地球与生物的进化详细史

生物进化史

一、冥古宙(地球形成——38亿年前)

1、古地理

地球从46亿年前形成,从一个炽热的岩浆球逐渐冷却固化(计算表明仅需1亿年),出现原始的海洋、大气与陆地,但仍然就是地质活动剧烈、火山喷发遍布、熔岩四处流淌,在41亿年前到38亿年前地球持续遭到了大量小行星与彗星的轰击。冥古宙在38亿年前结束后,内太阳系不再有大规模撞击事件。

因为这个时期的岩石几乎没有保存到现在的(已知的地球最古老的岩石位于北美地台盖层的艾加斯塔片麻岩及西澳洲那瑞尔片麻岩层的杰克希尔斯部分),所以并没有正式的细分。但月岩从40多亿年前就比较好的保存下来,因此月球地质年代的某些主要划分可参照用于地球的冥古宙划代。冥古宙的最后一个代对应为月球地质年代中的早雨海世,以月球的东海撞击事件为结束时间(约为38、4亿年),这也就是内太阳系的后期重轰击期的结束标志。

零散的锆石结晶沉积在西加拿大与西澳的杰克山中的沉积物里,对锆石的研究发现,液态水必然已存在了有四十四亿年之久,非常接近地球形成的时刻。

2、气候

在形成地球的物质当中,曾经存在过大量的水。在地球的形成时期,其质量比现在的小,水分子也就更容易挣脱重力。据推测,当时氢气与氦气在大气层中持续不断地逸散,然而,现时大气中高密度的稀有气体却相对缺乏,这表明,在早期大气层中可能发生过什么剧变。

有理论认为,在地球的年轻时期,它的一部分曾受过撞击而分裂,分裂出去的部分后来形成了月球。然而,在这种说法下,撞击应该会令一到两个大区域融化,现时的组成成份却与完全融化的假设并不相符,事实上也很难将巨大的岩石完全融化并混在一起。不过相当一部分的物质仍被此次撞击所蒸发,在这颗年轻的行星周围形成了一个由岩石蒸汽组成的大气层。

岩石蒸汽在两千年间逐渐凝固,留下了高温的易挥发物,之后有可能形成了一个混有氢气与水蒸气的高密度二氧化碳大气层。另外,尽管当时表面温度有230℃,但液态的海洋依然能够存在,这得益于CO2大气层带来的高气压。随着冷凝过程继续进行,海水通过溶解作用除去了大气中的大部分CO2,不过其含量水平在新地层与地幔循环出现时产生了激烈的震荡。

二、太古宙(38-25亿年前)

1、古地理

太古宙起始于内太阳系晚期重轰击期的结束,地球岩石开始稳定存在并可以保留到现在。太古宙结束于25亿年前的大氧化事件,以甲烷为主的还原性的太古宙原始大气转变为氧气丰富的氧化性的元古宙大气,并导致了持续3亿年的地球第一个冰期——休伦冰期。

太古宙形成的地壳厚度还不大,同时尚未进行充分的分异过程。由于地壳厚度较小,幔源物质容易沿裂隙上行,常有大规模的超基性、基性断裂喷溢活动。此外,也有频繁的中酸性岩浆活动与火山活动。多次的岩浆活动、构造运动使岩石变质很深,再加上缺少生物化石,给恢复古地理面貌与沉积环境造成很大困难。

在当今大陆壳的范围内,长期处于活动不稳定状态,陆表海占绝对优势。在太古代中晚期,随着陆壳某些部分开始固结硬化,终于形成了稳定的基底地块——陆核。陆核的形成标志着地壳构造发展的第一大阶段的结束。

太古宙有多少次构造运动,目前研究的很不清楚。在世界范围内可能有3次主要的构造运动,在中国比较确认的就是太古宙晚期的阜平运动。

大约在30亿年前,出现了目前已知最早的大陆——乌尔大陆(Ur),它可能就是当时地表上面积最大的大陆,甚至就是唯一的大陆,但其面积可能比今日的澳洲大陆还小。其名称就是以希

腊神话中的乌拉诺斯(Uranus)为名。

乌尔大陆后来分裂成Nena大陆与Atlantica大陆,经过长期演变后,这些大陆在10亿年前形成新的超大陆,罗迪尼亚大陆。乌尔大陆的残余部份经历长时间的演变,仍可在斯堪地那维亚、非洲、印度、马达加斯加、澳洲等地,找到找到昔日乌尔大陆的岩石。

而超大陆瓦巴拉大陆则存在于约36亿至28亿年前。

再往后的超大陆叫凯诺兰大陆,存在于约27亿至21亿年前。

2、气候

在太古宙,海水中所含的盐分比现在要低,富含氯化物。大气成分以水蒸气、二氧化碳、硫化氢、氨、甲烷、氯化氢等为主,处于缺氧的还原状态,由此在太古宙地层中形成了丰富的普遍由低价铁沉积而成的铁矿。

3、生物

研究者认为最早的生命诞生于距今约36亿年前,但已知最古老的化石在南非发现的32亿年前的超微化石——古杆菌与巴贝通球藻。这就是最原始的原核生物。在南非的布拉维群灰岩中,还发现了31亿年前的蓝绿藻类形成的大型化石叠层石。

三、元古宙(25——5、4亿年前)

1、地台的形成

通过元古宙的两次主要的构造运动,陆核进一步扩大,形成规模较大的稳定地区,成为原地台。到中元古代晚期,原地台进一步扩大,在世界上终于出现了若干大规模稳定的古地台。由陆核到原地台与古地台,就是陆壳构造发展的第二个阶段。

2、哥伦比亚大陆的形成

新的超大陆哥伦比亚大陆(Columbia supercontinent,或称为Nuna、Hudsonland)一般认为存在于古元古代的15到18亿年前。该大陆由许多后来形成劳伦大陆、波罗地大陆、乌克兰地盾、亚马逊克拉通、澳洲大陆,可能还包含西伯利亚大陆、华北陆块、喀拉哈里克拉通的许多原始克拉通组成。哥伦比亚大陆目前就是依照古地磁资料证明其存在。([注]克拉通:地台与地盾的统称,仅在大陆使用。)

哥伦比亚大陆预测从北到南跨越12900公里,从东到西最宽处4800公里。今日印度东岸与北美洲西岸相连,而澳洲大陆南部与今日加拿大西部相连。南美洲因为旋转的关系,今日巴西的西缘与北美洲东部排在一起,形成了延伸至今日斯堪地纳维亚的大陆边缘。

哥伦比亚大陆于16亿年前开始分裂。相关的大陆漂移有沿着劳伦大陆西缘(荷贝尔特—普尔瑟尔超群)、印度东部(默哈讷迪与哥达瓦里)、波罗地大陆南缘(泰勒马克超群)、西伯利亚东南缘(里菲超群)、南非东北缘(喀拉哈里铜矿带)与华北陆块北缘(渣尔泰－白云鄂博带)。分裂原因一般认为就是非造山的岩浆活动相当普遍。

分裂的各陆块则在约5亿年后形成罗迪尼亚大陆。

3、罗迪尼亚大陆的形成

罗迪尼亚大陆(Rodinia,来自俄语родина,祖国)就是古代地球曾经存在的超大陆。根据板块重构,罗迪尼亚大陆存在于新元古代(11、5亿到7亿年前)。

罗迪尼亚大陆的分布可能以赤道以南为中心。而罗迪尼亚大陆的中心一般认为就是北美洲克拉通,在东南侧则就是东欧克拉通(之后形成波罗地大陆)、亚马逊克拉通与西非克拉通环绕。在南边则就是拉普拉塔克拉通与圣法兰西斯科克拉通;在西南则就是刚果克拉通与喀拉哈里克拉通;在东北则就是澳洲大陆、印度次大陆与东南极克拉通。北边则就是西伯利亚大陆、华北陆块、华南陆块,但确定位置还难以判定。

罗迪尼亚大陆形成前的古地理所知甚少,古地磁与地质资料仅能让我们完整重构罗迪尼亚大陆分裂之后的状态。目前能确定的就是罗迪尼亚大陆大约在11到10亿年前形成,7亿5千万年前分裂。罗迪尼亚大陆则就是由超级海洋米洛维亚(来自俄语мировой,全球的)

环绕。

4、气候

由于藻类植物日益繁盛,它们通过光合作用不断吸收大气中的CO2,放出O2,从中元古代开始,地层开始有含铁紫红色石英砂岩及赤铁矿层形成,说明当时大气中已含有相当多的游离氧。大气及水体中氧的增多,给生物的发展与演化准备了物质条件。

5、从原核生物到真核生物、从单细胞到多细胞

太古宙出现的菌类与蓝绿藻类,到元古宙得到进一步发展,蓝绿藻群体活动所形成的叠层石在岩层中广泛分布。近年在中国北部中元古代地层发现了最古老的真核细胞生物化石丘阿尔藻,距今16-17亿年。而在新元古代,则出现了最早的多细胞宏观藻类植物群。

(一)成冰纪(Cryogenian,符号NP2)(8、5——6、3亿年前)

1、大冰期的到来

前寒武纪晚期的地球气候就是非常寒冷的。我们可以在所有邻近大陆上找到冰河的证据,但就是为什么严寒的气候如此广泛地分布各地,至今仍困惑着地质学家们,曾经有很多假设被提出来,却一一都被否定。其中一个假设认为:地球曾经倾斜到北极一侧向着太阳,而南极一侧则背对着太阳,这样的情形导致地球有一半会受到太阳持续烧烤6个月,而另一半的地球则有6个月冷到结冰。虽然可能,但就是并没有任何一种机制可以说明地球的自转轴可以倾斜到如此极端的状况。

另一个不尽相同的假设认为地球曾经被由岩石或冰所组成的"环"所围绕,就像今天的土星与海王星一样,这个"环"造成了地球上的阴影,冷却了地球上的气候。然而并没有任何有关这个环的遗迹曾经被发现过。

而目前最受认同的假设则就是认为,当时整个地球的海洋都被冰冻,成为一个巨大的雪球,这个雪球假说(Snowball Earth)同时可以解释表层岩石中,同位素异常的特征。

现在我们知道在前寒武纪的晚期其实并没有不寻常的现象进行,这三个假说由于没有把当时古地理图分析仔细,而显得有些解释得太过头,对于前寒武纪"冰室世界"的神秘,我们今天已经能够加以解释,那就是因为当时大陆的碰撞与超大陆的形成,许多大陆不就是紧邻北极就就是南极,导致全世界进入一个全球的"冰室"(就像今天的世界),不过当时位于赤道附近的澳洲却出现冰的遗迹,则就是个很有趣的例外。

2、罗迪尼亚大陆的分裂

早在8亿到8、5亿年前,,一道断裂带在今日的澳洲大陆、南极洲东部、印度、刚果克拉通、喀拉哈里克拉通之间形成,之后在劳伦大陆、波罗地大陆、亚马逊克拉通、西非克拉通、圣弗朗西斯科克拉通也形成断裂带,断裂后形成埃迪卡拉纪的阿达马斯托洋。

大约7、5亿年前,罗迪尼亚大陆分裂成原劳亚大陆、刚果克拉通、原冈瓦那大陆(冈瓦那大陆除去刚果地盾与南极洲)。原劳亚大陆进一步分裂,朝南极移动。原冈瓦纳大陆逆时针反转。在6亿年前,刚果克拉通位于原劳亚大陆各大陆与原冈瓦那大陆之间,三者聚合成潘诺西亚大陆。

(二)埃迪卡拉纪(Ediacaran)又称震旦纪(6、2——5、4亿年前)

1、潘诺西亚大陆的形成与分裂

潘诺西亚大陆(Pannotia)就是个理论上的史前超大陆,形成于6亿年前的泛非造山作用,并在5亿4000万年前的前寒武纪分裂。

潘诺西亚大陆的大部分位于极区之内,而证据显示这个时代有大面积的冰河覆盖者,远大于地质时代的任何时期。潘诺西亚大陆的形状类似V字形,开口往东北。开口内侧为泛大洋,海底有中洋脊,就是今日太平洋的前身。潘诺西亚大陆的外侧环绕者泛非洋。

潘诺西亚大陆的存在时间很短。组合潘诺西亚的各大陆,就是以错动方式聚合。在5、4亿年前,或潘诺西亚大陆形成的6000万年后,潘诺西亚大陆分裂成四个大陆:劳伦大陆、波罗地大

陆、西伯利亚大陆、冈瓦那大陆。

2、最早的动物出现

最古老的动物遗迹可追溯至十亿年前,但最早的动物化石出现于约六亿年前的埃迪卡拉纪。埃迪卡拉动物群因为发现于南澳的埃迪卡拉山而得名。

埃迪卡拉动物与今天的大多数动物不同,它们既没头、尾、四肢,又没嘴巴与消化器官,因此它们大概只能从水中摄取养份。大多的埃迪卡拉动物固著在海底,与植物十分相近,其她的则平躺在浅海处,等待营养顺水流而送上门来。埃迪卡拉动物化石出土越多,反而越没有规律。有几种化石比较像后来动物的先驱。

在埃迪卡拉纪末期,埃迪卡拉动物分成两支,它们有的成功演化成更有活力,更具进攻性的动物,有的则走向灭亡。而它们的特征也永远消失于历史舞台上。

四、显生宙(5、4亿年前——现在)

(一)古生代(5、4——2、5亿年前)

(1)寒武纪(5、43——4、9亿年前)

寒武纪(Cambrian)就是显生宙(Phanerozoic)的开始,名字来自于英国威尔士的一个古代地名罗马名称“Cambria”,该地的寒武纪地层被最早研究。中文名称源自旧时日本人使用日语汉字音读的音译名“寒武纪”(音读:カンブキ罗马字:kan bu ki)。

1、海洋占优势的世界

在5、4亿年前,或潘诺西亚大陆形成的6000万年后,潘诺西亚大陆分裂成四个大陆:劳伦大陆、波罗地大陆、西伯利亚大陆、冈瓦那大陆。泛大洋随者潘诺西亚大陆的分裂而扩张。寒武纪气候温暖,海平面升高,浅海淹没了大片的低洼地。这种浅海地带为新的物种诞生创造了极为有利的条件。

2、寒武纪生命“大爆炸”

在寒武纪开始后的短短数百万年时间里,包括现生动物几乎所有类群祖先在内的大量多细胞生物突然出现,这一爆发式的生物演化事件被称为寒武纪生命“大爆炸”。带壳、具骨骼的海洋无脊椎动物趋向繁荣,它们营底栖生活,以微小的海藻与有机质颗粒为食物,其中,最繁盛的就是节肢动物三叶虫,故寒武纪又称为“三叶虫时代”,其次就是腕足动物、古杯动物、棘皮动物与腹足动物。

(2)奥陶纪(4、9——4、38亿年前)

奥陶纪(Ordovician)就是英国地质学家C、拉普沃思于1879年用Ordovices命名的,Ordovices就是威尔士地区的一古民族名“奥陶”一词系Ordovices的日文汉语音译。

1、古地理

在奥陶纪时,许多张裂的海盆使得古大陆劳伦西亚、波罗的、西伯利亚与冈瓦纳大陆分离开来,包括古大西洋(Iapetus Ocean)隔开了波罗的与西伯利亚大陆,后来古大西洋闭合时,形成了加里东山脉(Caledonide Mts、)以及北阿巴拉契亚山脉(Appalachian Mts、)。还有古地中海(Paleo-Teyhys Ocean)把冈瓦纳大陆从波罗的与西伯利亚大陆分隔了开来,而巨大的古大洋(Panthalassic Ocean)则覆盖了当时大部分的北半球。

2、气候——从温暖到严寒

奥陶纪早、中期继承了寒武纪的气候,气候温暖、海侵广泛,温暖的海水把石灰岩与盐岩沉淀在冈瓦纳大陆的赤道地区(Australia澳洲、India印度、China中国与Antarctica南极洲);奥陶纪晚期则进入了一个大冰期。冰原的厚度可以达到3 km,覆盖了非洲(Africa)的北部与中部的大部分以及部分的南美洲(Amazonia,亚马逊盆地)。

3、生物——最早的鱼类出现

奥陶纪中期,在北美落基山脉地区出现了原始脊椎动物异甲鱼类——星甲鱼与显褶鱼,在南半球的澳大利亚也出现了异甲鱼类。