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5.42亿年前到25亿年前，元古宙几乎占据了地球历史一半的时间，这是一个具有强烈反差的时期。它最初的5亿年间发生了许多值得关注的事件，这段时间见证了光合藻类的繁盛生长，以及随之而来的大气氧气的增加，曾经富含铁的海洋通过大量条带状铁建造的沉积而发生了改变，真核细胞开启了生物创新，它们把DNA序列隔离在细胞核中，这种细胞是所有动植物的前身。
元古宙中间的那10亿年，也就是所谓“无聊的10亿年”，是一段比较单调乏味、变化缓慢的时期，还到处充斥着刺鼻的味道。
相比之下，元古宙的最后3亿年可能是最具动态的，大陆经历着分裂和聚合，气候变得动荡不定，海洋和大气化学发生了巨变，动物生命开始兴起。
我希望我已经能让大家同意，地球系统存在着复杂的相互联系。在我们看来，空气、水和陆地是分开的圈层，它们在不同的时间尺度上变化着。天气每天都在发生变化；海洋变化的时间尺度超过千年；岩石循环需要数百万年；超大陆需要数亿年的时间，才能聚合和分裂。然而，每个地球系统都以或明显或隐蔽的方式相互影响着。
把我们居住的星球比作一座房子或许不是完美的比喻，但很有用。当你考虑买房子时，你想要了解很多事情，比如房子建成的时间，其中各种增建部分和装修的年代和构造。你想知道房子的建筑材料和其建造细节，从地基到屋顶都不落下。你需要了解管道系统及其水源，还有空气处理系统，比如炉子、空调及其能源。聪明的买家还会询问潜在的风险，比如火灾和一氧化碳、白蚁和木蚁、氡和石棉、漏水和发霉。地质学家同样研究地球的起源及其主要变化、岩石和矿物的性质、水和空气的运动、能源的出处，以及地质灾害带来的风险。
房子的比喻也能反映出地球的一些复杂行为，因为不同系统通过负反馈和正反馈回路，有时以一种惊人和意外的方式相互连接。在寒冷的冬日，当室内温度低到让你不舒服时，恒温器就会做出反应，打开炉子，温度升高。一旦房子暖和起来，炉子就会关闭。在炎热的夏天，如果室内温度太高，类似地，空调就会启动来做出反应。地球也通过许多相似的负反馈回路来运转，这些回路帮助地球在地表及地表附近的温度、湿度和成分基本维持稳定。比如，海洋变暖会导致云的增加，云将阳光反射回太空，从而使海洋降温。同样，大气二氧化碳的浓度上升会导致全球变暖，加速岩石风化，而这个过程会逐渐消耗过量的二氧化碳，反过来使地球冷却。
房屋偶尔也会显示出强化或“正”的反馈，有时还会带来不良的后果。如果你的取暖系统在寒冷的冬日出了故障，水管有可能结冰爆裂，导致冷水涌进屋里，让房子变得更冷，更不舒适。如今有关地球气候变化的许多不确定性，都集中在潜在的正反馈回路及其临界点上。海平面上升会导致沿海地区发生洪水，而这可能带来更多的蒸发和降雨，进而导致沿海地区发生更多的洪水。海洋变暖可能导致洋底及洋底之下富含甲烷的冰大面积融化，将温室气体甲烷释放到大气中，导致更大程度的变暖，从而又会释放出更多的甲烷。我们只要看看姐妹行星金星上失控的温室效应就知道了。金星有一层厚厚的二氧化碳大气，其表面温度达到900华氏度，不受约束的正反馈可能潜藏着灾难性的影响。
从某种程度上说，无聊的10亿年真的很无聊，它是许多负反馈生效的结果，这些反馈约束着变化的发生。在那段漫长的时间里，尽管陆块在全球范围内迁移，超大陆反复地合并和分裂，但地球的气候似乎一直相当稳定。没有大冰期，富含硫但缺氧的海洋的化学变化不大，生命也没有以任何显著的新方式进化。一些新的矿物品种出现了，但没有明显的转折点改变空气、陆地或海洋。
随着罗迪尼亚的分裂，所有这一切都将变得不同。
分裂
与地球从8.5亿年前到18.5亿年前神秘的平静期形成鲜明对比的是，接下来的数亿年间，我们的星球经历了历史上最为迅速和极端的近地表波动。大约8.5亿年前，地球上大部分大陆块仍然聚集在赤道附近，是干燥且毫无生机的罗迪尼亚超大陆的一部分。广阔的米洛维亚海洋上也许只有一些孤立的火山岛弧，包围着这片裸露的、锈红色的超大陆。不宜生存的大气中包含的氧含量只有今天水平的一小部分，氧含量太少了，不足以形成阻挡紫外线的保护性臭氧层。如果一个时间旅行者有可靠的氧气供应，有足够的防晒霜，也许可以靠乏味的藻类为食，在海岸线附近活下来，但在这个荒凉的新元古宙世界里，生存不会容易。
罗迪尼亚不平衡的陆地和海洋布局注定不会持续下去。在地球历史的大部分时间里，气候因为负反馈而变得缓和。可以肯定的是，在整个地球的历史上，气候一直在变化，但波动很少达到危及生命的极端情况。然而，从大约8.5亿年前开始，数次变化打破了之前的平衡，把地球推向了一个气候临界点。最重要的是，赤道的罗迪尼亚大陆逐渐解体。8.5亿年前，刚果和卡拉哈里克拉通（现在是南部非洲的一部分）开始从原本完整的超大陆向西南分离，这第一次分裂的规模不是很大。大约8亿年前，第二个小裂谷带将西非克拉通孤立，把它从主大陆向南移动过去。到了7.5亿年前，罗迪尼亚的破裂开始全面进行，这一时期，广泛的火山链和玄武岩熔岩流揭示了地壳的主要裂缝。超大陆一分为二，一条南北走向的裂谷带将乌尔向西分离，东部则是劳伦、波罗的、亚马孙和其他较小的克拉通组成的大陆群。
超大陆的变迁
伴随着裂谷出现的是数千英里的新海岸线，急剧的海岸侵蚀也随之而来。动态沉积盆地在克拉通之间的海洋中形成，这标志着地球岩石记录中长期的停滞已经结束，从中元古宙开始沉寂了近2.5亿年的沉积岩堆积重新出现了。微生物生命在这个不断变化、支离破碎的世界里繁衍生息。被侵蚀的土地为光合藻类提供了矿物营养，而光合藻类曾经长期受到海洋中磷酸盐、钼、锰和其他基本元素有限储量的限制。古生物学家构想了这样一个年代，地球上有许多浅水的砂质潮汐带，上面有厚厚的绿色丝状微生物组成的微生物席，近海水域被臭气熏天的水藻漂浮物堵塞住。
构造事件进一步改变了地球的海洋、大气和气候。大气中氧含量增加，部分原因是沿海藻类的肆意繁殖，也正因为藻类生物质的增加，有机碳被快速埋藏。纵观地球历史，富含碳的生物质一直是氧的主要消耗者。腐败的生物质越多，耗氧就越快。（森林火灾代表着这种持续的耗氧现象的一种异常迅速的发生形式。）类似地，富含碳的生物质被埋藏得越快，氧水平上升得就越快。但我们怎么知道生物质是否被埋藏了呢？原来，石灰岩在浅海海底沉淀了富含碳的矿物层，它保存了一份可以说明问题的精细记录。
石灰岩中碳的同位素显示，藻类的产量发生了变化。生命的基本化学反应，比如光合作用将水和二氧化碳转化为糖，总是会浓缩较轻的碳-12，而不是较重的碳-13。因此，与石灰岩中的无机碳相比，生物质中的碳（也就是藻类，无论死的还是活的）总是“同位素较轻的”。在正常时期，当微生物生命繁衍，海洋中较轻的碳被耗尽时，石灰岩就会显示出相应的重同位素的特征。在生物质以异常高的速度被埋藏时，随着更多较轻的碳同位素被系统性地从海洋中移除，剩余的碳就会使石灰岩变得比平均水平更重。果然，在7.4亿年前到7.9年前，罗迪尼亚海岸沉积的石灰岩异常地重。在这段时间里，藻类一定在以前所未有的速度扩散和埋藏。
这种肆意的生命繁衍可能对地球的气候产生了重大影响。微生物会消耗温室气体二氧化碳，而二氧化碳是通过火山喷发到大气中的。在正常时期，二氧化碳的输入和输出是平衡的，因此大气浓度会保持相对恒定，但在新元古宙藻类快速生长的高峰期，二氧化碳水平可能会下降，从而降低温室效应。
另一个与二氧化碳有关的相当复杂的反馈回路，可能同时增强了地球的冷却。罗迪尼亚的裂谷作用引发了数千英里的新的海底火山活动，它们形成了炙热的低密度洋壳。与之前相比，这种炙热上浮的地壳使较浅的海洋更易形成，平均海平面因此上升。也就是说，在7.5亿年前之后的时期，地球上可能有许多内海。内海意味着有更多的蒸发和降雨，这将加快裸露岩石的风化。然而，岩石风化会迅速消耗温室气体二氧化碳，而更低的二氧化碳水平又会导致全球变冷。
就在罗迪尼亚分裂之前和分裂期间，大陆和海洋的独特位置可能在改变全球气候方面起到了额外的作用。海洋和陆地的反照率对比非常大，而反照率代表着反射或吸收阳光的能力。较暗的海洋的反照率相对较低，在这一过程中，海洋吸收了太阳的大部分能量，并逐渐变暖。相比之下，干旱贫瘠的陆地具有更高的反射性。像罗迪尼亚这样干燥而荒凉的超大陆，会将入射的大部分阳光反射回太空。海洋位于两极附近而大陆处于赤道附近，这种地理布局会加速所有的全球冷却事件，因为赤道接收的太阳能要比两极多得多。
这种全球范围的过程和复杂的反馈回路的细节仍在被解读中，但很明显，新元古宙的地球在经历了长期的相对稳定后，已经做好准备，迎接即将发生的巨大变化。
雪球地球-温室地球
7.5亿年前，地球进入了一个气候不稳定的时期，这种情况在这之前和之后都没有出现过。一切都始于一个严酷的冰期。
冰川留下了一套明确的沉积特征。最重要的是一些代表性岩石所形成的不规则的厚岩层，这些岩石被称为冰碛岩，沙土、砾石、棱角分明的岩石碎片和细石粉混杂其中。冰川还留下了基岩圆形的露头，它们被缓慢推进的冰盖摩擦，变得光滑。古怪的巨石和丘状的冰碛石也提供了更多证据，分层精细的纹泥沉积物同样如此，它们代表着季节性的径流进入了冰川湖。
世界各地的野外地质学家已经在5.8亿年前到7.4亿年前的岩石中发现了这些冰川特征，而这些岩石几乎出现在了他们研究的所有地方。事实上，1998年8月28日，当地质学家保罗·霍夫曼（Paul Hoffman）与哈佛大学和马里兰大学的三位同事在《科学》杂志上发表他们惊人的短论文《新元古宙的雪球地球》时，有关7.4亿年前气候突然剧烈变化的证据已经积累了几十年。霍夫曼和他的合作者们做出了惊人的突破，他们认为，在那段时间里，地球不仅经历了冰期，而且从两极到赤道都完全结冰了，这样的情况至少发生了两次。他们的主张部分基于对纳米比亚骷髅海岸上一系列岩石的细致实地观察，那里有厚厚的冰川冰碛岩沉积，古地磁信号表明，冰川靠近赤道，所在纬度约为12度。它们也不是高山冰川，这些冰碛岩显然是沉积在浅水区的海平面上的。相应地，赤道附近的气候也一定非常寒冷。相比之下，在地球最近的冰期，不断前进的冰川从未向南延伸到纬度45度以下的地方，而化石证据表明，即使在冰层范围最大的时期，热带地区也相对温暖。哈佛大学的研究团队发现了确凿的证据，证明新元古宙的冰层在靠近赤道的海平面上堆积。这么看来，地球就像一个雪球。
雪球地球概念图
巨大的冰盖
对于许多阅读霍夫曼1998年那篇文章的科学家来说，碳同位素为这种突发的灾难性变化提供了确凿的证据。人们推断第一次雪球地球来临于大约7.4亿年前，在那之前的千百万年里，藻类生物质的快速增长浓缩了较轻的碳同位素，同时代沉积在破碎的罗迪尼亚超大陆周围沿海水域的石灰岩则很重。而如果微生物的生产变缓或停止，通常来说，石灰岩中碳同位素一定会变轻。这正是霍夫曼和其同事发现的：在大约7亿年前，在冰川沉积物出现之前和之后，重碳的比例大幅下降了1%以上。
模型的出现依赖于嵌套的正反馈回路，每个回路都让地球变得越来越冷。其中一个反馈依赖于大陆风化作用，随着这一过程清除了空气中越来越多的二氧化碳，它在炎热潮湿的热带地区加速。当大量的光合藻类从空气中清除掉更多二氧化碳时，另一个反馈也出现了。与此同时，随着地球大气温室效应减弱，地球气候冷却，冰盖在两极开始形成和生长。干净雪白的冰雪将更多阳光反射回太空，这种正反馈让地球比之前降温更快。当冰盖蔓延到纬度越来越低的地区时，仍然温暖的赤道大陆和繁茂的藻类生态系统继续从空中吸收更多二氧化碳。地球的气候暂时失衡，它到达了一个临界点，白色的冰盖从两极向赤道延伸，最终可能包围了整个地球。保罗·霍夫曼和其同事提出，在最极端的“硬雪球”情况下，地球的平均温度骤降到-50华氏度，一英里厚的冰层包裹着地球。
千百万年来，地球被冰（或至少是湿冰[1]）包裹。白色的“雪球”地球无法吸收太阳辐射，似乎一直被锁在了冰茧里，因为温度从来没有上升到冰点以上。全球性的冰期几乎破坏了所有生态系统。地球之前丰富的微生物生命几乎被完全抹去。在海底热液喷口永恒的黑暗中，一些顽强的微生物生存了下来，它们已经在那里存在了数十亿年。其他少数存活下来的光合藻类一定是在火山暖侧附近的开放浅水区，或者薄冰裂缝能被阳光照射的区域找到了自己的栖身之所。
地球是如何从如此漫长寒冷的全球性冬季中恢复的呢？答案就在星球更深层不停歇的动荡之中。冰雪装饰的白色表面无法阻止板块构造运动，也无法减缓火山气体穿过冰层，从数百个黑色圆锥体中不断喷出。二氧化碳是一种主要的火山气体，它再次开始在大气中累积。由于陆地被冰覆盖，岩石风化和光合作用及时清除二氧化碳的过程几乎完全停止了。二氧化碳浓度逐渐上升到了10亿多年来从未达到的水平，最终可能达到了现代二氧化碳水平的几百倍，这引发了一种新的正反馈，即一种失控的温室效应。阳光仍然洒落在白色的景观上，但大气中的二氧化碳将辐射能反射回地表，从而造成了地球不可避免地变暖。
随着大气变暖，赤道上小块的冰千百万年来第一次融化了。随着深色的陆地暴露出来，更多阳光被吸收，变暖不断加速。海洋上的白色覆盖层也开始消失，太阳和地球表面之间的正反馈让地球变得越来越暖和。
气体箱子
许多科学家现在怀疑，另一种正反馈可能加速了全球变暖，这种机制在我们现代也带来了巨大的影响。甲烷（CH4）是最简单的碳氢化合物燃料，也就是我们家中燃烧的“天然气”，它同样是一种温室气体，但从分子的角度来说，甲烷比二氧化碳更能有效地捕获太阳的能量。数十亿年来，甲烷可能通过两种截然不同的机制，在海底沉积物中堆积。有关第一种机制的记录更为详尽，因此争议也比较少，这种机制和正常代谢循环中释放甲烷的微生物有关。这些产甲烷菌生长在缺氧的海洋沉积物中，靠近许多已知的甲烷储备地，因此，大型天然气矿床被认为是由于这些微生物的持续作用形成的。
近期的实验指向另一个更深层的可能的甲烷来源，这是一个完全不依赖生物的来源。一些科学家认为，在地壳深处与上地幔中，在深度超过100英里的地方，在极端的温度和压力下，水和二氧化碳能够与常见的含铁矿物反应，从而生成甲烷。高温高压下的实验试图模拟这些可能的地球深部反应。在地球物理实验室发表于2004年的一项高引研究中，博士后亨利·斯科特（Henry Scott）将两种常见的地壳成分方解石（石灰岩中常见的含碳矿物，碳酸钙）及氧化铁与水混合。斯科特将这些成分密封在一个钻石砧的压槽中，并用激光将样品加热到一千多度，这与在上地幔中发现的极端条件相同。别忘了，钻石砧的压槽最巧妙的地方在于，钻石是透明的，所以你可以观察到样品在反应中的变化。亨利·斯科特观察着样品室里形成甲烷的小气泡，水中的氢与方解石中的碳反应生成了天然气。在俄罗斯、日本和加拿大所做的其他实验发现，在一系列假设的地球深部的条件下，也会发生类似的碳氢化合物的合成。
这些实验对于理解新元古宙的全球变暖具有潜在的重要意义，因为甲烷可能参与了一种非常强烈的正反馈。储存在海底附近的大部分甲烷被困在一种叫作甲烷笼合物的奇妙化合物（俗称“可燃冰”）中，甲烷笼合物是一种包含水和气体的类似冰状的晶体混合物，会在大陆斜坡上形成露头。（实际上，这种冻住的甲烷冰在燃烧时会产生明亮的火焰，在网上找找视频就知道了。）大量的甲烷被固定在这些甲烷冰中，这里的甲烷储量是其他所有已知甲烷储量的数倍。这些冰是从下面升起的气体与冰冷的海水发生反应时形成的。还有大量甲烷冰被储存在北极的永久冻土中，这些土壤在西伯利亚、加拿大北部和其他地区冻结了成千上万年。
海水哪怕略微变暖，极端的气候正反馈也有可能发生，这会导致最浅层的笼合物沉积物融化，并向大气释放大量甲烷气体。这些甲烷明显加剧了温室效应，使海洋进一步变暖。一些科学家现在指出，新元古宙可能以灾难性的方式释放了海底甲烷，并以此加速全球变暖，这很可能在仅仅几十年内就让地球从冷变暖。
新元古宙的这种情景在很大程度上取决于甲烷的来源。如果微生物制造了海洋中的大部分天然气，那么在雪球时期，笼合物的产生可能会变慢，而甲烷的释放可能也不会在变暖过程中扮演如此重要的角色。另一方面，如果大量甲烷从高温高压的地幔中上升，那么甲烷笼合物就与微生物生命无关，它会在任何一段全球冷却的时期内不断累积，引发更明显的反馈。究竟是什么过程产生了甲烷，是深处的岩石，还是浅层的微生物，或者两者兼而有之呢？
可燃冰的开采
甲烷是来自深处还是浅层的问题看似简单，但这是一个长久以来一直存在的问题，有时会在石油和天然气行业引起激烈的国际争议。石油主要由碳氢化合物分子构成，其中甲烷是最简单也最丰富的一种化合物。人们普遍认为，无论是哪种自然过程形成了甲烷，这样的过程对于石油的形成也一定起了作用。
争论的一方是俄罗斯-乌克兰学派，这一派的奠基者是19世纪中叶著名的俄国化学家门捷列夫（Dimitri Mendeleev），他最著名的贡献是众所周知的元素周期表。门捷列夫在有实验支持其主张前很久便提出了一种非生物成因的石油起源理论。他写道：“最重要的是，石油诞生于地球深处，只有在那里我们才能找到它的起源。”门捷列夫的观点于20世纪后半叶在苏联重新兴起，为苏联蓬勃发展的石油和天然气产业提供了信息。一些俄罗斯地球化学家仍然认为，几乎所有石油和天然气都来自深处的非生物来源。在他们看来，一些高产的油田是可再生资源，其下巨大的地幔能够源源不断地进行补充。
对大多数美国石油地质学家来说，这种想法是科学上的异端邪说，他们引用了大量证据证明，石油完全是生物起源的。原油只在曾经生命繁盛的沉积层中出现；原油含有独特的分子生物标志；原油的同位素组成与生命非常相似；微量元素同样指向一种有生命的来源。对许多北美石油地质学家来说，这个问题已经解决了，几乎所有石油和天然气都来自生物。
这场争论因美苏几十年的竞争而呈现出两极化，它又在北美被聪明、好斗、影响深远的奥地利天体物理学家托马斯·戈尔德（Thomas Gold）重新点燃。戈尔德生前在康奈尔大学任教，于2004年离世。在他主攻的天体物理学领域中，戈尔德最主要的科学成就是他意识到来自深空的有节奏的射电脉冲，也就是所谓的脉冲星，实际上是快速旋转的中子星。[有一段时间，一些天文学家认为这些射电信号一定来自遥远的外星科技，因此所有脉冲星在天文学中的“昵称”是LGM，即“Little Green Men（小绿人）”的缩写。]
尽管戈尔德涉足了其他许多科学领域，从听觉生理学到粉状月球表面的一致性，但他在天体物理学之外最显著的贡献是拥护石油和天然气的非生物起源。他认为，石油看起来是生物性的，仅仅是因为一个繁盛的微生物群落，就是“深部高温生物圈”，以非生物的碳氢化合物为食。因此，微生物在非生物碳氢化合物上留下了独特的生物化学标志，包括藿烷、脂类等等。基于这种假设，戈尔德主张应该在火成岩和变质岩等非常规地区进行油气勘探。他甚至说服了一家瑞典公司在这类坚硬的岩石上钻出探井，这个项目产生了一些饶有趣味而又模棱两可的结果（并使很多投资者不快，因为损失了很多钱）。
如果你仔细分析两方的观点，很明显，油气来源的问题还没有得到答案。戈尔德一直好奇，并渴望得到答案。在他意外死亡前不久，他来到我的实验室，就深部高温生物圈做了一番讲述，并讨论了是否有可能通过合作进行有助于解决问题的实验。甲烷起源的关键问题仍然没有答案，但它也并非不能回答。我们需要的是一种新的国际性的研究，来了解地球深处的碳。
深碳观测
碳可以说是地球上最重要的元素，是了解地球多变气候和环境的关键。长期以来，碳一直是我们寻求能源的核心元素，在未来同样如此。碳也是生命的关键元素，而且延伸开来，碳也是新药和其他无数产品设计的核心元素。我们需要了解碳，不仅仅是已知的海洋、大气、岩石和生命的表面循环中的碳，还有从地壳到地核的碳。
因此，在2009年夏天，阿尔弗雷德·P. 斯隆基金会和地球物理实验室启动了“深碳观测计划”（Deep Carbon Observatory,DCO），这是一个长达10年的雄心勃勃的计划，用来研究我们星球上的碳，特别是碳在地球深部的化学和生物作用。碳在哪里？地下有多少碳？碳是如何移动的，尤其是如何移动到地表又从地表移动到地下？深部生物圈的范围有多大？这项跨学科的国际合作已经吸引了来自几十个国家的数百名研究人员。我们有许多目标，从完成全球深部微生物生命的普查，到监测地球上每一座活火山的二氧化碳排放。但是，DCO的核心任务是发现地球上碳氢化合物包括甲烷和石油的来源。加利福尼亚大学洛杉矶分校的地球化学家艾德·扬（Ed Young）和他的同事埃德温·肖布（Edwin Schauble）认为，同位素将是确定海底甲烷渗出究竟产自岩石还是微生物的关键。但是，他们的理论计算无法通过任何重同位素与轻同位素的一般测量来检验。艾德·扬想测量“同位素异构体”。
同位素异构体是在化学性质上完全相同，但同位素排列不同的分子。甲烷有一个碳原子和四个氢原子，有很多种同位素异构体。大约99.8%的碳原子是较轻的碳-12，而每500个碳原子中就有一个是较重的碳-13同位素。类似地，氢有较轻的形式（严格来说它应该是“氢-1”，但我们通常简称为氢），也有较重的氢-2同位素，通常被称为氘。在地球上，典型的氢氘比大约是1 000∶1。这些比率意味着，每500个甲烷分子中有一个分子含有碳-13同位素，而每1 000个甲烷分子中有4个分子含有氘。
这两种重同位素中的任何一种都很难测量，但这并不是艾德·扬和他的同事所追求的。他们想测量甲烷神秘的双取代同位素异构体，大约百万分之一的甲烷分子同时含有碳-13和氘（表示为13CH3D）或者两个氘（12CH2D2）。根据埃德温·肖布的计算，在任何给定的甲烷样品中，这两种稀有同位素异构体的比率应该都能提供一个甲烷形成温度的敏感指标。温度是关键。如果甲烷在200度以下形成，那么它一定来自微生物；如果它是在1 000度以上形成的，那么它很可能是非生物的。
这种“纸上谈兵”听起来很好。问题是，世界上没有一种仪器能够找出13CH3D与12CH2D2的比值。传统的同位素分析基于质谱，也就是根据分子质量分离分子进而分析。这两种同位素异构体在质量上相差不到1%，这给区分两者带来了巨大的难题。更重要的是，同位素异构体的浓度极低，这对传统的分析提出了挑战。艾德·扬和其同事需要一种新仪器，提高质量分辨率和分子灵敏度。这就是为什么深碳观测计划的第一项行动是资助一台价值200万美元的原型机，它专门被设计用来测量甲烷的同位素异构体的比率。（美国国家科学基金会、美国能源部、壳牌石油公司和华盛顿卡内基研究所通力合作，同样支持了这项研究。）这是一项充满风险的尝试，制造这台仪器需要花费数年，接着再过几年我们才能知道它是否成功。但是，找到深部甲烷来源的答案后，我们可以更好地理解甲烷驱动的可能彻底改变地球气候的反馈回路，因此这种尝试富有价值。
变化的循环
回到新元古宙的地球上，在7亿年前第一次雪球事件的尾声，气候变化的临界点已经到达。二氧化碳不断增加起了很大的作用，甲烷从笼合物中突然被释放也可能发挥了作用。在地质学上的一瞬间，也许不到一千年，气候突然发生了改变。随着温度飙升到创纪录的水平，雪球地球变成了温室地球。
在很长一段时间里，也许是3 000万年，温暖的气候虽然占了上风，但温室却逐渐消失。大气中升高的二氧化碳浓度逐渐从极端水平降下来，一些温室气体通过与岩石的反应被去除。裸露的土地暴露在含有腐蚀性碳酸的降雨（高含量的大气二氧化碳产生的结果）中，迅速风化。矿物营养物质涌入，再加上阳光复苏，导致了藻类爆发式繁殖，它们疯狂消耗了温室气体。所有这些事件都被恰当地保存在碳的同位素记录中。
因此在接下来的1.5亿年里，地球在这两个极端之间循环。不是一次两次，而是至少三次，冰层形成又消退，全球气候从极寒到酷热再到极寒，来回摇摆地变化着。第一段时期称为斯图特冰期，大约在7.2亿年前达到顶峰，接下来是马林诺冰期，大约发生在6.5亿年前，而没那么严酷的噶斯奇厄斯冰期大约发生在5.8亿年前。遍布十几个国家的厚厚的岩石堆积揭示了这一戏剧性循环的细节。随着冰层消退，冰川留下了大量拔地而起的巨石和磨碎的岩石、成块状的冰碛岩和被磨光滑的圆形基岩。在那之后不久，厚厚的碳酸盐矿物结晶沉积物覆盖了冰碛岩层，这是海洋变暖出现的另一个典型迹象。碳酸盐在二氧化碳过于饱和的海洋中极为迅速地形成，几英尺长的巨大晶体铺满了浅海海底。这些快速形成的颗粒诉说着一个时代，这时，地球饱受折磨的表面已经失去了化学平衡，永远抛弃了它枯燥乏味的数十亿年停滞状态。
在1998年保罗·霍夫曼发表了关于雪球地球的文章之后的一段时间里，地质学家接受了冰冻星球的设想，但现在情况却变了。对气候建模的研究人员发现，很难出现一种情况能让地球完全被冰层包裹，因为计算表明，即使在显著冷却的时期，赤道也将保持着温和的气候。现在，野外地质学家发现了一些冰冻顶峰时期移动的冰、表面的波浪和洋流的证据，这至少说明，那时仍存在一些开放水域。对大多数地质学家而言，硬雪球已经被一种更温和的“泥球”设想取代，一种新的模型出现了。但霍夫曼反驳说，这些软泥湿冰可能代表了冰川最盛时期之前或之后的情况。
我们该如何区分它们呢？有一个吸引人的证据链可以支持硬雪球说，那就是条带状铁建造惊人而短暂的爆发与冰层覆盖地球的时间大致相同。这样的沉积很难解释，因为在10亿多年前，早在无聊的10亿年尚未开始之时，海洋中的铁就已经被剥离了。那么，海洋是如何重新获得铁的呢？一种模型认为，雪球时期冰封了海洋，切断了海洋水下所有的氧气。与此同时，海底热液喷口继续从地幔向深海输送新鲜的铁。铁的浓度逐渐上升，在冰期结束时就迅速沉积成新的条带状铁建造。
雪球，还是泥球，这样的争论在科学界并不是什么新鲜事了，不过这一次比大多数争论都要低调和友好。保罗·霍夫曼已经退休，新一代研究者开始迎接挑战，而答案仍然隐藏在岩石中。
冰的谜团
一个更大的谜团仍然存在。雪球/泥球地球的时期绝不是地球上出现的第一次冰期，也不是最后一次，但新元古宙的三个主要间隔期与其他时期相比显得尤为突出。据我们目前所知，无论是在此之前还是之后，地球上从未发生过如此极端的寒流。为什么会这样？地球历史上的这个短暂时期为何会与其他任何时期如此不同？
岩石记录中完好地保存着两个更早的冰期留下的痕迹，它们显然没有那么严酷。已知最早的冰层推进是一个相对短暂的事件，古老的南非克拉通的冰碛岩沉积物揭示了这一点，此事件大概发生在29亿年前的太古宙中期。地球上的冰盖从两极延伸出来要花这么长时间，这事情本身就有点神秘。在地球历史的早期，太阳要暗得多，在最初的数亿年里，它的亮度只有现在的70%，而在中太古宙的冰期，太阳的亮度也不超过现在的80%。由于来自太阳的能量要少得多，其他变暖的机制一定在起着作用。许多科学家认为，温室气体的含量一定很高，包括二氧化碳、甲烷和橙色的碳氢化合物形成的薄雾，这是被猜疑有缓和作用的主要因素。来自地球深部更动荡和剧烈的热流，以及更大规模的火山喷发，也一定在缓和气候方面起到了一定作用。
具有讽刺意味的是，地球的第一次冰期可能在一定程度上是温室气体过多造成的。如果大气的甲烷含量增加，那么平流层中的反应就会产生越来越多的碳氢化合物的大分子，这些大分子可能让早期地球拥有一片朦胧的橙色天空。如果雾变得太厚，那么一些来自太阳的能量就会被阻挡，而地球就会冷却。
在赤道的凯诺兰超大陆解体之后，第二次更长的冷却期来临，大约22亿年前到24亿年前大量的冰川沉积证明了这一点。大气模拟表明，在新形成的海岸线上，风化作用增强，沉积物堆积增多，在当时消耗了大量二氧化碳。与此同时，增加的氧气取代了大气中另一种重要的温室气体甲烷。较暗的太阳（可能是现在亮度的85%）不足以维持一个有效的温室环境，一段漫长的寒冷时期就此来临。
在接下来的14亿年里，也就是几乎三分之一的地球历史中，没有人发现冰期的踪迹，包括无聊的10亿年间。地球的气候似乎一直保持着完美的平衡，既没有太热，也不太冷。为了解释这么长一段时间内如此有限的变化，我们可以提出一系列可能的负反馈，所有这些负反馈都有可能导致停滞，但在没有明显影响的情况下，很难准确地找出原因。我们可以肯定的是，地球在大约7.4亿年前到达了一个临界点，雪球-温室的循环随之而来。
第二次大氧化事件
生命世界对这种极端的全球变化并不迟钝。至少在过去的35亿年里，地圈的变化深刻地影响了生物圈。当地球在极端的炎热和极端的寒冷之间动荡时，裸露而风化的大陆海岸有规律地为沿海生态系统提供了必需的营养物质。锰就是其中一种重要的矿物，它参与了光合作用，此外还带来了大量钼（用于处理氮）和铁（参与各种代谢作用）。但在所有化学元素中，磷可能是新元古宙海洋中最重要的元素。磷是所有生命所必需的，它能够帮助形成遗传分子DNA和RNA的骨架，并使许多细胞膜稳固下来，在所有细胞中，磷在储存和传递化学能方面都起着关键作用。
磷的故事让多米尼克·帕皮诺（Dominic Papineau）着迷，他是我的同事，在地球物理实验室进行博士后研究。从帕皮诺柔和的口音中，你很快就能听出他是法裔加拿大人。他在波士顿学院的办公室里摆满了岩石，这让人明显地感受出他对地球上最古老的岩层的热情。光滑的叠层石块和条带状铁建造证明了他的足迹遍布世界的许多偏远地区。
帕皮诺意识到，在一些生态系统中，微生物的生长程度与能利用的磷的含量直接相关。他设想有一个时期，大量营养物质史无前例地流入了新元古宙的沿岸浅海区域。在与雪球-温室循环相同的时间间隔中，一些世界上最大的磷块岩矿床集中形成了，这种矿床就是富含磷的细胞死亡后沉淀到海底形成的沉积物。帕皮诺周游世界，来到加拿大北部、芬兰、非洲和印度，寻找这些古老的磷块岩地层，研究它们独特的地质背景和迷人的化学成分。
磷驱动下的水华将大气氧气提升到一个新的水平，也许达到了15%的可呼吸的浓度。但矛盾的是，大量沉入海底的腐烂藻类会与水里的氧气迅速反应，使深海回到一种致命的缺氧状态。因此，在雪球时期之后，生命的复苏很可能导致了一个分层的海洋，在表层附近有一个富氧层，下面则是缺氧的水体。帕皮诺还认为，这与今天的沿海地区情况很相似。在今天的沿海地区，含有化肥的径流导致大量磷酸盐涌入，这可能也会刺激产生水华以及深水中缺氧的死亡区。
这使我们回到矿物演化的核心原则之一：地圈和生物圈的协同演化。矿物改变了生命，生命也改变着矿物。40年前，当我成为地球科学的研究生时，生物学似乎与地质学毫不相干。巨大的岩石循环被认为是独立于生命的循环。当我问我的导师是否应该把生物学课程作为最后的选修课时，他说服我改成量子力学。“你永远用不上生物学。”他笃定地对我说。
这个建议令人怀疑，因为从生命起源开始，在地球演化的每个阶段，生命都影响了地质学，地质学同样影响了生命。2006年，加利福尼亚大学河滨分校的地球化学家马丁·肯尼迪（Martin Kennedy）和四位合著者提出了一个格外新颖也带有一点推测的例子，来说明这种相关性。他们的文章名叫《黏土矿物工厂的开端》，发表在3月10日的《科学》杂志上。根据他们构思巧妙的论文，大气氧气从百分之几上升到现在水平的过程，是由于微生物和黏土矿物之间的正反馈而加速的。
黏土主要由超细颗粒的微小矿物块组成，这些矿物块会吸水，并形成黏糊的团块。如果你的脚或你的车曾经陷在又深又湿的黏土里，你就不会轻易忘记那种感觉。黏土矿物主要形成于风化作用，特别是在新元古宙晚期潮湿酸性条件下，通过化学蚀变的风化。肯尼迪和他的合作者认为，冰期后大陆的快速风化作用产生的黏土矿物比之前三次巨大的雪球-温室循环中产生的黏土矿物明显要多很多。更重要的是，越来越多的证据表明，大约在这个时候，微生物群落开始在沿海地区定居，微生物在把坚硬的岩石变成软黏土方面尤为有效。
黏土矿物最显著的特性之一是，它们能与有机生物分子结合。黏土矿物的增加会隔绝富含碳的生物质，而当黏土矿物被冲入海洋时，它们会将这些碳封存在厚厚的细粒沉积物中。根据肯尼迪提出的情景，碳的埋藏会导致氧气的增加，这进一步加速了陆地上黏土矿物的化学生产过程，从而导致更多的碳被埋藏。因此，“黏土矿物工厂”可能直接导致了大气氧气的增加，以及现代生命世界的进化。
动物的出现
在磷和其他营养物质的帮助下，温室藻类大量繁殖，这无疑导致了大气氧气急剧增加。黏土矿物工厂可能加强了这种影响。因此，到了大约6.5亿年前，大气氧气已经上升到了接近现在的水平。氧气的增加反过来又促进了复杂的多细胞生命的出现，因为只有在如此高的氧气水平下，生物才能采取水母和蠕虫那样需要能量的活跃生活方式。事实上，在化石记录中，已知最早的多细胞生物出现在大约6.3亿年前，就在第二次雪球地球的全球冰期之后。
要了解动物生命在新元古宙的兴起，我们首先要回溯到10亿多年前，也就是无聊的10亿年之前。稀有的化石证据表明，大约20亿年前，一种全新的单细胞生命开始兴起。在此之前，所有的细胞似乎都是分开的，可能会相互依赖。但是根据马萨诸塞大学阿默斯特分校的生物学家林恩·马古利斯（Lynn Margulis）首次阐述的一种革命性的想法，大约20亿年前，一个细胞吞噬了另一个完整的细胞，这个较大的细胞并没有消化那个饱满的细胞，而是在共生关系中“收编”了较小的细胞，这种共生关系永远地改变了地球的生命。
马古利斯是一位富有创意、精力充沛的人，涉猎范围很广。她的科学生涯一直致力于了解生物群体如何相互作用，并共同进化。她认为，在生命发展史上，共生关系和共享生物创新是一个无处不在的主题。她的想法惹怒了不少人，部分原因是它们偏离了达尔文进化论的正统观点，这种正统观点认为进化主要是通过突变和选择完成的。尽管争议不断，但马古利斯的胞内共生理论仍然很吸引人，并且现在几乎已被普遍接受了。现代植物、动物和真菌都是由许多具有内部结构的细胞组成的，比如线粒体就像微型发电厂，叶绿体能在光合生物中利用太阳能，而细胞核则保存着遗传分子DNA。它们和其他复杂细胞中的“细胞器”都拥有自己的细胞膜，在某些情况下，它们甚至还有自己的DNA。马古利斯提出，所有这些细胞器都是由早期更简单的细胞进化而来的，这些细胞被吞噬，最终开始执行某些特定的生化任务。根据我们最可靠的猜测，这种转变开始于约20亿年前，为更复杂的多细胞生命奠定了基础。
马古利斯还认为，生命进化是由不同生物的共生和特性共享所驱动的，她的这种观点已经超越了胞内共生（有时还会将她排除在主流之外）。她最近的一次“斗争”是在科罗拉多州丹佛市举办的一次地质学家会议上做了一场精彩的演讲陈述，目的是支持英国生物学家唐纳德·威廉森（Donald Williamson）的一个极具争议的想法。2009年，威廉森提出，蝴蝶代表了两种截然不同的动物的遗传物质的融合，那两种动物就是蠕虫状的毛虫和有翅膀的蝴蝶。当马古利斯利用她身为国家科学院院士的特权，帮助威廉森缩短同行评审程序，并在科学院权威期刊《美国国家科学院院刊》（Proceedings）上发表论文时，争议愈演愈烈。一些科学院院士非常愤怒，称这种假说是“胡说八道”，更适合《国家问询报》（National Enquirer）而非科学期刊。马古利斯反驳称，威廉森的文章值得认真研究并讨论。“我们没有要求任何人接受威廉森的观点，”她说，“只是在科学和学术的基础上对其进行评估，而非在不经思考的偏见基础上做出评价。”
不管那场辩论的最终结果如何，马古利斯的胞内共生理论现在已经成了一种惯常的观念。到了新元古宙，带有细胞核和其他内部结构的复杂细胞已经形成，准备跨越一个新的共生阈值。6亿多年前，单细胞生物学会了如何合作，如何聚集，如何特化，如何在群体中生长和移动。它们学着变成了动物。
最早关于动物主导的生态系统的化石证据来自埃迪卡拉纪，这一时期大约始于6.35亿年前，也就是三次雪球地球事件中第二次之后不久。第一批带有明显图案的化石是从南澳大利亚埃迪卡拉5.8亿年前的岩石中发现的（该时期因此得名）。这些软体动物可能与水母和蠕虫有亲缘关系，它们留下了完美的对称图像，就像是用线条精心装饰的薄饼，或者奇特的两英尺宽的带条纹叶子。随后，世界各地都发现了类似的化石，它们距今约5.45亿年到6.1亿年。最值得注意的是中国南方6.33亿年前富含磷酸盐的陡山沱组，那里保存着大量微型细胞，这些细胞被认为是动物的卵子和胚胎。这些结构在马林诺冰期后在浅海中生长，它们从各个方面看都和现代动物胚胎一样。
