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光合作用與氧

太陽的能量為地球上的生命帶來了一些主要改變。

最初的細胞相信全是異養生物，使用周圍的有機分子（包括由其他細胞得來的有機分子）來作為原料與能量來源。^[20] 但食物供應漸漸減少，部份細胞進化出新的生存戰略。與其依靠逐漸減少的自由存在的有機分子，這些細胞選擇了太陽光作為能量來源。這個轉變的時間難以確測，但大約為假設時鐘的上午8時^[21] （大約為三十億年前），與現在的光合作用相類的功能在此刻可能已發展出來了。這使得太陽的能量不只被自營生物採用，而異養生物亦能攝取太陽能量。光合作用使用含量豐富的二氧化碳與水作為原料，配以太能光的能量，產生了富能量的有機分子（碳水化合物）。此外，光合作用過程亦生成了氧氣。最初其在海洋裡與石灰岩、鐵和其他礦物質結合，但當所有可利用的礦物皆已與其結合，氧氣開始冒出水面在大氣層裡積聚。雖然每一個細胞只會產生少量氧氣，但積少成多，經過長時間，大量細胞的新陳代謝作用慢慢地使地球大氣層變為現在的狀態。^[22] 這就是地球的第三道大氣層。部份氧氣變為臭氧，並在大氣層上方凝聚，就是現在的臭氧層。臭氧層不斷吸收大量的紫外線，這使得細胞可以殖民至海洋表面並最終殖民至地上：^[23] 沒有臭氧層，紫外線會大量照射至地球表面，並使得受到照射的細胞產生不可承受的突變。而光合作用除了可以製造大量能量供細胞生存與隔開紫外線，其亦有著第三個主要的、使得世界改變的作用。氧氣是有毒的，其含量的上升可能在當時使得地球上大量的生命死亡（「氧氣災難」）。^[23] 而有抵抗能力的生命則存活並繁衍，部份更發展出使用氧氣來增進其新陳代謝作用的速度，並能由相同食物裡攝取更多的能量。

光合作用與氧

太陽的能量為地球上的生命帶來了一些主要改變。

最初的細胞相信全是異養生物，使用周圍的有機分子（包括由其他細胞得來的有機分子）來作為原料與能量來源。^[20] 但食物供應漸漸減少，部份細胞進化出新的生存戰略。與其依靠逐漸減少的自由存在的有機分子，這些細胞選擇了太陽光作為能量來源。這個轉變的時間難以確測，但大約為假設時鐘的上午8時^[21] （大約為三十億年前），與現在的光合作用相類的功能在此刻可能已發展出來了。這使得太陽的能量不只被自營生物採用，而異養生物亦能攝取太陽能量。光合作用使用含量豐富的二氧化碳與水作為原料，配以太能光的能量，產生了富能量的有機分子（碳水化合物）。此外，光合作用過程亦生成了氧氣。最初其在海洋裡與石灰岩、鐵和其他礦物質結合，但當所有可利用的礦物皆已與其結合，氧氣開始冒出水面在大氣層裡積聚。雖然每一個細胞只會產生少量氧氣，但積少成多，經過長時間，大量細胞的新陳代謝作用慢慢地使地球大氣層變為現在的狀態。^[22] 這就是地球的第三道大氣層。部份氧氣變為臭氧，並在大氣層上方凝聚，就是現在的臭氧層。臭氧層不斷吸收大量的紫外線，這使得細胞可以殖民至海洋表面並最終殖民至地上：^[23] 沒有臭氧層，紫外線會大量照射至地球表面，並使得受到照射的細胞產生不可承受的突變。而光合作用除了可以製造大量能量供細胞生存與隔開紫外線，其亦有著第三個主要的、使得世界改變的作用。氧氣是有毒的，其含量的上升可能在當時使得地球上大量的生命死亡（「氧氣災難」）。^[23] 而有抵抗能力的生命則存活並繁衍，部份更發展出使用氧氣來增進其新陳代謝作用的速度，並能由相同食物裡攝取更多的能量。

細胞

細胞膜的一小部份。此現代的細胞膜遠較古代的雙層磷脂（圖中之藍色部分）複雜。蛋白質與碳水化合物經由細胞膜有不同的調節物質通過的功能，並且與周圍環境產生反應。

現代的生命的複製子是整齊地包裝在細胞膜內的。而理解細胞膜的起源較理解複製子的起源容易，因為組成細胞膜的磷脂分子在置放於水中時經常會自發地形成一道雙層膜。在特定環境下，很多這樣的球體因此而形成（請參看「氣泡理論」）。^[15] 現在無法得知此過程是早於或延續複製子的起源（或可能其在過去就是複製子）。現在主流的意見是該複製子，在這點可能是RNA（請參看RNA世界學說），與其自我複製的器具和其他可能的生物分子已進化出來了。最初時原始細胞可能在其生長得過於巨大時發生爆裂；而四散的物質則可能重新殖民於其他「氣泡」。穩定細胞膜的蛋白質，或其後協助其變得井然有序的蛋白質，使得這些細胞線的繁衍速度加快。RNA是較有可能的早期複製子之一，能同時儲存遺傳資訊與加速反應。在同一點上，DNA取代了RNA儲存遺傳資訊的角色，而蛋白質則是作為加速反應的酵素存在，RNA則只負責傳送資訊並調節其過程。越來越多人相信這些早期細胞的進化與名為「黑煙囪」的海底火山爆發有關。^[16] 或是深層而熱的岩石。^[17] 然而，現在普遍相信眾多細胞或原始細胞裡，只有一種細胞存活。現有證據指出最後普遍共同祖先（LUCA）在早期太古代生存，假設時鐘的上午5時30分（大約為三十五億年前）或更早。^[18]，[19] 這個「最後普遍共同祖先」細胞是所有細胞的祖先，亦即是地球上所有生命的祖先。其可能為一個原核生物，擁有一層細胞膜，亦可能擁有核糖體，但欠缺了細胞核或真核細胞有膜狀胞器如線粒體或葉綠體。就如所有現代細胞，亦使用DNA儲存遺傳基因，RNA作資訊傳送與蛋白質合成，並擁有酵素作加速反應的用途。部份科學家相信與其說最後普遍共同祖先是單一個體，不如說其為在橫向基因轉移（lateral gene transfer）裡的眾多交換遺傳基因資訊的族群。

生命的起源

所有已知生物的複製子皆是DNA。DNA較原來的複製子複雜而且 其組成的複製子系統更為精細。

主條目：生命起源

生命起源的詳情仍是未知之數，然而仍有主要的原理被建立。一派科學家認為生命，或至少是有機化合物，可能是來自外太空（請參看「生物發生說」）；然而一般認為生命起源於地球。^[8] 大部份科學家認為生命是在地球上自然孕育，但生命出現的時間卻極不確定；可能在大約四十億年前（此條目假設時鐘的上午3時）。^[9] 在地球早期的能量化學裡，有一個分子（可能是其他東西）獲取了自我複製的能力：複製子。此分子的性質並不清楚，其被現在生命的複製子DNA取代前，曾是生命的主要複製子。這個複製子在自我複製的過程裡並非經常正確地複製：部份複製品包含了「錯誤」。如果這種轉變消滅了分子的複製能力，則將不會有更多的複製品，而這條生命線將會滅絕。但在另一方面，少數變化使得分子的複製變得更快或更佳；這些「品系」的數量較多也較「成功」。當原料（其角色類似食物）消耗殆盡後，這些品系會利用其他物質，且可能會抑制其他品系的生長，使其數量增加。^[10] 少數不同的模型提出了複製子可能發展的方法。假設有不同的複製子，包括有機化合物如現代核酸裡的蛋白質、磷脂、結晶體等，^[11] 甚至是量子系統。^[12] 現在並沒有方法知道何種模型更為符合地球生命的起源。在眾多較舊的理論裡其中一條理論，與一條詳細研究過的理論，會作為範例來解釋其發生的可能性。火山、閃電與紫外線幅射釋出的高能會使得簡單化合物如甲烷與氨通過化學反應組合成較為複雜的分子^[13] 眾多的有機化合物組成了生命的基礎。當這種「有機湯」的數量增加，不同的分子互相發生反應。有時更多複雜的分子可能會出現；可能肉體提供了一個框架來收集與與集中有機物。 ^[14] 部份分子的存在會加速了化學反應。而所有這些反應持續了很長時間，時多時少，直至一個新分子機緣巧合地出現：複製子（replicator）。其有著奇怪的特質，可以加速自我複製的化學反應，並開展生物進化。其他理論假一個不同的複製子。在任何情況，DNA在每一點均取代了複製子的功能；所有已知生命（部份病毒與普利昂蛋白除外）皆以DNA為遺傳物質，且幾乎都以相同方法作為訊息的編碼。

生物時鐘
如果把漫長的地球歷史澧縮至一小時，那麼動物是直到最後十五分鐘才出現的。而陸生動物則是在倒數六分鐘時才出現的。爬行動物時代在這一小時快走完時，才持續不過兩分多鐘。

生物時鐘
如果把漫長的地球歷史澧縮至一小時，那麼動物是直到最後十五分鐘才出現的。而陸生動物則是在倒數六分鐘時才出現的。爬行動物時代在這一小時快走完時，才持續不過兩分多鐘。

主條目：冥古宙

在地球早期歷史裡，火山爆發是經常發生的事。

冥古宙早期地球與現在的世界十分不同。當時沒有海洋，大氣層裡亦沒有氧氣。小行星與太陽系形成後餘下的物質不斷撞擊。這些撞擊與放射性崩解產生的熱、殘熱與收縮壓力產生的熱相結合，使得地球在這階段完全為熔化狀態。較重的元素沉向中心，而較輕的元素則升至表面，從而製造了地球的不同層次（請參看「地球構造」）。地球的早期大氣層包括了圍繞其存在的太陽星雲裡的物質，特別是較輕的氣體如氫與氦，但是太陽風與地球自身的熱力清空了這層大氣層。地球表面慢慢地冷凝，在（大約為假設時鐘）的上午0時47分形成了固體的地殼（一億五千萬年內）^[5]。在大約是假設時鐘的上午3時至4時(四十億至三十八億年前)，地球經歷了一個重型星體撞擊時期。^[6] 蒸氣由地殼裡逃出，而更多的氣體由火山內釋出，從而形成了第二道大氣層。更多的水份在火流星撞擊地球時帶來。這時地球開始冷卻，在三十八億年前；假設時鐘的上午4時（七億五千萬年內）雲層開始形成，雨水落下從而形成海洋，而且可能更早時已出現這些現象。（最近的證據提出海洋可能在四十二億年前開始形成，即此條目假設時鐘的上午1時50分。）^[7] 這道新的大氣層可能包含了氨、甲烷、水蒸氣、二氧化碳、氮氣與其他含量較少的氣體。而氧氣則被氫氣或地表上的礦物質束縛著。火山活動出現頻密，而且因為沒有臭氧層防護，紫外線大量照射在地球表面。