生命的起源、演化和生物圈的形成
地球生命起源是如何开始的，又是如何演化出生命的？
生命的起源究竟是什么？会是传言中的地球第一个生命“卢卡”吗？
生命是怎样起源的?一直是众多哲人争论不休的问题。腐草为萤，泥能生蛙，不仅在中国古代民间流传，古希腊学者亚里士多德也有类似的想法，提出过生命自然发生说，认为昆虫是从某些特定的软泥中生长出来的，等等。神学家的解释更简单，一切生命都是神所设计和创造出来的，这些问题就全都回答了。
科学是怎样认识的呢?首先得从无机物变成有机物，建立能自我复制的生物大分子系统———DNA与RNA，然后才是形成细胞，呈现原始的生命现象。
1922年，俄罗斯生物化学家奥巴林(Alexander Ivanovich Oparin，1894～1984)提出，在早期大气中可以形成甲醛类、醇类等碳氢化合物，它们随着大气降水在地表聚集，形成“原始汤”。这些碳氢化合物在“原始汤”中发生反应，使碳原子链日益增长，分子逐渐复杂起来，形成蛋白质、核酸、类脂等生物大分子。这些生物大分子进一步形成“复合团聚体”，再通过“时间组织化”(进化)过程产生细胞，生命就出现了。但在奥巴林的假说中，对有机物如何过渡成为细胞的问题，并未解决，而无机物转化成为有机物的设想，后来却得到一些验证。
1953年，美国年轻的研究生米勒(Stanley Lloyd Miller，1930～)做了一次实验，他将甲烷、氨和水汽混合后放在真空烧瓶里，再把它们置于放电的条件下，结果培养出一系列与生命有关的有机物分子，包括氨基酸。后人用碳的氧化物、氢、水和氮等物质，在冲击波、紫外线或反复放电等作用下，也都可以形成一些复杂的、与生命有关的有机物分子。这说明在地球上无机物经过自然本身的化学作用过程，变成有机物是可能的。因为在早期的地球大气中甲烷、水汽和氨都比较丰富，那时的火山活动强烈，也容易造成电闪雷鸣，能够满足米勒的实验条件。但是这时地表的紫外线强烈，这些有机物能否进一步合成生物大分子并保存下来，还是一个疑问。
以后继续有人从这个方向探索生命的起源，20世纪80年代出现的从非生命到生命的阶梯式过渡模式(图5-3)，代表了这方面取得的成就。
图5-3 从化学进化到生物学进化的阶段式过渡模式图解(转引自张昀，1998;据P.Schuster，1984，改绘)
近20年来对深海的探测，在大洋脊的热水喷口处(压力30MPa，温度250～350℃)发现了存在一种化能自养(利用硫化物和氢获得能量)的古细菌。这一发现使人们对生命发生在地球上产生了新的希望。大洋脊的热水出口处发生的一系列化学反应，能够造成氨基酸等化学合成物，并由海底逐渐向海水的浅处和表层扩展。
还有另外一种观点，认为生命是来自地球之外。瑞典化学家阿伦纽斯(SvanteArrhe-nius，1859～1927)曾设想，是宇宙空间中的生命(以孢子的形式存在)，在光辐射的推动下游动，某个时候一些孢子落到地球上并繁衍开来，于是有了今天地球上的生物界。这种用外来的偶然因素解释地球上生命的起源，曾被视为泛神论，但地球作为一个宇宙中的一个成员，不能排除外来的影响。对陨石化学成分的研究表明，碳质球粒陨石含有生命所必需的物质———氨基酸。此外，还从星际尘埃微粒中分析出醇、醛、氨基酸、嘌呤、嘧啶等有机物，说明宇宙中存在可供生命产生的有机分子，太阳系和行星的形成阶段应具有形成有机物的条件。地球上的生命来自天外，有它的合理依据，但在地球形成的初期，地表处于高温熔融状态，这些有机物落到地球上，也可能很快被分解了。不过，如果在地表冷却之后，天外的有机物落到地上，从而演化出生命，就有可能。
要真正揭开生命起源之谜。需要充足的证据，而证据是如此难得，在这个问题上，人的现有认识与所要达到的目标之间的距离，还十分遥远，因而给各种迷信邪说，留下了很多空间，但也使科学真理探求者有了充分的用武之地。
生命出现以后的演化，尽管其中也有许多未知数，但因地层中保存有丰富的历史记录，使我们能够得到比较完整的认识。
生命演化中的第一次突破，是有生命的物质出现，迄今为止找到的最早的生命记录，是保存在格陵兰Ishua由沉积岩变质而成的变质岩中的一些生物合成的有机碳。其年龄有38亿年，与地壳开始形成的时间相近(38亿～42亿年前)。真正的化石记录发现在32亿年前的岩石中［澳大利亚的瓦拉伍那群(Warrawoona Group)和艾培克斯玄武岩组(Apex Basalt)的燧石层，南非的翁维瓦特群(Onverwacht Group)和无花果树群(FigTree Group)］，它们是些圆形或丝状的细菌以及蓝藻(图5-4)。蓝藻(bluealgae)是自养型生物，其适应能力非常强，能忍受干旱、高盐、从高温(85℃)到低温(－62℃)和强辐射等环境。
图5-4 前寒武纪的生命类型(据张昀，1998;J.W.Schopf，1983;B.J.Skinneretal.，1994;孙卫国，1986，1993;康育义，1997)
生命演化中的第二个重大事件是真核细胞生物的出现，通常认为发生在19亿～20亿年前。近几年来中国在24亿～25亿年前形成的地层中，发现了真核生物化石的存在(朱士兴等，1996)。
生命演化的第三个重大事件是多细胞生物的出现。过去一般认为多细胞植物出现在9亿～10亿年前。朱士兴等(1995)在华北18亿年前形成的地层中，找到了叶状、匙状、带状的褐藻化石。而多细胞动物(也称后生动物)出现在8亿年前，并在7亿～6亿前发生第一次适应辐射。这个时期的动物都是以无硬壳的软躯体动物或小壳类生物为主，如世界著名的澳大利亚埃迪卡拉动物群(Ediacara fauna)可以作为代表(图5-4)。
到了元古宙的末期，一些具有硬壳的小型动物(小壳类)开始出现(6.7亿～5.43亿年)，生物发展似乎进入了一个新阶段。到了寒武纪(5.43亿年以后)，这种现象更为明显，生物化石猛然增多，这种现象被有的古生物学家们称为“寒武纪生物大爆发”，在世界上许多地方都找到了证据，而以在我国云南澄江发现的动物群化石最具有代表性(5.3亿年，图5-5)。张爱云(1990)在下寒武统底部发现了最早的脊索动物———尾海鞘。近年来，最早的鱼类化石———海口鱼和昆明鱼等已经在我国云南澄江地区寒武纪地层内多处发现，这说明此时已实现了从无脊椎动物、脊索动物到脊椎动物的进化。鱼类从寒武纪开始兴旺，泥盆纪达到鼎盛。
图5-5 澄江动物群(据陈均远等，1998)
此后，生命演化实现了从海生动物到陆生动物的进化。脊椎动物经历了一条从鱼类、两栖类(晚泥盆世开始)、爬行类(晚石炭世开始)、鸟类(侏罗纪开始)，到哺乳类(晚三叠世开始)的进化路线。
为植物登陆开路的是元古宙苔藓植物，最早大约在早志留世或晚奥陶世(4.5亿年前)出现的陆地维管植物是裸蕨植物。后来更高等植物的出现和演化，都是在陆地环境中进行的。无脊椎动物的登陆时间略晚于植物(约4亿年前)，脊椎动物则到泥盆纪的末期(约3.6亿年)才登上陆地。最早登陆的脊椎动物是鱼石螈，它是一种从总鳍鱼类演化而来，介于鱼类与两栖类之间的过渡类型。
至今为止，生命演化的最后一次重大事件是出现人类，那是很近的事情，在300万年以前。
纵观近40亿年来生命的历史，经过了从原核细胞到真核细胞，单细胞到多细胞，无脊椎动物到脊椎动物，水生生物到陆生生物的演变历程(图5-6)，可以看出生物是在不断地进化。这种理论现已成为科学界的共识，但在当时提出时，对人的心理产生了极大的震撼，正如精神分析学的奠基者弗洛伊德(Sigmuned Freud，1856～1939)所指出:在过去的时间里，科学之手对于人类朴实的自恋有过两次重大的打击。第一次是认识到我们的地球并不是宇宙的中心，而是大得难以想象的世界体系中的尘埃。第二次是生物学的研究剥夺了为人类特制的特殊优越性，将人类废黜为动物的后裔。然而人类只能接受科学的结论，而且也不必自馁。
图5-6 生命演化的事件及阶段
在生物圈和生态系统演化过程中，先后有3类生物起到了关键性的作用。
第一种是蓝藻，它在30亿前出现，延续到7亿年前海水表层生命出现，才退居次要地位。这是生物圈发展的第一个阶段。蓝藻在海洋中建立起一个由浅海海底的微生物构成的生态系统，虽然规模不大，但它能进行光合作用，直接或间接地将大气和海水中的CO2大量地转移到岩石圈中，同时释放出氧气，使大气圈中CO2的浓度降低，而O2的含量增加，并逐渐形成了臭氧层，使到达地表的紫外线减弱。生物圈的发展由此进入海水的表层及滨海带，出现了浮游生物和滨海底栖生物，但这个时期生命的活动还是局限于海洋中。
第二种是维管植物，包括蕨类植物、裸子植物和被子植物，虽然统治时间不如蓝藻长(约4.5亿前开始)，但它们所构成的陆地生态系统的生产力、能量和物质利用效率、自身以及对环境的调控能力比蓝藻生态系统要强得多。维管植物获得了对各种陆地环境的高度适应性，并创造了各种小生态环境，依靠植物生存的陆生动物随之繁盛起来。大气环境的改善，加上岩石圈变形与变位造成陆地大面积扩展，到古生代早期(约4亿年前)，生命就跨出了历史性的一步，从海洋登上陆地，建立起陆地生态系统，完整的生物圈最终才形成。
第三种就是人类，人的出现标志着生物圈的发展进入它的最高阶段。人类干预自然界的能力为别的生物所不能比拟，人类在生物圈中的作用正越来越强。人类对生物圈的影响完全不同于前两类生物，是主动积极的，尤其科学技术的发展，如对DNA有了认识以后，便有可能利用分子生物学技术，将某种生物的基因转移到另外物种中，从而改造它们的遗传物质，使这些经过人工改造的生物发生变异，可以使它朝有利于人类需要的方向发展。这种转基因技术已在农业生产、动物饲养和医药研究等方面开始应用，有广阔的前景，但也必须慎重，严格按照科学规律办事，防止这些新技术的运用对生物圈带来不利影响。生物圈，包括人类本身的命运，实际上已掌握在人类自己手中。
现在我们已经概括地了解到生物和生物圈演变的历史，特别是在寒武纪生物大发展以后，我们不仅看到了生物的进化，而且看到了许多物种的灭绝与复苏。我们所说的灭绝就是指一个物种从地球上永远地消失了，没有留下后裔。如果在一个稳定的时期内，物种的平均灭绝率维持在一个低水平上，并远低于新生率，这种灭绝叫做背景灭绝，这是生物演化的自身规律，就如人的生老病死。而与此相反，在某个短时期内生物发生大量灭绝，生物演化突然中断，使灭绝率剧升，而新生率降到很低，这种灭绝就称为集群灭绝。集群灭绝具有灾变的特点，这不是生物演化本身的规律所能决定的，可能与地球环境巨变有关。在地球历史上，已经观察到多次的动物集群灭绝事件，如元古宙末的埃迪卡拉动物群的灭绝(5.43亿年前)、二叠纪末的四射珊瑚、三叶虫、菊石等大量海洋生物的灭绝(2.5亿前)、白垩纪末的恐龙灭绝(0.65亿年前)等。
生命的诞生和物种的绝灭，都是地球外部各圈层间相互作用的结果，单就某一方面去寻找原因，很难认识，在本书第十二章将地球作为一个系统来研究时，再作讨论。
《生命起源新说》第2集——“生命起源新说”核心观点
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