1、第二章、宇宙、地球的起源第二章、宇宙、地球的起源与演化与演化1传说在天地还没有开辟传说在天地还没有开辟以前，宇宙就像是一个以前，宇宙就像是一个大鸡蛋一样混沌一团大鸡蛋一样混沌一团。有个叫做盘古的巨人在有个叫做盘古的巨人在这个这个“大鸡蛋大鸡蛋”中一直中一直酣睡了约酣睡了约18000年后醒来，年后醒来，发现周围一团黑发现周围一团黑 暗，盘暗，盘古张开巨大的手掌向黑古张开巨大的手掌向黑暗劈去，暗劈去，一声巨响，一声巨响，“大鸡蛋大鸡蛋”碎了碎了，千万，千万年的混沌黑暗被搅动了，年的混沌黑暗被搅动了，其中又轻又清的东西慢其中又轻又清的东西慢慢上升并渐渐散开，变慢上升并渐渐散开，变成蓝色的天空；而那成
2、蓝色的天空；而那 些些厚重混浊的东西慢慢地厚重混浊的东西慢慢地下降，变成了脚下的土下降，变成了脚下的土地地2从宇宙大爆炸从宇宙大爆炸到地球形成到地球形成3 宇宙诞生宇宙诞生1010-44-44秒之后便急速展开。秒之后便急速展开。 1010-34-34厘米的超微宇宙在仅仅厘米的超微宇宙在仅仅1010-34-34秒之内迅速膨胀秒之内迅速膨胀 了了1010100100倍倍, ,称为暴胀。称为暴胀。1010-34-34秒秒/ /厘米厘米= = “1 1秒秒/ /厘米的一兆分厘米的一兆分之一的一兆分之一的一百亿分之一之一的一兆分之一的一百亿分之一” 极其短暂极其短暂/ /微小。微小。 提出提出 “从无到
3、有从无到有”的宇宙起源模式，对的宇宙起源模式，对“无始无终无始无终”宇宙观是一个冲击！宇宙观是一个冲击！ 超微超微宇宙宇宙的的瞬间瞬间暴胀暴胀恒星恒星星系（银河）星系（银河）星系团星系团超星系团超星系团总星系总星系星系直径星系直径1010万光年，星系间距离几十至上百光年万光年，星系间距离几十至上百光年4宇宙的起源 吸收光谱56 哈勃(E.P. Hubble, 1929)经过大量实际观测发现来自不同星系的光呈现某种系统性的红移现象。根据星系中特定原子发射的光的谱线与地球上实验室内同种原子发射的光进行比较，可求得光源星系离开观察者的退行速度退行速度；再根据相同类型恒星的视亮度比较，推算出光源星体离
4、我们的距离。由此获得了“光源越远的星体，离我们而光源越远的星体，离我们而去的速度也越快去的速度也越快”的结论，就是著名的哈勃定律哈勃定律。 78大爆炸宇宙学说大爆炸宇宙学说 宇宙在大爆炸前处于极高温和超高密状态，但在1秒钟之内温度仍高达1032K至1010K以上，原子和分子均无法存在。当时宇宙中的物质存在形式和行为目前无法在实验室模拟，推测可能存在辐射能以及电子、中微子(neutrinos, 一种不受电、磁、核力影响的基本粒子，1998年证实具有极微小的静止质量)和质子、中子形式基本粒子。目前人类业已观测到从宇宙早期留下的最早原子核形成于爆炸后1秒钟，因此，可以把这1秒看作宇宙史研究的一道分水
5、岭。9 爆炸进行3分钟后，温度降至109K以下，核反应开始启动，由质子和中子聚变为氘核、氦核和锂核最轻元素后可以不至于瓦解（图2-4）。当时全部物质中氦占约22%，氢占78%，还有极少量氘和锂。10 至百万年前后，温度降至107-6K范围，宇宙间弥漫着由轻元素原子核和电子、质子等组成的等离子体。2.5亿年后温度降至103K范围时，辐射减弱，中性原子形成，等离子体复合成为正常气体。至10亿年前后星系开始形成，50亿年前后开始出现首批恒星，太阳系的形成则在100亿年前后。11 宇宙一直在膨胀，遗留下来的背景辐射的波长也随之不断在增长，到今天就增长到了微波的范围，因此我们叫它宇宙微波背景辐射。伽莫夫
6、又指出，按照大爆炸宇 宙论，我们的宇宙在膨胀的同时，温度也在不断降低。降到现在，宇宙最边沿的温度，也就是我们所说的宇宙背景的温度，应该降到5K左右。5K是绝对温度5 度，大约相当于摄氏温度270度（273C0K）。宇宙38万年时3000K的背景温度降到了今天的5K左右。这是伽莫夫的预言，12微波背景辐射 根据大爆炸宇宙模型推算，150亿年前的爆炸在今天会留下约5K的宇宙背景辐射。 1964年，美国物理学家彭齐亚斯（Arno Allan Penzias，1933）和威尔逊（Robert Woodrow Wilson，1936）为了改进卫星通讯，建造了一个高灵敏度号角形接收天线系统。当二人用它测量
7、天空时，意外地发现了相当于大约3.5K的宇宙微波 噪声。131964年為了查明衛星通訊的天空干擾噪聲來源，用一架噪聲極低和方向性很強的天線測量天空的電波，發現星空各個方向總是接收到原因不明的微波噪聲，強度等效於溫度約3 K的黑體輻射，稱為微波背景輻射或3K背景輻射。宇宙背景輻射的三個重要探測器（左）和成果宇宙背景輻射的三個重要探測器（左）和成果（右）。宇宙背景輻射基本上是各向同性的（右）。宇宙背景輻射基本上是各向同性的（右上），但存在微小張落（右中（右上），但存在微小張落（右中-低分辯，右低分辯，右下下-高分辨），圖上的白色和紅色橫帶是銀河系。高分辨），圖上的白色和紅色橫帶是銀河系。14恒星演
8、化丹麦天文学家赫茨普龙（E. Hertgsprung）和美国天文学家罗素（H.N. Russell）分别统计了恒恒星的光度星的光度（反映恒星质量）和颜颜色色（反映表面温度），用纵横座标绘图时发现大部分恒星落在一条连续带上，其余的星（红巨星、白矮星）则形成独立的小群。这种图后来就称为赫罗图赫罗图（H-R diagram）,图中90%恒星集中出现的连续条带代表相对稳定的主要演化序列，称为主星序主星序（mainsequence）或主序带主序带,处于主序带内的恒星，就称为主序主序星星（main sequence star）1516太阳系形成17太阳系的起源灾变说灾变说行星物质是某种重大突发事件从行星物
9、质是某种重大突发事件从太阳中分离出来，例如另一颗恒星走近或擦过太阳中分离出来，例如另一颗恒星走近或擦过太阳，或由于太阳自身爆发，分出的太阳物质太阳，或由于太阳自身爆发，分出的太阳物质后来形成行星。后来形成行星。俘获说俘获说太阳从恒星际空间俘获物质，形太阳从恒星际空间俘获物质，形成原行星云，再演变为行星。成原行星云，再演变为行星。共同形成说共同形成说太阳系的所有天体都由同一太阳系的所有天体都由同一个原始星云形成，星云中心部分形成太阳，外个原始星云形成，星云中心部分形成太阳，外围部分形成行星等天体。围部分形成行星等天体。 自从德国古典哲学家康自从德国古典哲学家康德（德（I. Kant, 1755I
10、. Kant, 1755）首创太阳系起源的星云首创太阳系起源的星云说以来，迄今国内外提说以来，迄今国内外提出的各种学说多达出的各种学说多达5050多多种。基本上可归纳为三种。基本上可归纳为三种类型。种类型。184646亿年前从太阳星云中分化形成原始地球，亿年前从太阳星云中分化形成原始地球，温度较低，轻重元素浑然一体，尚无圈层分温度较低，轻重元素浑然一体，尚无圈层分异。异。4600Ma前前19原始地球一旦形成，有利于吸集更多星子使体积原始地球一旦形成，有利于吸集更多星子使体积和重量迅速增加，同时因重力分异、放射性元素和重量迅速增加，同时因重力分异、放射性元素蜕变和星体撞击而增温。蜕变和星体撞击而
11、增温。20 原始地球内部达到熔融状态时，亲铁元素比重大原始地球内部达到熔融状态时，亲铁元素比重大而下沉形成铁镍地核，亲石元素上浮组成地幔和而下沉形成铁镍地核，亲石元素上浮组成地幔和地壳。更轻的液态和气态成分，通过火山喷发溢地壳。更轻的液态和气态成分，通过火山喷发溢出地表形成原始大气圈、水圈。出地表形成原始大气圈、水圈。 地球初始圈层分异的时间约在地球初始圈层分异的时间约在4242亿年前。亿年前。4200Ma前前21地球的年龄地球的年龄 太阳系内的流星、陨石和宇宙尘是太阳星太阳系内的流星、陨石和宇宙尘是太阳星云原始物质的残留部分，陨石在堕落地面云原始物质的残留部分，陨石在堕落地面前未经重大的改造
12、和破坏，是我们直接研前未经重大的改造和破坏，是我们直接研究太阳系早期历史的极好材料。究太阳系早期历史的极好材料。陨石的物陨石的物质成分虽有铁质、石质区分，但已知的形质成分虽有铁质、石质区分，但已知的形成年龄都在成年龄都在46亿年左右，可代表太阳系早亿年左右，可代表太阳系早期的年龄。期的年龄。22地球年龄的测定地球年龄的测定 放射性同位素放射性同位素 蜕（衰）变原理蜕（衰）变原理 放射性元素总是以不放射性元素总是以不受外界温、压条件影受外界温、压条件影响的一定速率蜕（衰响的一定速率蜕（衰）变为他种元素）变为他种元素, 如如238238U U经过经过4545亿年后其一亿年后其一半原子数蜕变为半原子
13、数蜕变为205205Pb,Pb,故称谓半衰期。故称谓半衰期。 我们只需在研究样我们只需在研究样品（岩石、矿物、毛品（岩石、矿物、毛发、木材等）中测出发、木材等）中测出蜕变前后有关元素的蜕变前后有关元素的含量，就可以获得母含量，就可以获得母体物质形成年龄的数体物质形成年龄的数据。据。 不同样品适用不同不同样品适用不同的方法，测定精度不的方法，测定精度不同。同。2324Nuvvuagittuq绿岩带是魁北克北部哈绿岩带是魁北克北部哈得孙湾东海岸一条裸露在外的带状岩得孙湾东海岸一条裸露在外的带状岩床。科学家通过测量罕见成分的微小床。科学家通过测量罕见成分的微小变化，确定这个地点的岩石的年龄在变化，确
14、定这个地点的岩石的年龄在38亿到亿到42.8亿岁之间。亿岁之间。252022-3-2726隐隐生生宙宙显显生生宙宙2022-3-2727雪球地球雪球地球Rodinia超大陆超大陆真核生物主真核生物主干类群形成干类群形成2022-3-27282022-3-27292022-3-27302022-3-27312022-3-2732人类的历史人类的历史不到不到400万年万年2022-3-2733地球上的生命起源地球上的生命起源34生命的本质生命的本质 生命的基本特征就在于蛋白体蛋白体（目前的理解为类似于原生质的核酸核酸 蛋白质蛋白质体系）具有的新陈代谢新陈代谢能力35生命的起源生命的起源两种假说两种
15、假说l外星来源说：外星来源说：银河系别的星球上的生命（细菌银河系别的星球上的生命（细菌或孢子）传到地球上（有生源论、宇宙胚种论）或孢子）传到地球上（有生源论、宇宙胚种论）l地球发生说：地球发生说：地球上的无机物在特定的物理化地球上的无机物在特定的物理化学条件下形成的各种有机化合物，经过一系列学条件下形成的各种有机化合物，经过一系列变化后转变为有机体（化学进化）变化后转变为有机体（化学进化）36吴庆余, 2002米勒实验米勒实验37生命的起源生命的起源地球上生命产生过程的三个阶段地球上生命产生过程的三个阶段l有机化合物形成：有机化合物形成：N、H元素和元素和H2O、CO、H2S、甲烷等无机化合物
16、甲烷等无机化合物氨基酸、核苷酸、单糖等有氨基酸、核苷酸、单糖等有机化合物机化合物l生物大分子形成：生物大分子形成：有机化合物有机化合物甘氨酸、蛋白质、甘氨酸、蛋白质、核酸等生物大分子核酸等生物大分子l生命形成：生命形成：多个生物大分子聚集，形成以蛋白质和多个生物大分子聚集，形成以蛋白质和核酸为基础的多分子体系，它具有初步的生命现象核酸为基础的多分子体系，它具有初步的生命现象从周围环境中吸取营养，将废物排出体系从周围环境中吸取营养，将废物排出体系38早期生物演化早期生物演化早期生物演化的早期生物演化的4次重大事件次重大事件l从非生物的化学进化发展到生物进化从非生物的化学进化发展到生物进化l最早化
17、石记录最早化石记录35-38亿年亿年l生物分异生物分异l22-24亿年前大气开始充氧亿年前大气开始充氧l从原核生物演化到真核生物从原核生物演化到真核生物l真核生物出现于真核生物出现于21亿年前，繁盛于亿年前，繁盛于10亿年前亿年前l后生动物出现后生动物出现lEdiacara动物群动物群(5.6亿年亿年)39Apex Chert (), W. Australia; oldest prokaryote （原核）fossilsWarrawoona Group, W. Australia shows fossilized bacteria; 3.5 Ga old! (Schopf et al, 199
18、4 Science, 2002 Nature.), questioned by MD Brasier (2002, Nature)40Schopf JW, 2000, PNAS, , Gunflint Chert, CanadaEukaryotes （真核） ? + Cyanobacteria4142Zhu SX et al,1999, Chin Sci Bull, (macroscopic algae fossils from Changzhougou Fm, Hebei, ca )43Zhu et al, 1995, Chi Sci Bull, 40(12) (Macrospcopic a
19、lgae fossils from Tuanshanzi Fm. ,ca , Tianjin)44Rasmussen B. et al, 2002, Science, 296: 1113Discoidal Impressions & Trace-Like FossilsSW Australia, Stirling Range Fm; between , tidal sandstonePossibly motile vermiform （蠕虫）organismMorris SC, 2002, Sci, 298: 57 authors explanation unfavorable； with s
20、pecial structures, not metazoan（后生动物）, biogenetic origin may related to folded microbial mat45中国天津蓟县中元古界团山子组（距今约中国天津蓟县中元古界团山子组（距今约16亿年亿年）叠层石）叠层石 46中国天津蓟县中元古界串岭沟组（距今17-18亿年）的单细胞真核生物化石 中国山西永济汝阳群（距今10-12亿年）大型带刺的单细胞真核生物化石 中国湖北三峡庙河新元古代陡山沱组页岩中的宏体藻类化石（直立崆岭藻） 显示真核生物在该时期已经具有复杂的细胞骨架。1水幽沟藻；2塔盘藻 化石具有开裂特征 47中国贵州
21、瓮安新元古代陡山沱组磷酸盐化动物胚胎化石中国贵州瓮安新元古代陡山沱组磷酸盐化动物胚胎化石显示动物的授精卵从显示动物的授精卵从1个细胞开始，以个细胞开始，以2n的增长方式进行细胞分裂的增长方式进行细胞分裂 48翁安Fauna伊迪卡拉F.澄江Fauna590Ma(?)梅树村F.543Ma525Ma570MaEdiacara Fauna49显生宙的生物演化事件显生宙的生物演化事件l小壳动物群的出现和分异小壳动物群的出现和分异l澄江动物群澄江动物群l寒武纪生物大爆发寒武纪生物大爆发l动物体分化重大事件动物体分化重大事件l动植物从水生到陆生发展动植物从水生到陆生发展l生物的灭绝与复苏生物的灭绝与复苏50
22、显生宙的生物演化事件显生宙的生物演化事件小壳动物群的出现和分异小壳动物群的出现和分异l小壳动物群个体微小小壳动物群个体微小(1-2mm)，主要为海生无，主要为海生无脊椎动物，包括软舌螺、单板类、腹足类、腕脊椎动物，包括软舌螺、单板类、腹足类、腕足类等足类等l小壳动物群始于埃迪卡拉纪（震旦纪）末期，小壳动物群始于埃迪卡拉纪（震旦纪）末期，寒武纪初大量繁盛寒武纪初大量繁盛l动物界完成了动物界完成了从无壳到有壳从无壳到有壳的演变的演变51l寒武纪初（寒武纪初（5.3-5.4亿年），几乎所有具硬体的亿年），几乎所有具硬体的动物门及绝大部分的纲都已出现动物门及绝大部分的纲都已出现l造门的时代造门的时代l
23、以节肢动物门三叶虫纲占优势，占以节肢动物门三叶虫纲占优势，占60%，次为，次为腕足动物门，占腕足动物门，占30%显生宙的生物演化事件显生宙的生物演化事件寒武纪生物大爆发寒武纪生物大爆发5253寒武纪大爆发谱系树（寒武纪大爆发谱系树（5.3亿年前）亿年前） 54显生宙的生物演化事件显生宙的生物演化事件澄江动物群澄江动物群l发现于云南的澄江和晋宁地区下寒武统发现于云南的澄江和晋宁地区下寒武统(5.3亿年前亿年前)中中, 1984年发现以来已被描述化石年发现以来已被描述化石120余种余种, 其其10多个动物门多个动物门及一些分类位置不明的奇异类群及一些分类位置不明的奇异类群, 还有多种藻类还有多种藻
24、类l包括大量无壳和有壳动物化石，包括水母、三叶虫、蠕包括大量无壳和有壳动物化石，包括水母、三叶虫、蠕虫类、甲壳类、腕足类，甚至脊索动物等虫类、甲壳类、腕足类，甚至脊索动物等l在早寒武世不到两千万年时间内，现生地球上各个动物在早寒武世不到两千万年时间内，现生地球上各个动物门类几乎都已先后出现门类几乎都已先后出现55澄江动物群复原图澄江动物群复原图56显生宙的生物演化事件显生宙的生物演化事件动物体分化重大事件动物体分化重大事件l单细胞单细胞多细胞多细胞l原生动物原生动物后生动物后生动物l两胚层动物两胚层动物三胚层动物三胚层动物l无器官、无组织无器官、无组织有器官、组织有器官、组织l无脊椎动物无脊椎
25、动物脊椎动物脊椎动物57显生宙的生物演化事件显生宙的生物演化事件动植物从水生到陆生发展动植物从水生到陆生发展植物：植物：lS以前，仅低等菌藻类，完全水生以前，仅低等菌藻类，完全水生lS末末-D1-2：向陆地发展，产生茎、叶分化，出现原始维：向陆地发展，产生茎、叶分化，出现原始维管束，茎表皮角质化、具气孔管束，茎表皮角质化、具气孔lD2：具叶植物大发展：具叶植物大发展lT3：显花植物祖先出现：显花植物祖先出现脊椎动物：脊椎动物：lS3：四足类祖先出现（总鳍鱼类中的骨鳞鱼）：四足类祖先出现（总鳍鱼类中的骨鳞鱼）lD3：两栖类发生：两栖类发生lC2：爬行类发生（羊膜卵）：爬行类发生（羊膜卵）58显生
26、宙的生物演化事件显生宙的生物演化事件生物的灭绝与复苏生物的灭绝与复苏灭绝灭绝extinction：生物种系的终止、不留：生物种系的终止、不留下后代下后代生物复苏生物复苏biotic recovery：大灭绝后的：大灭绝后的生物群，通过生物的自组织作用及对新生物群，通过生物的自组织作用及对新环境的不断适应，逐步回到正常发展水环境的不断适应，逐步回到正常发展水平平59190090030060006004002000VCamOSDCPTrGEOLOGIC TIME （106 yrs)JKTNUMBER OF FAMILIESCmPzMzErwin, 1990地质年代表 众所周知的地质年表（表众所周知
27、的地质年表（表2-），就是根据），就是根据生物生物演化演化的巨型阶段，将的巨型阶段，将46亿年地球演化史划分为亿年地球演化史划分为4个个最高级别的地质年代单位：最高级别的地质年代单位：冥古宙、太古宙、元冥古宙、太古宙、元古宙和显生宙古宙和显生宙。在显生宙中，根据生物界的总体。在显生宙中，根据生物界的总体面貌划分出面貌划分出3个二级地质年代单位：个二级地质年代单位：古生代古生代(含早含早古生代、晚古生代古生代、晚古生代)、中生代中生代和和新生代新生代。最常用的。最常用的三级地质年代单位是纪，每个纪的生物界面貌各三级地质年代单位是纪，每个纪的生物界面貌各有特色，例如震旦纪中伊迪卡拉动物群的爆发演有
28、特色，例如震旦纪中伊迪卡拉动物群的爆发演化和集群绝灭，泥盆纪的生物登陆，侏罗纪的恐化和集群绝灭，泥盆纪的生物登陆，侏罗纪的恐龙、裸子植物高度繁荣和第四纪的人类演化等。龙、裸子植物高度繁荣和第四纪的人类演化等。60地层层序律地层层序律: :在一个地区在一个地区, ,如果没有发生构造变动如果没有发生构造变动, ,先形成的地层在下面先形成的地层在下面, ,后形成的在上面后形成的在上面. .化石：化石：保存在岩层中地质历史时期的生物遗体和保存在岩层中地质历史时期的生物遗体和生命活动的痕迹。生命活动的痕迹。化石层序律化石层序律: :不同时代的地层含不同的化石不同时代的地层含不同的化石, ,含相含相同化石的地层其地层时代相同同化石的地层其地层时代相同. .（生物进化论（生物进化论( (达达尔文尔文) )物种起源物种起源）61沉积岩62沉积岩产生物化石63646566
