5大气圈水圈生物圈

570/540 500
435
395
345
280
寒武纪 奥陶纪 志留纪 泥盆纪 石炭纪 二叠纪
三叶虫 增多
珊瑚虫、腕足 动物、鹦鹉螺、 笔石随处可见
有海螺鹗已鱼存出在现，鱼第动物类一出增批现多两栖，
第一批爬行动 物及第一批有 翅昆虫出现， 两栖类增多。
昆虫种类增 多，爬行动 物占据陆地。
250
203
137
高等。
“C3 植物世界” CO2 : O2 = 1: 4000
C3 光合作用下限 CO2 : O2 = 1: 15000 至 1：40000
现代 CO2 : O2 = 1: 6000
Cerling, 1997
生物演化
绝时生持细统晚阶
灭 的 演 化 历 程 。
间 内 ， 数 以 千 万 计 的 物 种 经 历 了 形 成 和
新生代——硅藻替代颗石藻和甲藻
K/T大绝灭后 10 Myr， 食草哺乳类迅速发展， 当时陆地植被大片被草类占领，有力地促进了 食草动物的演化（有蹄类，马） 草类干重的6-10%是硅（植物硅酸体), 草类的发 展促进了岩石中硅的分化和向大洋输送 大洋硅通量的增加，促进了硅藻的发展，和有 机碳的沉积，使大气CO2下降，全球变冷
（4）古生代（5.7-2.5亿年BP. Paleozoic）
地壳变动强烈，板块活动十分 明显，在约2.5Ga全球各大陆又 一次聚集拼合成超大陆 (Pangea)。
（5）中生代（2.5亿年--65Ma, Mesozoic） 地壳变动异常强烈，板块活动更为明显。
（6） 新生代（65Ma- ,Cenozoic ） 地壳变动强烈。
动，形成水循环。水循环的方式有：海洋与大陆间的循环；地表与地下间 的循环；生物体与周围空间的循环；水圈与大气圈间的循环。
早期地球的大气：
O2 ≤ 1% （Holland, 1999) 24 亿年前 不见红层、古土壤 有碎屑黄铁矿
38亿年前生命起源时
大气以CO2为主， 呈还原环境;
3亿多年前陆地植物发展
大气中O2才压倒CO2 呈氧化环境.
外源——太阳能，常温、有光 CO2+H2O → [CH2O]+O2
内源——地热，高温、黑暗 CO2+H2O+H2S+O2 → [CH2O]+H2SO4
地质历史： 早期——内源 晚期——外源为主
氧、碳在大气、水和生物间的循环
变化原因： 大气CO2下降
Atmospheric CO2 over the past 550 myr Berner , 1997
早古生代
以海洋无脊椎动物、
寒武纪海底世界
高等藻类为主，脊椎 动物的无颌类及裸蕨 植物出现
早
古
海洋无脊椎动物及藻类
生
代
生
物
面
貌
早古生代植物景观
晚古生代 以海洋无脊椎动 物为主，脊椎动物向 陆地侵进，植物占领 陆地
泥盆纪自然景观
中生代 爬行动物盛极一 时，裸子植物到达极 盛，鸟、哺乳动物及 被子植物出现
（ 3 ） 25 亿 年 —5.7 亿 年 BP.(Proterozoic)
1）地壳变动强烈，克拉 通化阶段（25—15亿年）， 在11-7Ga形成了Rodinia 超大陆，之后又开始裂解。
2）在中—新元古宙时期， 大气中以CO2 为主，并与 海水中的Ca, Mg相结合沉 淀，消耗了CO2，增加了O2, N2 。到6亿年以前，大气 成分渐渐地与现今的状态 相同。
第2章 地球的起源与演化
1. 从宇宙大爆炸到地球的形成 2. 地球的起源和圈层分异 3. 地球的年龄与生命起源 4. 大气圈、水圈和生物圈的形成 5. 生物圈的发展
4 大气圈、水圈和生物圈的形成 ——地球的外部圈层
在固体地球之外还存在另外三个圈层，它们 是大气圈、水圈和生物圈。它们是地球的 重要组成部分，它们与固体地球休戚相关， 共同演化，塑造着多姿多彩的地球。
新生代 哺乳动物大发展， 被子植物成为植物界 主宰，人类出现。
新生代景观
生物多样性对人类健康的贡献更是无可估量。生物 多样性还为人类提供多种多样的工业材料。生物 遗传多样性为人类提供了大量的基因资源。除上 述多样性的生物对人类提供的直接价值之外，还 有很多不易被人们所觉察的间接作用，如森林可 调节气候，涵养水源，微生物可净化污水，处理 垃圾，提供了保持水土和净化环境的作用，各种 生物为人们提供优美适宜的生活环境。
显生宙被划分为三 个代，自老到新为古 生代、中生代和新生 代。代以下被分为纪。 古生代有寒武纪、奥 陶纪、志留纪、泥盆 纪、石炭纪和二叠纪 计六个纪。中生代有 三叠纪、侏罗纪和白 垩纪共三个纪。新生 代包括古近纪、新近 纪和第四纪(图1)。
生物从诞生、生长、繁殖、死亡，
死后生物遗体被埋藏、到石化和石化后 的变质变形，这一系列过程均受到地球 上生物圈、水圈、气圈和岩石圈的影响， 而且受到宇宙圈——包括太阳系和银河 系在内的整个宇宙因素的影响。因此， 化石不仅记录了地球上生命的起源、发 展、演化、灭绝、复苏、埋藏和石化的 整个过程，而且蕴含着地球环境演变和 地球外发生过的各种生物、物理和化学 事件的大量信息。
地球生态系统的根本基础在 于原核生物，它们才是“真 正的英雄”；
而我们熟悉的大型生物其实 是生态系的顶层，相当于社 会史里的“帝王将相”。
生命演化的地学背景
地球系统的变化导致生物演化事件 古生物学与地球化学、生物化学相
结合是研究生命与环境变化的有力 手段
生物演化表
古生物演化（时间单位：百万年）
C4植物是低CO2的产物
C4植物固定CO2的PEP羧化酶与CO2的亲和力比C3植物高60 倍。因此，C4植物能够把大气中含量很低的CO2以C4的形式固 定下来，并运输到维管束的叶绿体中利用。因此，在热带的高
温地区及在夏季炎热的中午，叶片气孔关闭，C4植物能够利用
叶片内细胞间隙中含量很低的CO2进行光合作用。C4植物比C3 植物更适于生活在温度较高的热带地区，比C3植物在进化上更
生物多样性是指地球上生存的所有生物的纷 繁多样性，他们的遗传、变异以及生境、生态系 统的复杂性，即包括遗传多样性，物种多样性和 生态系统多样性。生物的多样性使人类有可能多 方面和多层次的持续开发利用，甚至改造这个生 机勃勃的世界。生物多样性保护和开发利用对于 提供人类生存所需要的基本实物来源至关重要。
65
2.5/1.6
三叠纪 侏罗纪 白垩纪 第三纪 第四纪
恐龙、哺乳 鸟类出现、 类开始出现 恐龙繁盛
恐龙繁盛到 灭绝
灵长类出现 到古猿类出 现
人类出现
（1）．46亿年—38亿年BP. (冥古宙，HD, Hedean): 地表温度高，由于冷却作用形成薄 的地壳，同时地幔物质的分异作用使轻的硅 酸盐物质迁移到上部冷凝逐渐形成了包围地 幔的薄的连续地壳。此时，地壳薄、且受到 陨石撞击，火山作用广泛。在火山作用过程 中，释放出大量的气体、水蒸气，为形成大 气圈、水圈提供了物质条件。此时的水体呈 酸性—H2O、CO2、NH4、H2S、HCl 等。
其物态有固、液、气三种状态。水体的形式有河、 湖、海、冰川（盖）水蒸气、地下水等，并形成 一个包裹着地球的完整圈层。地表上直接被液态 水体覆盖的区域占地表面积的3/4。在太阳能、 重力的作用下，使得水圈中的水体周而复始的运 动，形成水循环。
海水97.41% 淡水2.59%
水圈的循环：在太阳能、重力的作用下，使得水圈中的水体周而复始的运
5 生物圈的发展
地质年代
同位素年龄
生物演化阶段
新
全新世 第四纪 更新世
0.01
晚第 上新世
2.00
人类出现
地
生
三纪 中新世
渐新世
24
近代哺乳动物出现
质
代
早第 三纪
始新世
古新世
时
白垩纪
63
被子植物出现
代
中生代
侏罗纪 三叠纪
哺乳动物、鸟类出现 蜥龙、鱼龙出现
及
二叠纪
240
兽形动物、裸子植物出现
生 物 演 化
晚古 生代
早 古 生 代
石炭纪 泥盆纪 志留纪 奥陶纪 寒武纪
坚头类、种子蕨出现 鱼类、节蕨、石松真蕨出现
410
裸蕨植物出现 无颌类出现 硬壳动物出现
简
元古代
600
真核动物、多细胞动物出现
表
2500
太古代
原核动物出现
3800
冥古代
生命现象开始出现
4600
化石在地层中的分布顺序清楚地记录了有生物化石记录以 来的地球发展历史。根据生物演化的阶段性和不可逆性，地 球历史由老到新被划分为不同等级的地质年代单位。整个地 球地质历史被划分为太古宙、元古宙和显生宙。太古宙为最 古老的地质历史时期，是生命起源和原核生物进化时期。元 古宙是原始真核生物演化的时代。
原核生物 Prokaryotes
和
真核生物 Eucaryotes
Lipps, 1993
地球上的生命历史 15%
真核类 与原核类
85%
仅有 原核类
地球的生命史85%时间只有微细的非真核生物分布;原核生 物将地球上生命的时间分布也延伸了五、六倍. 真核生物只能利用氧作为“燃料”; 原核生物可以利用多种 化学成分作“燃料”。
25 7
物续 进了 入 系亿 统年 演以 化上 阶。 段后 ，生 在动 大植 约物 亿 年 的 出 现 后 ，
胞演 生化 命阶 产段 生。 到细 后胞 生演 动化 植阶 物段 的是 大从 量原 出始 现的 ，单
期 生 物 演 化 为 组 织 器 官 演 化 阶 段 ， 或 系
段 。 早 期 生 物 学 的 演 化 为 细 胞 演 化 阶 段 生 物 演 化 又 可 以 分 为 早 期 和 晚 期 两 个
地球上动物、植物和微生物彼此之间相互作用以及
与其所生存的自然环境间的相互作用，形成了地 球丰富的生物多样性。这种多样性是生命支持最 重要的组成部分，维持着自然生态系统的平衡， 是人类生存和实现可持续发展必不可少的基础。
由于食物链的作用，地球上每消失一种植物，往 往有10～30种依附于这种植物的动物和微生物也随之 消失。每一物种的丧失减少了自然和人类适应变化条 件的选择余地。生物多样性的减少，必将恶化人类生 存环境，限制人类生存发展机会的选择，甚至严重威 胁人类的生存与发展。
地球的外部圈层：圈 层交错
பைடு நூலகம்大气圈
生物圈 水圈
大气圈：
是指因地球的引力而聚集 在地表周围的气体圈层。
大气圈中的气体主要集中 于地表以上18km的范围 内，主要成分为氮， 78.09％；氧，20.94％； 氩，0.93%；其他，0.04 ％。（按体积计算）。
往上气体变得极为稀薄。
水圈：是指地球表层由水体构成的连续圈层
生物圈由岩石圈的上部，大气圈下部及整个水圈 和土壤圈所构成，形状不规则、厚度不均匀，生存 着形形色色的生物，进行着活跃的生物过程。
生物圈的范围从地球表面向上23千米的高空， 向下11千米的深海都属于生物圈的范围。作为生物 圈一员的人类，时刻不能忘记自己同样会受到自然 界中种种规律的制约，必须科学地使用地球上的生 物资源，保护地球上的生物种类，与生物圈中的生 物和谐共处，才能持续永存。
（ 2 ） 38 亿 年 —25 亿 年 BP. （ 太 古 宙 ， Archaeozoic）
1) 陆核形成阶段：对于陆壳的形成、生长、 再循环的模式目前仍存在争议。
2）38亿年时，水体中开始有生命的活动， 原始的原核细胞生物—菌类、蓝绿藻出现。 随后大量能起光合作用的藻类大量繁殖，大 约在太古宙晚期（27亿年），游离氧在海洋 中出现，绿色藻类大量繁殖加快了海洋环境 的变化，为高等喜氧生物的发展提供了条件。
生物圈：是指地球表层由生物及其活动地 带所构成的连续圈层。生物从高等到低 等，从动物到植物，乃至细菌和微生物 等生活于地球表面一定范围的陆地、水 体、土壤及空气中，构成了一个基本连 续的圈层。
光合作用的演化
晚中新世（约8Ma) C4植物大增
C3 植物 δ13C -25 到 -27‰ C4 植物 δ13C -11 到 -14‰