全球自然环境的形成和演化

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• 具有进化的基础；生存压力
• 地球上生命的发展演化遵从“适者生存”的自然法 则，受环境条件的制约，当某种生物对环境的变 化不能适应时，就可能衰落乃至绝灭，为更能适 应环境的新物种所替代。另一方面，生命也以惊 人的程度参与着地球表层环境的演变，极大地影 响着地球的演化进程和演化方向，甚至使地球的 大气圈、水圈和地球岩石圈发生不可逆转的改变 • 生物进化与地球大气演化过程之间的密切关系就 是生物与环境相互影响的最好例证，地球大气中 的氧气随能够通过光合作用释放氧气的生命物质 的出现与不断繁盛而不断富集，而氧气含量的逐 渐增多，又促进了生命的进化，引起能使生物进 化和趋异的重大变革。
• 由于赤道与极地之间存在较大的温度梯 度，气候纬向分异明显，石炭一二叠纪冰 期期间尤其显著，该时期气候带的排列大 致与古纬度平行
• 明显的气候分带导致本阶段出现不同的植物地理 区系。以中石炭纪时的植物分布为例，与明显的 自然带的区域差异相对应可分为三个植物区系: • 热带、亚热带植物地理区：以石松、节蕨和科 达树十分繁盛为特征，伴有大量的真蕨、种子 蕨，乔木不具年轮。 • 温带植物地理区系：也称安加拉植物区系。以 草本真蕨类、种子蕨为代表，木本具年轮，典型 的代表如匙叶 • 冈瓦纳植物区系:温凉气候环境下，以舌羊齿为 代表的灌木草本植物为主的植物区系。
• 大气中自由氧的增加与CO2的减少是同步 的。 • 只有碳被转化为含碳的无机或有机岩的形 式而永久地固定下来，自由氧才能富集， 否则光合作用产生的自由氧又会被死亡后 分解的有机物重新结合成CO2 • 距今20亿年前开始石灰岩沉积明显增多， 大量的CO2被固定。
• 海洋的演化
• • 海洋的出现可能与大气圈的形成同时，其演化与大气圈 的演化大体同步。 如果地球在形成后的最初5000万年之内强烈排气的话，海 洋的出现应是很早的。可能在地球形成之后不到 1 亿年的 时间内就有大面积的海洋存在，最迟在40亿年前已一定存 在。 海水来源是由大气中冷凝的水蒸气提供的，有一部分水可 能来自早期彗星的撞击。最初的海洋中不含溶解的自由 氧，因此呈还原性质 24亿一20亿年前成铁建造到达最大规模，形成全球地质史 上的“‘成铁时期”，表明海洋中氧气含量显著增加，但仍为 还原性质。 大约在距今20亿年前，随着氧的增加，海洋中与大气一样 开始出现自由氧。
无机自然地理环境时期
• 在地球形成的最初几亿年内，曾发生过大量的重大事 件，这些事件主要包括: • 第一，地球的物质分异作用，使得地球形成了它的主体结 构并分离出其主要的子系统:地核、地幔，岩石圈、水圈 和大气圈，形成其独特的圈层结构，并产生了对于我们今 天居住的地球系统有巨大影响的磁场。 • 第二，原始地壳的形成与破坏。强烈的岩浆活动和频繁的 天体撞击导致早期地球表面冷却而形成原始地壳破坏 • 第三，原始大气被主要由地球排气作用产生的还原性的次 生大气所取代。 • 第四，受外来天体的碰撞作用，地一月系统形成。 • 太阳的光度，沉积岩的出现
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9—6亿年前，晚元古代冰期
古自然地理环境时期（4—2.25亿年前）
• 本时期的特征是陆地生命发展，但生物种 群和海陆分布形式均与现代明显不同。 • 联合古陆，泛大洋 • 陆地面积扩大 • 臭氧层形成 • 蕨类植物繁盛，成煤期 • 总鳍鱼，爬行动物 • 海洋无脊椎动物大大衰减
• 自前寒武纪冰期以后，全球气候以冷暖交替的旋回性变化 为特征 • 模拟结果表明，大气中的CO2含量在距今4亿年以后强烈 下降，从现代大气CO2含量的12倍急剧下降到距今3亿年 的与现代相近的水平。 • 二叠纪时气候有变暖趋势，大气中CO2的含量呈回升趋 势，但气候可能一直比较凉爽，南半球仍有冰川活动的记 录，只是规模有所缩小。
• (1)生命出现以前的无机自然地理环境时期(距今45亿-38亿 年前) • (2)以海洋生命繁盛为标志的古海洋自然地理环境时期(距 今38亿一4亿年前); • (3)陆地生命发展，但生物种群和海陆分布形式均与现代明 显不同的古自然地理环境时期(4亿一2.25亿年前); • (4)古自然地理环境向现代地理环境演进的过渡时期(2.25 亿一0.65亿年前); • (5)现代自然环境的形成和发展时期(距今0.65亿年以来)。 • 每个时期的环境变化可进一步划分为若于阶段，每个阶段 所持续的时间间隔至少在一个地质学的“纪”以上，反映了 100万一1000万年尺度以上的全球变化。
地壳的演化
• 地壳的演化经历了三个阶段: • 1、原始地壳的形成与破坏阶段（40亿年前） • 2、漫长的陆壳增生阶段（20-40亿年前） • 3、以大陆合并与解体为特征的板块运动旋回阶段。
大气和海洋的演化
大气的演化
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• 生命进化历史上的历次爆发与绝灭都与一 定的环境变化事件相联系，环境的变化对 有些生物而言是出现了一个更为有利的条 件和空间，使得生命的爆发成为可能，而 对另一些生物则可能产生强烈的不利影 响，导致突然绝灭。
全球自然环境的演化
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考虑各圈层演化与全球环境变化的特点，可将地球45 亿年的自然环境演化划分为五个发展阶段:
观测的技术手段
• 以各种遥感手段为基础的空基观测
• 基于地面监测的海基和陆基观测
• 在陆基和海基观测中，气象观测的历史最 为悠久，在某些地区已有300多年的观测记 录。 • 真正意义上的全球监测应从国际地球物理 年（1957-1959）开始，它揭开了第一次全 球多相多种大气成分测量的序幕。
• 各种观测数据在经过校准和预处理之后， 可以转换成各种有价值的反映全球变化的 信息。如火山爆发指数，降水范围指数， 植被覆盖指数，土地利用变化指数，云的 数量、类型、高度，土壤湿度与蒸发等。 • 认识全球变化的过程、揭示全球变化的规 律。
古海洋自然地理环镜时期
• 古海洋白然地理时期从38亿年前开始，至4亿年 前结束，历时34亿年，占地球历史的四分之三以 上。 • 纵观整个海洋古地理时期的全球变化，有两个重 大转变将此时期分为三个阶段 • 1、无生命系统向有生命系统的转变(距今38亿一 20亿年前) • 2、生命可居住环境的形成(20亿一6亿年前) • （板块运动，氧含量的增加，真核生命的出现） • 3、海洋生命的繁盛(距今6亿一4亿年前) 。 • （古生代，氧含量进一步增加，臭氧）
• 寒武纪生命大爆发是生命爆发性发展的典型例子。
生态系统的演化及生物与环境的相互作用
在单细胞或多细胞的真核生物消费者出现之前，地球上的 生态系统相对比较简单，因为初级光合作用生产者—蓝绿 藻和真核藻类并不遭受掠夺，它们在水中的繁殖只受自身 生长所必需的营养供给条件的限制。 事实上，海洋和湖泊已被藻类所饱和，由于缺少供新种发 展所需的空间，可能减缓了进化的进程。 真核消费者，特别是7亿年以后多细胞动物大量出现，消 费大量的藻类，使得许多水生生态系统提高到一个新的水 平。 距今6亿年以后，海洋生命高度繁盛，随着肉食动物的出 现，形成植物一食草动物一食肉动物的食物链结构，海洋 生态系统结构更为复杂多样。 距今4亿年以后，随着植物和动物的登陆，生态系统从海 洋扩展到陆地，并且适应多样的自然环境形成多样的生态 系统
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生命的进化
• 生命的进化经历三个阶段 • 早期为化学进化阶段(40亿一38亿年前)，进化本 质上是化学过程; • 中期为细胞进化阶段(38亿一7亿年前)，进化革新 发生在细胞内部结构和相关的生理过程上，细胞 的生物化学组成和基本特征并无大的改变; • 晚期(7亿年前以后)的多细胞复杂生命进化出现之 后，进化革新主要表现在组织器官结构及其功能 的适应改变上，而这时的生命在生物化学、代谢 途径以及细胞结构等低层次的基本特征上则表现 出相对的保守。
全球自然环境的形成和演化
第一节 主要圈层的演化
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第二节 全球变化的动态监测
• 观测的主要内容 • • • • 地球系统的外部能量:太阳能、紫外线通量等; 重要微量气体： 、气溶胶等; 大气变量:温度、表面压力、降水、风、水汽、云等; 地表性质:植被指数、土壤湿度、生物范围、生物量、营 养物循环、土地利用变化、地表特征、雪被、水体、地表 辐射温度等。 • 海洋变量:海面温度、海面气压、大洋环流、海洋叶绿素、 海冰、海平面等。 • 地球物理变量:重力、大地水准面、地震、地磁、板块运 动等。
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生命起源 光和作用（叠层石） 原核细胞（20亿年之前） 在距今20亿一19亿年前后出现由含有染色 体、细胞核及其它进化的内部结构的细胞 构成的真核生物。 • 9亿——7亿年前单细胞真核生物繁盛，但 在距今6亿年前后绝灭，只有少数简单的球 形种类残存下来。
大约从距今7亿年起，开始了多细胞复杂生命进化的过程，此后发生 了一系列重大的进化事件。 • 距今7-6亿年期间发生了真核生物的多细胞化、组织分化、性分化以 及世代交替的生活史等一系列重大变革。 • 距今5.7-5.4亿年产生了无脊推动物外骨骼和动物基本结构体制以及与 之相伴的无脊椎动物多样性的大增长(寒武纪爆发)，使得距今6-4 MaBP成为海洋无脊椎动物空前繁盛的时代。 • 大约430MaBP前后，一些藻类植物进化出具有输送水和养分的维管 结构，从而逐渐脱离水体进军到陆地，构成植物发展史上的一次重大 飞跃。 • 距今4亿年具有脊椎的鱼类出现，脊椎动物的基本结构体制开始确立。 • • 此后，海洋动物也开始了向陆地进军的过程，距今3.5-3亿年期间发生 了陆地脊椎动物及其适应特征的起源和进化、昆虫及其它陆地无脊椎 动物的起源与进化过程。 生命的登陆结束了长达40多亿年的演化过程中陆上长期无高级生命活 动的历史
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• 陆地脊椎动物经过从既可以在水中又可以 在陆地上生存的两栖类动物到可以完全脱 离水体在陆地繁衍生存的爬行类动物的进 化阶段之后，进化为哺乳动物。 • 陆地植物也从藻类植物、经裸子植物进化 为被子植物。被子植物和哺乳动物的起源 与进化发生在距今2—1.4亿年以后，而人类 的起源与进化大约出现在2一3MaBP。
• 生物的进化往往以大爆发的方式(辐射演化) 出现，几乎每个门类都是通过大爆发的方 式进人繁盛期的;随着生物的进化，由辐射 演化所产生的许多分枝，有的延续下来， 有的则先后绝灭了。 • 如同爆发性的进化一样，生物绝灭也呈现 突发性，老物种的绝灭为新物种的爆发性 发展留下了广阔的空间。
• 距今7亿年以来生物至少有5次重大的绝灭事件，分别发生 在寒武纪末、泥盆纪末、二叠纪一三叠纪之交、三叠纪末 和白垩纪末 • 最大的生物灭绝发生在二叠纪一三叠纪之交，海洋无脊椎 动物受到重大影响，三叶虫、海蕾、蜓类有孔虫、板足鳖 类、四射珊瑚、四分之三的苔藓虫和许多头足类、海绵、 腕足类、棘皮类以及软体动物的许多科都绝灭了，有25% 的两栖类的科和80%以上的爬行类的科消失了。 • 白垩纪末的绝灭使得当时活着的物种约有三分之一绝灭， 包括菊石类、箭石类、某些植物、苔藓动物、双壳类软体 动物、海胆、浮游有孔虫及大多数陆生、海生、飞行的爬 行类(如恐龙、负龙、翼龙)来自百度文库在爬行类中只有鳄鱼、蛇、 龟和蜥蜴残存到第三纪。