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3 地球的起源与演化

3．1 地球的起源和圈层分异

地球起源问题自18世纪中叶以来同样存在多种学说。目前较流行的看法是，大约在46亿年前，从太阳星云中开始分化出原始地球，温度较

低，轻重元素浑然一体，并无分层结构。原始地球一旦形成，有利于继续吸积太阳星云物质使体积和质量不断增大，同时因重力分异和放射性元素蜕变而增加温度。当原始地球内部物质增温达到熔融状态时，比重大的亲铁元素加速向地心下沉，成为铁镍地核，比重小的亲石元素上浮组成地幔和地壳，更轻的液态和气态成分，通过火山喷发溢出地表形成原始的水圈和大气圈。从此，行星地球开始了不同圈层之间相互作用，以及频繁发生物质-能量交换的演化历史。

正是由于地球形成以来经历过复杂的改造和变动，原始地球刚形成时的物质记录已经破坏殆尽。我们是怎样推测它已经有46亿年寿命的？这

需要从地球自身的最老物质记录、太阳系内原始物质年龄和相邻月球演化史几方面来探讨。

3．2 地球的年龄

地球上已知最老的岩石（石英岩，一种由石英颗粒组成的沉积岩，后来遭受过温度、压力条件变化）出露于澳大利亚西南部，根据其中所含矿物（锆石）的形成年龄测定，证明已有41～42亿年历史。根据地质学研

究，这种岩石和矿物只能来自地壳的硅铝质部分（见第四章1），而且必须经过地表水流的搬运、筛选和沉积。所以我们可以据此作出推论，地球的圈层分异在距今42亿年前已经完成。

地质学领域较精确的测定年龄方法，主要根据放射性同位素的衰（蜕）变原理：放射性元素的原子不稳定，必然衰变为它种原子（如238U衰变

为206Pb等），而且衰变速率不受外界温压条件变化影响（如238U经过

45亿年后其一半原子数衰变为206Pb，故称为半衰期）。我们只需在岩石中测出蜕变前后元素的含量，就可以获得母体岩石形成的年龄。

不同放射性元素半衰期的长短有很大差异，其测年的精度也存在重要区别（表2-2）。因此，要根据研究对象实际情况选择测试物质，采用合适的方法。例如，时代很新的湖南长沙马王堆考古发掘中，西汉初期（约200BC）的棺木保存完好，可以用14C法测得木材的绝对年龄数值与古墓

内的文史资料相当符合。至于地球漫长演化史中保存的物质记录（岩石和矿物），只能采用238U－206Pb、87Rb－87Sr等方法，精度误差允许达到几个百万年。实际操作中包含复杂的技术因素，如测试手段的误差，测年方法使用条件的偏离，野外采样不当（标本已受风化影响，不够新鲜），

地质关系观察错误等。这种方法已发展为地质学中一门独立的分支学科——同位素年代学。

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在46×108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46×108年，在41×108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41×108～39×108年前，证明月球当时遭受到大量陨星（星子）的撞击。39×108～31×108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。31×108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（500×106～200×106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±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46×108年年龄的结论已经得到公认。

3．3 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、物质结构共同成为自然科学三大根底理论问题之一。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（F．Engels，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根底。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）。

星际有机分子的存在说明，构成生命物质根底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根底的多分子体系（呈现初步的新陈代谢生命现象），需要经过由化学演化—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异后，随着地表温度下降到300℃±，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、NH3、CH4H2S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→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38×108年，后者为35×108年，可推论当时地球上的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38×108年前。上述两个渠道所获结论一致，比较可信。

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

38×108年前出现的原始生物，根据当时的大气圈、水圈和岩石圈物理、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200～300℃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CO2产生O2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

20×108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。

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46×108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±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10℃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17.5×108年的真核生物（宏观藻类，图2-14），证明这次飞跃大约发生在18×108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10×108年前（元古宙晚期）。

地球上软躯体动物的首次爆发演化发生于6×108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（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，成为地球科学根底理论研究的热点之一。

有壳动物的出现和突发演化，出现在5.4×108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 explosion）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根底。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。

（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4×108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3×108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群绝灭事件（详见第十一章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30～40m、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。

（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）的马门溪龙（一种素食的蜥脚类恐龙），身长达到22m，体重估计有30～40t，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。

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。

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。1860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，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，1986－1987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。

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％，40～50岁和50～60

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“互相残食”，主要原因可能是：①常被巨大肉食动物侵害，②近亲繁殖，③食物摄取的有限性，④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3000～2100BC），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”。

3．5 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（A．Toffler，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。

3．6 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。

早期的地质年代表在19世纪末叶已经建立，主要是依据生物演化的先后顺序获得相对年龄早晚概念，而整个地球历史演化持续的绝对年龄长短无法知晓。19世纪末曾有人假设海水最初为淡水，然后因河流携带钠离子进入海洋而形成盐分（目前海水的平均含盐度为31‰），据此推算地球的历史是0.9亿～1亿年。另外有人根据现代海洋中平均沉积速度（0.3m/103a）和当时已知地壳中的沉积岩总厚度（25000～112000m或150000m）之比，推算最老的沉积岩层约有5×108年历史。甚至20世纪50年代的早期放射性同位素年龄测定，也只获得太古宙开始于17×108～18×108年前的结论。一直到60～70年代同位素年代学和天文地质学的巨大进展，人们才建立起地球已经存在46×108年历史的概念。

表2-4中注出了各个宙、代和纪的最新年龄值，其中有的数值今后还可能发生一定调整。其中，白垩纪开始的年龄到底是135Ma还是144Ma，寒武纪开始的年龄存在2.5Ma（陆相地层）和1.6Ma（海相地层）的差别，都需要进一步验证。新生代的早第三纪（Eogene）和晚第三纪（Neogene），近来已改称古近纪和新近纪（英文术语不变），寒武纪开始年代，以往认

为是570Ma，阅读文献时都应予以注意。

地球的历史有46亿年。如果把这46亿年比作人类的1年，那么，在这一“年”中，地球形成于1月，地壳于2月凝结，原古海洋在3月产生；

最早的生命诞生于4月，留下化石则已是5月间了；12月“中旬”时，

恐龙成为当月的主宰；而灵长类的足迹晚至12月26日才开始出现；作为

一代天骄的人的历史，如以300百万年计，则直到这一“年”的12月31日“下午”的6“点”24“分”，方才姗姗来迟。但却恰好赶在“除夕”

之日的《新闻联播》之前，成为这一“年”内最具爆炸性的新闻。

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