【精品】地球的起源与演化

【关键字】精品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。