摘要：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

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”。

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？

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

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

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

“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。

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

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。

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

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。

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。

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号

参考文献

1. Bhattacharya, D., & Medlin, L. K. (1998). Algal phylogeny and the origin of land plants. Plant Physiology, 116(1), 9-15.

2. Chaisson, E. J. (2001). Cosmic evolution: The rise of complexity in nature. Harvard University Press.

3. Clack, J. A. (2005). Getting a leg up on land. Scientific American, 293(6), 100-107.

4. Cavosie, A.J., Valley, J.W., & Wilde, S.A. (2005). Magmatic δ18O in 4400–3900 Ma detrital zircons: A record of the alteration and recycling of crust in the Early Archean. Earth and Planetary Science Letters, 235, 663-681.

5. Crutzen, P. J., & Stoermer, E. F. (2021). The ‘Anthropocene’ (2000). In S. Benner, G. Lax, P. J. Crutzen, U. Pöschl, J. Lelieveld, & H. G. Brauch (Eds.), Paul J. Crutzen and the Anthropocene: A new epoch in Earth’s history (Vol. 1). Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-82202-6_2

6. Daver, G., Guy, F., Mackaye, H. T., et al. (2022). Postcranial evidence of late Miocene hominin bipedalism in Chad. Nature, 609, 94-100. https://doi.org/10.1038/s41586-022-04901-z

7. De Marais, D. J. (2000). Evolution: When did photosynthesis emerge on Earth? Science, 289(5485), 1703-1705. https://doi.org/10.1126/science.289.5485.1703

8. Davison, N. (2019). The Anthropocene epoch: Have we entered a new phase of planetary history? Nature, 30(2019).

9. Dawkins, R., & Wong, Y. (2004). The ancestor's tale: A pilgrimage to the dawn of evolution. Houghton Mifflin Harcourt.

10.Fortey, R. (1999). Life: A natural history of the first four billion years of life on Earth. Vintage Books.

11.Hanson, R. E., Crowley, J. L., Bowring, S. A., Ramezani, J., Gose, W. A., et al. (2004). Coeval large-scale magmatism in the Kalahari and Laurentian cratons during Rodinia assembly. Science, 304(5674), 1126-1129. https://doi.org/10.1126/science.1096329

12.Hoffman, P. F., Kaufman, A. J., Halverson, G. P., & Schrag, D. P. (1998). A Neoproterozoic Snowball Earth. Science, 281(5381), 1342-1346.

13.Chu, J. (2014, December 11). What really killed the dinosaurs? MIT News.

14.Lewis, S. L., & Maslin, M. A. (2015). Defining the Anthropocene. Nature, 519, 171-180.

15.Locke, J. (1690). An essay concerning human understanding. Printed for Tho. Basset.

16.Luo, G., Ono, S., Beukes, N. J., et al. (2016). Rapid oxygenation of Earth’s atmosphere 2.33 billion years ago. Science Advances, 2(5), e1600134. https://doi.org/10.1126/sciadv.1600134

17.Lyons, T. W., Reinhard, C. T., & Planavsky, N. J. (2014). The rise of oxygen in Earth’s early ocean and atmosphere. Nature, 506(7488), 307-315. https://doi.org/10.1038/nature13068

18.Taylor, G. J. (2004, April 26). Origin of the Earth and Moon. NASA. https://www.nasa.gov/vision/universe/solarsystem/earth_moon.html

19.Wang, K., & Jacobsen, S. B. (2016). Potassium isotopic evidence for a high-energy giant impact origin of the Moon. Nature, 538(7626), 487-490. https://doi.org/10.1038/nature19341

20.Wilde, S. A., Valley, J. W., Peck, W. H., & Graham, C. M. (2001). Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago. Nature, 409(6817), 175-178. https://doi.org/10.1038/35051550

21.Zhu, S., Zhu, M., Knoll, A. et al. (2016). Decimetre-scale multicellular eukaryotes from the 1.56-billion-year-old Gaoyuzhuang Formation in North China. Nature Communications, 7, 11500. https://doi.org/10.1038/ncomms11500

22.Voosen, P. (2021). Remains of Moon-forming impact may lie deep in Earth. Science, 371(6536), 1295-1296. https://doi.org/10.1126/science.371.6536.1295

来源：中科院物理所