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地球变化是生物进化的前提_生命的探索

时间:2020-02-09百科知识联系我们
地球变化是生物进化的前提_生命的探索

地球变化是生物进化的前提

生物并不是从来就有的,生物是由低级向高级、从简单到复杂进化来的,那么最简单、最低级的生物又是哪里来的呢?在科学还不发达的年代里,人们一直认为最简单、最低级的生物是自然发生的。就像肉放久腐烂生蛆、粮放久了会生虫、水里会生出微生物一样。后来,随着科学的发展,人们才逐步认识到原始的生命物质来自于无生命的物质。从无生命的无机物到有机物,再到生命的出现是通过一系列化学变化才形成原始的生命物质,这就是生命的化学进化。

一、地球的形成和变化

原来地球上并没有生物,地球形成后,地球表面的温度不断发生变化,随着地球的温度变化逐渐产生原始生命。生物进化的历史是和地球变化的历史相联系的。

地球是太阳系的一员,它的诞生是和整个太阳系的诞生分不开的,大约在46亿年前,形成了太阳系,也产生了地球。

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地球的构造

地球是由地壳、地幔和地核构成的,地球表面以上的各圈层包括大气圈、水圈、生物圈。如果把地球比作鸡蛋,地壳就是蛋壳,地幔就是蛋白,地核就是蛋黄。自地球形成以来,地壳就一直在运动着、变化着。地壳的运动虽然极其缓慢,也会使地球表面发生变化。地壳的岩石形成也有先有后,由于地球变化非常缓慢,所以生物进化年代不是以年月来划分的,而是用宙、代、纪、世、期来划分。地球的地层也相应由宇、宙、系、统、层来表示。地质年代的“宙”是以是否出现生命作为划分界限的。

我们赖以生存的地球诞生于距今约46亿年以前,当时的地球是怎样形成的?就这个问题,人们一直为此苦苦追寻,但到现在为止,仍然说法不一,还有待进一步探索。地球的形成,也就是太阳系的形成,两者是密不可分的,这里简单介绍两类观点:

一类是演化说,主要观点认为太阳系是有条不紊地逐渐演变而形成的。1796年,法国著名学者拉普拉斯提出了星云学说,他认为形成地球和太阳系的原始星云,最初是一个球形,它具有很高的温度,缓慢地旋转着。由于炽热的星云逐渐冷却、收缩,从而旋转加快,随之赤道部分的离心力也就越来越大,于是抛出一个又一个的气体环,围绕着星云中心旋转,最后中心部分就形成了太阳。各个环的物质破裂,凝集成围绕太阳旋转的行星。同样,组成行星的星云体也生成环,环破裂而形成卫星,这样就形成了整个太阳系。

另一类是灾变说,主要观点认为太阳系是一次激烈的偶然突变而产生的。20世纪初,英国金斯提出的潮汐说影响最大。这个假说认为在几十亿年以前,突然有一颗恒星向太阳驶来,当它到达太阳附近时,由于它的巨大引力作用,从太阳表面吸引出去一股像雪茄形状的巨大气体流,就在太阳表面引起潮汐。恒星过后,这股潮汐物质离开太阳,逐渐冷却、凝聚而成为九大行星。

按星云学说,地球作为一颗行星,远在46亿年以前,与太阳及其他行星共同起源于原始太阳星云,同其他行星一样,地球也经历了吸引、碰撞这样一些物理演化过程。

地球胎形成伊始,温度较低,各种物质混杂在一起,并无分层结构,是一个接近均质的球体,表面也没有海洋,原始大气已逃逸殆尽,更谈不上有什么生物,这种物质的现象是相对的、暂时的。毫无阻挡的地球胎在大量陨石的频繁轰击下,尤其是内部放射性物质的衰变放热,以及原始地球的重力收缩,地球内部温度逐渐升高,大约在距今4.5亿年前后这段时间内,地球内部温度已很高(有人估计这时内部温度大约为1500开氏度~2000开氏度,这个温度足以使铁熔化)。随着温度的升高,地球内部的物质也就具有越来越大的可塑性,并出现局部熔融现象。这时物质在重力的作用下开始分离,地球外部较重的物质逐渐下沉,地球内部的较轻物质逐渐上升,一些重的元素沉到地球中心,逐步形成一个密度较大的地核,比重小些的元素构成包围在地核外面的地幔,组成地幔的物质也有轻重的差别,它们又进一步分化,较轻的元素从地幔中分离出来,上升形成地壳。正是由于物质的对流伴随着大规模的化学分离,最后使地球逐渐形成了地核、地幔和地壳等内部圈层。

地球外部圈层中的大气层形成不是来源于原始太阳星云,因为在地球胎形成时,其外围的原始大气已逃逸殆尽,不存在包围在外的大气层。那现在大气圈中的大气怎么来的呢?在地球演化过程中,伴随着地球内部物质的分离和重新组合,原先存在于地球内部的各种气体随岩浆一起被喷出地面,在地球引力作用下,陆续被喷出的大量气体聚集在地球周围形成原始大气,它的成分主要是一氧化碳、甲烷、氢、氨和水汽,那时还没有氧。只有在大气圈上层的水蒸气被高能紫外线的辐射分解后,才产生少量的氧,其数量不超过今天大气中氧含量的0.1%。地球上的生命物质最初是在没有氧的情况下产生出来的,那时氧对生命物质还是一种有害的东西。后来,当地球上出现绿色植物后,它们利用阳光作能源,大气中的二氧化碳为原料,通过光合作用制造养料组成自己的机体,然后把氧作为废物排出体外,空气中的游离氧越来越多,从而为多细胞生物的出现打下基础,正是在各个圈层的相互作用下,原始大气逐步发展成现代大气。

水是在大气的基础上形成的,放射性元素衰变放热等因素使地球内部温度升高后,地球内部的结晶水也随之汽化,火山喷出的气体中有60%~90%是水蒸汽,原始地球中的水蒸汽随同其他气体上升到地面后,成了原始大气圈的组成部分。后来由于地表温度逐步降低,飘忽在大气中的水蒸汽渐渐凝结成水滴,以降雨形式落到地面。经过降落、蒸发、再降落这样反反复复的过程,地表温度进一步降低,空气中的水蒸汽愈来愈少,地面上的液态水愈来愈多。降落到地面上的液态水,一部分渗透到岩石里成为地下水;一部分汇集在大大小小的隙谷中,形成潺潺溪流和滔滔江河;更多的则随着地壳的变动蓄积在它所造成的洼地中,成为地球上最早的巨大水体——原始海洋。它们共同构成了地球上的原始水圈。水圈刚刚形成时,由于氯化氢被溶解在水中,因此,当时的海水不是咸的,而是酸性很强的水体。后来由于各个圈层的相互作用,溶解在水中的酸渐渐被中和,各种盐类不断增加,才使海水慢慢具有了今天的特征。

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原始海洋

地球内、外部圈层的分化,特别是原始大气圈和原始水圈的先后形成,为生命的产生创造了先决条件。在此基础上,地上原先仅有的无机物通过化学演化的途径,经过漫长的曲折的演化过程,终于在约30多亿年前孕育诞生了原始生命,之后,原始生命又在与外界环境长期的相互作用过程中,不断繁衍进化,形成了繁荣的生物圈,从而使地球在太阳系中、甚至在整个银河系中处于一种独特的地位。

人类绝大部分的生产、生活活动是落实在地壳上,所以地壳对人类最重要。

地壳有一部漫长的、不断变化、不断发展的历史。人们根据地层顺序、生物演化阶段、地壳运动和岩石的年龄等,把地球的历史分成五个代:太古代、元古代、古生代、中生代、新生代,每个代又分为若干个纪。

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太古代地形

距今最远的是太古代,当时的地壳是一个混沌初开的世界,几乎一片汪洋,陆地很少。

海洋里分散着一些火山岛,陆地上只有些秃山,一片荒凉。地壳的厚度不大,不像现在的坚固和复杂,所以地下的岩浆不断地从裂缝或地壳薄弱的地方喷出。到处硝烟弥漫,火光冲天,更多的火山是在海底喷发,灼热的岩浆和海水进行了惊天动地的水火搏斗,冷凝的岩浆逐渐堆砌而终于露出海面成为一些岛屿,使陆地面积逐渐扩大。随岩浆活动,组成地壳的岩层时常发生弯曲和断裂。地球被二氧化碳含量很高的大气笼罩,大气中经常电闪雷鸣,很不平静。我国的泰山在此时有幸屹立在海面之上,它历经十几亿年的风吹雨打,几度沉浮,早已成为一位弯腰曲背、布满皱纹的山脉老人了。

在太古代的海洋中,只有少量的低等原始生物。从元古代起,海洋中已有原始无脊椎动物和海生藻类出现,这种简单原始动物,由于没有较硬的外壳,所以很难保存下来成为化石,这就使人类对这两个地质时代的了解增加了很大困难。到元古代晚期,海生藻类进一步发展,而陆地上基本上还是光秃秃的,没有生物出现。元古代时,现在的陆地仍大部分被海洋占据,到了晚期出现了若干大片陆地。

古生代是地球发展史上的一个重要阶段,古生代包括六个“纪”,通常把其中的寒武纪、奥陶纪和志留纪称为“早古生代”,把泥盆纪、石炭纪和二叠纪称为“晚古生代”。

早古生代距今约4亿~6亿年。这时的地壳进一步稳定,海洋面积仍然很大,并出现了广阔的浅海环境,在这种情况下,海生生物繁盛起来。在植物方面,海洋藻类空前发展,形成“海洋藻类时代”。在动物方面,无脊椎动物在海洋里大量出现,主要有三叶虫、笔石、珊瑚等。因此,这个阶段也叫做“海洋无脊椎动物时代”。

晚古生代距今约2亿~4亿年,泥盆纪时,在植物方面,沿海一带裸蕨类相当茂盛,所以把泥盆纪称为“裸蕨类时代”。到了石炭纪和二叠纪时,许多地区的气候变得温暖湿润,沼泽环境广布,芦木、鳞木、封印木等蕨类植物空前繁盛,有的高达50多米,因此把这二叠纪叫“蕨类时代”。这些高大茂密的森林,后来变成了大片的煤田。在动物方面,到泥盆纪时,有大量的原始鱼类出现,所以又把泥盆纪叫做“鱼类时代”。到泥盆纪末期,许多浅海变成沼泽地和陆地,鱼类遂向两栖类过渡,生物开始向陆地进军。到二叠纪时,两栖类得到空前发展,所以又把二叠纪叫做“两栖类时代”。到二叠纪晚期,气候开始变干,动物就从两栖类向爬行类过渡了。

中生代包括三叠纪、侏罗纪和白垩纪,是地球历史发展的又一重要阶段。历时约1.6亿年。

晚古生代末期,由于地理和气候发生显著变化,这时裸子植物得到进一步发展,如银杏、松柏和苏铁等代替了蕨类植物。到侏罗纪,裸子植物到达极盛时期,动物界中恐龙大发展。可见,到了中生代裸子植物代替了孢子植物,爬行动物代替了两栖类动物。这样中生代就称为“裸子植物和爬行动物时代”。中生代由于有这样繁荣的植物和巨大的动物,后来就变成了许多巨大的煤田和油田。

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中生代三叠纪(www.anred.net.cn)

新生代包括第三纪和第四纪,它是地壳历史最新的一个阶段,时间最短,距今只有7000万年左右,这时地球上的自然地理环境和生物界面貌已经和现在相似。在植物界,被子植物大发展,所以新生代也叫做“被子植物时代”。这时在热带和温带出现了大片的热带常绿林和温带落叶林。后因气候变冷变干,在亚欧大陆腹地森林面积逐渐缩小,被草原植物所代替,发生了大规模的森林草原化现象。在动物界,哺乳动物空前繁盛,各种食草动物和食肉动物都得到迅速发展,所以又把新生代叫做“哺乳类时代”。

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侏罗纪

自然界中生物的大发展,终于导致改造自然的高级动物——人类的出现,古猿逐渐演化成现代人,关于人类的出现,一般认为是在第四纪,距今约有200万年左右的历史。

我们的地球就是这样从天文时期,经过太古代、元古代、古生代、中生代、新生代五个地质时期一直演化到现在,逐渐形成今天的面貌。现在,我们的地球上,有一望无际的波涛汹涌的海洋,有高峰插云的崇山峻岭,有河网交错的平原沃野,有炎热多雨的热带森林,有飞沙走石的戈壁沙漠,有千里冰封的巨大冰原,而且还生长着各种植物和动物,呈现出一派丰富多彩的壮丽景象。这都是数十亿年来长期演化的结果。

二、生物的生存和进化与环境有关

生物与环境是不可分割的,生物的存在与进化离不开一定的环境。而生物的生存又影响环境的变化,大量的事实说明,生物与一定的环境变化有关。生物的存在和进化离不开一定的温度。从地球的一极到赤道,随着温度的变化,动植物的分布也发生明显变化。极地终年覆盖着冰雪,气候寒冷,几乎没有植物生长,随着纬度的降低,气温逐渐升高,才逐渐出现苔原、低矮的灌木丛、针叶林、落叶阔叶林,到了赤道附近,则是常绿阔叶林。例如山地,自上而下在不同的高度上的植物分布带几乎和地球平面上由低纬度到高纬度所引起的变化一样。经考察、高山的高度上升1000公尺和地面向北推1000公里基本相同。这种现象并不是巧合,而是非生物因素的温度影响造成的。我国各类动物的分布也与温度密切有关。动植物的生存、进化除了与温度有关外,另外阳光、水、空气、土质等与生物的生存和进化也有密切关系。阳光是生物生长、发育和繁殖进行生理活动的最基本的能源,绝大部分植树是通过阳光进行光合作用,绝大多数动物和微生物都以阳光为生存能源。而水几乎占了生物体的90%。任何生物都离不开水,水是生物生理活动的基本物质。空气也是生物时刻不可缺少的。生物要交换空气,进行生理循环没有空气是不行的。土壤等物质条件也是生物必不可少的生存和进化的条件。

由此,可以看出,生物的生存和进化与环境是密切联系的。研究生物进化要从环境着手。

三、地球表面有机化合物的形成

在地球形成的初期,整个地球是混沌一片。表面没有大气,也没有水,是一个温度很高的星球。那时候,地球表面火山遍地、岩浆横流、尘烟蔽日。后来,一些生命必需的元素如氢、氧、碳、磷等的化合物随火山喷发而逸出地表,由于高温形成的水蒸气在地表受冷又变成滂沱大雨,慢慢形成了原始的海湖江河。从地下喷出的大量气体逐渐组成了原始的大气圈。火山喷发出火红的岩浆把海水煮得沸腾,暴雨不断把大量的泥沙带到低洼的地方。大量的宇宙线、太阳辐射线以及地球内部释放出来的热能又促使原始气层和地球表面的物质进行剧烈的分解和化合。随着地球表面温度的不断下降,地球面才生成了氨基酸、单糖、有机碱等低分子有机化合物。这些有机化合物溶解在水里,流入大海,流入湖泊,由于没有生物去消耗这些有机物,就逐渐聚积起来。

低级有机化合物有的在江河湖泊中会受到太阳辐射能和宇宙射线的破坏,而那些积聚在海洋中层的那些有机物,它们可以不受海面上射线的破坏,也不受海底射线的影响。这些低分子有机化合物经过长期的积累就会发生质的变化,形成更高级的有机化合物,最后终于形成了像蛋白质、核酸这样高级的物质群。

蛋白质和核酸的形成,为生命的出现提供了可能,这是生命出现的前提。

四、生物的化学进化

生物的化学进化是在海洋中进行的。原始的海洋和现在的海洋不同,原始海洋里盐分很少。蛋白质、核酸、多糖、类脂等高级有机物在原始海洋里越聚越多。通过长期的蒸发、冰冻、吸附、团聚的作用,使它们又浓缩形成一种多分子体系。多分子体系有机物出现,是向有生命力细胞进化的关键性一步。

多分子体系在海水和阳光、空气作用下,形成一层最原始的界膜,通过界膜使有机体和周围海水分开,多分子体系又通过界膜从外部吸收自身所需补充的物质,又排泄出废物。这种物质交换就是最原始的新陈代谢。有了界膜的多分子体系由于有了最原始的新陈代谢,不仅使自身能保存下来,而且进一步形成了自我繁殖的能力,这就是最初的原始生命。这是生命进化史上的一次质的飞跃。

五、生命的出现和意义

带有界膜的原始生命出现后,由于地球温度仍很高又严重缺氧,这些原始生命的存在受到很大威胁,它们只能生活在海洋中。后来由于大自然的雷电和太阳紫外线的作用,产生了大量的臭氧。逐渐在地球表面形成了臭氧层,臭氧层的形成为原始生命的存在与进化创造了条件。大约在40亿年以前,经过漫长的演化,原始生命内部构造也发生了复杂变化,逐渐产生了细胞。细胞的出现,原始生命的化学进化就转变成生物进化了。细胞的出现,是生命形成的标志,是生命进化史上的又一次质的飞跃,但原始细胞还没有真正的细胞核,大约在15亿年前,地球上才出现了具有真正细胞核的真核细胞。

细胞的形成,意味着生命的形成。地球是生命的源头。从地球表面有机化合物的形成,到生物的化学进化出现细胞,这只是生命的形成,生命形成后,生物进化并没有停止。带有界膜的原始生命经过漫长的进化成为细胞后的进化,就是生物进化。从原始的单细胞生物逐渐演化为多细胞的生物以至最高等生物的整个历程都属于生物进化阶段。生物的化学进化是生命的起源,要研究生物的进化必须首先从生命起源着手,研究生命的起源对于研究生物的进化有着决定性意义,只有从生命起源着手,才能彻底粉碎唯心主义的神创论,才能解开生命之谜。

生命是由于化学进化形成的,这已被科学证明。在现代科学中,用模拟原始地球条件的方法,在实验室内用简单的无机化合物和有机化合物合成复杂的高分子化合物。由此可以判断出从无机物转化为有机物是可能的。从有机小分子向类似蛋白质和核酸高分子化合物的转化也是可能的。自然界从无机走向有机,从有机的化学进化而形成生命也是可能的。这也是合乎自然规律的。如美国学者米勒在1953年用甲烷、氨水、蒸气等,通过火花放电成功地合成氨基酸。一些国家的科学家已经制造出类似蛋白质和核酸的物质。我国科学工作者在1965年就成功地合成结晶牛胰岛素。这种人工合成的蛋白质含有51个氨基酸。

从大量的化学试验来看,生命起源有四个阶段。

第一阶段:从无机小分子物质生成有机小分子物质,这主要是因为地球火山造地运动后,原始地球由原来炽热的球体开始冷却,地表大气中有大量的氨、水蒸气、二氧化碳等:由于没有游离氧而合成为有机小分子物质。这一阶段有三个合成过程:

1.地核喷出的碳化物+水蒸气→碳氢化合物。如甲烷、乙炔等。

2.碳氢化合物+水+氨,在适当的温度下生成更加复杂的有机物,如氰化氢等。

3.甲烷、氨、氮、氢、水蒸气、二氧化碳、氰化氢等混合物在外界宇宙射线、紫外线、闪电等高能作用下,逐渐形成氨基酸、单糖、核苷酸等生命必需的原生质。

第二阶段:从有机小分子物质形成有机高分子物质。

在第一阶段生成的小分子有机物通过雨水作用,经由江河湖泊汇聚海洋,这些有机物的不断积聚增多,慢慢发生化学变化。

氨基酸——经过综合作用——生成原始蛋白质分子。

核苷酸——经过长期的聚合作用——生成原始核酸分子。

第三阶段:从有机高分子组成多分子体系。

在海洋中形成的蛋白质和核酸分子由于没有生物的消耗而越聚越多。这样,有机高分子由于多种原因和浓缩作用,聚集的有机高分子物质就形成了团聚体或微球体。

第四阶段:从多分子体系演变为原始生命、有机体。

现代科学目前还不能人工合成细胞,但已能合成细胞的生命物质。由此可以推论,生命体是由多分子体系经过长期的化学进化形成的多分子体系的原始新陈代谢作用和繁殖才形成原始的生命物质。

生命起源于地球变化而引起无机物向有机物的化学进化,有机化合物的长期化学进化才出现了生命。这就彻底粉碎了唯心主义的神创论,也有力批驳了生命自发论的错误观点。

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