作者：冯伟民
出版社：江苏科学技术出版社
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远古的悸动:生命起源与进化试读：
前言
杨群今年是生物进化理论创立者查尔斯·达尔文诞辰（1809年2月12日）200周年，是达尔文进化论巨著《物种起源》发表（1859年11月24日）150周年。一个半世纪以来，大量科学研究为进化论提供了源源不断的证据（比如，众多古生物学发现为生物进化历史提供了实证）；同时，科学也在进化论的指引下揭示了从地球生态系统到微生物及生物分子中的无数奥秘，大大促进了人类健康和动植物品种改良，造福人类；进化论极大地增进了人类对自然的认识，深刻改变着人们的自然观和人生观，成为启迪人类社会应对自然灾变，保护生物多样性，走可持续发展道路的科学依据。著名科学家、美籍乌克兰遗传学家多布然斯基（Theodosius Dobzhansky，1900—1975）是这样评价进化论的：如果没有进化论指引，一切生物学问题都无从解释。无可争议，生物进化是现代自然科学领域最伟大的发现之一，是历史唯物主义的科学依据，也是人类与自然协同发展的永恒主题。
为了隆重纪念伟大的达尔文诞辰200周年和他的巨著发表150周年，中国科学院南京地质古生物研究所周志炎院士、冯伟民研究员、许汉奎研究员、傅强博士等精心策划、编撰了本书，奉献给读者，向大家讲述地球演化历史中生命进化的历程、生物演化的故事以及生物与环境之间的动态协同关系和过程。
有些读者可能参观或访问过南京古生物博物馆，这里系统地陈列了反映地球上整个生命世界演变历程的各类化石标本，包括20多亿年前地球原始生命记录、6亿年前微小动物及其胚胎化石保存状况、5.2亿年前“寒武纪大爆发”时期保存精美的澄江生物群化石、丰富多彩的古生代（距今5.42亿年～2.51亿年）动植物及生态系统演变的实证、著名的中生代“热河生物群”、恐龙时代的植物和动物、新生代草原的诞生、人类活动的遗迹等，其科学性、系统性、趣味性和展示特色堪称国际罕见。从某种意义上说，《远古的悸动—生命起源与进化》一书很好地诠释了南京古生物博物馆的展示内容，读者不妨将本书的内容和博物馆的展品及展板联系起来，可能会收到更好的效果。
我国地域辽阔，古生物化石资源极其丰富，古生物学研究成绩斐然，在国际上享有很高的声誉。尤其是近二十多年来，世界将目光一再投向中国的古生物学研究，先是云南“澄江动物群”（古生代寒武纪），随后是辽西“热河生物群”（中生代白垩纪）、贵州“瓮安生物群”（新元古代埃迪卡拉纪）、“关岭生物群”（中生代三叠纪）、甘肃“和政动物群”（新生代新近纪）等。经过精心的发掘、分析和研究，科学家揭开了远古时代各种神秘生命的面纱。
科学家的职责不仅要开展不懈的科学探索，也要向公众宣传科研成果和科学知识。中国科学院在20世纪末实施科技创新工程以来，响应国家“科教兴国”的战略方针，在面向“国家战略需求和国际科技前沿”的同时，高度重视科学知识的传播，以博物馆、网络、公共讲座和报刊等多种形式开展科学传播活动，旨在进一步发挥科学家的作用，宣传科学，为提高全民族的科学素养贡献力量，为中华民族的伟大复兴奠定坚实的基础。南京地质古生物研究所在中国科学院和江苏省有关部门的领导下，积极开展科普活动，以普及科学知识为己任，已经建立博物馆、科普期刊、科普网站和科普讲座等传播平台，服务于公众。
这里，我们隆重地向广大读者推荐这部集科学性、知识性和趣味性于一体的通俗科普读物。本书按地质年代顺序讲述了近40亿年的地球生命故事，涉及地球的演变与生物的进化以及每个时代特征生物类群的描述；同时，对我国发现的重要化石群（例如，澄江动物群、热河生物群等）作了重点介绍。书中大量引用了古生物学和演化生物学领域的最新成果，如深海黑暗生物链、贵州瓮安新元古代的胚胎化石、寒武纪生物大爆发、生物灭绝和复苏事件、早期维管植物、鸟的起源、被子植物起源和人类进化等。通篇辅以大量精美图片，增强了可读性和趣味性。毫无疑问，本书向读者展示了生命长河中的篇章以及许多耐人寻味的故事，而全部内容都是来自于科学研究的成果，因此，反映了一个真实的生命自然史。
我们由衷地感谢江苏科学技术出版社的大力支持，本书责任编辑在多次参观南京古生物博物馆后，萌发了与古生物专家合作出版古生物科普读物的想法，这与研究所专家的想法不谋而合。为此，我们组成了由周志炎院士为主任、孙卫国研究员为副主任的专家编写委员会，并组织了以周志炎院士为主编的编著作者小组。感谢主编和各位编著者为编写本书所付出的辛勤劳动；感谢南京大学刘冠邦教授审阅全稿，并提供宝贵意见和建议；感谢中国科学院南京地质古生物研究所孙卫国、王向东、沈树忠、詹仁斌、罗辉、王永栋、陈秀琴、李国祥、袁训来、朱茂炎、张允白等研究员在百忙中抽出宝贵时间审阅本书。南京古生物博物馆执行馆长、本书第一编著者冯伟民博士还为本书的组织和联络工作付出了宝贵的精力和时间。中国科学院南京地质古生物研究所 所长中国古生物学会 秘书长谨识2009年7月21日第一章生命起源的地球环境生命的起源是地球早期演化的结果。探究生命的起源离不开与之息息相关的早期地球环境。火山喷发、大气圈产生、地壳冷却以及海水形成等都为地球生命的诞生创造了条件。古老岩石、地球化学、深海黑暗食物链乃至天外陨石都为探究生命之源开启了智慧之门。一、地球的形成太阳系的形成（星云假说）
地球是怎样形成的，一直是人们关注的问题。18世纪之前，科学尚不发达，“创世说”占据了统治地位，在中国有盘古氏开天辟地之说，在西方国家则有上帝创造世界之说。直到18世纪，随着科学的不断发展，科学家终于能从科学角度提出一些假说，其中比较重要的是德国哲学家康德和法国数学家拉普拉斯提出的“星云假说”。此学说经过200年来许多学者的修改补充，已趋完善。“星云说”认为太阳和八大行星都是属于同一星云。星云是宇宙中一种形态物质存在的形式，太阳系的星云就是由气体、冰质物和石质物所组成的。气体占星云总量的98％，以氢气为主，余者很少。冰质物主要为碳（C）、氮（N）、氧（O）、硫（S）和氯（Cl）等的氢化物，约占星云总量的1.5％。石质物为钠（Na）、镁（Mg）、铝（Al）、钙（Ca）、铁（Fe）、镍（Ni）和铜（Cu）等的氧化物，仅占星云总量的0.5％。冰质物和石质物的颗粒均很小，一般不超过1毫米。星云的范围非常大，只能用光年衡量。普通星云的直径可达10光年，而光的速度每秒为30万千米，足见星云之大。当太阳系星云中的氢气由于相互吸引力大于运动产生的离心力时，氢气就会越聚越多，而且相互不断压缩，越压越紧，越压越密，它对外的吸引力也就越来越大，越吸引就越多。另外，由于挤压，致使氢原子发生聚变而形成氦（He），从而释放出大量能量（原子的聚变比裂变产生的能量要大很多，这就是氢弹比原子弹威力大得多的原因），致使温度急速增高，从而形成了原始的太阳。随着温度的增高及氢原子的不断集中，氢原子发生聚变越来越多，温度也越来越高，终于形成了真正的太阳。
太阳形成以后，不断地向周围发射出大量的能量，使熔点高的石质物聚集在太阳的周围。这些石质物越聚越多，越来越大，终于形成了水星、金星、地球和火星这四大行星，被称为类地行星。而离太阳远的地方，那里所获得的太阳能量少，一些熔点低的冰质物和气体就可以聚集在一起。它们也是越聚越多，不断增大，就形成了木星、土星、海王星和天王星，被称为类木行星。
当地球的石质物越聚越多，不断增大，相互间也就越压越紧。这些石质物在相互撞击过程中，温度会不断升高，加上外部小行星的撞击，使地球逐渐形成一高温融熔状态的大火球。由于地球在不停地自转，且绕太阳公转，地球的物质就在旋转中发生了分异。一些重的物质就会沉到中心而形成地核，根据其物质成分，它可分为外核和内核。外核是由液态铁及一些较轻的元素如硫（S）、硅（Si）、氧（O）、钾（K）、氢（H）等所组成，而内核则由刚性很强、在极高温和高压下呈结晶的固态铁和铁镍合金组成。地核之上为地幔层，它可分为三层，下地幔层厚约2230千米，它以金属氧化物和金属硫化物为主，铬（Cr）、铁（Fe）、镍（Ni）含量很高，温度在1500～2000摄氏度，密度为5.7克/立方厘米，所以它大致以固体状态存在；中间为过渡层，厚约270千米，其成分是铁镁硅酸盐的橄榄石和辉石，温度在1500摄氏度左右；上地幔层厚约380千米，温度在1200～1500摄氏度之间，密度约为3.3克/立方厘米，成分为熔融状态的橄榄岩质层，所以也称为软流层。软流层之上才为地壳，地壳的厚度不均，一般可分为三层，上地壳为花岗岩层，中地壳为花岗闪长质-闪长质岩层，下地壳为玄武质岩层。大陆区的地壳厚度为30多千米，一般都有上、中、下三层之分，密度平均约为2.7克∕立方厘米，地壳最深处温度在500～700摄氏度；洋壳厚度为5～15千米，只有下地壳，密度为3.1克∕立方厘米，最深处温度为150～200摄氏度。大陆区地壳分为硅铝层和硅镁层，属双层结构，洋壳只有硅镁层。显然，地球从地壳往下深入，密度越来越大，温度也越来越高。太阳系地球的结构二、地球的原始大气圈
地球形成以后，由于地球引力，星云中的气体被吸引在其周围。此外，地球刚形成时，地壳很薄且很不稳定，经常遭受小行星的撞击，致使地球经常发生火山喷发。火山除喷出大量岩浆外（它们冷却后形成火山岩，又成为地壳的一部分），还喷出大量的气体。久而久之，就使地球上空形成一厚厚的大气层。当然最上面的气体是很稀薄的，越往下气体的浓度越大。而空气密度最大的、能起空气对流作用的是离地球表面10千米左右的对流层。由于空气经常对流，所以上下所含的气体浓度比较接近。24
原始大气层的成分主要是氢气（H）、甲烷（CH）、一氧化碳222（CO）和二氧化碳（CO），少量为水汽（HO）、氮气（N）、硫化23氢（HS）和氨气（NH）等，其中一氧化碳、甲烷、氨气和硫化氢都是有毒的气体。最初的大气层中没有氧气，这种大气环境不适合动植物生长，但却适合一些厌氧细菌和不需氧气的蓝藻类生长，正是这种大气环境恰好适合于地球生命的产生。所以科学家要培养细胞，创造生命，只能模拟这种大气环境来进行。从太空中观看地球大气。相对地球而言，地球大气相当的稀薄。图中远处淡蓝色所显示的即为地球大气之影像。三、地球水的来源早期火山喷发
水是一切生命的源泉，没有水也就没有生命。那么，地球上的水是从哪里来的呢？在地球刚刚形成地表时，地表是没有水的，因为当时地壳的温度还很高。在距今40亿年～38亿年时，地表气温仍在100摄氏度。尽管火山喷发时产生了大量的水蒸气，而水蒸气在高空冷却后变成雨，雨降落到地表时，由于地表温度高，它又变为水汽而进入大气层。同时水汽蒸发时也带走地表的大量热量，使地表不断变冷。当地表温度低于100摄氏度时，降落到地表的雨水就会停留下来而形成地表水。随着火山喷发出大量水汽，这些水汽在高空冷却后变成雨水不断加入地表水，使地表水越聚越多。大约在距今40亿年时，地球上形成了原始的海洋。
有了海洋才会出现生命，而早期生命对水的积累也起到了重要的作用，尤其是最低等的菌藻类。藻类的光合作用会释放出大量氧气，它与甲烷、氨气等结合会形成一部分雨水而落到地球表面。除此之外，彗星路过地球时，也会给地球带来一些水。彗星主要是由大量间杂着冰粒的冷气和宇宙尘所组成，是太阳系中最大的天体。有的彗星比太阳还大，而太阳的体积相当于130万个地球，所以彗星的一些冰粒落到地球上，其数量是很可观的。
海水最初是淡味的。由于海水蒸发而变成雨水落到陆地，这些雨水最后又流回大海，在流回大海的过程中，它会把陆地上的矿物质带至海里，常年累月，致使海里的矿物质越来越多。此外，海底的火山喷发也会给海水增添一些矿物质，使海水渐渐变得又咸（含氯化钠）又苦（含氯化镁）。海水占到地球水总量的97％，其余3％是陆地的冰川、湖泊、江河及地下所拥有的淡水。有人曾统计，若海水全部蒸发，其海底的盐层将会堆成60米之高，若把这些盐层平铺在整个地球表面，足有45米之高！可见海水含盐量之大。尽管海水又咸又苦，却很适合海里的动植物的生长。撞击造成的临时岩浆海洋四、地球的年龄加拿大西北部地区的古老岩石
地球的年龄一直是人类关注的自然之谜。人们为测量地球的年龄曾采用多种方法，但都不十分理想。直到1896年发现放射性元素衰变的方法，地球测龄问题才得到解决。这种方法不受周围温度、压力、磁场和化学环境的影响，所以比较稳定。此方法就是利用一些放射性元素如铀（U）、钍（Th）等，它们的原子核不稳定，能不断地放射出带正电的α射线、带负电的β射线和不带电的γ射线，而变成一系列238中间元素，直到最终衰变成稳定的元素铅。如元素铀（U）每年有208九十亿分之一会衰变为铅（Pb），所以我们只要测出岩石中铀和铅的比例，就可以计算出它的衰变年数。经历时间越长，铅的含量就越高，反之铀的含量就越多。铀等放射性元素在岩浆冷却后所形成的花岗岩、玄武岩、火山岩，甚至沉积岩中都或多或少地存在，所以用这种方法测定地球的年龄既方便又可靠。全球最古老的岩石分布安徽省宿州地区晚前寒武纪叠层石河北省东部地区35亿年前的曹庄群铬云母石英岩
但是，要找到地球最初形成地壳的岩石并不容易，因为这些岩石经过漫长的地质年代、剧烈的地壳构造运动和长期的风化侵蚀，早已面目全非。目前我国发现最古老的岩石是河北东部地区曹庄群铬云母石英岩，经测定距今约35亿年。南极洲的里德比地发现的最古老岩石，经测定距今40亿年。加拿大北部斯塔发现了39.6亿年前的片麻岩。而在西澳大利亚杰克最古老的岩石，测出的年龄为40亿年。曾有报道，2007年在该区发现了钻石，这些钻石镶嵌在距今42亿年的锆石中，这是迄今所知的地球最古老的岩石。此外，测定地球年龄还可以208207根据元素铅（Pb），因为铅的同位素中有放射性成因的Pb、Pb206204和Pb及非放射性成因的Pb。它们之间的比值随时间而变化，所以只要知道铅同位素的原始组成，铅同位素的现代比值及铀和钍的衰变常数，就可以算出地球内部分异时的年龄，据此测定大约为46亿年，也就是说地球已有46亿岁了。五、地壳的地质构造
地壳刚形成时的厚度并不大，各处的厚度变化也不明显，而且，它们不是一整块刚性外壳层，而是由一些能够相互独立运动的离散型板块构成。这些板块位于地幔最上部的软流层之上。软流层易于蠕动变形而缓慢移动，在它之上的板块也就会跟着缓慢移动，从而形成板块运动。全球岩石圈板块构造图
20世纪之前，人们一直以为地球上的地壳是不会移动的。直到1910年，德国科学家阿尔弗雷格·魏格纳（Alfred Wegener）在观察世界地图时，发现大西洋两岸的海岸线很相似。为了弄清其原因，他涉猎了地质学、古生物学、古气候学、地球物理学及大地测量学的各个领域，提出了大陆漂移说。此学说认为大陆由较轻的、刚性的硅铝层组成，它漂浮在较重的、黏性的硅镁层之上。在距今3.5亿年～2.5亿年的石炭-二叠纪，全球板块大多靠得很近而形成一很大的大陆和海洋，即泛大陆和泛大洋。之后到了距今1.7亿年的侏罗纪，泛大陆开始分裂和漂移，最后才形成现今海陆分布的格局。也就是说，当时大西洋、印度洋并不存在，非洲、欧洲和南美洲、北美洲都是靠在一起的，所以它们的分界线是相近的。后来由于泛大陆沿这一分界线分裂漂移，才导致了大西洋和印度洋的形成。在大陆的漂移过程中，当分裂的板块相撞时，板块上所形成的地层（包括海相和陆相形成的巨厚地层）就会受到挤压而形成褶皱山系，如非洲、印度和欧亚大陆之间所形成的阿特拉斯山-阿尔卑斯山-喜马拉雅山系，南美洲、北美洲的西海岸科迪勒拉山和安第斯山等。板块分离板块聚合
魏格纳的学说在1912年发表后，开始并没有被多数学者所接受，直到20世纪50年代，由于古地磁研究的进展，以及海洋地质构造、古生物等大量资料的积累，均表明板块相对于极地位置确实发生过重大改变，人们才逐渐接受了这一学说。
海底扩张说是美国学者赫斯（H.H.Hess）和迪茨（R.S.Oietz）在20世纪60年代初提出的。该学说认为，在太平洋、大西洋和印度洋都有一很长的洋中脊，这里是地幔软流圈热对流的上升区，地幔里的岩浆不断地沿着这一长长的洋中脊往外涌出，当它冷却后就形成新的洋壳，并推动老洋壳向两岸移动，使海底不断扩张。当板块停留在下降带之上，移来的老洋壳就在板块边缘的海沟处俯冲入地下并消失在地幔中，与此同时它也使俯冲带之上的板块边缘受到极大压缩，最终使板块上形成的巨厚沉积地层发生褶皱而成山系，也使板块上的硅铝层进一步加厚和变形。若在板块之下发生新的地幔流上升体，板块则会产生新的断陷裂谷带，并逐步发展成为新的大洋。海底扩张说为板块漂移提供了动力依据。证据1：大陆拼合在一起证据2：岩石和构造的匹配
板块构造说也称新全球构造说，是由美国学者摩根（J.Morgan）、英国学者麦肯齐（D.P.Mekenzie）和法国学者勒皮雄（X.Lepichon）等人在20世纪60年代末期共同提出的。板块构造说提出后迅速风靡全球，由此开创了全球地质科学变革的新时代。所以，它与相对论、进化论和量子论一起成为当今世界自然科学最重要的四大理论。证据3：冰川特征
板块构造说认为地球的地壳是分成若干块体，它们彼此之间相互作用，相互移动，从而形成各种地壳构造。起初他们把全球地壳划分为六大板块，即太平洋板块、欧亚板块、非洲板块、美洲板块、印澳（印度和澳大利亚）板块和南极洲板块。随后，学者们又将美洲板块分为北美板块和南美板块，印澳板块分为印度板块和澳大利亚板块，而形成了八大板块。后来学者又认为八大板块还镶嵌着14个中小板块，如阿拉伯板块、婆罗洲板块、加勒比板块、东南亚板块、华北板块和华南（扬子）板块等，这些大小不等的刚性板块每年以数厘米的速率在具有低黏滞性的地幔软流层上运动着。不同的地质时期板块的数量和大小是很不同的，如地球早期具有陆地的板块很少，以后陆地才不断增多。而且板块的位置也在不断变化之中，如前面所提的在距今3.5亿年～2.5亿年前的石炭-二叠纪，许多陆壳板块多聚集在一起形成泛大陆，之后才逐步分开。又如华北板块和华南板块，在距今2亿年的三叠纪前它们还是分开的，因为两地的地层、化石群并不相同，之后它们才相撞在一起。由于华北板块早在距今4.5亿年前褶皱成陆地，并成为欧亚板块的一部分，所以地壳的厚度较大，刚性也强。而华南板块地壳厚度较小，刚性也弱，所以相撞时，华南板块的前部只好俯冲至华北板块之下。若到达软流层，它们将被高温融熔状态的岩浆所吞没，而未冲入地下的板块的巨厚沉积地层，会受挤压而形成褶皱山系。华南板块上的山系大都是这一时期形成的。当时华北板块在北面，华南板块在南面，因而挤压形成的山系大致为东西方向。华南板块与华北板块相接后，成为了欧亚板块的一部分。所以，板块学说可以很好地解释地壳形成之后，它是如何变动和发展的，甚至可以推测其今后的发展趋势。例如，随着澳大利亚板块不断往北漂移，它最终将与东南亚板块相连。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]