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第1章 生命的起源与进化历程(1)

地球从形成至今已经历了46亿年的风风雨雨。这颗蓝色星球的与众不同,源自于它孕育出的生命。在这40多亿年的漫长历程里,生命形式从诞生伊始一刻不停地进行着演化——其中动物这一独特生命形式,就在那原始的海洋中逐渐形成,并开始了它的进化历程。

(第一节)地球生命的诞生

生命,是一部精密的机器,我们折服于它的完美。生命起源,是一个亘古未解之谜,人类一直没有间断对它的探索。古今中外,对生命起源有多种说法,例如:盘古开天地,女娲造人的传说;老子《道德经》中“道生一,一生二,二生三,三生万物”;《圣经》中上帝在七天内创造万物等。虽然到现在还有人相信这些说法,但科学是要求证据的。

一、地球上的生命

(一)生命诞生的时间

首先我们要知道,地球演化史上的事件都会被记录在岩石当中,所以研究生命进化和起源必须从岩石中寻找证据。而到现在为止,我们发现的最古老的化石是在澳大利亚西北部匹尔巴拉地区,在那里发现的是一些时代很古老的微体化石,距今大约35亿年。它的发现证明了在距今35亿年前,地球大气中就已经有了氧气。另外,在已知地球上最古老的沉积岩——格陵兰西南部伊苏瓦(Isuwa)地区的沉积岩中发现了距今38.5亿年的碳,并证明这些碳是生物体留下的有机碳。而46亿~40亿年前这段时期是地球形成的时期,所以,生命起源的时间目前被认定为是40亿~38亿年前的这段时间。

(二)生命诞生的证据

关于生命诞生,达尔文在《进化论》中是这样描述的:生命是在一个温暖的小池塘里慢慢孕育起来的。也就是说,生命不是像神创论说的那样由神创造的,生命是在地球早期由无机物慢慢演化而来的。科学家们一直不懈地寻找着这方面的证据。1967年,美国科学家布洛克在黄石公园近100℃的热泉中,发现了大量的嗜热微生物;1977年,一名叫克里斯的科学家在太平洋底的热泉中也发现了大量的嗜热微生物,而且那里热泉的温度超过200℃。

研究表明,生物分子的合成是需要一定的条件的,且较高的温度更有利于原始的有机小分子脱水缩合成为有机大分子。而在极端高温下发现生物的存在,有力地支持了达尔文的生物温水中起源的学说。

(三)生命诞生必经阶段

生命不可能一次性就进化成功。在漫长的进化过程中,它要经历三个阶段:1.从无机物到有机小分子;2.从有机小分子到有机大分子;3.生物大分子演化成原始的单细胞生命。前两步我们已经找到了证据。生命产生的关键是第三步,即细胞的出现。现在最流行的假说是,在有大量的有机大分子出现时,一些脂质分子就会自发地形成双层脂分子膜,形成一个与外界隔离的空腔,这就是细胞的雏形,然后一些生物大分子被包裹进去,并相互作用,形成一个类似现在细胞的大分子集合,经过“自然选择”,拥有核酸这种大分子的“细胞”因为能够自我复制而被保留了下来。

(贴士)

由于细胞结构的不断分化,导致了营养方式上的一分为二:一支发展自己具有制造养料的器官(如叶绿体),朝着完全“自养”方向发展,成了植物;另一支则增强运动和摄食本领以及发达的消化机能,朝着“异养”方向发展,成了动物。

(四)地球上早期生命的特性

在地球上,最早的生命形态其实很简单,一个细胞就是一个简单的个体。这个个体没有细胞核,我们把它叫做原核生物。为了维持生活,它通过细胞表面直接吸收周围环境中的养料。这种生活方式我们称为异养。

当时那些原始细胞的生活环境中缺乏必要的氧气,但是它们喜欢在氧气稀少的环境中生活,这就是厌氧。可见,最早的原核生物是异养厌氧的。它的最初形态是圆球形,后来逐渐变成椭圆形、弧形、江米条状的杆形,又变为螺旋状以及细长的丝状,等等。原核生物的形态发生了很大变化。在增加身体与外界接触的同时,原核生物的表面积在不断加大,自身的体积也迅速增大。现在生活在地球上的细菌和蓝藻都属于原核生物。蓝藻的出现与发展,使地球上氧气的含量有所增加。自20多亿年前开始,水中的氧气含量已经很多,大气中氧气的含量也增加不少。在生物界演化过程中,细胞核的出现是不可缺少的重要组成部分。

经过15亿年的演变,原来均匀分散在原核植物细胞里面的核物质就开始相对地集中,外面包裹了一层核膜。膜内的核物质与膜外的细胞质被细胞的核膜分开。这样,就形成了细胞核。有细胞核的生物被称为真核生物。

此后,在繁殖分裂时,细胞已不再是细胞质简单地一分为二。细胞内的细胞核也要一分为二。20亿年前,真核生物得以出现。在生物界演化过程中,另一个重大的事件是性别的出现,因为性别能够促进生物的优生,加速了生物的复杂化发展。

(五)生命起源的环境条件

原始地球具备生命起源的环境和物质条件:

1.早期的还原性大气,对原始地球初期形成的前生物有机分子得以积累保存起到了至关重要的作用。

2.早期大气没有游离氧,地球外层空间也还没有形成臭氧层,早期大气中的化学反应在强烈的太阳紫外线照射下更为剧烈。雷电、宇宙射线也是促进原始地球化学进化的主要能源。

3.原始海洋的形成是生命诞生的必要条件。

(六)生命缘何只中意地球

生命的起源和演化对环境要求极高,达到苛刻的地步,除了“奇迹”一词,似乎找不出更恰当的词,而地球正好满足了这“苛刻”的要求,便创造了宇宙演化的最高境界——生命“奇迹”的诞生!

1.稳定的宇宙环境条件:

(1)稳定的太阳光照条件。在地球的演化过程中,太阳光照比较稳定,地球生命演化没有间断。

(2)安全的空间运行轨道。太阳系九大行星各行其道互不干扰。

2.地球适宜的自身条件:

(1)日地距离适中,地球表面平均温度15℃,温度适宜。

(2)地球自转周期适宜,周期24小时,白昼增温不过热,黑夜降温不过冷。

(3)地球体积和质量适中,其引力可以聚集大气,适合生物呼吸。

(4)地球内部物质运动,促进了海洋的形成,水给生命的出现和发展提供了条件。

(贴士)

地球上生命的产生和进化是由一系列事件拼接在一起的。生命的诞生和演化都是需要具备一定的特殊条件的,只有这些条件同时具备时,才有可能出现生命物质,生物世界才能一步步发展成现在的样子。

二、地质年代

地质学有两种表示时序的方法:一种是相对地质年代,地质事件发生的时期及先后顺序是利用地层层序律、生物层序律以及切割律等来确定的;另一种是同位素地质年龄,即利用岩石中某些放射性元素的蜕变规律,以年为单位对岩石的年龄进行测算,也称绝对地质年代。

(一)前寒武时期

前寒武时期是指从地球诞生到寒武纪前的时期,这个阶段分为太古代和元古代。最古老的地质时期是太古代,此时,地壳很薄,火山活动十分强烈,爆发也很频繁,虽然大气圈与水圈都缺少自由氧,但原始生命还是顽强地出现了,并已进入生物演化的初级阶段。至元古代初期,地表已出现了一些范围较广、厚度较高、相对稳定的大陆板块。大气圈中也已含有自由氧,中晚期藻类植物十分繁盛。震旦纪是元古代最后一个阶段,它是元古代与古生代之间的一个过渡阶段。在大约6亿年前的前寒武纪末期,被视为动物的生物——埃迪卡拉生物群出现了。这些在海洋中诞生的生命,花费了极其漫长的时间从单细胞进化为多细胞。

(二)古生代

5.4亿年前,古生代开始;2.5亿年前,古生代结束。古生代按时间顺序分为寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪和二叠纪等六个纪。在古生代,海洋中的无脊椎动物达到空前繁盛,鱼类也大量繁殖起来,一些靠鳍爬行的鱼首先登上陆地,成为陆上脊椎动物的祖先。就在此时,两栖类动物也出现了。在古生代早期,植物以海生藻类为主,到志留纪末期,原始植物也逐渐开始登上陆地。石炭纪和二叠纪时,蕨类植物特别繁盛,并形成了茂密的森林,为煤的形成提供了基本条件,因而这一时期也是重要的成煤期。

(三)中生代

中生代约开始于2.5亿年前,结束于6500万年前,按先后顺序可分为三叠纪、侏罗纪和白垩纪三个纪。在这一时期里,爬行动物发展迅速,恐龙更是称霸一时,陆地上的一些大型爬行动物重回海洋,而另一些则开始在空中活动。鸟类、有袋类和有胎盘的哺乳动物在这个时期也开始出现。这一时期,在古生代盛极一时的蕨类植物则日渐衰落,取而代之的是以苏铁和银杏为代表的裸子植物,中生代的后期还进化出了被子植物。

(贴士)

侏罗纪距今约2.08亿~1.44亿年,该时期在生物发展史上出现了一系列重要事件,如恐龙成为陆地的统治者,翼龙类和鸟类出现,哺乳动物开始发展。

(四)新生代

新生代约开始于6500万年前,一直延续到现在,按时间顺序被分为第三纪和第四纪。第三纪又被细分为古新世、始新世、渐新世、中新世和上新世,第四纪则分为更新世和全新世。在这一时期,地球上的各个大陆板块逐渐漂移到现在的位置上。哺乳动物在这个时期里从微小简单的原始哺乳动物发展到占据各个生态圈的巨大的动物群,绝大多数现代哺乳动物种类在新生代早期就已出现了,其中始新世可以说是早期哺乳动物的全盛时期,鸟和被子植物也有很大的发展。自然界生物的大发展,最终导致了人类的出现。

(第二节)动物的进化

自然界的动物不是本来就有的,它们的发展经历了一个从单细胞到多细胞,从无脊椎到有脊椎,从低等到高等,从简单到复杂的过程。最终,我们人类开始登上历史的舞台。

一、动物的进化

随着时间、环境的改变,各种动物也会随之发生变化。动物发生变化是一个非常缓慢的过程,在生物学上,动物的这种变化过程叫做进化。动物的进化过程并不是一帆风顺、直线前进的,而是曲折、螺旋式上升的。在生物史上,动物的每一次进化都是一次质的飞跃,但动物完成每一次进化都需要付出一定的代价。

19世纪50年代,英国生物学家达尔文通过长期的实地科学考察和对各地采集来的化石进行深入的研究,并于1859年发表了轰动世界的巨著《物种起源》。达尔文在《物种起源》中,提出了以“自然选择”为中心的生物进化学说。

达尔文的“自然选择学说”,不仅说明物种是可变的,而且也正确地解释了生物的适应性问题。自然选择说认为生物在长期繁衍过程中,只有适应环境的生物才能生存下来;而那些不能与环境相适应的生物则会被淘汰灭绝掉。因此,达尔文认为,自然选择是生物进化的推动力。对此,达尔文还认为自然界的生物不是永恒不变的,也不是突然出现的,更不是上帝创造的,而是在自然条件的影响下,从简单到复杂,从低等到高等,逐渐进化而来的;人类并不是神和上帝创造的,是由一种远古时期的古猿进化而来的,和其他生物一样,人类也是生物进化的结果。

达尔文《物种起源》的发表,是生物进化论确立的标志,它开启了生物学的新篇章。恩格斯把达尔文学说列为19世纪自然科学三大发现之一,给予了达尔文很高的评价。

(贴士)

1832年,达尔文进行环球考察时,在加拉帕戈斯群岛上发现了13种雀。尽管群岛上的外部条件相同,但各个岛屿上鸟雀的喙却不相同。据此,他认为,这些鸟都是同一种鸟经过漫长的岁月逐步进化而来的。

二、动物的进化历程

(一)生命始祖

无细胞结构的最原始生物诞生在原始海洋中。慢慢地,细胞结构形成,原核生物进化为真核单细胞生物。第一个有生命的细胞,大约诞生于30亿年前。单细胞生物是最初的生命形式,地球上一切未来生命的始祖,就是单细胞。

在原始的单细胞原生动物向多细胞的无脊椎动物进化的过程中,逐渐出现了多种动物,如海绵动物、腔肠动物、扁形动物、纽形动物、线形动物、环节动物、软体动物、节肢动物和棘皮动物。

(贴士)

草履虫是单细胞动物,只有一个细胞构成,雌雄同体。它是一种身体很小,圆筒形的原生动物。

(二)无脊椎动物时代

在4.38亿~25亿年前,远古海洋中的主要生物是藻类。寒武纪时,出现了大量的无脊椎动物,以三叶虫最多。奥陶纪时,各门类无脊椎动物已发展得非常齐全,海洋里一派生机勃勃。而在距今3.55亿~4.38亿年间(地质史上称志留纪和泥盆纪),绿藻登陆大地,进化为裸蕨植物,无脊椎动物进化为脊椎动物。志留纪时,无硕甲胄鱼类出现,但这并不是真正的鱼类。泥盆纪时,出现了盾皮鱼类和棘鱼类,这才是真正的鱼类。

(三)两栖和爬行时代

2.5亿~3.55亿年前的石炭纪和二叠纪时期,裸蕨植物已完全绝灭了,取代它的是石松类、楔叶类、真蕨类和种子蕨类等植物,它们生长茂盛,形成壮观的森林。此时的昆虫种类已有几万种,两栖类动物也出现了。二叠纪末期,两栖类逐渐向原始爬行类动物进化。中生代时期,裸子植物形成了茂密的森林,动物界中的爬行动物也得到迅速发展,深化出许多种类恐龙。

(四)哺乳动物时代

哺乳动物是动物发展史上最高级的阶段,也是与人类关系最密切的一个类群。

中生代末期,一度繁荣的恐龙突然灭绝,海洋中海蕾、菊石等许多无脊椎动物也遭到了淘汰。新生代时期,哺乳动物统治着大地。在进入新生代后不久,被子植物取代裸子植物成为植物界的霸主;哺乳动物迅速分化,鸟类和哺乳类动物获得巨大发展。其中始新世可以说是早期哺乳动物的全盛时期,到了新生代末期,人类登上了历史舞台。

三、生物进化的主要阶段

现在,让我们在整个地球历史的时间尺度上观察生物圈中重大进化事件的发生,这些事件可称为生物进化史上的大进化。

大约在38亿年前,地球上已经完成了复杂的前生命的化学进化,并产生了原始的生命。约35亿年前,地球就已被多种多样的原核生物占领了,该时期的岩石中已保存了光合自养微生物的痕迹。在随后的数亿年内,原核生物分化为两大类:细菌和古细菌。由此可以认为,地球生物圈的建立和演化的基础在生命史开端的几亿年内就已经建立。进行光合作用的蓝藻及其他原核细胞微生物,从35亿年前到整个元古宙长达近28亿年的地史时期一直是地球生物圈的主要组成部分。

在20亿~27亿年前,蓝藻的释氧作用使得地球大气圈中开始积累了自由氧,真核生物开始在地球上出现。迄今为止,虽然最古老的真核单细胞化石只发现在距今18亿~19亿年的沉积岩中,但真核生物特有的大分子结构(甾烷)在25亿~27亿年的岩石中就已经被检测出。

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