生物进化与环境的关系

生物进化与环境的关系

一、生命是环境的产物

地球形成早期，表面笼罩着原始的还原性大气，没有氧气、臭氧层，紫外线强烈地照射着地面，地球上没有任何生命，只有浅海、岩石和笼罩其上的薄层气体。

生命的起源经历了漫长的化学演化过程。一般认为生命的化学演化经历了4个阶段：从无机小分子到有机小分子、从有机小分子到大分子、从大分子到多分子体系、从多分子体系到原始生命。有关生命化学演化的认识主要源于间接证据和理论推断。这里仅列举两个相关证据。

1）1953年，芝加哥大学学者米勒（Stanley Miller）在实验条件下模拟40亿年前地球表面的原始大气，并在其中通过火花放电成功地用无机物（如氨、甲烷、氢等）合成了多种类型的小分子有机物，其中含有11种氨基酸。米勒实验证明了生命进化的化学过程（从无机小分子到有机小分子阶段）可能在四十几亿年前就已经存在了。现在，天然蛋白质中所含有的20余种氨基酸，都可以在类似的实验条件下合成。

2）中国科学院化学所的赵玉芬院士研究发现了N－磷酰氨基酸的自催化作用（N －磷酰氨基酸可以自组装生成多肽，并将核苷磷酰化合成核苷酸，因此，N－磷酰氨基酸在一个反应过程中就可以同时生成肽库、核酸库，或肽－核酸复合库）。赵玉芬据此提出了核酸—蛋白质共同起源假说。同时她认为：磷酰氨基酸既可同时生成核酸和蛋白质，又可生成LB－膜及脂质体，因此，它是生命进化的最小系统。[2]

经历了漫长的化学演化过程，大约在距今35~38亿年间地球上出现了原始的生命——单细胞原核生物蓝绿藻（Cyanophyta）。地球上原始生命的出现标志着生命演化进入了一个新阶段——生物演化阶段。原始的生命在遗传、变异和自然选择的长期作用下，经历了由低级到高级、由简单到复杂的演化过程，形成了现存的多样性的生物类群。据估计，目前地球上至少有1000万种生物。

二、生命在进化与发展过程中对环境产生重大影响

生命的出现是地球历史上的重大事件。生命的演化对地球环境产生了巨大的影响。下面以大气层的变化、土壤的形成、绿色植物登陆等为例具体说明。

2.1 生物在进化对大气的影响

地球形成于大约距今46亿年前。那时地球上的温度很低，外面围绕着以氢和氦为主的大量气体，这是地球上的第一代大气。后来，地球在继续旋转和聚集的过程中，由于本身的凝聚收缩和放射性物质的蜕变生热，使原始地球不断升温，内

部达到炽热的程度。由于重力的关系，密度大的物质沉向地球的内部，形成地核和地幔；较轻的物质则分布在地球的表面，形成地壳。最初形成的地壳比较薄，而地球内部的温度又很高，因此，火山频繁活动，从火山喷出许多气体形成第二代大气，又叫原始大气。原始大气的成分大致包括甲烷、氨、水蒸气、氢等，没有氧属于还原性大气。正是这种还原性大气，在一定条件下形成了各种无机物和有机物，为地球上原始生命的起源创造了条件。

原始地球表面的还原性大气（没有氧气，也没有臭氧层，紫外线直接照射地球表面）、强烈的紫外线照射（紫外线具有表面消毒的作用，在微生物技术中通常作为表面消毒杀菌的手段）和较大的昼夜温差都不利于生物的生存。所以，原始地球表面不具备生命普遍存在的自然条件。但是由于水所具有的特殊性质，它可以有效地反射、吸收紫外辐射。在水体的一定深度，紫外辐射可以衰减到对生物没有损害的水平。而水较大的比热容和特殊的温度—密度效应，为生物的生存提供了条件。所以，原始生命起源于海洋一点也不意外。而且原始生命在产生以后相当长的一段时间里，海洋依然是其最主要或者唯一的生活环境。

原始的生命在海洋中繁殖、蔓延，消耗CO2，释放O2。加上大气层中的水分也在不断的光解产生游离氧，大气中游离氧逐步增加，还原性的大气逐渐转变成氧化性大气；并逐渐形成了臭氧层，减轻了地球表面紫外线辐射的强度；随着大气层的逐渐加厚，地球表面的昼夜温差也逐步缩小等等。由于原始生命的起源和演化，对地球环境产生了有利于生物在地球上普遍存在的影响。当然，原始生命的生命活动对地球环境产生的影响主要停留在定性改变的水平。

如前所述，臭氧层犹如地球生物的保护伞，它的形成减轻了地球表面的紫外辐射，为地球生物的生存创造了必要的条件。而恰恰是这个为地球生物早期发展和长期生存创造必要条件的保护伞，由于人类的活动正在面临灭顶之灾。从这个意义上讲，地球环境正在发生不利于生物生存的逆向演化。

2.2生物因素是土壤形成的关键因素

土壤是地球表面具有一定肥力且能生长植物的疏松层。土壤的形成经历了漫长的过程，是岩石圈表面经过漫长的物理风化，化学风化和生物作用的产物。物理风化的本质是借助物理作用将地表整块岩石分解成大量小碎块的过程。化学风化则改变了岩石的化学组成，其中地表（地下）水和大气中O2、CO2的作用最为重要，化学作用使成土矿物分解，形成以粘土矿物为主的松散物质，即通常所说的风化壳。生物在土壤形成过程中的作用最为关键。生物作用是通过生物的新陈代谢和生物死亡后的生物降解作用实现的。生物腐烂形成腐殖质，改善了土壤的结构、增加了土壤中的N、P、K和碳水化合物等营养成分，使风化壳最终形成土壤。土壤的形成为陆生生物的生活提供了基质，为陆生生物的登陆创造了条件。

土壤资源属于可更新资源，就全球而言，土壤的自然形成过程一直在继续，只是其速度非常缓慢。据估计，在现实条件下，每形成1cm的土壤大约需要100~400

年的时间。也就是，形成30cm的耕作层大约需要3000~12000年。迄今为止，人类所需食品的大部分和95％以上的蛋白质都直接、间接地来源于土壤。土壤是人（或动物）与自然联系的纽带，“大地母亲”的称谓在多种文化中都有体现。这也是土壤之于人类关系的重要见证。

正是这种对于人类生存至关重要的土壤资源，也正在由于人类不合理的利用和破坏，正在失去生命的活力。这意味着人类赖以与自然联系的纽带正在断裂，大地母亲正在走向衰弱。

工业化、城市无节制的扩张以及交通的现代化正在大规模地吞噬着土地的精华——耕地。不合理的耕作制度和大规模的植被破坏，导致土壤侵蚀的速度远远高于土壤再生的速度（即使是在水土保持工作较先进的美国，耕地土壤遭受侵蚀的速度每年平均约为13t/ha，比土壤自然形成的速度还要快上10倍。而世界其他地区每年土壤侵蚀平均速度是美国10倍多，约为土壤自然生成速度的100多倍。

[3]），导致土壤肥力下降，地表水、地下水和海水富营养化，水生生态系统健康受到严重威胁。以我国为例，黄河流域最高侵蚀规模达到350t/ha，整个黄河流域水土流失总量为16×108t/年；长江流域土壤侵蚀规模为150-450t/ha，整个长江流域水土流失总量为22-25×108t /年。全国每年有100多亿吨的沃土付诸东流，相当于1000万亩耕地30厘米厚的耕作层，其流失的氮、磷、钾等养分大于全国化肥施用量，而有机质的损失永远也难以弥补。[4] 土壤流失大于土壤自然生成的速度，不能得到有效的补充，造成的直接后果是土壤贫瘠化，土地生产力下降，甚至沙漠化或石漠化（完全失去土壤）。沃尔特?洛德米尔克在描述叙利亚北部古文明遗址时这样写到：此处的土壤侵蚀最为严重……如果土壤留下了，即使城市被毁掉也能重建，人民流散了也会重聚，由于土壤走了，一切便都不在。[5] 要使土壤流失的速度小于土壤生成速度，实现土壤存量的增长，就必须大量恢复天然植被、改变现行的农作方式（从化石农业到有机农业或生态农业、从深耕细作到少耕，甚至免耕；从连续种植，到轮休轮作等），实现向环境友好型农业生产方式的转型。

2.3 绿色植物登陆对地球环境的影响

绿色植物登陆是地球生态系统进化史上的重大历史事件。迄今为止，发现的地球上最早的陆生植物化石，出现在距今4亿年前的晚志留纪至早泥盆纪的陆相沉积物中。这表明，绿色植物的登陆发生在距今4亿年前。绿色植物的登陆，改变了以往大陆一片荒漠的景观，使大陆逐渐披上绿装而表现出勃勃生机。不仅如此，陆生植物的登陆、进化与发展，完善了全球生态体系。与单细胞的海生藻类相比，陆生植物不仅具有更加强大的生产能力，而且其光合作用过程中大量吸收大气中的CO2，排放游离O2，从而大幅度改变了大气圈成分的比例。如果说原始生命改变了大气的性质（从还原性大气到氧化性大气），毫无疑问绿色植物的登陆为提高大气中游离O2的含量做出了重大贡献，最终形成了现存的大气。因此，4亿年前的植物登陆成功是地球发展史上的一个重大事件，甚至可以说，如果没有绿色植物登陆的成功，就不会有今天的地球生态系统