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远古的悸动——生命起源与进化(第一章)

作者:四川省地质矿产勘查开发局一一三地质队 来源:南京古生物博物馆 时间:2017-04-19 10:07:38 浏览量:2074

第一章生命起源的地球环境

一、     地球的形成

      地球是怎样形成的,一直是人们关注的问题。18世纪之前,科学尚不发达,“创世说”占据了统治地位,在中国有盘古氏开天辟地之说,在西方国家则有上帝创造世界之说。直到18世纪,随着科学的不断发展,科学家终于能从科学角度提出一些假说,其中比较重要的是德国哲学家康德和法国数学家拉普拉斯提出的“星云假说”。此学说经过200年来许多学者的修改补充,已趋完善。“星云说”认为太阳和八大行星都是属于同一星云。星云是宇宙中一种形态物质存在的形式,太阳系的星云就是由气体、冰质物和石质物所组成的。气体占星云总量的98%,以氢气为主,余者很少。冰质物主要为碳(C)、氮(N)、氧(O)、硫(S)和氯(Cl)等的氢化物,约占星云总量的1.5%。石质物为钠(Na)、镁(Mg)、铝(Al)、钙(Ca)、铁(Fe)、镍(Ni)和铜(Cu)等的氧化物,仅占星云总量的0.5%。冰质物和石质物的颗粒均很小,一般不超过1毫米。星云的范围非常大,只能用光年衡量。普通星云的直径可达10光年,而光的速度每秒为30万千米,足见星云之大。当太阳系星云中的氢气由于相互吸引力大于运动产生的离心力时,氢气就会越聚越多,而且相互不断压缩,越压越紧,越压越密,它对外的吸引力也就越来越大,越吸引就越多。另外,由于挤压,致使氢原子发生聚变而形成氦(He),从而释放出大量能量(原子的聚变比裂变产生的能量要大很多,这就是氢弹比原子弹威力大得多的原因),致使温度急速增高,从而形成了原始的太阳。随着温度的增高及氢原子的不断集中,氢原子发生聚变越来越多,温度也越来越高,终于形成了真正的太阳。

      太阳形成以后,不断地向周围发射出大量的能量,使熔点高的石质物聚集在太阳的周围。这些石质物越聚越多,越来越大,终于形成了水星、金星、地球和火星这四大行星,被称为类地行星。而离太阳远的地方,那里所获得的太阳能量少,一些熔点低的冰质物和气体就可以聚集在一起。它们也是越聚越多,不断增大,就形成了木星、土星、海王星和天王星,被称为类木行星。当地球的石质物越聚越多,不断增大,相互间也就越压越紧。这些石质物在相互撞击过程中,温度会不断升高,加上外部小行星的撞击,使地球逐渐形成一高温融熔状态的大火球。由于地球在不停地自转,且绕太阳公转,地球的物质就在旋转中发生了分异。一些重的物质就会沉到中心而形成地核,根据其物质成分,它可分为外核和内核。外核是由液态铁及一些较轻的元素如硫(S)、硅(Si)、氧(O)、钾(K)、氢(H)等所组成,而内核则由刚性很强、在极高温和高压下呈结晶的固态铁和铁镍合金组成。地核之上为地幔层,它可分为三层,下地幔层厚约2  230千米,它以金属氧化物和金属硫化物为主,铬(Cr)、铁(Fe)、镍(Ni)含量很高,温度在1 500~2  000摄氏度,密度为5.7克/立方厘米,所以它大致以固体状态存在;中间为过渡层,厚约270千米,其成分是铁镁硅酸盐的橄榄石和辉石,温度在1  500摄氏度左右;上地幔层厚约380千米,温度在1 200~1  500摄氏度之间,密度约为3.3克/立方厘米,成分为熔融状态的橄榄岩质层,所以也称为软流层。软流层之上才为地壳,地壳的厚度不均,一般可分为三层,上地壳为花岗岩层,中地壳为花岗闪长质-闪长质岩层,下地壳为玄武质岩层。大陆区的地壳厚度为30多千米,一般都有上、中、下三层之分,密度平均约为2.7克∕立方厘米,地壳最深处温度在500~700摄氏度;洋壳厚度为5~15千米,只有下地壳,密度为3.1克∕立方厘米,最深处温度为150~200摄氏度。大陆区地壳分为硅铝层和硅镁层,属双层结构,洋壳只有硅镁层。显然,地球从地壳往下深入,密度越来越大,温度也越来越高。

 

二、地球的原始大气圈

      地球形成以后,由于地球引力,星云中的气体被吸引在其周围。此外,地球刚形成时,地壳很薄且很不稳定,经常遭受小行星的撞击,致使地球经常发生火山喷发。火山除喷出大量岩浆外(它们冷却后形成火山岩,又成为地壳的一部分),还喷出大量的气体。久而久之,就使地球上空形成一厚厚的大气层。当然最上面的气体是很稀薄的,越往下气体的浓度越大。而空气密度最大的、能起空气对流作用的是离地球表面10千米左右的对流层。由于空气经常对流,所以上下所含的气体浓度比较接近。

      原始大气层的成分主要是氢气(H2)、甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2),少量为水汽(H2O)、氮气(N2)、硫化氢(H2S)和氨气(NH3)等,其中一氧化碳、甲烷、氨气和硫化氢都是有毒的气体。最初的大气层中没有氧气,这种大气环境不适合动植物生长,但却适合一些厌氧细菌和不需氧气的蓝藻类生长,正是这种大气环境恰好适合于地球生命的产生。所以科学家要培养细胞,创造生命,只能模拟这种大气环境来进行。

 

三、地球水的来源

      水是一切生命的源泉,没有水也就没有生命。那么,地球上的水是从哪里来的呢?在地球刚刚形成地表时,地表是没有水的,因为当时地壳的温度还很高。

      在距今40亿年~38亿年时,地表气温仍在100摄氏度。尽管火山喷发时产生了大量的水蒸气,而水蒸气在高空冷却后变成雨,雨降落到地表时,由于地表温度高,它又变为水汽而进入大气层。同时水汽蒸发时也带走地表的大量热量,使地表不断变冷。当地表温度低于100摄氏度时,降落到地表的雨水就会停留下来而形成地表水。随着火山喷发出大量水汽,这些水汽在高空冷却后变成雨水不断加入地表水,使地表水越聚越多。大约在距今40亿年时,地球上形成了原始的海洋。

      有了海洋才会出现生命,而早期生命对水的积累也起到了重要的作用,尤其是最低等的菌藻类。藻类的光合作用会释放出大量氧气,它与甲烷、氨气等结合会形成一部分雨水而落到地球表面。除此之外,彗星路过地球时,也会给地球带来一些水。彗星主要是由大量间杂着冰粒的冷气和宇宙尘所组成,是太阳系中最大的天体。有的彗星比太阳还大,而太阳的体积相当于130万个地球,以彗星的一些冰粒落到地球上,其数量是很可观的。

      海水最初是淡味的。由于海水蒸发而变成雨水落到陆地,这些雨水最后又流回大海,在流回大海的过程中,它会把陆地上的矿物质带至海里,常年累月,致使海里的矿物质越来越多。此外,海底的火山喷发也会给海水增添一些矿物质,使海水渐渐变得又咸(含氯化钠)又苦(含氯化镁)。海水占到地球水总量的97%,其余3%是陆地的冰川、湖泊、江河及地下所拥有的淡水。有人曾统计,若海水全部蒸发,其海底的盐层将会堆成60米之高,若把这些盐层平铺在整个地球表面,足有45米之高!可见海水含盐量之大。尽管海水又咸又苦,却很适合海里的动植物的生长。

 

四、地球的年龄

      地球的年龄一直是人类关注的自然之谜。人们为测量地球的年龄曾采用多种方法,但都不十分理想。直到1896年发现放射性元素衰变的方法,地球测龄问题才得到解决。这种方法不受周围温度、压力、磁场和化学环境的影响,所以比较稳定。此方法就是利用一些放射性元素如铀(U)、钍(Th)等,它们的原子核不稳定,能不断地放射出带正电的α射线、带负电的β射线和不带电的γ射线,而变成一系列中间元素,直到最终衰变成稳定的元素铅。如元素铀(238U)每年有九十亿分之一会衰变为铅(208Pb),所以我们只要测出岩石中铀和铅的比例,就可以计算出它的衰变年数。经历时间越长,铅的含量就越高,反之铀的含量就越多。铀等放射性元素在岩浆冷却后所形成的花岗岩、玄武岩、火山岩,甚至存在,所以用这种方法测定地球的年龄既方便又可靠。

      但是,要找到地球最初形成地壳的岩石并不容易,因为这些岩石经过漫长的地质年代、剧烈的地壳构造运动和长期的风化侵蚀,早已面目全非。目前我国发现最古老的岩石是河北东部地区曹庄群铬云母石英岩,经测定距今约35亿年。南极洲的里德比地发现的最古老岩石,经测定距今40亿年。加拿大北部斯塔发现了39.6亿年前的片麻岩。而在西澳大利亚杰克最古老的岩石,测出的年龄为40亿年。曾有报道,2007年在该区发现了钻石,这些钻石镶嵌在距今42亿年的锆石中,这是迄今所知的地球最古老的岩石。此外,测定地球年龄还可以根据元素铅(Pb),因为铅的同位素中有放射性成因的208Pb、207Pb和206Pb及非放射性成因的204Pb。它们之间的比值随时间而变化,所以只要知道铅同位素的原始组成,铅同位素的现代比值及铀和钍的衰变常数,就可以算出地球内部分异时的年龄,据此测定大约为46亿年,也就是说地球已有46亿岁了。

 

五、地壳的地质构造

      地壳刚形成时的厚度并不大,各处的厚度变化也不明显,而且,它们不是一整块刚性外壳层,而是由一些能够相互独立运动的离散型板块构成。这些板块位于地幔最上部的软流层之上。软流层易于蠕动变形而缓慢移动,在它之上的板块也就会跟着缓慢移动,从而形成板块运动。

      20世纪之前,人们一直以为地球上的地壳是不会移动的。直到1910年,德国科学家阿尔弗雷格·魏格纳(Alfred  Wegener)在观察世界地图时,发现大西洋两岸的海岸线很相似。为了弄清其原因,他涉猎了地质学、古生物学、古气候学、地球物理学及大地测量学的各个领域,提出了大陆漂移说。此学说认为大陆由较轻的、刚性的硅铝层组成,它漂浮在较重的、黏性的硅镁层之上。在距今3.5亿年~2.5亿年的石炭-二叠纪,全球板块大多靠得很近而形成一很大的大陆和海洋,即泛大陆和泛大洋。之后到了距今1.7亿年的侏罗纪,泛大陆开始分裂和漂移,最后才形成现今海陆分布的格局。也就是说,当时大西洋、印度洋并不存在,非洲、欧洲和南美洲、北美洲都是靠在一起的,所以它们的分界线是相近的。后来由于泛大陆沿这一分界线分裂漂移,才导致了大西洋和印度洋的形成。在大陆的漂移过程中,当分裂的板块相撞时,板块上所形成的地层(包括海相和陆相形成的巨厚地层)就会受到挤压而形成褶皱山系,如非洲、印度和欧亚大陆之间所形成的阿特拉斯山-阿尔卑斯山-喜马拉雅山系,南美洲、北美洲的西海岸科迪勒拉山和安第斯山等。

      魏格纳的学说在1912年发表后,开始并没有被多数学者所接受,直到20世纪50年代,由于古地磁研究的进展,以及海洋地质构造、古生物等大量资料的积累,均表明板块相对于极地位置确实发生过重大改变,人们才逐渐接受了这一学说。

      海底扩张说是美国学者赫斯(H.H.Hess)和迪茨(R.S.Oietz)在20世纪60年代初提出的。该学说认为,在太平洋、大西洋和印度洋都有一很长的洋中脊,这里是地幔软流圈热对流的上升区,地幔里的岩浆不断地沿着这一长长的洋中脊往外涌出,当它冷却后就形成新的洋壳,并推动老洋壳向两岸移动,使海底不断扩张。当板块停留在下降带之上,移来的老洋壳就在板块边缘的海沟处俯冲入地下并消失在地幔中,与此同时它也使俯冲带之上的板块边缘受到极大压缩,最终使板块上形成的巨厚沉积地层发生褶皱而成山系,也使板块上的硅铝层进一步加厚和变形。若在板块之下发生新的地幔流上升体,板块则会产生新的断陷裂谷带,并逐步发展成为新的大洋。海底扩张说为板块漂移提供了动力依据。

      板块构造说也称新全球构造说,是由美国学者摩根(J.Morgan)、英国学者麦肯齐(D.P.Mekenzie)法国学者勒皮雄(X.Lepichon)等人在20世纪60年代末期共同提出的。板块构造说提出后迅速风靡全球,由此开创了全球地质科学变革的新时代。所以,它与相对论、进化论和量子论一起成为当今世界自然科学最重要的四大理论。板块构造说认为地球的地壳是分成若干块体,它们彼此之间相互作用,相互移动,从而形成各种地壳构造。起初他们把全球地壳划分为六大板块,即太平洋板块、欧亚板块、非洲板块、美洲板块、印澳(印度和澳大利亚)板块和南极洲板块。随后,学者们又将美洲板块分为北美板块和南美板块,印澳板块分为印度板块和澳大利亚板块,而形成了八大板块。后来学者又认为八大板块还镶嵌着14个中小板块,如阿拉伯板块、婆罗洲板块、加勒比板块、东南亚板块、华北板块和华南(扬子)板块等,这些大小不等的刚性板块每年以数厘米的速率在具有低黏滞性的地幔软流层上运动着。不同的地质时期板块的数量和大小是很不同的,如地球早期具有陆地的板块很少,以后陆地才不断增多。而且板块的位置也在不断变化之中,如前面所提的在距今3.5亿年~2.5亿年前的石炭-二叠纪,许多陆壳板块多聚集在一起形成泛大陆,之后才逐步分开。又如华北板块和华南板块,在距今2亿年的三叠纪前它们还是分开的,因为两地的地层、化石群并不相同,之后它们才相撞在一起。由于华北板块早在距今4.5亿年前褶皱成陆地,并成为欧亚板块的一部分,所以地壳的厚度较大,刚性也强。而华南板块地壳厚度较小,刚性也弱,所以相撞时,华南板块的前部只好俯冲至华北板块之下。若到达软流层,它们将被高温融熔状态的岩浆所吞没,而未冲入地下的板块的巨厚沉积地层,会受挤压而形成褶皱山系。华南板块上的山系大都是这一时期形成的。当时华北板块在北面,华南板块在南面,因而挤压形成的山系大致为东西方向。华南板块与华北板块相接后,成为了欧亚板块的一部分。所以,板块学说可以很好地解释地壳形成之后,它是如何变动和发展的,甚至可以推测其今后的发展趋势。例如,随着澳大利亚板块不断往北漂移,它最终将与东南亚板块相连。

 

六、地球的气候变化

      地球早期,地壳冷却不久,地表温度比较高。随着大气圈和水圈的形成,地表的温度逐渐降低,到了距今30亿年前后,地表的温度估计和现在差不多。即使如此,地球气候变化仍然很大。当地球变冷时,南极、北极都会形成厚厚的冰层,在高山也会有大量的冰存在。在平地这厚厚的冰就称冰原。而高山的冰受地心引力作用,就会沿山谷(因这里的冰最厚)往下缓慢滑动,形成了非常壮观的冰川。地质学家把地球寒冷期称为冰期。而当地球变暖时,大量的冰就会融化成水,流回海洋,致使海平面大大升高,这一时期就称为暖期。研究表明,从距今27亿年到现在地球共出现7次大的冰期。第一次在距今27亿年~20亿年间;第二次在距今9.6亿年~8.9亿年间;第三次在距今8.2亿年~7.3亿年间;第四次在距今6.4亿年~5.4亿年间;第五次在距今4.4亿年~4.2亿年间;第六次在距今3.5亿年~2.7亿年间;第七次在距今180万年到现今。我们现在是生活在第四纪第七次的大冰期中。

      如何知道地质历史上存在冰期呢?这可以从冰川形成的沉积物来推断。因高山冰川往下滑至低地,由于低地气温较高,冰川会融化,它沿途所携带的泥、石就会沉积下来而形成冰碛物。它与温暖气候条件下雨水冲刷山上泥石所形成的泥石流不同,冰碛物中的砾石大小不一,但大多被冰磨过,特别是砾石表面常被冰或其他石头划成一道道痕迹称冰川擦痕。至于冰期延续的时间,则可根据冰碛物的厚度来推算,如每年沉积几厘米,那么几百米,甚至千米厚的冰碛物需多少年就可算出来了。此外,还可根据海平面的变化来确定。因冰期时,海里的水蒸发到大气中,多变成雪而积聚在陆地,这样海水逐年减少,海平面就下降,原先近岸的浅海处就变成了陆地,这就是古人所说的“沧海桑田”。相反,暖期来了,陆地的冰雪融化,流到海里,海平面就上升,原先陆地的低处就被海水淹没。根据海水退却或上涨淹没的范围,以及陆地和海里沉积物的厚度,也可以推算出当时暖期或冰期延续时间的长短以及温度变化的幅度。不同时期,冰期温度高低也是不同的,如距今6亿年前后的第四次冰期是最冷的。这一时期位于赤道地区的非洲西南部纳米比亚也发现了大量冰碛物。我国南方,如长江三峡地区、宁镇山脉地区等都发现很厚的冰碛物,而这些地区当时靠近赤道的低纬度地区,由于气候十分寒冷,整个地球几乎被冰雪覆盖,所以这一时期也称为“雪球”事件。

      冰期延续时间都比较长,那么在这么长的时间里气候是否都一样呢?答案是不一样的。如第四纪的第七次大冰期离现在最近,存在的各种证据最多,研究也最详细,可以很好地加以说明。例如,根据欧洲的冰碛物,第七次冰期可分为4次小冰期和4次间冰期,后来根据西班牙北面的大西洋海底打钻所取出的海底岩芯,进行氧同位素分析,样品中氧同位素18(18O)比例大,则气候寒冷。相反,16O比例大,则气候暖和,从而得出有7次小冰期和7次间冰期。近年来,随着科技的进步,分析手段不断完善,已经可测出地球近70万年以来共有7次小冰期和间冰期,即平均10万年就存在一次小冰期和间冰期。最近一次小冰期是在距今1.8万年前,当时海水夏季气温比现在低2.3摄氏度,所以北美、欧亚大陆北部、南极、北极都被冰封了,海平面下降了120米左右。当时台湾和祖国大陆连在一起,以致渔民在渤海湾和台湾海峡海底都打捞到1.8万年前陆地的犀牛、鹿等化石,也就不足为奇了。距今1.1万年以来,气候逐渐变暖,海平面又开始升高,渤海和台湾海峡等又被海水淹没。所以,现在的地球正是处于温暖的间冰期。

      为什么地球有冷暖的变化?显然这和地球接收太阳能量的多少有关。而地球接收太阳辐射热量的多少又和地球轨道的三要素(地轴倾角、偏心率、岁差)变化有关。除了与接收太阳辐射热量多少有关外,其他还有太阳辐射热量的变化,大气环流的活动,包括西风环流、季风、跨赤道气流等,以及青藏高原和南半球阿尔特普兰诺及科迪勒拉山的迅速隆起等,都会影响全球的气候变化。

      关于全球气候的变化规律,人类尚未完全掌握。因此,人们还无法预测第七次大冰期何时结束,甚至无法预测我们现在所处的温暖小间冰期什么时候停止。尽管气候变化与生物生存和进化关系极大,但当今技术的发展还未达到能够预测的水平。

 

七、来自其他星体的考证

1. 地球年龄考证

      据康德-拉普拉斯星云说,地球、月球及小行星都是同时形成的。经测定,小行星落入地球后所形成的陨石,其年龄大都在46亿年。测定从月球带回来的月球土,其年龄也在46亿年前后,这与从地球所测的年龄完全吻合。

2. 地球大气层气体成分考证

      现今地球大气层的成分与过去完全不同,那么40亿年前的地球大气层成分是如何确定的呢?一是根据现今火山喷出的气体来推断;二是根据太阳是由氢气所组成,说明当时太阳星云中氢气是占主导地位的;三是根据今天行星的大气成分来确定,如金星大气层中二氧化碳高达95%、氮气占3%、水汽占1%,氧气极少。火星的大气层主要也是二氧化碳,其次是氩气。木星的大气层主要为氢和氮,余者为甲烷和氨气。而土星的大气层为氨气和甲烷。天王星、海王星大气层为氢气和甲。总之,这些星体大气层中氧气都是极少的,相反多为氢气、二氧化碳、甲烷和氨气……这与地球早期的大气成分相近。

3. 地球水来源考证

      水在有些星球中是较普遍的。如木星,它的直径约为地球的11倍,木星的大气层之下就是厚达28  000千米的冰层,中心才是岩石,其水之多,简直让人无法想象。彗星也含有大量冰块。现在也有许多证据证明火星上有水,有的藏于地下或两极的厚厚冰层,至于太阳系外也有水的发现,如英国《自然》周刊在2007年就刊登了一篇文章,说天文学家发现一颗比木星体积大15%的HD189733b行星,有热的水蒸气。欧洲天文学家在2007年报道,他们发现一颗离地球30光年的GJ4366行星,体积与海王星相当,它的表面竟覆盖着高温、高压的固态水。2007年美国学者观测到一颗称为IRAS4b新生的恒星,它离地球1  000光年,在这颗恒星周围有大量水汽,其数量相当于地球全部海洋体积的5倍,足见水在宇宙中也是常见的。

4. 地球圈层考证

      从地球形成到分成地核、地幔、地壳、水圈、大气圈估计需要6亿年,这个时期也称为地球的天文演化阶段。地球的圈层可从月球找到依据。因为月球表面有一层厚度为4~10米的细粒沙土或岩石碎屑,即月壤,其下至65千米为上、下月壳,由玄武岩及闪长岩组成;再往下至1  388千米为上、下月幔,由基性岩及超基性岩组成;再往下至1  738千米为月核,呈塑性状。由于月球上无大气圈,所以不存在风化和侵蚀。另外,月球较小,固结后不存在强烈地壳运动,故能保留40亿年前形成的月壳、月幔和月核的地质记录,而这恰恰是地球不易保存的部分。每年落到地球上的陨石成千上万,但大都落在海洋和荒野。能被人们找到下落的寥寥无几,所以弥足珍贵。

      从落下来的陨石看,其成分可分为:① 铁陨石,它几乎都由铁、镍等元素所组成;② 石陨石,其主要成分是铁、硅、镁等的氧化物;③  铁石陨石,成分主要是铁、镍和硅酸盐。这三种陨石中铁陨石往往比较大,因为它在降落到地球上时不易被燃烧掉,但数量很少。铁石陨石数量则更少,最多的是石陨石。陨石成分其实很复杂,如1976年3月8日落在吉林省吉林市北郊和永吉县、方圆500平方千米范围内的陨石,是世界上最大的一次陨石雨,已经找到的陨石就多达138块,其中最大的一块竟重1  770千克,是目前全世界所保存的石陨石中最大的。由于这次陨石雨创下了许多世界之最,因而引起各方面的高度重视,并进行了深入研究,取得了极其丰硕的成果。

      一般陨石含量最多的元素是铁、镍、硫、镁、硅、钴、钙、氧等,而吉林的陨石所含的元素达40多种,几乎地球上大多数元素都有了。所以陨石的成分也可以为地球的物质成分提供最好的依据。甚至有科学家提出,只要知道这些元素顺序,就能知道星云是如何形成的。

      吉林陨石中含有低温物质碳质球粒,这证明了太阳系的星云最初确实是由低温物质构成的,包括地球最初也是由低温石质物构成的。至于以后的高温,那是由物质原子核聚变或裂变以及行星撞击等所产生的温度所致。

      吉林陨石的年龄也在46亿年左右,它在800万年前脱离了小行星母体。这可能是世界上首次确定的小行星脱离母体的时间。

      吉林陨石的熔融实验表明,当温度高于1  300摄氏度时,陨石就呈熔融状态并发生岩浆分异作用,导致金属氧化物、硫化物的分离,从而使铁、镍等氧化物、硫化物从硅酸盐熔体内分离,这可以解释地球早期地核、地幔的形成过程。