Question

地球生物演化过程

Answer 1

现代地球表面环境系由大气圈、水圈、土壤—岩石圈和生物圈所构成，是地球形成后在经历了漫长的演化历程中渐次发生、发展起来的。一般认为，地球最初是由宇宙中的气体尘埃凝聚并加上对陨石的吸积形成的。地球早期曾经受了地外物体频繁、猛烈的撞击。刚形成的地球经历了原子演化的历程，内部大量的放射性物质不断裂变，放出巨大的能量，加上陨星对地面的猛烈撞击所造成的巨大热效应，很快就发生了地球的分异作用，并导致强烈的地壳、火山活动。禁锢在地球内部的挥发性物质不断地喷发出来，形成了主要成分为水、二氧化碳、一氧化碳、氢气、氨、氮气、二氧化硫等的还原性大气。同时地下的结构水也不断地随气体的喷发而被搬出来，于低洼处形成了原始海洋。大气的形成是地球演化中的一项重要内容。现代研究表明，80～85％的大气是在地球形成早期集中形成的；其余的则是在以后漫长岁月中逐步形成的。大气中最初没有氧气，所以也不可能形成臭氧层，所以造成各种宇宙射线，以及太阳辐射中的紫外线直射地面。这些能量对当时的还原性大气中各成分间的化学反应，起着十分重要的作用，使之合成了多种结构简单的小分子有机物：数种氨基酸、嘌呤、嘧啶、核苷等。科学家们曾模拟原始大气成分，采用放电、紫外线、各种射线和热能，都能成功地合成多种氨基酸。在20世纪50年代初，在一块坠于澳大利亚Murchison附近的陨石中，分析出含有米勒已证明过的许多相同的氨基酸和大致相同的相对数量值。这些小分子有机物在原始海洋中汇聚，成为产生生命的基础材料，再经漫长的历程，逐渐形成了生命的前体。奥巴林指出：“前细胞结构是在原始海洋中经过比较简单的非生物途径起源的，由有机物组织起来的一种生成物，是导致生命体系诞生的出发点。这种生成物在空间结构方面必然朝着结构复杂化和完善化的方向进化”。

现已发现的最古老的生物化石是原始的藻菌类，其年代大约在35亿年前。它们在无氧条件下进行异养生活，以原始海洋中的有机物为养料，依靠发酵的方式获取能量。这些原始的生物体不断地发展变化，约在27亿年前，出现了含有叶绿素，能进行光合作用，属于自养生活的原始藻类，如燧石藻、蓝绿藻等。这些藻类进行光合作用所释放的氧，进入大气后开始改变大气的成分。大气中游离氧的出现并逐步达到一定的浓度比例。这是地球环境演化史上一次重大的发展，整个过程约在18～22亿年前完成。

大气中游离氧的出现和浓度不断增加，对于生物来讲有极重要的意义。首先，生物的代谢方式开始发生根本性改变，从厌氧生活发展到有氧生活。代谢方式的改变大大促进了生物的进化发展。约在10～15亿年前出现了单细胞真核植物，以后逐渐形成多细胞生物，并开始出现了有性生殖方式。约在6亿年前，海洋中出现了大量的无脊椎动物，如三叶虫等。其次随着大气中氧气浓度不断提高，太阳紫外线将O2分解成不稳定的原子氧(O1)，原子氧相互结合形成O3，即臭氧。臭氧的产生并在大气层外围形成臭氧层，这对宇宙射线和太阳光中的紫外线有着屏障和过滤作用，对保护生命体有十分重要的作用。最初时生物只能在水深5～10米处生存发展。随着臭氧层的保护能力增加，生物发展到水体表面生活，并进而由水生开始向陆地生活发展。约在4.2亿年前，原始的陆地植物，如裸蕨开始出现。

陆地上环境变化大，不似水中的环境因素单一。生物登陆之后，在复杂多变的环境条件中加快了发展变化的速度。生物的变异和分化使得生物的数量和种类增加，在此基础上形成了生物体在种内和种间的相互依存、相互制约、相互竞争的关系。由此建立起多种多样的生态系统，其结构也日趋复杂和稳定。这一切又进一步促进了生物的发展和进化。大量生物的出现并生存，对于地球环境的影响也越来越显著。植物进行光合作用吸收二氧化碳释放氧气，同时吸收氨，并用其在体内合成蛋白质；而微生物在分解动植物遗体时又将蛋白质转化成氮气进入大气。这样使得原以二氧化碳、一氧化碳为主的还原性大气，转化成为以氧气、氮气为主的氧化性大气。生物的生命活动对地球物质的循环有着十分巨大的作用。由于生物的呼吸作用和植物的光合作用，大气中的二氧化碳大约每300年可循环一次；氧大约每2
000年循环一次。生物对铁、钙、氮、磷等的循环也有很大的影响。地球森林植被中约含有碳素4 000～5
000亿吨。石炭纪是蕨类植物繁茂的时代，大量的植物残体在沼泽环境中转化为煤层。这样大量的碳素被掩埋地下，导致大气中二氧化碳含量的减少，并由此削弱了温室效应，引起了全球性的气候变化。也许，古生代晚期的冰川就可能与此有关。

植物登陆之后，和地表的岩石层相互作用，开始形成土壤。土壤是陆地表面的疏松多孔体，又是一个胶体系统，对于植物生活所需要的水分和养分有强大的吸附和释放作用。土壤的形成使得易于流失的水和养分，能在地表富集起来。土壤既是植物生活的物质基础，又是植物生活的产物。土壤肥力的提高促进了植物的生长与发展，植物的繁茂又进一步促进了土壤肥力的提高。例如，在针叶林下发育的是肥力低下的灰化土；在草本植物下发育的是肥力很高的黑土。植物界的繁盛又为动物和微生物的生存发展，提供了物质基础和生存空间。

地壳在地球的发展史上经历了许多巨大的变动。古生代是地壳发生剧烈变动的时期，古生代早期是海洋占优势的时代，海洋无脊椎动物空前繁盛。到了中后期，陆地面积大大增加，亚欧大陆和北美大陆的雏形已基本形成，我国的华北和东北已抬升为陆地。此时两栖类开始出现，动物开始由水生向陆地发展。这时期的北半球气候炎热，陆地上出现了大面积的植物分布。由蕨类植物组成的大面积的森林覆盖地表，是一个重要的造煤时期。同时裸子植物在蕨类的基础上发生。中生代的中、晚期，全世界大部分地区都属热带、亚热带气候，季节变化不明显，是爬行动物的全盛期。爬行动物在形态结构和生殖方式(体内受精、生产大型的羊膜卵)上的进化，对陆地干旱生活更为适应。在爬行类的基础上，发展产生了哺乳类和鸟类动物。在植物中，裸子植物繁盛并渐次代替了蕨类植物。中生代的晚期，被子植物产生，并得到较大的发展。

地球环境的变化，如因太阳辐射变化引起的大范围的气候变化；因地壳运动产生的火山喷发、造山和造陆运动、大陆的漂移运动等，这些变化所产生的影响，都是在很大范围之内，甚至在全球范围内进行的，往往会从根本上改变地球的环境条件。这对于生物的生存、发展，都产生着巨大和深远的影响和作用。环境的剧烈变化使得许多生物死亡，甚至种的灭绝，但幸存的物种又会因为变异等而适应新环境，得以生存和发展。

在6
500万年前的白垩纪末，一颗直径10公里的小行星，以20公里／秒的速度进入地球大气层，撞击位于墨西哥尤卡坦半岛的海域。陨星以极高速度和大气分子相撞击，压缩大气并产生极高温度和极强大的冲击波，释放的能量相当1000万亿吨TNT爆炸产生的能量，约为广岛原子弹威力的500亿倍。强大的冲击波破坏和燃烧着地面上的一切物体，燃烧迅速蔓延全球，产生大量的烟尘、碳黑和二氧化碳进入大气层，屏蔽了太阳辐射，使地面降温8～20
℃，海水降温2～3
℃。漫长寒冷的冬季降临，地面的冰盖增大、海水退缩、盐度上升，导致部分海洋生物灭绝，地面植物的光合作用受到抑制，以植物为食的动物大量饿死。强大的冲击波使得大面积的海水立即蒸发，海水产生的剧烈震荡，使得大量的海洋生物死亡，如鱼龙、蛇颈龙和一些软体动物。除此，还造成巨大的臭氧层空洞，各种宇宙射线直射地面，危害地表生物。由于气温下降导致的巨大冰盖对阳光的反射，使气候进一步向寒冷方向发展。根据计算表明，由此引起的寒冷气候，约维持了几十万年，生物遭到空前的打击，约有60～80％的生物种类在白垩纪末从地球上消失。

新生代以来，约3400万年前、1500万年前、240万年前、110万年前，都曾发生过直径为1～5公里的陨星撞击。虽说其能量都明显小于白垩纪末的那次撞击，但都造成了不同程度的生物毁灭。

现代地球的环境格局基本上起始于新生代。随着现代山系，如喜玛拉雅山和阿尔卑斯山的高高隆起，导致全球范围的气候变化，形成各类型的气候带。四季交替明显，全球的环境向多样化方向发展，并奠定由被子植物、哺乳动物、鸟类和昆虫为优势生物的生物圈基础。第四纪出现的气候寒冷时期引起了陆地冰川面积扩大和海平面下降，使得原先为海水淹没的大陆架显露出来，并成为陆上生物往来的通道。现代的全球生态系统中被子植物繁盛，哺乳类、鸟类和昆虫类的繁盛，在经历了第四纪冰川期的严酷考验后基本上稳定下来。

从地球环境的演化历程来看，生命是地球环境发展到一定水平的产物，而生命在形成和繁盛之后，又对环境的发展演化产生了极其重要的作用。生命与环境是相互影响，相互作用，共同发展进化的。

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