寒武纪物种大爆发

• 对于“收割理论”科学家们目前还没有找到直接 对于“收割理论” 的证据来证明其正确性，然而， 的证据来证明其正确性，然而，一些间接的证据 支持了这一理论。 支持了这一理论。间接证据之一来自于前寒武纪 叠层石， 叠层石，这些由藻类组成的叠层石中保存了前寒 武纪最丰富的生产者群落。今天， 武纪最丰富的生产者群落。今天，叠层石仅盛产 于缺少后生动物收割者的贫瘠环境中， 于缺少后生动物收割者的贫瘠环境中，如超盐量 的咸水湖中。藻类在前寒武纪地层中的大量存在， 的咸水湖中。藻类在前寒武纪地层中的大量存在， 大概反映了当时收割者的贫乏。另外， 大概反映了当时收割者的贫乏。另外，生态学野 外研究也提供了一些间接的证据，研究表明， 外研究也提供了一些间接的证据，研究表明，在 一个人工池塘中，放进捕食性鱼，会增加浮游生 一个人工池塘中，放进捕食性鱼， 物的多样性；从多样的藻类群落中去掉海胆， 物的多样性；从多样的藻类群落中去掉海胆，会 使某一藻类在该群落中占统治地位而多样性下降。 使某一藻类在该群落中占统治地位而多样性下降。
寒武纪物种大爆发
刘洋 02221024 张飞 03221045 冯俊 02221004 北京师范大学生命科学院2003级 北京师范大学生命科学院 级
摘要
• 寒武纪物种大爆发对达尔文提出的进化论 的补充， 的补充，以及地Leabharlann Baidu环境对寒武纪物种大爆 发形成的影响， 发形成的影响，及我国云南澄江动物群充 当寒武纪物种大爆发的有利证据。 当寒武纪物种大爆发的有利证据。
前言
• 寒武纪是地质年代古生代的第一个纪，开 寒武纪是地质年代古生代的第一个纪， 始于5.7亿年左右 结束于5.1亿年左右 亿年左右， 亿年左右。 始于 亿年左右，结束于 亿年左右。寒 武纪之前的地层的动物化石较少， 武纪之前的地层的动物化石较少，而在寒 武纪的地层中， 武纪的地层中，发现了种类繁多的动物化 石，所以古生物学家认为动物各门的祖先 在这个时期都已出现，称其为“ 在这个时期都已出现，称其为“寒武纪物 种大爆发。 种大爆发。
• 从化石资料来看，真核藻类大约在9亿年前 从化石资料来看，真核藻类大约在 亿年前 出现了有性生殖，实际上， 出现了有性生殖，实际上，有性生殖出现 得更早。 得更早。有性生殖的发生在整个生物界的 进化过程中有着极其重大的作用， 进化过程中有着极其重大的作用，由于有 性生殖提供了遗传变异性， 性生殖提供了遗传变异性，从而有可能进 一步增加了生物的多样性， 一步增加了生物的多样性，这是造成寒武 爆发的原因之一。 爆发的原因之一。
• 在1995年，在纳米比亚火山灰层中出现了大量的寒武纪 年 之前的多细胞生物，恰好补上了这段空白，所以， 之前的多细胞生物，恰好补上了这段空白，所以，现在已 很少有专家怀疑前寒武纪的多细胞生物和寒武纪的动物没 有相承关系。第二，寒武纪的动物并不是“同时”出现的， 有相承关系。第二，寒武纪的动物并不是“同时”出现的， 而是持续了几百万年，这在进化史上当然是短时间， 而是持续了几百万年，这在进化史上当然是短时间，但对 神创论来说，却是长得不可思议。第三， 神创论来说，却是长得不可思议。第三，“几乎所有动物 的门”在寒武纪地层出现并不等于“几乎所有动物的种” 的门”在寒武纪地层出现并不等于“几乎所有动物的种” 在那时候都已出现。事实上， 在那时候都已出现。事实上，寒武纪的动物一般地只是那 个门的原始物种，以后几乎全都灭绝了， 个门的原始物种，以后几乎全都灭绝了，后来的物种是进 化来的。比如，寒武纪只存在少数几种原始的脊索动物， 化来的。比如，寒武纪只存在少数几种原始的脊索动物， 而丰富多彩的脊椎动物各类群，包括鱼类、两栖类、 而丰富多彩的脊椎动物各类群，包括鱼类、两栖类、爬行 哺乳类和鸟类， 类、哺乳类和鸟类，都是在寒武纪之后从原始脊索动物逐 渐进化来的。 渐进化来的。现代脊椎动物各物种更都有了几亿年的进化 史。
成因
• 寒武纪物种大爆发的可能解释有两种：一种观点认为，寒 寒武纪物种大爆发的可能解释有两种：一种观点认为， 武爆发是一种假象，这是达尔文主义者所持的观点。 武爆发是一种假象，这是达尔文主义者所持的观点。由于 进化是渐进的，所谓的“爆发” 进化是渐进的，所谓的“爆发”只是表明首次在生物化石 记录中发现了早在前寒武纪就已经广泛存在并发展的生物， 记录中发现了早在前寒武纪就已经广泛存在并发展的生物， 其它的生物化石群则可能由于地质记录的不完全而“ 其它的生物化石群则可能由于地质记录的不完全而“缺 造成这种“缺档” 档”，造成这种“缺档”的原因是前寒武纪地层经历着热 与压力，其中的化石被销毁了。 与压力，其中的化石被销毁了。由于发现前寒武纪化石沉 积层中存在大量像细菌和蓝藻这样简单的原核生物， 积层中存在大量像细菌和蓝藻这样简单的原核生物，因而 这一解释不再有说服力。另一种观点认为， 这一解释不再有说服力。另一种观点认为，寒武爆发代表 了生物进化过程中的真实事件， 了生物进化过程中的真实事件，科学家从物理环境和生态 环境的变化两个方面来解释这一现象。 环境的变化两个方面来解释这一现象。
• 但是近二、三十年来，古生物学和进化发育生物学的研究表明，生物 但是近二、三十年来，古生物学和进化发育生物学的研究表明， 进化过程很可能是渐变和跃变两种模式都存在的， 进化过程很可能是渐变和跃变两种模式都存在的，跃变论又有抬头的 趋势。不过，进化论所说的跃变，除了某些非常特殊的情形(例如植 趋势。不过，进化论所说的跃变，除了某些非常特殊的情形 例如植 物经杂交出现新种)，并非是指在一代或数代之间发生的进化， 物经杂交出现新种 ，并非是指在一代或数代之间发生的进化，而可 能经历了数千年、数万年乃至数百万年， 能经历了数千年、数万年乃至数百万年，只不过以地质年代来衡量显 得很短暂而已——又与寒武纪物种大爆发产生严重差异，但它即使成 又与寒武纪物种大爆发产生严重差异， 得很短暂而已 又与寒武纪物种大爆发产生严重差异 也不过表明进化有时候是能够以跃变的方式进行的， 立，也不过表明进化有时候是能够以跃变的方式进行的，并不能否认 进化在其他时候是以渐变的方式进行的。几乎所有动物的“ 进化在其他时候是以渐变的方式进行的。几乎所有动物的“门”都在 寒武纪早期出现，绝不意味着这些动物祖先不是进化而来的， 寒武纪早期出现，绝不意味着这些动物祖先不是进化而来的，更不意 味着它们之后没有发生进化。第一，在寒武纪之前， 味着它们之后没有发生进化。第一，在寒武纪之前，动物已经过了漫 长的进化过程。自五十年代以来， 长的进化过程。自五十年代以来，古生物学家已在世界各地三十个地 方发现了大量的寒武纪之前的多细胞生物乃至动物，数量最多、 方发现了大量的寒武纪之前的多细胞生物乃至动物，数量最多、最为 闻名的在四个地方：澳大利亚的埃迪亚加拉山(Ediacara Hill)、加拿 闻名的在四个地方：澳大利亚的埃迪亚加拉山 、 大纽芬兰的错误点(Mistake Point)、俄罗斯的白海海岸和纳米比亚。 大纽芬兰的错误点 、俄罗斯的白海海岸和纳米比亚。 此外还有中国瓮安动物群， 此外还有中国瓮安动物群，据称是迄今发现的最古老的实体化石动物 这些寒武纪之前的多细胞生物包括软珊瑚、海蜇、 群。这些寒武纪之前的多细胞生物包括软珊瑚、海蜇、蠕虫和其他稀 奇古怪的生物。对这些多细胞生物是否是寒武纪动物的直接祖先， 奇古怪的生物。对这些多细胞生物是否是寒武纪动物的直接祖先，以 前有争议，因为在1995年之前从这些多细胞生物到寒武纪动物还存 前有争议，因为在 年之前从这些多细胞生物到寒武纪动物还存 在一段地质空白，所以有专家主张这些早期多细胞生物全部灭绝， 在一段地质空白，所以有专家主张这些早期多细胞生物全部灭绝，在 寒武纪又再来一次从单细胞到多细胞的进化。 寒武纪又再来一次从单细胞到多细胞的进化。
• 生物收割者假说是美国生态学家斯坦利提出的，是一种解 生物收割者假说是美国生态学家斯坦利提出的， 释寒武爆发的生态学理论，即收割原则。斯坦利认为， 释寒武爆发的生态学理论，即收割原则。斯坦利认为，在 前寒武纪的25亿年的多数时间里 亿年的多数时间里， 前寒武纪的 亿年的多数时间里，海洋是一个以原核蓝藻 这样简单的初级生产者所组成的生态系统。 这样简单的初级生产者所组成的生态系统。这一系统内的 群落在生态学上属于单一不变的群落， 群落在生态学上属于单一不变的群落，营养级也是简单唯 一的。 一的。由于物理空间被这种种类少但数量大的生物群落顽 强地占据着，所以这种群落的进化非常缓慢， 强地占据着，所以这种群落的进化非常缓慢，从未有过丰 富的多样性。寒武爆发的关键是草食收割者的出现和进化， 富的多样性。寒武爆发的关键是草食收割者的出现和进化， 即食用原核细胞(蓝藻 的原生动物的出现和进化。 蓝藻)的原生动物的出现和进化 即食用原核细胞 蓝藻 的原生动物的出现和进化。收割者 为生产者有更大的多样性制造了空间， 为生产者有更大的多样性制造了空间，而这种生产者多样 性的增加又导致了更特异的收割者的进化。 性的增加又导致了更特异的收割者的进化。营养级金字塔 按两个方向迅速发展： 按两个方向迅速发展：较底层次的生产者增加了许多新物 丰富了物种多样性，在顶端又增加了新的“收割者” 种，丰富了物种多样性，在顶端又增加了新的“收割者”， 丰富了营养级的多样性。 丰富了营养级的多样性。从而使得整个生态系统的生物多 样性不断丰富，最终导致了寒武纪生命大爆发的产生。 样性不断丰富，最终导致了寒武纪生命大爆发的产生。
对比
• 寒武纪物种大爆发已直接对达尔文的进化论产生了挑战， 寒武纪物种大爆发已直接对达尔文的进化论产生了挑战， 达尔文提出的进化论主要包括四方面： 一般进化论 达尔文提出的进化论主要包括四方面：1一般进化论 2 渐变论” 共同祖先学说 3 自选选择学说 4渐变论 而“渐变论”— 渐变论 —生物进化的步调是渐变式的，是一个在自然选择作用下 生物进化的步调是渐变式的， 生物进化的步调是渐变式的 累积微小的优势变异的逐渐改进的过程，而不是跃变式的。 累积微小的优势变异的逐渐改进的过程，而不是跃变式的。 这是达尔文进化论中较有争议的部分。 这是达尔文进化论中较有争议的部分。在达尔文在世时以 及死后相当长一段时间，大部分生物学家， 及死后相当长一段时间，大部分生物学家，特别是古生物 学家，都相信生物进化是能够出现跃变的， 学家，都相信生物进化是能够出现跃变的，认为新的形态 和器官是源自大的跃变， 和器官是源自大的跃变，而不是微小的变异在自然选择的 作用下缓慢而逐渐地累积下来的。 作用下缓慢而逐渐地累积下来的。包括赫胥黎在内的一些 古生物学家由于强调生物化石的不连续性，而持这种观点。 古生物学家由于强调生物化石的不连续性，而持这种观点。 在遗传学诞生之后的一段时间内， 在遗传学诞生之后的一段时间内，早期遗传学家们由于强 调遗传性状的不连续性，也普遍接受跃变论。 调遗传性状的不连续性，也普遍接受跃变论。在20世纪 世纪 40年代，“现代综合”学说将遗传学和自然选择学说成功 年代， 现代综合” 年代 地结合起来，渐变论逐渐占了优势。 地结合起来，渐变论逐渐占了优势。
中国科学家构想寒武纪大致图
• 六十年代两位美国物理学家提出了寒武爆发是由 于地球大气的氧水平这个物理因素造成的。 于地球大气的氧水平这个物理因素造成的。他们 认为， 认为，在早期地球的大气中含有很少或根本就没 有自由氧， 有自由氧，氧是前寒武纪藻类植物光合作用的产 物并逐渐积累形成的。后生动物需要大量的氧， 物并逐渐积累形成的。后生动物需要大量的氧， 一方面用于呼吸作用， 一方面用于呼吸作用，另一方面氧还以臭氧的形 式在大气中吸收大量有害的紫外线， 式在大气中吸收大量有害的紫外线，使后生动物 免于有害辐射的损伤。 而生物学家则希望从生物 免于有害辐射的损伤。 本身的生态关系来探讨这一问题， 本身的生态关系来探讨这一问题，因为地质学的 证据否定了这种氧理论的观点。大约在距今10亿 证据否定了这种氧理论的观点。大约在距今 亿 年至20亿年之间广泛沉积层中含有大量严重氧化 年至 亿年之间广泛沉积层中含有大量严重氧化 的岩石， 的岩石，这说明在这一时期内已经存在足够生命 爆发的氧条件。 爆发的氧条件。因而生物学家从两个重要事件的 出现来探索造成寒武爆发的原因， 出现来探索造成寒武爆发的原因，即有性生殖的 产生和生物收割者的出现。 产生和生物收割者的出现。