地球的起源与演化Word文档格式.docx

1、半克期#年有数测范圉/年适用测试物质14n57301 X 102 7 X 104芥林骨酩瓯介壳畑 潯于水中的co”和K13 x 105 x 皿厢 x ios云母、角闪石、火山岩全岩洌U纽Th206Pb沏pb45 X 1087.1 x 10140 x 10so.i x 1炉餐x加皓石、沥青铀矿erRb87Sr470 x 103o.i ioP云母、钾长石、变血岩咸 岩浆岩全岩E2-10月球表面的月縛、月陆和陨击坑太阳系内的流星、陨石和宇宙尘是太阳星云原始物质的残留部分。陨 石在堕落地面前未经重大的改造和破坏，是直接研究太阳系早期历史的极 好材料。陨石的物质成分虽有铁质、石质区分，但已知的形成年龄都

2、在 46X 108年左右，可代表太阳系早期的年龄。月球上的岩石（月岩）经过20世纪70年代人类登月考察，已经测得 最老的月岩年龄为46X 108年，在41 X 108年前月球内部发生过一次较大 规模的增温熔融作用。月球表面的大量环形山（crater，希腊文原意是碗，指碗状凹陷地形） 以往存在火山口和陨击坑的长期争论，70年代后已经公认绝大部分是小 星体撞击形成的阻击坑（图2-10 ）。这些陨击坑的形成高峰期是在距今 41X10839X 108年前，证明月球当时遭受到大量陨星（星子）的撞击。 39X 10831 X 108年前月球表面发生过大规模的火山喷发，喷出的暗色火山岩（玄武岩）充填了大规模

3、环形构造，被称为月海。其余隆起的浅色部 分上面密布陨击坑，称为月陆。31X108年以后，月球内部的演化已处于“停滞”状态，太阳风的长期作用（500X 106200X 106年，以下简称Ma 形成了厚度不等的月壤。 同时地外陨击作用频率显著降低， 但形成时代较 晚的陨击坑，如哥白尼坑（850Ma前）和第谷坑（109土 4Ma前），保存的 环形山轮廓和向外展布的辐射纹十分清晰。 所以月球表面的环形山可以依 据其轮廓清晰程度判别年龄的相对新老。根据上述多方面资料相互印证，地球具有 46X 108年年龄的结论已经 得到公认。33 地球上的生命起源（ 1 ）生命的本质生命起源历来与宇宙成因、 物质结构共

4、同成为自然科学三大基础理论 问题之一。 有史以来人们一直在孜孜不倦地进行探讨， 迄今并未终了。 到 底什么是生命？不同人有各种理解。信奉宗教者笃信“神的创造”和“灵 魂”的存在， 机械论者将生命现象与非生命现象视作完全等同， 都不可能 真正了解生命的本质。 人类历史上第一个从辨证唯物主义观点揭示生命本 质属性的是德国的恩格斯（ FEngels ， 1878），他在反杜林论中指 出：“生命是蛋白体的存在方式， 这种存在方式本质上就在于这些蛋白体 的化学组成部分的不断的自我更新” 。简而言之， 生命的基本特征就在于 蛋白体（目前的理解为类似于原生质的核酸 -蛋白质体系）具有的新陈代 谢能力。这种能

5、力是任何非生命不具备的， 所以生命是物质运动的最高形 式。生命（生物）与非生命（非生物界）之间并不存在不可跨越的鸿沟， 构成生物体的 50 多种元素在非生物界里同样存在，说明两者有着共同的 物质基础。生物是非生物演化到特定阶段的产物。（2）生命起源的机制20世纪 60年代以来射电望远镜搜索宇宙空间的结果， 已经发现星际 空间存在大量有机分子， 至 80 年代初已累计达到 55种，其中最重要的有 15种（表 2-3）。畫2-3星际空间的出种有机分子星际有机分子分子式孰化氢HCN异氨釀NHCQ甲醜胺NHHCO甲醛HCHO乙膳鼠基乙烘hc3h砖甲醛h2cs甲篦ch3oh武基辛四焕HCgN甲醱CHOC

6、H乙醇CHGH甲胺h（HaCN甲基乙怏ch3c2h乙醛CHjCHO星际有机分子的存在说明，构成生命物质基础的有机物可在宇宙空间 的自然过程中产生，并分布于银河系、河外星系的星球上和星际空间。 但 从无生命的简单有机物小分子（氨基酸、核苷酸、单糖等）复杂有机物 大分子（类蛋白质、核酸、甘氨酸等）许多大分子聚集而形成以蛋白质 和核酸为基础的多分子体系（呈现初步的新陈代谢生命现象），需要经过 由化学演化一生命演化的连续序列和重大飞跃。 在已知宇宙空间或存在热 核反应的恒星条件下，是不可能实现的。因此，地球上的生命起源应当从 地球早期地表环境，以及物质系统自身的演化过程中去寻找原因。地球完成初始圈层分

7、异后，随着地表温度下降到 300C，地球表层 已经存在原始地壳（硅镁质玄武岩为主）、原始水圈（呈强酸性）和原始 火山气圈（以大量水蒸汽、H2、CO NH、CHHS等为主，属于还原环境）。 英国人米勒（S. L. Miller ，1953）通过玻璃容器中上述混合气体的放电 实验，获得了氨基酸等简单有机物。原始地球表面在紫外线、电离辐射和 雷电作用下也可完全可以形成，已经不再有人怀疑。这些有机物汇聚到原 始海洋之中，有人比喻为“生命培养汤”。在经过地壳环境的热聚合等作 用促进下，逐渐由氨基酸-类蛋白质一蛋白质，这个过程始终具有化学开 放系统特征，能与周围环境不断发生物质-能量交换；在此系统内部，随

8、 着化学反应速度提高，其有序性和方向性也相应加强，终于出现真正蛋白 质合成，完成了向原始生命进化的飞跃（图 2-11 ）。有生命的原生质是一种非细胞的生命物质，进一步的演化是形成具有 保护功能的外膜，成为具有更完备生命特征的细胞，从而进入了地球历史 中生物界和非生物界共同发展的新时代。（3）生命出现的时间地球上最古老生命的记录（化石），已在南非巴布顿地区和澳大利亚 西部的燧石（一种与海底热液喷发有关的 SiO2胶体在海洋中沉淀形成的岩 石）层中发现，主要是球状和棒状的单细胞细菌化石（图 2-12 ）。由于 燧石的同位素年龄测定前者为38X 108年，后者为35X 108年，可推论当 时地球上的

9、单细胞生物已经出现（地质学上称为太古宙早期）。在此发现 之前有人从地球化学角度依据12c、13C碳同位素比率（仅13C与生命物质有 关），也推论地球上生命过程开始于 38X 108年前。上述两个渠道所获结 论一致，比较可信。（J原始大气：）简单有机物形成：広）原始生命的物应交换 2-11地球上生命起沥處文献9简化3. 4生物圈的形成和发展地球上自出现原始生命至现在丰富多彩的生物圈大千世界， 无论在生 物门类、属种数量、生态类型和空间分布等方面都经历了巨大的变化。 因 此生物圈的形成和发展也经历了漫长和复杂的历史。（1）厌氧异养原核生物阶段38 x 108年前出现的原始生物，根据当时的大气圈、水

10、圈和岩石圈物 理、化学条件，推测应属还原条件的厌氧异养原核生物类型， 即还没有细胞核膜分异，不能自己制造食物，主要靠分解原始海洋中丰富的有机质和 硫化物以获得能量，并营造自身（或称化能自养）。现代洋底热泉喷口附 近发现在200300C热水中就存在这类极端环境下生存的嗜热微生物， 可以进行类比。太阳系类地行星上（含木卫二等大型卫星）如果存在生命， 最可能也属于此类型。这种生物受到地表特殊环境空间分布的局限， 不可能覆盖全球。因此，不等于地球生物圈已经形成。（2）厌氧自养生物出现和生物圈初步形成海洋中特殊部位有机物和硫化物的生产量是有限的，异养生物繁殖到 一定程度就会面临“食物危机”。环境压力促进

11、了生命物质的变异潜能， 从而演化出厌氧自养原核生物新类型。尤其是能进行光合作用的蓝细菌， 可以还原CQ产生0合成有机化合物；在生态方式上也转变为浮游于海洋 表层，从而可以扩散到全球海洋和陆地边缘浅水带， 标志着地球生物圈的 初步形成。从地球上已发现的化石证据来看，加拿大苏必利尔湖北岸距今 20X108年前（地质学上称为元古宙早期）的燧石层中出现 8属12种菌藻类微 生物化石，就是本阶段的典型代表（图 2-13）。生物属种数量虽有增加， 但分类上仍属原始的单细胞原核生物。海生藻类的光合作用引起大气游离 氧的增加，使还原大气圈演变为氧化大气圈，显示了地球不同圈层演化之 间存在密切的联系和制约关系。

12、20世纪70年代英国地球物理学家洛维洛克（J. E. Lovelock ）重新 强调了生物对地球环境的影响和控制作用， 并借用古希腊神话中大地女神盖雅的名字，提出了盖雅假说（Gaia hypothesis ）。该假说认为：根据 天体物理学研究证明，自地球形成以来的 46X 108年中太阳辐射强度增加 了约30% （其中5%增加于显生宙期间）。理论上说，太阳辐射强度土 10% 就足以引起全球海洋蒸发干涸或全部冻结成冰。但地质历史记录却证明， 地球上尽管发生过大冰期和暖热期交替变化，地表的平均温度变化仅在 10C上下。上述事实表明地球上存在某种内部自动平衡 （homeostasis ），其中生物界

13、起了关键性的积极作用。（3）真核生物出现和动物界爆发演化随着大气中氧含量逐渐增加，喜氧生物开始代替了厌氧生物的主体地 位（后者继续生存于海底局部还原环境）。由于有氧呼吸捕获能量的效率 高出无氧呼吸约19倍，明显提高了新陈代谢速度，导致了细胞核与细胞 质分化的真核生物新类型出现。真核生物出现了有性生殖、多细胞体型待 征，并开始了动、植物的分异。我国燕山山脉的蓟县串岭沟地区已经发现 距今17.5 X 108年的真核生物（宏观藻类，图2-14），证明这次飞跃大约 发生在18X 108年前后（元古宙中期）。从印度、美国、加拿大等地的化 石分布来看，真核生物在全球的繁盛期大约在10X 108年前（元古宙

14、晚期）。K2-14 17.5X10年前的宏观藻类團牢15漓化失败的伊迪卡拉动物群类似海更腔肠动物）地球上软躯体动物的首次爆发演化发生于 6X 108年前后（元古宙末 期）。由于最早发现于澳大利亚南部伊迪卡拉山，称为伊（埃）迪卡拉动 物群。早期的研究者根据它们的形态和水母（腔肠动物）、蠕虫（环节动 物）和海绵（海绵动物）等相似，在生物分类上也一一对号入座（图2-15）。 但德国古生态学家赛拉赫（A. Seilacher，1984）指出，这些裸露动物不 存在摄食和消化器官，是一种营自养生物的特殊生物门类， 根本不同于显 生宙出现的动物类型。该动物群呈爆发式突然出现，延续不久又发生整体 规模大量绝灭

15、（集群绝灭），速度之快令人瞩目。对此，赛拉赫的解释是， 它们代表地球上首次出现，但其演化途径并不成功的特殊生物门类。 该动 物群演化过程中的内因（自身组织结构和演化趋势是躯体面积增大， 体腔 极薄，内部器官发育不良，呼吸、营养功能全在体表进行，不存在介壳保 护层和外因（元古宙末外界自然地理环境条件发生急剧变化） 之间的复杂关系，已引起广大科学家的关注，成为地球科学基础理论研究的热点之一。有壳动物的出现和突发演化，出现在 5.4 X 108年前（显生宙初期）。 云南昆明附近的澄江地区，1984年起发现了举世罕见的澄江动物群，被 比喻为地球历史中十分著名的寒武纪生物爆发（Cambrian expl

16、osion ）事 件。澄江动物群是由真正的节肢动物（三叶虫）、腔肠动物（水母）、环 节动物（蠕虫）和其他门类组成，外形虽与伊迪卡拉动物群有些相似，但 体腔内部器官结构明显不同，代表动物界演化进程中采取躯体立体增长和 内部器官复杂化的另一途径（图2-16 ）。显然，在元古宙与显生宙之交动物界大规模占领浅海生态领域的竞争 中，伊迪卡拉动物群代表的演化途径失败了， 导致总体集群绝灭。而澄江 动物群代表的演化途径成功地经受了环境剧变考验，为显生宙动物界的大 量发展奠定了基础。在上述两个动物群之间，还存在由仅见虫管不见化石 到出现小型带壳动物群的过渡阶段。代表伊迪卡拉动物群与澄江动物群之 间的进化过程。

17、已经存在生产者廡类h消费者哪B罗虫保存错和 粗大消优肠道和高级消费考巨型倉肉动物奇虾类）的 完整生态累竝。云南虫已显呆原始的脊素动物.古生 物血卜未按比例口2-16寒武纪犬爆境的见证處陈均远等，他筑简化）（4）生物登陆和全球生物圈建立自从地球上出现生命以来，古代海洋一直是生物界生存、发展的摇篮 和生活家园。这种情况从距今4X108年前（志留纪晚期和泥盆纪早期） 起 发生了重要转折，以原始陆生植物（矮小的裸蕨类）和淡水鱼类在滨海平 原和河湖、河口环境大量繁盛为标志，开创了生物占领陆地的新时代。 生 物圈的空间范围也首次由海洋伸向陆地。至 3.7亿年前（泥盆纪晚期）， 半干旱气候下河湖、水塘的周期

18、性干涸，促进了某些鱼类（肉鳍粗壮的总 鳍鱼类）（图2-17）逐渐演变为两栖类。两栖类摆脱了终生不能离开水 体的局限，在陆地上获得了水域附近更多的活动范围。 距今3X 108年前后 （石炭纪晚期至二叠纪早期），植物界已出现茂密高大的森林，而且能适 应热带、亚热带至冷温带不同气候条件，地质历史上第一次出现聚煤作用 高峰期（图2-18 ）。与此同时，动物界中出现了通过羊膜卵方式在陆上 繁殖后代的爬行类，由于个体生活史完全摆脱了对水域的依赖， 适应更加 广阔多变的陆上生态领域。在距今2.5亿年前后（二叠纪、三叠纪之交）， 全球范围古地理、古气候环境发生了显著变化。海洋中的动物界发生了显 生宙内最大的集

19、群绝灭事件（详见第一章 3. 3节），陆地动、植物界 也发生了重要变化，先前适应近水环境潮湿气候的两栖类和石松类（可高达3040m节蕨类等明显衰减，被更为进化的爬行类和裸子植物（松柏、 苏铁和银杏类）所取代，更能适应陆地上不同气候带和海拔高度的多种生 态领域。从严格意义上说，地球上完整生物圈从泥盆纪起开始伸向陆地， 至二叠纪才包括大陆和海洋各种生态领域。S2-17总鳍鱼登陆2-16石巔纪热带耳林与巨型蜻嫌（5）生物征服天空和陆生动物重返海洋2.5亿年前开始了地球历史的中生代阶段， 中生代也称裸子植物时代和爬行动物（尤以恐龙类最为著名）时代。我国四川盆地发现距今约 1.6亿年（侏罗纪晚期）的马门

20、溪龙（一种素食的蜥脚类恐龙），身长达到 22m体重估计有3040t，完全可以和美国科幻影片侏罗纪公园里 的角色媲美（图2-19 ）。我国辽宁北票四合屯等地近年发现了侏罗、白 垩纪之交世界上最丰富的原始鸟类动物群（孔子鸟等），在国际学术界引 起了轰动（图2-20）。在阐明鸟类起源和生物征服天空方面，我国古生 物学家作出了卓越的贡献。雷龙：Z异龙；3削龙：4弩龙 閨皆注侏罗纪恐龙和棵子植物中生代陆生爬行动物的另一个有趣演变方向是重返海洋生活， 出现了体型适合游泳的鱼龙、蛇颈龙等类型。一般认为中生代时全球规模的联合 古陆发生分裂、漂移作用（见第 5章5. 1节），可能是促使陆生动物重 新下海的外部因

21、素。（6）人类起源和演化中心距今65百万年前的白垩纪、第三纪之交，出现了地球内外圈层多种 重大灾害群发事件，地球上生物界面貌又一次经历巨大变化（详见第十一 章，2. 3节）。新生代起开始了以哺乳动物和被子植物为主宰的阶段。 新生代生物界演化中最重要的事件是距今 250万年前后（第四纪）人类的 出现。220孑L子鸟腿丸F educcia转引自王元書等” 1的旨）人类起源自古以来一直被当作一个奥秘而长期存在。 宗教界的“上帝造人”、“特创论”和科学家提出的“由猿到人”、“进化论”进行过长 期激烈争论。I860年6月30日赫胥黎在英国牛津大学举行的辩论会上挺 身而出，勇敢地宣称：“人类没有理由因为他

22、的祖先是猴子而感到羞耻， 与真理背道而驰才是真正的羞耻。”迄今传为佳话。 1891年印尼爪哇梭罗河畔发现了 180万年前的爪哇直立人化石，1929年裴文中在北京周口 店发现了 50万年前的北京直立人（俗称北京人）化石，以及以后在欧洲、 非洲等地古人类化石的陆续发现，都以可靠的科学依据证明了人猿同祖论 的预言。60年代后期起开展的人类与黑猩猩、大猩猩血液蛋白质、遗传 物质DNA分子等对比研究，也证实人与猿的亲缘关系最近，再次从高科技 研究角度提供了新的佐证。在从猿到人演化的动力机制方面，恩格斯（1883,发表于1925）首 先提出劳动在从猿到人转变过程中的关键作用。 他明确指出：“首先是劳 动，

23、然后是语言和劳动一起，成了两个主要的推动力，在它们的影响下，猿的脑髓就逐渐地变成人的脑髓。”精辟地说明了从猿到人演化过程中最 关键环节的奥秘。达尔文（C. Darwin ,1871）也强调“两足行走，（使 用工具）技能和扩大的脑”是人类的重要特征。原始人类与古猿的实质区别在于，后者仍停留在动物本能的劳动形 式，只会使用天然工具；而前者已经有意识地能够自己制造工具。 按照制 造工具的工艺水平和相应的身体结构特征（如骨骼粗壮程度、脑容量大小、 直立行走姿态等），史前人类可以区分为猿人（含早期猿人，又称能人和 晚期猿人，又称直立人），古人（早期智人）和新人（晚期智人），共 3 类，4个阶段。猿人阶段

24、创造了旧石器早期文化，古人阶段发展为旧石器 中期文化，新人阶段则从晚期旧石器转入新石器时期文化。地球上已知最早的猿人化石及其制造的石器， 出现在250万年前的东 非的坦桑尼亚、埃塞俄比亚和肯尼亚地区。因为欧亚大陆等地迄今尚未发 现早于250万年的猿人化石和石器，国际上一般认为非洲是人类起源的唯 一发祥地。我国云南元谋县境内，1956年发现了 175万年前已学会用火 的元谋直立人，19861987年发现了 250万年前东方人的牙齿和共 生的骨器，1988年又发现300万400万年前的人猿类头骨化石。滇中高 原会否是另一个人类起源发祥地，中国科学家很可能在 21世纪内揭示这个举世瞩目的问题。图廿也

25、北京克立人毎日过若极艰苦的生活I据文献9删节早期人类生存的地球表层环境是一片洪荒世界，既有大型凶猛野兽的 攻击，又有自然灾害的肆虐，生活条件十分艰苦（图 2-21）。以50万年 前的北京直立人为例，在已发现的 40个左右男女不同个体中，死于14 岁以下的儿童占39.5 %, 30岁以下的青年占7%, 4050岁和5060 岁的中年分别占7.9 %和2.6 %，其余死亡年龄不明者占43%。无独有偶， 欧洲早期智人阶段的尼安德特人（10万3.5万年前）死亡年龄统计中， 11岁上下的儿童占40%，大于40岁者约5%（贾兰坡，1950）。上述两 种统计结果极为相近，显然早期人类短命的原因并不是“互相残

26、食”，主 要原因可能是：常被巨大肉食动物侵害，近亲繁殖，食物摄取的有 限性，无力对付自然灾害和疾病。即使到了号称“大同世界” 的原始公社制度时期 （黄帝至尧、舜、禹， 约30002100BQ，当时的生产工具仅仅是石器和弓箭，生活资料仅仅 是粗布衣、糙米饭，野菜根不加调味，衣履不到破烂不换。虽然当时不存 在阶级分化和剥削现象，也并不是令人羡慕的“大同世界”。35 人类圈的形成和发展趋势早期人类自开始制造石器工具和学会用火起就与动物界彻底分离， 标 志着生物圈演化史中最高级的人类圈和人类社会正式形成。人类社会从原始氏族社会古代社会近代社会现代社会， 各阶段所经历的时间依次越来越短，科学技术发展越来

27、越快，呈现加速度特征， 近似于高次方程的抛物线 （图 2-22 ）。美国未来学家托夫勒 （AToffler ， 1970）曾作过估算，如果把人类最近 5 万年划分为 800 代左右（每代约 62 年），则 650 代都营穴居生活，最近 70 代方有可能有效地将信息一代 代传下去， 最近 6代人才开始接触到印刷文字， 最近 2代人才用上了电动 机。今天我们日常生活中使用的绝大多数物品，都是现今这一代（即第 800代）发展起来的。第 800代标志着人类有史以来全部经历的一次大转 折。36 生物进化与地质年表地球上生物界的演化遵循由简单到复杂，由低级到高级的不可逆过 程，同时生物界能十分灵敏地反映地

28、球表层自然地理环境及其演变特征， 这又与行星地球各圈层自身的运动机制以及相互间的联系制约密切有关。 因此，生物演化史能够详尽而有效地反映地球历史演化的客观自然阶段 （见图 2-23 ）。众所周知的地质年表（表 2-4），就是根据生物演化的巨型阶段，将 46亿年地球演化史划分为 3个最高级别的地质年代单位：太古宙、元古 宙和显生宙。在显生宙中， 根据生物界的总体面貌划分出 3个二级地质年 代单位：古生代（含早古生代、晚古生代）、中生代和新生代。最常用的 三级地质年代单位是纪， 每个纪的生物界面貌各有特色， 例如震旦纪的伊 迪卡拉动物群爆发演化和集群绝灭，泥盆纪的生物登陆，侏罗纪的恐龙、 裸子植物高度繁荣和第四纪的人类演化等。早期的地质