说：“稳定碳循环和氧气水平的方法有很多。”但对于许多稳定机制来说，情况过于稳定。“很难想象你会如何继续前进。我们可以想象我们无限期地陷入一个无聊的系统的情况，”他说。而这显然没有发生。
然而，当时的信息仍然很少，这促使人们开始对 18 亿至 8 亿年前的生命条件进行新的探究。到目前为止，这些研究的结果揭示了一个令人惊讶的令人窒息的世界。
化学线索
调查古代环境需要一些巧妙的化学侦查工作。由于数十亿年前的古代空气或海水已经不复存在，研究人员只能在岩石中寻找原始条件的证据。
去年，Planavsky、Lyons 和同事们提出了一种追踪氧气的新方法在 10 亿年前的古元古代，氧气含量极低。研究人员仔细研究了这段时期沉积的海洋沉积岩的化学成分，发现当时的氧气含量比人们想象的要低得多。虽然之前的估计预测当时的氧气含量将高达现代浓度的 40%，但新的研究表明当时的氧气含量仅为当时的千分之几。
Planavsky 和同事寻找古代土壤中的细菌氧化大量锰原子以获取能量的迹象，这种情况只有当氧气含量高于现代的 0.1% 左右时才会发生。
这些微生物生活在陆地上，但研究人员在曾经的古老海岸线上寻找锰氧化的证据。氧化的锰反过来氧化土壤中的铬原子，留下明显的痕迹，化学线索从陆地传到了海洋。有些铬比其他铬更容易氧化。（铬-53 中的额外质量使其氧化频率高于其较轻的同类铬-52）。一旦被氧化，铬原子就会溶解在水中，并通过溪流冲入海洋。土壤中产生的任何铬不平衡最终都会被埋在海底。
在分析了来自钻井十亿的沉积岩后，研究人员去年报告称科学不存在这种铬-53过剩（SN：11/29/14，第 14 页）研究人员认为，在钻孔十亿年期间，氧气含量肯定低于锰氧化的 0.1% 阈值。
“氧气含量比人们想象的要低得多，”莱昂斯说，可能低到足以阻止动物的进化。
氧气在大气中形成臭氧层，但如果氧气含量像 Planavsky 估计的那么低，臭氧层就会非常薄，宾夕法尼亚州立大学地球科学家 James Kasting 说道。他表示，如此稀薄的臭氧使得数十亿年来冰河时代的缺失更难以解释。在中元古代开始时，太阳的亮度约为今天的 85%（SN：5/4/13，第 30 页）。由于太阳的热量减少了很多，要保持地球足够热以遏制冰河时代，就需要强烈的温室效应以捕获地球的热量。但卡斯廷斯说，当时单靠二氧化碳浓度还不足以解释高于冰点的温度。
深海微生物可以产生甲烷，有助于锁住地球的热量，但氧气的缺乏带来了一个问题：甲烷在紫外线下会降解；如果臭氧层几乎不存在，正如卡斯廷斯所说，甲烷就没有机会存在。
但温室效应肯定是起作用的，因为从地质构造学角度看，这 10 亿年并不枯燥。超大陆的形成和分裂使新岩石暴露在大气中。新岩石从空气中吸收二氧化碳，引发冰河时代。然而，在这 10 亿年中期，即 16 亿至 13 亿年前，一个名为努纳 (Nuna) 的超大陆聚集并分裂，但没有造成任何冰封。耶鲁大学地球科学家戴维·埃文斯 (David Evans) 表示，缺乏冰冻温度表明板块构造对地球气候的影响“并不像我们想象的那么强烈”。他怀疑，在这 10 亿年中，生物影响了环境并保持地球温暖。
埃文斯说，生命究竟在多大程度上改变了环境，环境又在多大程度上控制着生命，这仍然很难弄清楚。一些生物学家认为，生命不仅影响了温度，还引发了化学和气候变化，从而终结了枯燥的十亿生命。这些科学家认为，即使是微不足道的氧气水平也无法阻止进化的永无止境。
浅呼吸
长期以来，科学家一直认为，只有当氧气浓度升至现代浓度的 6% 至 10% 左右时，动物才会出现。动物通过咀嚼其他生命形式来获取能量。获取和消化食物需要大量氧气。因此，Planavsky 及其同事预测的十亿个无聊星球的低氧环境似乎不适合动物生存。
乍一看，化石记录似乎支持这一观点。第一批动物化石——海绵——直到大约 6.5 亿年前才出现，与大气中氧气含量的上升相吻合。但化石并不是完美的记录，其他证据表明动物起源于数千万年前，即无聊的十亿年前的最后篇章。
确定动物进化的时间，根据大气条件仅凭这一点很难，因为对早期动物氧气需求的估计是推测性的。经过数百万年的适应，今天没有早期动物活着来作证。南丹麦大学奥登塞分校的地质生物学家丹尼尔·米尔斯和唐纳德·坎菲尔德及其同事没有猜测古代动物可能如何生活，而是测试了一种现代类似物：海绵。他们的发现挑战观点米尔斯和坎菲尔德去年在《个人简历。
Mills 的团队研究了面包屑海绵（恐慌海藻）。这种动物并不是因为其耐寒性而被选中的。事实上，海绵没有特殊的适应低氧生活的能力，通常生活在含氧量高的浅水中。米尔斯选择海绵是出于方便：面包屑海绵在他所在大学海洋生物实验室附近的峡湾很常见。
米尔斯将这些黄色的团块浸入特殊的水箱中。他慢慢地、分阶段地降低水中的氧气含量，同时监测每块海绵的健康状况。当氧气含量骤降时，海绵似乎并不担心。米尔斯和同事们说，它们在含氧量仅为现代氧气含量的 0.5% 到 4% 的水中茁壮成长去年报告在美国国家科学院院刊。看来有些动物根本不需要那么多氧气。
米尔斯说：“如果我们回到中元古代，走出时光机我们就会窒息而死。但这并不意味着没有动物可以在那种条件下生存。”
米尔斯表示，虽然海绵没有在 Planavsky 及其同事后来预测的 0.1% 现代氧气条件下进行测试，但氧气水平可能并非无处不在。在产氧微生物群附近可能形成了含氧水囊，称为氧气绿洲。他提出，小动物可能出现在这些避难所中，过着与世隔绝的生活，直到 10 亿年后全球氧气供应激增。
哈佛古生物学家安德鲁·诺尔认为，在这种情况下，动物是在扫清进化障碍后出现的。动物和其他复杂生命的细胞生物学比早期真核生物更为复杂。他说，这些复杂系统的进化可能需要相对较长的时间，而且不会在化石记录中显现出来。
诺尔说：“在动物出现之前，一定发生了一些重要事件，比如细胞结构、基因组织方式等。这种进化水平并没有留下特别引人注目的化石记录，而是发生在枯燥的十亿年前。”
哪一个先出现？
一些科学家，包括剑桥大学古生物学家尼古拉斯·巴特菲尔德，进一步指出，第一批动物可能是造成十亿年前末期环境变化的原因。
8 月，在布拉格举行的戈德施密特会议上，巴特菲尔德认为，早期的海绵改变了构图地球的海水。海绵每天可以过滤数百升水，筛选出会腐烂并降低氧气含量的有机碳。巴特菲尔德认为，结果是早期动物间接增加了地球海洋中的氧气，帮助地球摆脱了十亿年的沉闷。
“当你发明动物时，它们会对周围水体的化学性质和质量产生巨大影响，”巴特菲尔德说。“这是一个漫长的准备期，但一旦动物进化，一切就都好了。”
然而，许多科学家并不相信动物是在这亿万年前的恶劣环境中出现的。6 月，在芝加哥举行的天体生物学科学会议上，与里昂斯一起在加州大学河滨分校工作的地球化学家道尔顿·哈迪斯蒂提出，动物生存的环境比以前想象的要恶劣得多。哈迪斯蒂测量了这亿万年前岩石层中的化学痕迹，发现来自海洋深处的低氧水经常与地表水混合。这混合可能阻止了氧气绿洲无法存活足够长的时间来养活早期动物。
深海水可能还带来了致命的物质：深海微生物产生的硫化氢。哈迪斯蒂说，硫化氢通常对动物有毒，可能使浅海不适合复杂生物生存。
莱昂斯喜欢将话题引向更离奇的问题。他说，无论是进化的障碍还是有毒的环境，确定是什么推迟了动物的出现对于理解其他星球上生命所面临的挑战至关重要。大约 5.42 亿年前，在寒武纪动物多样性大爆发之前，地球上出现了十亿个无聊的生物。
他说，了解是什么打破了数十亿年单调乏味的循环，将阐明复杂生命在宇宙中是否普遍存在，还是只是偶然。随着新望远镜捕捉到系外行星大气层的踪迹，了解地球古代大气如何与早期生命相互作用将有助于天体生物学家推测什么样的生命形式可能依附在遥远的行星上。
目前，这十亿个无聊的星球将继续成为研究生命与环境之间相互作用的温床，但并不完全无聊。
“我其实很乐意继续称其为无聊的十亿，但总是带着一丝嘲讽，”莱昂斯说。“从科学上讲，它一点也不无聊，我喜欢其中的讽刺意味。我永远不会改变这个名字。”
本文刊登于2015年11月14日的科学新闻标题为“地球的（不那么无聊的）十亿：当地球氧气稀缺时，动物可能会不为人知地出现。”
