地球環(huán)境的變遷

地球環(huán)境的變遷地球環(huán)境的變遷與生命的形式一、生命的組成形式如果我們打算全面了解生命，就必須揭示生命的外部形式與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)系，生命的基本單位——細(xì)胞中占總量98%的氫、氧、氮、碳、硫、磷6種元素是宇宙中數(shù)量極豐富的物質(zhì)。生命物質(zhì)與非生命物質(zhì)都是由相同的結(jié)構(gòu)單元組成，它們的分子結(jié)構(gòu)雖然不同，但在原子結(jié)構(gòu)層次上卻是相同的，它們之間惟一的區(qū)別是原子在三維空間的排列組合方式不同。非常明顯，生命現(xiàn)象只是自然界已有元素成分隨環(huán)境改變的一種重新組合形式。仔細(xì)分析生命物質(zhì)與非生命物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)便可發(fā)現(xiàn)，有機(jī)化合物與無機(jī)化合物沒有絕對分明和固定不變的分界線。從嚴(yán)格意義上講，也不是以化合物中是否含有碳元素為分界（自然界含碳的無機(jī)化合物不計(jì)其數(shù)），而主要在于構(gòu)成生命的最基本物質(zhì)一氫、氧、氮、碳、硫、磷元素之間的互相組合。當(dāng)化合物中含有上述6種元素中2種時(shí)，可以呈有機(jī)形式（甲烷），也可呈無機(jī)形式（二氧化碳）；含有其中3種以上時(shí)，便肯定屬于有機(jī)物（氨基酸等）；而包含全部6種時(shí)就具備了生命的基本特征（單細(xì)胞生物等）。所以，以上6種元素就能組成生命體，生命物質(zhì)同樣可以用化學(xué)分子式來表示。二、生命形成與消失的必然性生命的出現(xiàn)除了依賴基本物質(zhì)構(gòu)成之外，還有兩個至關(guān)重要的條件：約1001左右的溫度和液態(tài)水，而這兩項(xiàng)正是宇宙中所有星球從白矮星演變到行星階段后必然經(jīng)歷的特定時(shí)期的地表環(huán)境。決定物質(zhì)存在形態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、離子態(tài)）的主要因素是溫度。在恒星階段天體上幾千萬度的超高溫環(huán)境中，所有物質(zhì)都是以氣態(tài)、離子態(tài)存在。而到了行星階段，星球溫度降低后，一部分物質(zhì)從熔融狀態(tài)中分離冷凝成了固態(tài)和液態(tài)，根據(jù)氫、氧元素的性質(zhì)，當(dāng)?shù)乇砥骄鶞囟冗_(dá)100°C左右時(shí)，在地殼表面就形成了生命的源泉——液態(tài)水（生命存在的另一主要因素），隨之便拉開了生命之歌的序幕?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，在沒有絲毫光線，水溫高達(dá)3001的海底熱泉口附近，有耐熱細(xì)菌和巨大的管狀蠕蟲等動物，維持它們生存的不是陽光，而是熱泉口噴出的硫化氫等化學(xué)物質(zhì)。由此證明，地球上最早的有機(jī)物是直接由化學(xué)作用（而不是光合作用）形成的。這種海底熱泉口高溫、黑暗、缺氧的環(huán)境，正是研究地球生命起源的最佳實(shí)驗(yàn)室。根據(jù)常識，任何元素的排列組合方式在高溫高壓環(huán)境中都可以相互變換。早期地球頻繁的地殼熔巖噴發(fā)的巨大能量和大氣層的雷電產(chǎn)生的瞬間高溫高壓環(huán)境，對于無機(jī)小分子結(jié)合成有機(jī)大分子結(jié)構(gòu)起到了不可替代的促進(jìn)作用。即使現(xiàn)今地球大氣層中已相對微弱的雷電之后，仍有大量游離氮與氧結(jié)合生成硝酸。隨著星球構(gòu)造的演變，生命形態(tài)會因地表溫度，液態(tài)水分布等物理?xiàng)l件的改變而變化。由于生命存在的條件十分苛刻，所以，生命只能存在于行星階段中期的天體上。到了行星階段后期，天體內(nèi)部活動和弓I力減弱，氫、氧類物質(zhì)大量散失到外太空之后，生命也就同步完成了從誕生一發(fā)展一消亡的過渡。三、生命的形態(tài)由環(huán)境決定當(dāng)我們?yōu)閯又参飩兦姘俟值男螒B(tài)和五彩繽紛的色彩而發(fā)出由衷贊嘆時(shí)，應(yīng)該明白，其實(shí)這一切都是嚴(yán)酷自然環(huán)境逼迫下的產(chǎn)物。所有現(xiàn)今地球上已經(jīng)見不到的形形色色的動植物，只是隨著地球環(huán)境的改變而面目全非了，那些沒有隨環(huán)境變異的過時(shí)物種將被大自然毫不留情地淘汰掉。生命體是一個開放系統(tǒng)，它們和環(huán)境之間一刻不停地發(fā)生著能量交換，所以，新物種的出現(xiàn)正是生命體對某些環(huán)境變化做出的反應(yīng)，生命存在與進(jìn)化主要取決于生命的外卜部環(huán)境因素。在地球最早期（距今46億~35億年），表面溫度很高（平均超過100。0，沒有液態(tài)水，所以，在含有大量水蒸氣（80%）的大氣層中，只有一些由甲烷、氨等合成的低分子量有機(jī)化合物（氨基酸）存在。太古代（距今35~25億年）時(shí)，地表的平均溫度降到100。以下，一部分水蒸氣冷凝成液態(tài)水形成海洋，于是，在海水中出現(xiàn)了由氨基酸結(jié)合成的高分子量蛋白質(zhì)，進(jìn)而誕生了單細(xì)胞微生物。但由于非常濃密的大氣層籠罩，地表接受陽光極少，因此，在近乎漆黑的海洋中生存的，只能是從水中直接吸取硫化氫等化學(xué)物質(zhì)而不靠光合作用制造營養(yǎng)的菌類微生物。到了元古代（距今25億~5.4億年），陽光能夠穿透逐漸變稀薄的大氣層，直接照射在地球表面，于是海洋中開始出現(xiàn)了依靠光合作用制造營養(yǎng)產(chǎn)生能量的藻類，并隨著光線亮度的不斷增強(qiáng)而空前繁盛。一種微生物化石形成的層狀沉積結(jié)構(gòu)——疊層石，就是反映在太古代與元古代的不同環(huán)境下，存在不同生物形態(tài)的真實(shí)寫照。在古生代中期（距今4億年）以前，地球表面尚完全被深深的海水覆蓋沒有陸地,所有生物種類只能是適宜水中生活的藻類、魚類等（有化石為證）。從古生代中期以后，由于地質(zhì)變化后，氫、氧類物質(zhì)大量減少，海水退縮，開始出現(xiàn)沼澤地。有一些在沼澤地區(qū)生活的魚類，迫于時(shí)而有水，時(shí)而無水的環(huán)境，逐步演變?yōu)槟芡瑫r(shí)在水中和陸地生活的兩棲類動物，魚的腹鰭發(fā)展成爬行用的——肢，魚鰾變成了呼吸器官一一肺。同時(shí)，水生藻類也發(fā)展成陸生植物蕨類。當(dāng)沼澤繼續(xù)干涸變成常年無水的陸地后，一部分兩棲類動物完全脫離水中生活進(jìn)化成了爬行類動物，蕨類植物也進(jìn)化為適應(yīng)干旱環(huán)境的裸子植物。最近發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)今陸地植物的祖先是一種淡水中生長的植物，并不像原先認(rèn)為的，陸生植物是由咸水植物進(jìn)化而來。其實(shí)這并不奇怪，因?yàn)榈厍蜻h(yuǎn)古年代的氫、氧類元素比現(xiàn)在多，所以液態(tài)水中的礦物質(zhì)所占比例較小，地表水基本是淡水，因此，遠(yuǎn)古時(shí)期的植物只能是淡水中生長的種類。在地球演變過程中，氫、氧類元素不斷散失，導(dǎo)致地表水不斷減少，那些溶解在海水中的鈉、鉀等礦物質(zhì)由于不易揮發(fā)，保留下來，在海水中比例增大，于是，海水變得又苦又咸，而一些仍在海水中的植物才演變成了適應(yīng)咸水環(huán)境的植物。在充滿生命的大自然中，熱帶雨林地區(qū)生長的是常綠闊葉樹木和藤蔓植物，而冰雪嚴(yán)寒的極地生長的只能是苔蘚地衣，“橘逾淮而北為枳”即是環(huán)境差異改變植物特性的形象說明。但是，由于必然存在的環(huán)境差異，地球上一部分單細(xì)胞生物進(jìn)化為多細(xì)胞生物后，單細(xì)胞生物依然大量存在；一部分魚類進(jìn)化為兩棲類后，魚類也沒有消失......正是生命形態(tài)的多樣性與環(huán)境相互協(xié)調(diào)，才使無奇不有的大千世界處處透露出和諧之美。四、生命進(jìn)化的突變與漸變自然界一切事物的效果都是有原因的，地球生物種類的突然變異是由各種自然過程引起，地質(zhì)構(gòu)造劇烈變動導(dǎo)致環(huán)境變化與生物種類的大規(guī)模突然變異之間就是因果關(guān)系。在地球演變過程中，地質(zhì)構(gòu)造處于穩(wěn)定時(shí)期，生物在相對穩(wěn)定的環(huán)境下，物種變異是緩慢的。當(dāng)?shù)刭|(zhì)構(gòu)造發(fā)生劇烈變動（全球性熔巖沖破地殼的大爆發(fā)）時(shí)，生物為適應(yīng)變化的地表環(huán)境會被迫改變其形態(tài)和生存方式，在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生根本性變異。例如前寒武紀(jì)末期大爆發(fā)導(dǎo)致單細(xì)胞生物向多細(xì)胞生物的進(jìn)化和白堊紀(jì)末期大爆發(fā)導(dǎo)致爬行類動物向哺乳類動物的進(jìn)化等。相對而言，生命進(jìn)化的總體過程是緩慢的（已近40億年），兩個物種之間的過渡往往長達(dá)幾百萬年。在物種由簡而繁的進(jìn)化中，每兩類由低至高的物種之間都有中間過渡形態(tài)，如蛋白質(zhì)到單細(xì)胞之間的類病毒體；原核細(xì)胞生物到真核細(xì)胞生物之間的甲藻……即使在地質(zhì)構(gòu)造劇變引起的突然性災(zāi)難