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公元1430~1850年间，北半球的气候转冷，特别是在1650~1750年间，被称为“小冰期”。伴随着寒冷期气候而来的，是中纬度地带的湿润，雨量的增加，使这一时期里海的水平面较之以前和以后几个世纪高出了5米以上。

1850年以后，气候又出现增温的趋势。随着近、现代科学观测的日趋完善，气候变迁的研究有了可靠的数据基础，气候变迁的科学原理逐渐被揭示出来。

第五节　　生命的进化历史

第五节　　生命的进化历史

1　、生命起源研究历史及现状

生命起源问题是自然科学面临的几个主要的未知基础科学问题之一。几乎所有的自然历史及生物学教科书总会有章节介绍生命起源。按照大爆炸理论，大致是从150亿年前大爆炸开始的宇宙起源，到约50亿年前太阳系的起源，到约45亿年前地球的起源，到大约37亿年前地球上生命的起源。地球生命体系是已知的宇宙中惟一的生命体系，也是已知的宇宙中最复杂的分子体系，更是自然演化出的最完美的分子体系。在地球上生命起源的过程是如此复杂，生命起源的过程是如此偶然，有人做过一个形象的比喻：如果一只猴子在打字机的键盘上随机跳动能打印出大英博物馆的所有图书，那么在地球上发生生命的几率仍比这还小。

在19世纪以前，神创论、自然发生论和生源论是关于生命起源的三种主要观点。随着19世纪科学的突破性进展，在地质、天文、生物、物理和化学的一系列新发现的基础上，对生命起源问题的探讨才得以逐渐摆脱神学的束缚。

1828年，F　。　W　hole：从CO2；　H2O及NH3等简单无机小分子合成了尿素，打破了当时统治科学界的绝对信念—与生命相关的分子只能通过活的有机体才能实现。人们认识到，生物合成有机物占主导地位只是当今地球的特征。这一发现冲破了“活力论”，打破了分子“活”与“死”之间的鸿沟。

对生命起源进行严肃的科学研究大致可以说是从1924年开始的，以苏联生物化学家A。　L。　Oparin的“生命的起源”一书的出版为标志。在此书中，Oparin提出了化学进化的概念，并科学地划分了生命起源的几个阶段即可能的反应途径。　奥巴林（Oparin）和荷尔丹（H　aldane）的“原始汤”假设，公认为是第一个建立在严格物质基础上的比较正确的生命起源理论。他们设想这种原始汤所含有的化合物，可以合成不同复杂程度的有机分子，并且最终可以通过“化学进化”合成生物有机体。

20世纪50年代，美国科学家U　rey在奥巴棒荷尔丹观点的启示下，根据远离太阳，变化较小的木星和十星现在的大气成分主要是CH4　；NH3、H2的事实，推想原始地球的大气也是这样的还原性大气。1953年，芝加哥大学化学系研究生Stanley　L。　Miller在其导师诺贝尔奖获得者H。　C。　Urey的指导下进行的气体放电实验，就是以U　rey的理论为基础的：他以CH4　；NH4和H2为原料，模拟原始大气成分，在水蒸气的驱动下，在密闭的玻璃仪器内火花放电，结果生成了很多种低分子有机质，其中有4种氨基酸（甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸和天冬氨酸）就是组成生物体蛋白质的氨基酸（　M　iller；　1953）。此后，Miller的实验在不同条件下重复，采用不同成分的“大气”组成，利用不同的能源如紫外线、放射线、高温和强阳光等，生成了许多生命组成中的重要有机物质。许多学者还以彗星和星际物质的化学组成成分为原料来合成有机物，这也是非常有意义的。原始地球的第二期大气层，基本上是由火山所逸出的气体形成的，它的主要成分为CO2　；　N2　；　H2O和SO2，甚至还有少部分的O2（　Rubey；　　1955）。近来的研究表明，这类混合气体在放电的作用下，很容易合成氨基酸。

M　iller开创性的实验显示，在模拟的原始大气条件下，再有能量参与，就能够有大量有机物质合成。为了实现这一切，原始大气应该是还原性的，有好几种可能的分子组合。Raulin和Frere发现，由CH4、　N2　、H2O组合的大气混合物，可以产生多种丰富的有机化合物。这些有机化合物可以分为两类：挥发性的和难溶性的。其中难溶化合物在水解条件下可以产生许多重要的前生命物质，但目前这些化合物还没有经过系统研究，其化学特征和物理特性也有待进一步探索（Sagan　et　al。　；　　1979；　　Coll　etczl。　；　　1998）　。原始大气只是可以提供生命化学进化原材料的场所之一，地球表面的许多区域，甚至宇宙空间都可以提供化学进化所需的物质和能量条件，类似的反应过程还可以广泛地重现。正是因为如此，奥巴林提出了“原始生命曾经在不同时间和不同地点多次发生、分解又重新形成”的推论。

目前有关化学进化的假说观点众说纷纭：如“奥巴林说”，认为生命起源于原始海洋或附近富水环境中的化学渐进演化；“泥土说”，又称“遗传结品说”，主张原始有机物起源于泥十矿物中有缺陷的品格结构；“火山说”认为原始有机物起源于火山喷发；“硫化物说”，认为地球生命起源于原始灼热的富硫化物溶液的沸腾海洋；“深海热泉说”，设想生命起源于深海的特定热泉喷口等等。尽管这些不同的假说所主张的化学进化的场所和能量来源不同，但这并不是一个非此即彼的问题—合成某一种有机物的化学反应的条件和方式并不是唯一的。何况当时地球上的环境变化多端，地表的结构复杂多样；即使是在同一时期，在地球表面不同的亚生命区域，化学进化的形式也可以有所不同。在若干亿年的漫长地质时期，先后在地表的一些不同地区出现适合有机大分子形成和演化的环境，这是完全可能的。

如果推断生命的化学进化发生在3　900　M　a年以前，考虑到当时动荡的全球环境，认为生物化合物或它们的前体是来自地球以外的宇宙空间的观点也不可忽视。太阳系的形成是距今大约5　000　M　a年前发生的一起宇宙事件，对地球上生物有机物的产生必不可少的有机小分子，也可能是在宇宙中形成的。有些学者认为，这些宇宙中的有机小分子的合成，是通过星际尘埃来实现的。星际尘埃一般认为包括石墨硅、固态的甲烷和氨，也有少量金属，星际尘埃的年龄通常与太阳系的年龄相当。特别是因为有些尘埃具有耐熔的有机质，当它们处于离散星云中的紫外辐射之下，就有可能合成各种不同的有机小分子（Chiar；　　1997）。在地球的早期演化过程中，星际有机分子可能通过彗星尾部对地球的“轰击”或者陨石撞击而大量进入地球，成为前生命化学进化的基本原料，或者参与化学进化的过程（Rode；999；　　Gaffey；　　1999）。大量研究表明，彗星和陨石含有多种不同的有机物，其中的一些有机物可以作为生命化学进化的前体物质。这些有机物质本身很可能就是在星际空间的类似原始地球大气的条件下，通过某些化学反应生成的。这种星际尘埃假说存在的问题是：由于在地球演化早期，地表很可能处于高温灼热的状态，外来有机分子即使能够进入地球，也会很快分解。但近来对含碳陨石、星际尘粒和彗星进行的同位素分析表明，星际有机分子进入太阳系或地球之后，仍然具有较高的保存率。

总之，生命的化学进化开始的早期地球环境条件，以及化学进化过程进行的场所和方式等问题的争论由来已久，将来仍然会是一个普遍关注的热门问题。孕育生命的早期地球环境条件还有待于进一步分析和研究，力求为众说纷纭的化学进化学说提供新的思路和证据。生物是自然环境的产物，是由环境的变化造就的。研究早期地球环境与生命起源的化学进化之间的关系，对进一步探讨生物进化以至人类进化与环境变化之间的关系具有深远的意义，也能使我们对生物圈今后的生存和发展有更深刻的认识。

2、生命起源的化学进化过程及时间

生物的化学进化过程，主要是指从地球形成初期直到原始细胞出现，一系列非常复杂的有机化学反应过程。这个生命起源过程与当时的全球环境变化密切相关。地球上开始出现最早的细胞生命，即不但具有与外界分隔的生物膜，同时又有内部膜分隔的、有形态学特征的、生命活动基本单位的最初出现，标志着生命的化学进化的完成和生物学进化的开始（张响，1998）。一般认为，化学进化可分为4个层次：无机分子的生成（NH3　；H20　。CH4　。CO　。C02、NO）、生物小分子的合成（氨基酸；糖、单核普酸；A　T　P等高能化合物、脂类等）、生物大分子的合成（多肽、多聚核普酸）和原始细胞的出现。近年来按照将RNA作为生命起源主体与中心的观点，将病毒作为化学进化的第4个层次，似乎也又有一定的合理性。类病毒是具有感染性的RNA分子，一般认为是现存生命的最简单形式，与RNA作为生命起源主体的观点明显吻合。

由于有机物可以在很长的一段时间内聚集并且维持其稳定性，生命的化学进化很可能与地球上最早的水圈的形成是在同一时期发生的，或许在地球的液态水圈形成之前，在水蒸汽中就已出现了。地球化学证据表明，化学进化大约发生在太古宙早期，距今3　500…　3　900　M　a年前（W　ashington；　2000）：在南非发现的微化石沉积物显示在3　400　M　a年前地球上就已经有生命存在（Knoll　et　al。　；　　1977）　；有细胞结构的生命至少在3　500　Ma年前就已存在（　Schopf；　　1993）；对碳稳定同位素的分析表明在3800　M　a年前生物的有机合成已经出现（M　ojzsis　etal。，1996；　Rosing；　　1999）　；　1996年M　ojzsis等发现，一种由磷灰石颗粒组成的磷酸钙矿物中嵌有石墨的“包体”，更把生命存在的时间推早到3　870　M　a年　。　想看书来

第六节　　地壳、大气、海洋、气候、生命的变迁史综合

第六节　　地壳、大气、海洋、气候、生命的变迁史综合

1　、地壳

地壳是有岩石组成的固体外壳，地球固体圈层的最外层，岩石圈的重要组成部分。其底界为莫霍洛维奇不连续面（莫霍面）。整个地壳平均厚度约17千米，其中大陆地壳厚度较大，平均为33千米。高山、高原地区地壳更厚，最高可达70千米；平原、盆地地壳相对较薄。大洋地壳则远比大陆地壳薄，厚度只有几千米。青藏高原是地球上地壳最厚的地方，厚达70千米以上；而靠近赤道的大西洋中部海底山谷中地壳只有千米厚；太平洋马里亚纳群岛东部深海沟的地壳更薄，是地球上地壳最薄的地方。

地壳分为上下两层。上层化学成分以氧、硅、铝为主，平均化学组成与花岗岩相似，称为花岗岩层，亦有人称之为“硅铝层”。此层在海洋底部很薄，尤其是在大洋盆底地区，太平洋中部甚至缺失，是不连续圈层。下层富含硅和镁，平均化学组成与玄武岩相似，称为玄武岩层，所以有人称之为“硅镁层”（另一种说法，整个地壳都是硅铝层，因为地壳下层的铝含量仍超过镁；而地幔上部的岩石部分镁含量极高，所以称为硅镁层）；在大陆和海洋均有分布，是连续圈层。两层以康拉德不连续面隔开。

在地壳中最多的化学元素是氧，它占总重量的；其次是硅，占；以下是铝、铁、钙、钠、钾、镁。丰度最低的是砹和钫，约占1023分之一。上述8种元素占地壳总重量的，其余80多种元素共占。

地壳中各种化学元素平均含量的原子百分数称为原子克拉克值，地壳中原子数最多的化学元素仍然是氧，其次是硅，氢是第三位。

大约99％以上的生物体是由10种含量较多的化学元素构成的，即氧、碳、氢、氮、钙、磷、氯、硫、钾、钠；镁、铁、锰、铜、锌、硼、钼的含量较少；而硅、铝、镍、镓、氟、钽、锶、硒的含量非常少，被称为微量元素。表明人与地壳在化学元素组成上的某种相关性。

2、地壳、海洋、大气、生物综合演化简史

（一）太古代（距今约25亿年之前）

太古代是地质年代中最古老、历时最长的一个代，即原始地壳以及原始大气圈、水圈、沉积圈和生物的发生、发展的初期阶段。

地球刚刚开始时是个高温熔融状态的红色球体，后来重的铁、镍逐渐沉到中心而成为高温固体状的地内核，较轻的高温液体状的铁、镍、硫、硅成了地外核；而更轻的氧化铁、氧化镁、一氧化硅、三氧化铝在下，橄榄石、正辉石在中，上为高温熔融粘滞层，这三个圈形成地幔层，其上部冷却形成地壳。地壳在太平洋最深处只有5km，在青藏高原最厚处却达80km，但它们对于地球半径6371km来说，只能算是薄板而已。地壳形成时喷出大量的水和气，从而形成原始的水圈，当时陆地极少，故地球表面成为蓝色的海洋。

地壳刚形成时各地厚度差别不大，仅有少数较厚的地而露出水面，称为陆核，如我国华北、加拿大、澳大利亚、南极洲、非洲的部分地区。露出水而的岩石经风化后就由大变小，最后形成岩屑、砂砾、淤泥并进入海洋而沉积下来，从而形成最早的沉积岩。到了距今25亿年时，分散在各地的陆核可能相撞在一起而第一次形成泛大陆。相撞造成了强烈的地壳运动。目前依据是在河北遵化县发现了陆核相撞而形成的缝合线，以及洋底才有的大片蛇绿岩；当时华北在十几亿年中在海底沉积的13000m厚的地层也发生强烈的褶皱，并形成了今人所见的山西五台山等，故此次运动在我国一般称五台山运动。

太古代的地壳运动和岩浆活动既广泛又强烈；火山喷发频繁，故使大气圈和水圈才得以形成。原始海洋的面积可能比现在大，但平均水深则浅得多。现在世界各地蕴藏丰富的海相层状沉积的变质铁锰矿床和岩浆活动形成的金矿等就是在这时期形成的。

当时大气中80％是水蒸汽，11％是一氧化碳；5％是硫化氢；1％是氮，其余为二氧化碳、甲烷等，没有氧气，但却适合只有细胞壁和原生质的低等生物—细胞和冬藻的生长和繁衍。海水也是酸性矿化水（后来才逐渐被中和），陆地是灼热的，荒芜的。在某些适宜的浅海环境中，有些无机物质经过化学演化跃变为有机物质（蛋白质和核酸），进而发展为有生命的原核细胞，构成一些形态简单的无真正细胞核的细菌和蓝藻。这只是出现于太古代的后期。

总的来说，太古代是原始地理圈的形成阶段，陆地是原始荒漠景观，水域是生命孕育和发源之地。当时地壳与宇宙之间以及和地幔之间的物质能量交换比后来任何时候都强烈得多。

（二）元古代（距今25亿—6亿年前）

在25亿年前形成第一次泛大陆后，各大陆又逐渐分开，并在陆地周围沉积了巨厚的地层，此时，由于蓝藻的不断光合作用，地球的氧气不断增加，一氧化碳、甲烷、硫化氢等有毒气体逐渐减少，终于在我国首先发现了有细胞壁、原生质和细胞核的有核细胞生物—绿藻等化石，使生物从漫长的原核时代进入了有核时代。

在距今约19亿年各个陆核又一次相撞在一起，真是有分有合。碰撞又造成了强烈的地壳运动。以华北为例，相撞使早期沉积的5000多米厚的地层又发生了强烈的褶皱，形成了山西吕梁山等，故而称吕梁运动。华北地核从此进入较稳定