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远古的悸动——生命起源与进化(第二章)

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 10:08:33 浏览量:619

第二章生命起源与早期进化

一、生命起源

      17世纪中叶前,人们认为最原始的生物为微生物(即细菌),且微生物能自然产生。为此,法国微生物学家巴斯德(L.Pasteur)做了个实验,他把半瓶肉汁放在“S”形曲颈玻璃瓶内,并将肉汁煮沸灭菌,瓶口没密封,空气可以进去,微生物相对较重,进不去,由于瓶内无微生物故不会变质。相反,若无“S”形管,含微生物的空气可入内,瓶内肉汤就会因微生物滋生而变质。这说明微生物是不会自然产生的,那么空气中的微生物又是从哪儿来的呢?为了揭开这个谜,科学家做了大量工作和实验。20世纪50年代,美国科学家米勒(S.L.Miler)模拟了地球最初的大气成分,把氢气、氨气(NH3)、甲烷(CH4)和水蒸气等装入容器中,加热至100摄氏度,然后放电轰击,经过一周连续试验,结果合成了氨基酸。这个实验表明,自然界中的水、氢气、甲烷等在闪电或高能粒子流等的作用下,可以合成有机物。1924年,奥巴林提出了团聚体学说。团聚体是一类多分子体系,它可采用人工合成的多肽和多核苷酸等聚合而成。类似的团聚体在深海海水里可以找到。若在团聚体内加入葡萄糖转化酶和β淀粉酶,在其作用下,团聚体就会转变为麦芽糖和淀粉。在适当条件下,还会出现类似繁殖的萌芽现象。尽管如此,如何进一步发展为最简单、最原始的生命—细胞,至今仍未解决。细胞至少需要具备两个条件,一是具有自我复制的遗传系统,使生命能够一代代遗传下去;二是要有细胞膜才能使生命结构与外部环境分开,成为一个独立的生命单元。近年来,美国学者声称他们能制造出DNA,甚至能制造有生命的“细胞”,但它仍然缺乏属于生命定义的两个重要特征。目前关于地球最初生命来源主要有以下四种假说。

1. 陆地起源说

      陆地形成的氨基酸经脱水结合而成高聚合物,被流水带入海洋后,在海里进一步聚合成蛋白质和核酸等,之后产生了生命。

2. 空中起源说

      空气中的水、甲烷、氨气等形成了合成物,在阳光作用下形成复杂的氨基酸和蛋白质。当它落入海里后,海洋中有机物可能在它周围形成一层薄膜,并与它原来的薄膜共同构成了双分子膜。这类似生物细胞膜,进而形成了细胞。

3. 深海烟囱起源说

      在太平洋和大西洋等深海的大洋中脊,由于地底下的岩浆不断在此溢出,促使洋壳不断地向两侧移动。其间形成了一些地壳裂隙,海水可从裂隙渗入到炙热的地壳深处,然后变热的海水与地内喷出的硫化氢(H2S)及各种金属元素,如铁、铜、锰、金等结合形成含硫化物的热泉。由于周边海水很冷,喷出的热泉会迅速降温,使热泉中的黑色硫化物在热泉旁沉淀下来。随着沉淀物围绕喷泉周围不断增高,它们成了一个个黑色“烟囱”。尽管这里海水温度很高,没有任何阳光,硫化物又是有毒物质,却成了喜硫细菌的天堂,大量细菌在这里繁衍。更奇特的是,一些贝壳类和虾类竟靠吃细菌得以存在;还有一些管形的软体虫也大量繁衍,靠吃细菌和虾类而生。这些管形软体虫成群地盘绕在一起,有的竟长达2米。此外,还有些鱼类等,它们共同构成了一个极为奇特的海底生物世界。显然,黑色烟囱喷出的甲烷(CH4)、氨(NH3)等在高温和硫化物催化剂的作用下,也可形成嘌呤、核苷酸等有机物,进而形成有生命的团聚物,最后成为原核细胞的细菌。当这些细菌因某种原因进入浅海时,由于环境的极大变化,促使细菌变化并能生活于浅海里,甚至发生变异而含有叶绿素,最终成为能吸收阳光、二氧化碳并制造有机物的蓝细菌(或蓝藻),从而完成了最初生命的创造过程。

      深海“黑暗食物链”并不以热液为限。在大陆坡、深海区分布着天然气水合物,即可燃冰。一旦海底升温或减压,就会释放出大量的甲烷,在海水中形成甲烷柱,被科学家称为“冷泉”。在冷泉附近可以形成特殊的生物群落。近年来,在最古老的太古代的绿岩带里发现了类似现代海洋中脊的深海烟囱,更证明了这一假说。

4. 宇宙起源说

      科学家发现彗星陨石中含有构成生物体所需要的有机物,如氨基酸等。银河系星云中也发现了大量的有机分子。火星比地球小,离太阳较远,故地壳冷却较早,原始生命的形成可能比地球更早。

 

二、     地球的地质年代表

      地球从诞生至今的46亿年间,一直处在发展和变化之中。地球上的生命出现后,也在不断地进化。科学家用什么方法了解那遥远年代地球的演变和生物的进化呢?主要是靠不同时期形成的各种岩石,包括火成岩、变质岩和沉积岩,以及保存在沉积岩中的化石。地球上有水和大气层,先期形成的岩石就会遭受风化和侵蚀,从而变成了沙土沉积在低凹处,层层堆积,越积越多,下面年代老的沉积物受压力和温度的影响,会慢慢脱水形成沉积岩。若沉积物中有生物遗体,它也会慢慢石化成为化石。所以,它们都是地球历史的见证者。为了更好地了解地球的演变和生物的进化,地质学家根据对不同地质历史时期古生物群的特征和演化发展阶段的系统研究,像历史学家编写的编年史一样,建立了与地层系统相对应的地质年代表。

      此地质年代表是国际地层委员会2008年新颁布的。其中距今46亿年~40亿年定为冥古宙,属非正式命名的年代。地球在这一时期虽然已形成地核、地幔、地壳、水圈和大气圈,但分别形成于何时均不得而知。例如关于地壳形成的时代,多数学者认为可能是距今40亿年前。但也不排除可能形成于距今42亿年前,在澳大利亚西部杰克地区丘陵地带的变质砾石中,其碎屑锆石的年代就达42亿年。2008年9月,美国权威杂志《科学》的一篇文章报道,在加拿大魁北克发现的最古老的基岩,其年代距今42.8亿年。正因为许多问题尚不清楚,有些学者称此为地球的天文地质时期。这之后地球才开始进入了有生命的历史发展阶段。

 

三、早期生命的进化

1. 最早生命的记录

(始太古代:距今40亿年~36亿年)

      始太古代是否存在最古老的沉积岩以及最早的生命记录,学术界一直有争论。科学家曾在格陵兰最古老的距今38亿年的条带状铁建造岩石中,发现有碳的结晶—石墨,认为这是生命的遗骸经变质形成的。这一时期地球已形成海洋,故生命产生的可能性很大,只不过由于漫长的地质作用难以保存在地层中。另有学者认为,那些在沉积岩中的石墨,可能是无机碳所形成的,所以仍将这一时期归于无生命时期。

2. 原核细胞的出现

(古太古代—新太古代:距今36亿年~25亿年)

      这段时期历时11亿年之久,其岩石在世界上却不常见。有科学家认为它是构成大陆原始格架的雏形,所以把露出地表的和隐伏在地下的都算在一起可占到陆壳的7%!我国太古代岩石仅出现于华北和塔里木地区。有学者认为当时板块都是靠在一起的,形成泛大陆,但也有科学家认为依据不足。

      太古代已发现一些较可靠的化石记录。在澳大利亚北部的匹尔巴拉地区,距今35亿年的轻变质的硅质叠层石中发现了一些丝状细菌和蓝藻(它们都属于原核细胞,即只有细胞膜和膜内的原生质,而没有细胞核)的遗骸。在南非斯威士兰系中也发现了200多个古细胞,它与原核藻细胞相似,平均只有2.5微米,其中1/4细胞处于细胞分裂繁殖阶段,这些化石距今34亿年之久。在南非还发现一种古杆状细菌和蓝藻,它们具有最原始和最简单的细胞结构,即有一层细胞膜,核物质在膜内相对集中,未形成细胞核,只有原生质,属于原核细胞,年代距今32亿年。

      我国河北东部和辽吉地区发现有太古代早期的火成岩(包括花岗岩和火山岩类)和海相沉积岩(包括砂岩、泥岩、石灰岩),以及它们后来在岩浆活动和构造运动作用下形成了变质岩系,年龄距今37亿年~34亿年。在这些岩层中,未发现化石。到了太古代中晚期,岩层分布范围逐渐扩大至华北许多地区,这些地区形成的岩层也分别受到中期和晚期的大规模岩浆活动及强烈的构造运动的影响,发生了变质,形成了不同程度的变质岩系。幸运的是,在中期形成的鞍山群的地层中,发现了较多的细菌和藻类化石,并且保存了下来,它们都是属于非常原始、结构非常简单的原核细胞生物,距今的年龄为34亿年~32亿年间。距今36亿年以前,随着地球表面的冷却,形成了刚性的地壳。早期的地壳很薄,由于仍在不断地遭受小行星和陨石的撞击,地壳还处于不太稳定的状态。太古代早、中、晚期都广泛发生了岩浆活动和构造运动。原始大气层中氧气含量非常少,还含有有毒气活的,无法单独生存。另外,病毒还缺乏任何化石证据,而目前的化石证据表明,地球上最早出现的可能是细菌和蓝藻。蓝藻和细菌一样,都是原核细胞,它比病毒多了细胞膜,体积非常小,都是以分裂细胞的方法繁殖后代,即一分为二、二分为四、四分为八……且每20分钟可繁殖一代,故繁殖非常之快。也有人称蓝藻为蓝细菌,它与细菌不同的只是细胞内有叶绿素,可以吸收太阳光和二氧化碳,并经光合作用而制造出有机物来养活自己,而细菌只能吸收其他有机物或无机物来养活自己。

      蓝藻的出现改变了地球的命运。尽管其非常之小,只有在显微镜下才能看到,但它繁殖很快,所以数量惊人。它不断地吸收大气层中的二氧化碳而释放出氧气,这些氧气与大气层中的甲烷(CH4)作用,变成二氧化碳(CO2)和水(H2O);和氨(NH3)结合就成了氮气和水;与硫化氢(H2S)相遇,就形成水和二氧化硫(SO2),进而形成硫酸溶入水中,从而逐渐改变了大气层的成分。不仅如此,由于海水中氧气的增加,促使海水由于火山喷发积累的大量溶于水的二价铁(FeO)转化为不能溶于水的三价铁(Fe2O3),从而使海水中的铁大量沉积下来。形成了地球的首次成铁事件。我国特大规模的鞍山式铁矿,以及国外一些较大型铁矿,均形成于这一时期。

3. 元古代的自然环境

      元古代是地球延续时间最久的一个年代,约有19.58亿年。可分为距今25亿年~16亿年的早期(称古元古代)、距今16亿年~10亿年的中期(中元古代)和距今10亿年~5.42亿年的晚期(新元古代)。整个元古宙的特体甲烷、氨和硫化氢等。由于没有臭氧层作保护,太阳紫外线和宇宙射线等可以直达地表。奇妙的是,正是在这极端恶劣的环境中孕育了生命。是先出现最原始的病毒,还是先出现原核细胞的细菌和蓝藻,仍是一个自然之谜。按照进化的一般规律,缺乏真正细胞膜的病毒似乎应该先出现,但是病毒都是寄生生点是:①  板块数量和范围继续扩大,如我国增加了华南板块或扬子板块。有较多的证据证明当时这些板块是靠在一起而形成了泛大陆,并且一直延续到距今约8亿年前,有些板块才逐步分开,形成了分离的北美板块、欧洲板块、西伯利亚板块、哈萨克板块、华北板块和华南板块等,但非洲板块、南美板块、南极板块、澳大利亚板块和印度板块等仍靠在一起成“泛大陆”,这一时期的岩浆活动和构造运动不及太古宙剧烈。②  当时地表温度可能和现今相近,先后发生了几次大冰期,尤其是距今6亿年前后形成的冰期最为寒冷,即所谓的“雪球事件”。之后动物的产生和涌现显然与这次大冰期结束密切相关。③  地球大气层也发生了极大变化。由于藻类的光合作用,使地球的氧气不断增多,其中有些氧气在高空中经受宇宙射线和太阳高能粒子流的作用,形成了臭氧层。它的形成,阻挡了太阳紫外线和宇宙射线等对地球生物的危害,使得藻类能在海面上更好地繁衍,促使藻类获得空前的大发展,进而又使大气层氧气迅速增多。到了距今20亿年前后,大气层的成分已变成以氮气(N2)和二氧化碳(CO2)为主,余者为二氧化硫(SO2),水汽(H2O)等,而甲烷(CH4)、氨(NH3)等极少,氧气则增至总量的1%。到了元古代末期,氧气可能增至10%,这离现今大气层的成分(即氮占到78%、氧21%、氩气0.93%、二氧化碳0.03%、其他0.003%)比较接近。④  由于当时大气层中CO2的含量还很高,它溶于海水后,使海水中具有较高的HCO3-(碳酸氢根)的离子浓度指标,从而使碳酸镁(MgCO3)能直接在海水中沉淀形成原生的白云岩[CaMg(CO3)2]及较多灰岩(CaCO3),而这些岩石颗粒常常被蓝藻表面的藻胶所吸附,沉积在蓝藻周围,随着蓝藻不断死亡、堆积,新产生的蓝藻又不断往上生长,从而形成一层层具有钙质、白云质的沉积岩及蓝藻沉积物,进而形成巨厚的藻礁。由于它们是一层一层往上长,所以也称它们为叠层石。叠层石在海中广泛发育成为元古宙的一大特点。

      我国许多地方叠层石分布广,厚度大,岩石质地好,又有藻类的结构,甚至有色彩(如含有少量铁质而成红色等),因而成为上等的建筑材料和装饰材料。北京人民大会堂的巨柱、墙面和地面,许多都是采用这类材质。

4. 真核细胞的出现

(古元古代:距今25亿年~16亿年)

      随着氧气不断增加,原先溶解于海水中的铁、金、铀、铜、锌、镍等金属元素不断地从海水中沉积下来,形成了地球表面更为广泛的成铁现象。如我国北方一些大铁矿,尤其是内蒙古白云鄂博大铁矿。除了铁矿,还含有占世界50%的稀土元素和铌以及一些其他金属矿。澳大利亚和巴西等地也都形成了一些特大型铁矿。距今约20亿年前,地球氧气增至大气层总量的1%时,真核细胞出现了。真核细胞是有氧代谢,其细胞分裂本身就是需氧过程。由于真核细胞不能防御强烈的紫外线和宇宙射线,所以其只有在地球形成臭氧层之后,才能生长和繁衍。真核细胞不仅细胞内增加了细胞核,核内有核仁、核液和染色体,而且它还能促使细胞原生质增加线粒体、内质网、核糖体、溶酶体等,这比原核细胞复杂许多。所增加的各个成分之间既有分工,又有合作,从而产生了生长、发育、生殖和遗传及新陈代谢等功能,细胞核可以说是遗传信息储存、复制和转录的主要场所。真核细胞的出现是生物进化史上一次大的飞跃。因为除了蓝藻类和细菌类之外,现生所有生物的细胞都属于真核细胞。有了它,才能进化为各种各样真核细胞的藻类,如绿藻、红藻等,并且使藻类进入最繁盛的阶段。更重要的是,它还能进一步进化为多细胞,为演变出各种更高级的动植物提供了基础。世界因此而丰富多彩。加拿大燧石层中某些球状化石,可能是最早的有核细胞化石,它们具有类似萌发管和原生质突起,年代距今约19亿年。我国河北在距今18亿年~17亿年的岩石中,也采集到许多保存很好的真核球形细胞化石。它们膜壳较大,膜壳壁为多层,具有长的规则裂口及明显的壳面纹饰。这都区别于原核细胞化石。地球为何会产生真核细胞,有不同假说。但多数科学家倾向于“内共生”假说,即当一些原核细胞内的原核质集中时,会形成较原始的细胞核。这类较进化的“有核”细胞个体较大,具有吞噬能力,能把一些呼吸氧气的细菌吞噬进其细胞内成为它的线粒体。而一些蓝藻被吞进去后成为它的叶绿体,使细胞逐渐增大,内部组织变得复杂,功能开始多样化。

5. 多细胞藻类的出现

(中元古代:距今16亿年~10亿年)

      随着古元古代真核细胞藻类的出现,中元古代迎来了藻类的空前繁盛。单细胞数量剧增,必然引起细胞间质的分化,促使单细胞藻类向群体、多细胞方向进化。以现生依藻为例,依藻细胞分裂产生的子细胞一般都是离开母体独立生活的。但在不利条件时,它们就会躲在母体包囊里共渡难关,形成了最初级的多细胞藻类。盘藻进一步形成由14~16个细胞组成的群体,彼此之间相互联系,行动统一。空球藻进一步形成由32~64个细胞组成的群体,细胞之间有了分工,使得有些细胞丧失了繁殖能力,成为营养细胞。到了团藻,细胞更多,由几百个,甚至数万个细胞组成,它们之间由原生质丝联络,专司营养的细胞也占多数,这就是藻类多细胞的进化过程。

      在中元古代晚期,我国地层中已发现多细胞藻类化石。这清楚表明,古元古代的真核单细胞藻类到了中元古代已进化成多细胞的藻类。真核细胞和多细胞藻类的出现大大加速了地球生物物种多样性的产生。如原核细胞经过数十亿年的进化,才有4  000余种,而真核细胞和多细胞出现后,很快达到十余万种,这显然与真核细胞产生了线粒体、色素体和染色体等各种功能之后,以及多细胞的进一步分工与合作有关,从而为有性繁殖创造了条件。在山西永济地区距今13亿年的岩层中,发现了一种长椭球形的微体化石,它们壳壁表面有螺旋分布的沟纹装饰,这与现代沼泽中的一种绿藻—螺带藻十分相似,也许成为世界上已知的最早有性繁殖的真核多细胞化石的证据。

6. 原生动物和宏体植物的出现

(新元古代:距今10亿年~5.42亿年)

(1)我国瓮安生物群群体胚胎化石的大发现

      动物的出现是地球生物史上划时代的重大事件,开启了生物界的新纪元。在距今8.5亿年~6.5亿年间,正是全球的大冰期(其中包括2个冰期),即“雪球事件”时期。当时气候极为寒冷,并不利于动物的出现,即便出现了,也难闯过严寒这一关。当冰期结束后,地球气候转暖,万物复苏,有利于动物出现的环境条件开始形成。在我国就曾发现世界上最早的动物化石,即距今5.8亿年的瓮安(贵州中部一小县城)生物群。就是在磷灰石的矿石中发现了成千上万个球形微体化石,其大小在半毫米左右,具有细胞分裂,虽球形外部大小相同,但内部胚胎(卵)有的分裂成2个,有的分裂成4个,8个,或16个,而且这些分裂的细胞都呈螺旋状排列,这不同于植物藻类的平面交叉的细胞分裂,相反却与现代海洋两侧对称的无脊椎动物的胚胎(或卵细胞)很接近。2005年,中国科学家与外国学者在湖北宜昌一距今约6.32亿年的硅质层中又发现了这类化石,而且胚胎细胞也长有刺状突起,更奇的是,胚胎细胞外有一层薄薄的囊胞包裹着,代表着动物的休眠卵。这一发现再次证明了我国过去发现的化石确实是动物胚胎化石,把动物化石出现的时间整整向前推进了5  000万年。遗憾的是,在宜昌发现的也只是动物的胚胎或卵化石,而能产下大量卵的成虫是什么样子,至今仍不得而知。具有卵的成虫显然是属于多细胞动物。从生物进化的角度,地球上最早出现的也应该是单细胞原生动物,就像植物先有单细胞藻类,再进化为多细胞藻类一样。但迄今为止,并没有在更古老的地层中发现单细胞动物化石。尽管现生的动物中有许许多多单细胞动物,在古生代地层中也有大量单细胞原生动物化石,如有孔虫、放射虫等。但是,前寒武纪单细胞原生动物化石的缺失,很可能是这类动物不易保存为化石之故,或尚未被发现吧!

      地球上单细胞动物的产生,很可能是由单细胞的藻类进化而来。因为最早期的动、植物的界线是很难区分的,如现生单细胞眼虫,既可称原生动物,也可以称为植物的眼虫藻。因为它的细胞内既有叶绿体,能像植物一样吸收阳光和二氧化碳而制造有机物,它的身上又长有一根鞭毛,能使身体像动物一样在水中游动。还有现生草履虫,也是兼有动、植物特性的藻类或原生动物。单细胞动物到底是如何进化而来,有生物学家推测在距今7亿年前后,由于气候变暖,海水中真核单细胞藻类大量繁殖,竞争剧烈,促使有些藻类充分利用细胞内的叶绿体进行光合作用,不断增强自身制造营养物质的本领,久而久之,细胞内的动物机能逐渐丧失,慢慢成为真正的植物—藻类;而有些藻类为了生存、发展,不断应用其运动的本领,占据有利地段,甚至在危急情况下,攫取其他弱小的原核细胞蓝藻为食。长此以往,植物机能渐渐失去,相反,运动机能、消化机能及其他细胞的机能越来越强,终于成为单细胞的原生动物。这就是原生动物出现后,藻类逐渐减少的原因。随着原生动物的大量出现,藻类“统治”地球海洋近30亿年的局面终于结束。

(2)我国庙河生物群—宏体植物的出现

      在湖北三峡地区,相当于距今5.6亿年前的黑色页岩中的庙河生物群,以及大致同一时期的安徽休宁的兰田生物群,均含有许多碳质压膜形式保存的宏体多细胞藻类,如绿藻、红藻和褐藻等以及带刺的大型疑源类,动物胚胎化石。这些藻类体形较大,一般都在几毫米到几厘米间,用肉眼都可以清楚看到。这与之前发现的真核单细胞和多细胞藻类均在毫米级以下,大多需借助显微镜观察,有显著不同。显示了这一时期植物已发展到向体型大型化演化的新阶段。3)我国埃迪卡拉生物群的新发现1946年,在澳大利亚南部埃迪卡拉山区的砂岩中,发现了距今5.7亿年~5.4亿年的大批奇形怪状的化石。它们大多为扁平状,一般只有几厘米,个别的可达1米以上,都是身体没有骨骼,体外无硬壳的柔软躯体。

      除了南极洲外,这一新奇的生物群后来在各大洲均有发现。对于这个外形十分奇特的生物群,有些科学家认为澳大利亚的埃迪卡拉生物群可分别属于30多个动物物种,如腔肠动物的水母类、水螅类、锥石类、真水母类,环节动物的多毛类以及节肢动物等。另一些科学家觉得它们缺乏动物所具有的运动、攫食和消化等器官功能,而应归于半营自养生活的类似植物和菌类,或是一种特殊的生物门类。更有科学家认为它们与后来寒武纪所发现的生物群面貌截然不同,可能代表着寒武纪生物大爆发前的一次失败的生物进化过程。总之,由于这一生物群非常特殊,引起人们的广泛关注,成为一个未解之谜。

      近年来,我国古生物工作者在贵州距今5.6亿年的黑色页岩地层中发现了八臂仙母虫。这一化石在澳大利亚埃迪卡拉处也曾被发现,两时代大致相当。科学家认为我国发现的八臂仙母虫是实体化石,不像埃迪卡拉化石都是些痕迹化石。而且这一化石肯定是动物化石的成虫,因为个体大,外形底部像盘状的圆锥体,其直径为2~4厘米,这比我国之前发现的最古老的胚胎或卵化石大得多,它身上有8条侧缘平滑,呈螺旋状向外的旋臂,并非手臂,而是肌肉构造,身体外有一层皮膜包裹着,当它在海底缓慢移动时,完全靠这些肌肉收缩来进行。除此之外,它没有口,靠体外皮膜细胞来吸食大量的微生物和藻类,与现代海洋中珊瑚和水母等动物类似。这表明“埃迪卡拉生物群”与后来古生代生物群是有联系的。

      显然,无论是距今6.3亿年或5.8亿年~5.7亿年的大量古老动物胚胎(卵)化石,还是距今5.6亿年的“埃迪卡拉生物群”化石,都代表了新元古代晚期重要的生物进化事件。并为随之而来的显生宙生物大发展奠定了基础。

(待续)