邮币卡网络销售靠谱吗:时间的1000个瞬间——宇宙、地球和生命的进化 - 突破路上

来源：百度文库 编辑：九乡新闻网 时间：2024/04/28 15:48:54
  

近百年来科学和技术的发展提升了人类的思想，人们开始怀疑神话与传说的真实性。于是，人们转而从科学中寻找答案。1917年，爱因斯坦认识到他创立的广义相对论蕴含着一个推论：宇宙或者在膨胀或者在收缩。随后天文学家们找到了确凿证据，表明宇宙是在向外膨胀。如果这个宇宙向外膨胀的推沦正确，那么我们反过来就可以证明：我们所处的世界井非永远存在！宇宙井非永远存在，那么在宇宙之前到底是什么?宇宙是从什么情况下，在什么时间，因为什么而突然存在了呢？如果宇宙有开始，那么它是否会有终结？好了，就让我们迫寻宇宙的诞生和成长，来一次漫长的时间旅行吧！

 

标题：时间的1000个瞬间——宇宙、地球和生命的进化

 

 

第1节：一、时间荒漠

 

第一章 时间零点

 

 

　　按照大爆炸宇宙学理论，宇宙起源于一个"奇点"。所谓"奇点"，实际上是一个数学上的描述，这个"奇点"的特征就是体积无限小，质量无限大，密度无限大，时空曲率无限大。突然有一天，这个"奇点"发生了改变，变得不再是"奇点"，而是产生了时间和空间的结构，在这个时间和空间的结构上，宇宙开始创生。物理学家们形象地称之为"大爆炸"，这就是所谓"大爆炸宇宙学"的起源。

 

　　实际上，上面这些看起来很玄妙、超越我们想象能力的描述，不过是物理学家和数学家用以描述宇宙最初状态的一种方式。

 

　　根据爱因斯坦的广义相对论，宇宙不是静止的，而是膨胀的，或者是收缩的。后来的物理学家和天文学家经过天文观测注意到，在很大的尺度上，各种星系都在离我们远去。这不但印证了爱因斯坦的理论，而且说明宇宙在膨胀。既然它在膨胀，那么如果往回想，过去的宇宙一定比现在小；如果继续推算回去，宇宙在过去的某一个时间，一定是从一个点开始的。物理学家就用我们上面提到的"奇点"来形容这个点。物理学家和天文学家甚至根据宇宙膨胀的速度计算出这个点开始膨胀的时间大约在140亿年前。

 

　　那么，人们一定会问，在140亿年以前宇宙是什么样子的呢？其实，这个问题不用回答。因为只要奇点存在，时间和空间就不存在。这也许很让人费解，但这的确是事实。你不用费尽心思去思考这个所谓的"点"是怎么存在于虚无中的，事实上，所谓的"奇点"就是虚无。没有时间，没有空间，什么都没有。

 

　　我们不妨借用我国古代思想家老子《道德经》中的话"道生一，一生二，二生三，三生万物"、"有物混成，先天地生……吾不知其名，故强字之曰道"来解释，老子认为宇宙是从"道"演化来的，而"道"就是"无"。哲学从来都和物理学密不可分，这个哲学上的虚无，在物理学的描述中，就是我们说的"奇点"。看起来，早在两千多年前，中国古代就有了洞悉宇宙秘密的思想家，甚至在《易经》中也认为"太极"（又称为气、道或无）是世界的本原。

 

　　好了，"奇点"就是虚无。既然是虚无，实际上使用"点"这个字眼就已经没有什么意义了。你可以认为这个虚无是不存在的，也可以认为是无限大的。在这里，没有时间的概念，我们不能说虚无存在了多长时间，而只能说时间的历史只有140亿年，我们的宇宙只存在了140亿年。

 

在140亿年前，宇宙是一个永恒的、连绵的、无始无终的虚无，是一片时间和空间的荒漠。

 

 

 

 

 

 

第2节：二、时间零点(1)

 

 

　　1．量子涨落

 

　　宇宙是从一片时间和空间的虚无中创生的，那么它是如何从虚无中创生的呢？我们首先要提到的是一个物理学名词"量子涨落"。

 

　　宇宙学是一门综合性学科。而宇宙创生就直接涉及最前沿的物理学-相对论、量子力学和自组织理论。相对论告诉我们宇宙的膨胀特性，而量子力学则告诉我们宇宙是如何开始的。

 

　　量子力学最重要的一个原理就是"测不准原理"，它引申的一个结论就是：任何物质的参数都不能被精确地测量。在我们所处的宏观世界中，任何东西都有它的参数。例如我们提及一把尺子，总是说类似下面这样的话：这把尺子在某年某月某日某时刻的长度是1米，宽度是2厘米，厚度是1毫米。这个测量在宏观世界是当然的结论，但是，一旦我们要非常精确地测定这把尺子的长度时，量子力学却告诉我们：我们永远无法在微观尺度上更精确地测定这把尺子的长度。例如在万分之一个原子长度的精确度内，我们永远不能确切地知道这把尺子到底精确到万分之几个原子长度。这并非是由于测量工具不够先进造成的，而是量子力学阐述的一个物理规律。无论人类测量长度的工具精确到何种程度，都无法在万分之一个原子尺度上精确确定这把尺子的长度。

 

　　如果我们换个角度思考这个问题，这把不能被精确测量长度的尺子也可以被认为是长度可以改变的。这个想法很奇怪，但这却是量子力学最重要的描述方法，就是几率描述。当我们不能精确确定它到底精确到万分之几个原子的长度时，我们就只能用几率来描述，例如说它有三分之一的几率精确到万分之二个原子长度。几率通常是数学上的一种说法，但是在物理学规律中，这把尺子的不确定存在方式却是一个真实的事实。

 

　　当这把尺子的长度作万分之一原子长度的变化时，我们就可以说这把尺子的长度在进行量子涨落。

 

　　量子涨落绝不是一个无聊的数学或者文字游戏，它是一种真实客观的存在，已经有很多实验和技术在证明和使用，它是可以计算和测量的。例如，当今科技前沿的量子计算机就是量子涨落规律的一个应用。原子的状态由于量子效应而呈现不同的情况，当这种情况可以控制和测量时，原子就可以由量子涨落标记为0和1两个状态，涨是0而落是1。有了0和1，我们就有可能在原子尺度内建造一台计算机，因为任何一台计算机记录数据的最原始状态就是0和1。我们现在使用的计算机是用电压的高和低来标记0和1的状态，而量子计算机则使用量子涨落。

 

　　现在，我们回到宇宙最开始的时间和空间荒漠状态。荒漠最重要的特征就是"无"，"无"是一种绝对的状态，而量子力学拒绝任何绝对的状态。换句话说，"无"是一种不可能稳定存在，甚至是一种不存在的状态。正如一把尺子无法保持稳定的状态一样，虚无也不能保持稳定。在"无"上面，量子涨落开始发挥它的作用，它打破了荒无边际的沉默。

 

 

 

第3节：二、时间零点(2)

 

 

　　我们不知道，也无法想象是哪一次、哪一个量子涨落最终影响了宇宙"奇点"的状态，将它完全解放出来。但是我们知道，在140亿年前的某一刻，奇点和它的虚无崩溃了，宇宙从虚无中创生了，简单地说，宇宙"无中生有"了。

 

　　2．自组织

 

　　仅仅依靠量子涨落并不能形成奇点爆炸。量子涨落无时无刻不在进行，但是决定宇宙形成的那次量子涨落却在恰当的时间赶上了恰当的自组织行为。可以说，是量子涨落和自组织这两个我们仅仅发现不过百年的物理学规律，揭示了宇宙创生的秘密。

 

　　有一句很经典的描述自组织的话："亚平宁半岛上一只蝴蝶翅膀的扇动，可能导致遥远太平洋深处的一场风暴。" 自组织最初研究的是简单形态耗散结构的自组织现象。所谓简单形态耗散结构，就是由大量相同或类似的组成粒子均匀分布构成的系统，例如一团空气、一瓶清水都可以认为是简单形态耗散结构。

 

　　关于简单形态耗散结构的自组织现象有一个著名的实验，称为"伯纳对流花样"。把盛于一平底容器中的液体从底部均匀加热，温度较小时没有对流，热量仅靠传导方式传递。当温度增加到某一特定值时，对流突然发生了，并形成很有规则的对流花样。有趣的是，从上往下俯视时，这些花样很多呈现规则的正六角形，这就是"伯纳对流花样"。在这种对流中，中心液体往上流，边缘液体往下流，呈现一种很有规则秩序的动态结构。对流开始前是一种稳定态，温度达到特定值时，原稳定态丧失稳定性，从而出现新条件下的新稳定态，这个失稳点叫作临界点。从分子角度看，临界点之前的稳定态相对于临界点之后的稳定态是混乱无序的，在临界点上发生有序程度的突变，这种突变是自发进行的，因此称为自组织现象。

 

　　伯纳实验证明，自然界本身就有自我组织的能力。一个耗散结构，只靠与环境交换物质和能量，并无谁来发号施令，系统就能自我组织和自我完善，进化成更加有序的新系统。

 

　　依靠自组织，宇宙从一片荒漠中开始形成。构成宇宙最初的基本粒子-光子、电子、轻子和由它们组成的原子-就在这一时刻开始出现。这些基本粒子再经过自组织形成构成宇宙最基本的那些元素。

 

　　但是这里有一个问题，我们知道，物理学有一个最基本的原理"能量守恒定律"，这个原理告诉我们，没有任何能量形式，包括物质形式（在物理学中，物质形式也是能量形式的一种存在方式）能够凭空产生。能量只能转化，不能凭空产生。因此，物理学家预言，为了能量平衡，宇宙在创生之初，当能量出现时，一定有大小相同、性质相反的负能量出现。正能量出现多少，就一定存在多少负能量。同样，能量构成物质基本粒子时，也一定有相对的负粒子出现。这就是说，每存在一个正电子，一定相对存在一个负电子，每存在一个正质子，一定存在一个相对的反质子，这些正负能量和正反粒子维持了能量守恒的神圣不可侵犯。

 

 

第4节：二、时间零点(3)

 

 

　　3．时间之箭

 

　　热力学认为，任何时间上向前的过程都是不可逆的，任何现象都是转瞬即逝的。热力学把时间与有序性和无序性这样的概念联系起来，时间的流动就变得显而易见。这是因为在任何孤立系统中都有一种毫不留情的倾向，使得有序程度降低而无序程度增加。例如：往一杯清水中加一点牛奶，奶分子就会和水分子混合在一起并且扩散，最后，牛奶和水的分布就会完全一样，整个液体呈现乳白色的状态。在这个最后状态中，分子的无序性达到了最大值。热力学有个专门描述这种无序性的术语，称为"熵"。无序性增加的过程就是一个熵增加的过程，当牛奶和水混合均匀后，这个系统的熵达到最大值，这时液体处于一个平衡状态，奶分子和水分子在混合物中所有各处都是均匀的，不再具有任何进一步混合的能力。

 

　　根据常识，我们从来没有见过相反的过程，就是牛奶和水的乳白色混合溶液自发地分成白色的奶和无色的水。这就是热力学描述的时间之箭，它在热力学中称为"热力学第二定律"。这个定律说，所有的物理过程都是不可逆的，因为一部分能量总是作为热散失掉了。

 

　　如果过于死板地理解这个定律，我们就会注意到下面这个推论：热力学排除了有序结构的自然出现。这就意味着宇宙的整个进程将必然走向无序的混沌，所有星系和星球的最终结果都是走向分散，整个宇宙将沿着一条不归的道路走向死亡，甚至我们所描述的宇宙创生都是不可能的。

 

　　这显然是不正确的。事实上，热力学理论正把握着有序生命产生的关键。我们不妨设想一台正在运行的蒸汽机，当蒸汽机运转时，能量转化为所有组成部分的分子运动，这一过程是极端复杂的，但是热力学并不涉及原子和分子，它把注意力直接集中在一些与感觉有关的宏观量上，例如体积、温度和压力。蒸汽机的工作就是把热转化成功，水在锅炉中被加热成为蒸汽，蒸汽冲撞活塞，活塞做功推动轮子的转动。同样，我们也可以通过做功产生热量，当你摩擦双手时，就是在做功产生热量，这说明热和功不过是能量的两种不同形式。这也就是我们在前面所说的能量守恒定律，它在热力学中又被称为"热力学第一定律"。

 

　　如果你在一件事情发生前能拟订出一份这个事件所有参与的能量（包括物质）的清单的话，在事件的前后总能量总是相等的。唯一的区别是：开始时的能量的一部分或者全部，必定会在事件后作为热量出现。这是因为总有一些能量在某种物理过程中被"烧掉"了，例如克服摩擦和空气阻力。任何一个能量转化的过程中，都有因为产生热而出现的能量耗散。虽然热和功是平等的，但是耗散使得它们之间产生了一个十分重要的不对称性。这个现象就是使"热力学第二定律"出现的最早推动力。

 

 

第5节：二、时间零点(4)

 

 

　　第二定律的含义是：所有的能量转化都是不可逆的。在蒸汽机中曲轴的运动产生了热量，这些热量就是我们说的从有序状态变为无序状态的分子无规则的随机运动。这种无规则运动的能量又有一部分会被空气分子带走，这最终将导致热损耗带来的不可避免的能量损耗。所以我们也就可以从另一个角度描述第二定律：热只能由较热的地方流向较冷的地方，而不能通过把热量从较冷的地方转移到较热的地方而做功。

 

　　4．熵与热寂

 

　　于是，我们前面提到的"熵"的概念出现了，它是1865年由德国物理学家克劳修斯引入的，来源于两个希腊字母，意义分别是"转移的量"和"发生变化的能力"。熵将第二定律表示得更为明确，将可逆过程与不可逆过程加以区别；熵是这样一个量，它在有耗散的情况下不停地生长，当所有进一步做功的潜力都消耗殆尽时，它就达到了最大值。

 

　　"熵"无疑是一个很明确的概念，它给了一个明确的时间箭头：熵的增加方向一定与时间的前进方向一致。为了更深入地理解熵的含义，把一些杂乱的、容易引起混淆的因素去掉是明智的。科学家们通常使用一种理想化的情况，把所感兴趣的过程定义为系统，而过程以外任何无关的东西称为系统外界。可以用一个暖瓶来形容一个孤立系统，我们如果只关心暖瓶里面的热水，那么暖瓶里面自然形成的小气候就是一个孤立系统，暖瓶和暖瓶外面的世界就是这个孤立系统的外界。

 

　　按照第二定律，在一个孤立系统中自然发生的任何过程，都一定伴随着系统熵的增加。因而熵给所有孤立系统提供了一个时间箭头，当熵达到它的最大值时，孤立系统的时间演化就停止了，该系统就处于它最无序的状态。这时，系统已耗尽了它所有发生变化的能力，它已经达到了热力学平衡。

 

　　现在，我们回到我们刚刚萌芽的宇宙。从虚无中创生的宇宙就是一个完全孤立的系统，就像那个暖瓶中的世界，而暖瓶外（如果有外的话）的世界并不在这个孤立系统的考虑范围之内。于是根据热力学的两个定律，我们可以对宇宙这么描述：第一条定律说，宇宙的总能量是守恒的；第二条定律说，宇宙的总熵总是在无情地朝着它的最大值增长。这是一个可怕的推断，整个宇宙的演化就是逐渐退化，最后停止于热力学平衡，此时不会再有任何变化发生。一个完全平衡的宇宙，熵达到最大，不再有任何生命和生机。这就是宇宙的"热死说"或者说"热寂说"。

 

　　5．生机勃勃的宇宙

 

　　"热寂"是一个非常可怕的景象。但是我们却知道，宇宙似乎并没有按照熵所指引的道路走向死亡，恰恰相反，它不但创生了，而且还在不停地膨胀，没有任何迹象表明它会有一个灰色的结局。这很奇怪，所以我们不得不重新清理一下我们的思路。

 

 

 

第6节：二、时间零点(5)

 

 

　　我们不能否认两件事情：一个是熵增描述的热力学第二定律是经过考验的理论，是自然界至高无上的定律之一，不容怀疑；另一个是宇宙这个孤立系统还在生机勃勃地生长着。那么，一定有一个什么环节我们还没有注意到。

 

　　我们再回到那个蒸汽机或者是暖瓶。如果我们让蒸汽机无限缓慢地工作，这样在每个瞬间，系统和外界就会处于热平衡。在这种"准静态"的情况下，系统的整体性质不会随着时间而改变，熵会在任何时候都处于一个稳定的最大值，不会改变。这就是所谓的"平衡态"。熵最初的定义和计算就是从"平衡态"而来，因为只有在这种情况下，熵的具体数值才容易计算。实际上，"平衡态"的说法是热力学家们偷的一个懒，事实却是，任何系统都不可能无限缓慢地运动，任何系统也不能完全孤立而不和任何其他外界发生关系。因而熵的最大状态也必须同时把外界的熵计算在内。例如凉了的暖瓶中的水，它一定和暖瓶外的冷空气发生了交换才导致了冷却。热力学家们为了计算简单，总是尽可能避免把暖瓶外面的冷空气带进计算中来，为了不把冷空气引入，只有采用"平衡态"这种静态的方式，而事实上这是不可能的。

 

　　因此，打破"平衡态"才是真正解决问题的办法。"平衡态"只能描述热力学演化的终态，即完全静止下来的状态，而不能描述随时间表现的任何过程。计算熵，不能静态地、孤立地计算单个时间瞬间的数值，而是应该和时间结合计算，计算它随时间变化的特性。这就是最终能够解决问题的"非平衡态热力学"。

 

　　"非平衡态热力学"最重要的贡献就是处理系统远离平衡时候的情况。还记得"伯纳对流花样"吗？我们设想一个水瓶中的水，如果我们对它不做任何处理，水分子将最终变得无序，但是，如果我们对它加热，水分子们就会开始对流，甚至达到沸腾。初看上去这个现象很奇怪，加热使得熵增加（注意，熵增原理无可否认），但是水分子的运动随机性却减小了，变得更加有序了。这却恰恰给出了"非平衡态热力学"的第一个证据：在不可逆的、非平衡态的过程中，有序性的增加方向开始和时间箭头的方向吻合了。

 

　　这是一个令人满意的结论。物理学家终于摆脱了熵增必然导致物质无序性增加的怪圈，开始把熵和无序这两样东西彻底分开。熵可以增加，但是物质的无序性却在降低，"非平衡态"贡献了这一关键结论的理论基础。

 

　　热力学第二定律终于开始能够解释我们的宇宙为何能创生并生机勃勃地发展了-只要远离平衡态，宇宙这个大系统，在大的范围和时间上将会不断发展，平衡态所描述的"热寂"终于可以寿终正寝了。

 

 

 

第7节：三、物质形成(1)

 

 

　　三、物质形成

 

　　宇宙从虚无中开始，时间和空间真正开始建立。

 

　　在我们做下面任何描述之前，我们必须给出一个规则。这个规则就是描述我们现在的宇宙时，我们只能使用现在大家熟悉的数学、物理学、天文学、化学、生物学等等知识。简单地说，就是我们描述一个苹果脱离树枝时，它必然向大地飞去，而不是飞向太空或者别的什么方向，而且更精确地说，它飞向大地的速度越来越快，速度的增加与运行时间成正比。不要小看这个规则，因为很多人都曾问过物理学家：世界为什么是这个样子的呢？物体为什么互相吸引而不是互相远离，而且互相之间的引力大小一定与相互距离的平方成反比，为什么不是3次方或者1.5次方？甚至，为什么我们看到的世界一定是三维的而不是二维的或者四维之类的呢？换句话说，为什么当初那个爆炸产生的宇宙是现在这个样子，而不是其他什么样子。

 

　　宗教或者某些哲学说：有一个更高智慧或者更高层次的力量（神或者上帝）创造了这个世界的规则，神让物体相互之间的引力与距离的平方成反比。我们无法也没有证据否认这种说法，就算最好的物理学家也没有证据。我们只能说，从最早的那个爆炸点开始，规则就创立了。这个规则可能是偶然的，因为从虚无中创生的世界，发生什么都不令人惊奇，就像每个人的出生都只有亿万分之一的概率一样，没有什么是不可能发生的。也许有很多种其他可能，例如可能真有这种情况：我们生活在一个引力与距离的立方成反比的世界中。但是，我们熟悉的世界是现在的世界，是存在的并且可以测量的世界，在这个世界中，没有假如。从这个意义上说，物理学家们是一群可怜的家伙，他们毕生都在研究各种规则，却不知道这些规则是从哪里来的。

 

　　所以，很多物理学家甚至包括爱因斯坦，在终其一生的物理学研究后，都沮丧地转向神学的研究。我们不能因此嘲笑他们，恰恰相反，转向神学正是他们看透世间万物后的必然归宿。正像一位宗教学者所说："当科学家历尽艰辛地到达一个从未有过的高度时，总会发现宗教早已微笑着站在那里了。" 也许，用宗教来解释这些不能回答的问题，是最简单的办法。

 

　　好了，让我们抛开关于宇宙创生初期那些过于艰深和哲学化的讨论，用构成我们世界的现有的规则直观地去看看在宇宙创生初期都发生了什么吧。

 

　　1．10-43秒

 

　　用现代宇宙学的名词来说，10-43秒这个瞬间一般被称为普朗克时期。普朗克是量子力学的奠基人之一，用以描述最小物质单位的一个量被称为普朗克常数，所以科学家用他的名字命名这个最小最小的宇宙的开始。

 

第8节：三、物质形成(2)

 

 

　　在普朗克时期，空间刚刚开始形成，可观测宇宙的尺度甚至比原子核还要小得多，它的半径只有10-38厘米，但是这个比原子核还小的空间却包含了构成我们现今所看到的宇宙中的所有的物质。可以想象一下它有多重，它的密度高达每立方厘米1037吨，温度则高达1038℃。在这个小小的空间里，物质显然还没有开始被区分，所有的一切，包括构成你我身体的那些物质，都全部压缩在这个小小的体积之内。没有人能想象得出构成这个小火球的物质是什么。

 

　　这个火球在极短的时间内向外膨胀，所以我们就不难想象科学家为什么要称之为"大爆炸"。一个小小的、非常热的不知道是什么物质构成的球就是我们现在宇宙的婴儿时期。

 

　　今天的宇宙经过140亿年的不断膨胀、冷却，目前可观测的宇宙的范围已经达到150亿光年。全部物质的平均密度只有每立方厘米10-31克，就是说每立方米的空间只能分摊到一个氢原子，和最初相比，这是一个无法想象的差距。

 

　　那个微小的东西一旦开始膨胀，就必须遵守膨胀的规则。例如它膨胀采用的方式，膨胀的速度，就是我们所谓的规则。前文曾经说过，我们无法去回答这些规则是从哪里来的，但是我们至少可以来描述一下这些规则。这些简单的规则如此重要，我们就生活在这些简单规则构成的世界中，无法摆脱，并且永远遵守它们。

 

　　规则之一：力

 

　　在宇宙形成过程中，最重要和最先应该知道的概念是力。

 

　　我们之所以认识世界上的任何物体，是因为它和别的物体相互作用。由于力（相互作用）有许多不同的形式，所以这个世界看起来确实很复杂，有诸如弹簧、肌肉、风、膨胀气体、重力、物体接触、磁、电等所施加的力。

 

　　但实际上，规则永远是简单的，只要七个音符的简单排列就构成了无数美妙的音乐，宇宙规则同样简单。就我们所知，宇宙中只有四种力，在这四种力的操纵下，构成了我们这个千变万化的宇宙，而其余的力只不过是这四种基本力的不同表现形式罢了。

 

　　万有引力

 

　　重力是我们第一个体验到的力。当我们还是婴儿时，如果把支持我们的力拿开，重力拉我们向下时，我们就会哭起来。伟大的英国科学家牛顿远在300年前就对重力做了极圆满的描述。同其他三种力比较起来，重力是一种形式简单的力，它的主要特点是：两个物体之间的力正比于它们质量的乘积，而与它们之间的距离的平方成反比。首先我们得注意的是，此力永远是引力。就目前我们所知，还没有方法能产生重力的斥力。其次，物体之间的力的方向是沿连接两物体间的直线方向。这看起来是物体间有作用力存在的一个直截了当的方式，但它不是唯一的方式，如电磁力的取向可以与两作用物体间连线相垂直。此外，重力不随物体的速度或取向而变化，而其他力则不然。重力随距离的平方成反比变化，这一关系与其说与重力不如说与空间性质有关。这个公式只适用于球形物体或与其本身大小比起来离开较远的物体。

 

 

第9节：三、物质形成(3)

 

 

　　牛顿定律最令人惊奇的特点是，它表明重力的来源是"质量"。我们用"质量"这个名词来描述物质在两种完全不同的实验中所显示出的类似性质。它是万有引力的来源，因而也决定物质的重量。

 

　　电磁力 我们把电和磁联系起来，因为它们是相同现象的两个部分。两电荷之间的力依其相对速度而变：如果它们彼此是相对静止的话，它们只受静电力；如果它们是在运动，它们彼此就产生磁力作用。初看起来，电磁力和牛顿的万有引力定律非常相像，因为这个力和两电荷之间距离的平方成反比，这个关系一方面是由于空间特性所决定，另一方面是因为此公式仅应用于带电物体远小于其之间距离的情况。如果一个电荷运动，并且经过另一个电荷，那么它所产生的磁力正比于运动速度，其方向垂直于该速度和连结两电荷之间的直线。

 

　　电磁力能产生一个很有意思的现象：如果一个电荷被加速，这时会有辐射能以光速放出，从而产生一个电磁辐射源。光、无线电波、红外线和X射线都是这种辐射源发出的。

 

　　我们日常生活里所遇到的大部分力就是来源于这种电磁力，它使电子靠近原子，并且使原子互相结合在一起。如果深究下去，沙发上弹簧的力也可以看作是金属的晶体结构中移动原子间的电磁引力。炸药爆炸的能量来源于化学能，化学能也是电磁力产生的。当膨胀气体撞击容器壁或者炸弹外壳时，施加在撞击分子上的排斥力也是电磁力，这种斥力是由于电子间距离的扭曲而产生的。所有生物过程都能用分子转化来描述，这种转化是受电磁力支配的。

 

　　强核力

 

　　我们认识万有引力和电磁力已有很长时间了，但是，一直到20世纪过了好长时间，原子核中存在的第三种力才被弄清楚。原子核包括质子和中子，其中最重要的是质子带正电，中子不带电，不过它们吸得非常牢，好像被胶粘住了一样。如果它们不能粘在一起，那么就没有我们现在的世界了。这个力非常大，连带有同性电而相斥的质子间的静电斥力也不会使整个核散开，而万有引力太弱了，不能把核约束在一起。因此，在核粒子之间一定有比电磁力更强的力存在。经过研究，对这种强核力已可做出很好的定性描述，这种力最重要的特性是：它是短程力。如果核粒子互相接触到非常近的距离内，此力是很强的。在这个范围之外，此力很快降为零。关于这点，力的作用有些像把原子核结合在一起的胶水，而道理却完全不同。这种核力的强度由质子和中子的方位而定。

 

　　弱相互作用

 

　　虽然大物理学家费米计算出了第四种形式的力-弱相互作用的一些规则，但是直到现在，弱相互作用的重要意义和机制还没有被人们很好地了解。弱相互作用可用来解释放射电子射线的天然放射性元素的衰变，许多新粒子也因弱相互作用而衰变。我们对它知道得太少，以至于不能说它的作用范围究竟有多大。

 

 

第10节：三、物质形成(4)

 

 

　　万有引力、电磁力、强核力和弱相互作用力-目前就人类所知，物质的基本结构单元还没有以另外的方式作用的。我们把核束缚力叫作强力，把其他力称为弱力。这四种力是宇宙间全部存在的力，是物质间互相作用的简单规则。在这些规则的作用下，我们才能行走、运动、看电视、仰望星空、看太阳升起又落下……我们不知道它们是从哪里来的，但是我们永远在它们的统治之下。

 

　　我们比较一下四种力相互作用的强度。当两个质子互相接触时，强核力（使两个质子靠近的力）可以是电磁排斥力（使两个质子远离的力）的100倍。弱相互作用与强核力比较，后者是前者的1013倍。所有这些作用力中最弱的是万有引力，它只有强核力的1/1039那么小！而万有引力在我们看起来那么重要的原因是它相对来说是长程力。例如，我们的重量表示地球中的1051个核粒子与我们自己身体内的1019个核粒子间的引力。在个别的核反应或原子反应中，可以完全忽略掉万有引力的影响；而对大尺度的物体，例如星星、银河等之间的相互作用主要是万有引力作用。

 

　　2．0.01秒

 

　　在宇宙形成0.01秒之后，宇宙的温度约为1000亿摄氏度，这个温度看起来很恐怖，但是已经在我们可以测量或者说可以预测的范围之内了。刚才那个最原始的小球，我们根本不能预测它的温度。在0.01秒之后，我们现在认识的一些粒子开始出现了。而刚才那个小球，构成它的物质根本没有人知道。

 

　　0.01秒之后的宇宙物质的主要成分为轻粒子。轻粒子顾名思义就是质量很小的粒子，例如光子、电子和中微子。而能构成实际物质的质子和中子的比例只占不到十亿分之一。由于整个体系在快速膨胀，因此温度便很快下降。

 

　　我们同样无法知道为什么构成我们身体和这个世界的这些粒子一定是现在这个样子，它们从宇宙创生初期到现在一直是这个样子，从来没有改变过。我们知道孩子总是像父母，而这些没有父母的粒子的样子是谁确定的呢？所以，就像描述力的规则一样，我们也只能描述一下物质规则，而不能探究它的根源。

 

　　规则之二：基本粒子 构成世界的基本粒子大概有二百多种，所有的物质都是由这二百多种基本粒子组合构成的。这些粒子相互作用，构成了生机勃勃的宇宙。例如我们看到一只狗在奔跑，从微观粒子的角度看，就是数不清的粒子在运动，这些粒子构成狗的细胞，狗的细胞又构成它的肌肉和神经。这些粒子通过三种力（万有引力在粒子相互作用这个级别可以忽略不记，它适用于比较大的尺度）互相纠缠和影响，才产生我们看得见的运动。

 

 

第11节：三、物质形成(5)

 

 

　　根据粒子间的三种相互作用，可将这二百多种基本粒子分成三大类： 第一类是具有强作用的粒子，称为强子。已发现的基本粒子中，约95%是强子，这是基本粒子中最庞大的家族。质子和中子是大家熟知的强子，除了质子和中子外，还有π介子、K介子、超子以及叫作共振子的基本粒子也是强子。强子除具有强相互作用外，一般也有电磁作用和弱相互作用。

 

　　基本粒子的第二大类是没有强相互作用的，称为轻子。比较有名的轻子有电子和中微子，另外还有τ介子和μ介子等基本粒子也属于轻子。轻子的特点就是没有强相互作用，而都有弱相互作用。另外有些轻子，例如电子，因为带电所以还有电磁作用。中微子比较难以探测到，就因为它不带电，又是轻子，所以只有通过探测弱相互作用才能探测到它。

 

　　基本粒子的第三大类就是既没有强相互作用，也没有弱相互作用，而只有电磁作用的粒子。这类粒子只有一种，就是光子。所以，凡是有光子参与的过程必然涉及电磁作用。

 

　　我们不妨列举一下创世之初的几个有名的轻子： 电子 电子像台球一样有静止质量，但它的质量很小，小得无法想象。然而，从许多方面看，电子并不完全像台球。首先，电子有自旋，这一性质往往被看作是电子静止时的角动量，好像它是个陀螺在绕轴自转一样。其次，电子在许多场合还呈现波的行为。如果一束电子被聚焦在一个适当的衍射光栅上（按原子的大小刻的一道一道的纹路，让电子束穿过或者反射），这束电子将像衍射光（光通过光栅时会出现有规律的花纹）那样形成图样。

 

　　μ介子 μ介子是1937年在宇宙射线中发现的。宇宙射线是宇宙空间飞到地球上的高能粒子流。带电粒子通过物质时，它的能量损失有两个途径：一是把能量交给物质原子中的电子，使得原子电离或激发；二是在原子核电场中偏转并辐射出光子，把能量交给光子。后一种过程的能量损失率（指带电粒子在物质中走过1厘米时所损失的能量）反比于带电粒子的质量的平方。如果质量大100倍，能量损失就要减少10000倍。1937年，天文学家发现一种带电粒子，当初认为它是电子，但是在能量很高时，这种粒子的能量损失率却远远低于电子的理论预期值。因此，它不可能是电子，而应当是一种质量比电子大200多倍的新粒子，称之为μ介子。μ介子被发现后，人们对它的性质进行了很多研究，实验证明这种粒子和电子非常相像，几乎完全一样，唯一的差别只是二者质量相差很大，差了200多倍。

 

　　电子和μ介子性质十分相似，但是，它们确实是两种不同类型的粒子，而且两者不可能通过简单的途径互相转变。令人难以理解的是，既然μ介子与电子十分相像，为什么质量相差这么大？自然界为什么要有μ介子？它在物质世界中究竟起什么作用？一句话："既生e（电子），何生μ？"这就是著名的"μ介子之谜"。这是粒子物理中的头号重大难题，μ介子的发现者培尔甚至说，也许要待爱因斯坦再世才能解决这个问题。

 

 

第12节：三、物质形成(6)

 

 

　　中微子 中微子是唯一的只有弱作用而没有电磁作用和强作用的基本粒子。它是很难被发现的。中微子从理论预言到实验发现，经历了二十几年的漫长岁月，这在粒子物理学的历史上是罕见的。

 

　　早在20世纪20年代，人们发现原子核在衰变时，有一部分能量竟然"丢失"了。这和能量守恒定律根本不相容，造成了理论上的危机。为了解释这一现象，20世纪30年代初，奥地利物理学家泡利提出了中微子假设。他假定原子核的衰变产物中有一种质量极小的、中性的、穿透力极强的粒子，是它偷偷地带走了那部分失踪的能量。后按照意大利物理学家费米的建议，正式把这个粒子叫作中微子。有了中微子以后，衰变的机制就清楚了，成功的费米衰变理论，就是在中微子假设的基础上提出来的。

 

　　中微子提出后，二十多年内一直还只是一个理论假设，并没有在实验中发现它的足迹。这是为什么呢？因为中微子只参与弱相互作用，比通常的电磁作用要弱20个数量级。我们大概作一个比较，一个电子在物质中只能走约1微米远，一个光子在物质中可以走大概10厘米远，而一个中微子却可以走约1015米远。也就是说，一个光子在水中平均走10厘米左右就会与水中的一个原子发生一次作用，而一个中微子却要穿过整整1011个地球才会与其内的一个原子核发生一次作用。如果想用探测器来测中微子，至少中微子得在探测器内发生一次作用以便留下可供探测的信号。也就是说，即使我们用像地球那样大的探测器，1011个中微子射到探测器上也只能探测到一个中微子。可见，探测中微子是一件十分艰巨的工作，必须有巨大的探测器和极强的中微子束。

 

　　3．0.1秒

 

　　在宇宙诞生0.1秒时，宇宙温度已经急速下降到300亿摄氏度。在此前构成世界的基本单位中子与质子的数量是一样的，但是随后中子数飞快减少，两者之间的比例从1∶1下降到0.61∶1。我们不知道为什么最初中子和质子数量一样，但是还好，我们还能知道为什么质子要比中子稳定。科学顽强地试图看透规则背后的东西。

 

　　绝大多数的基本粒子都是不稳定的，经过一定的生命期就会衰变为其他的粒子，粒子的产生和湮灭是基本粒子的基本性质。当然，确实也还存在着若干稳定的粒子，例如质子、电子、中微子和光子，这是需要我们进一步去说明的事实。根据相对论的结论，质量和能量存在着一定的比例，再根据能量和动量守恒，就可以知道粒子只能衰变为比它本身的静质量更轻的粒子。因此静质量为零的中微子和光子的稳定性非常高，就可以用能量和动量守恒得到说明。电子是带电粒子中最轻的粒子，比它轻的粒子都是不带电的，因此在能量动量守恒和电量守恒的双重约束下，电子也应该是稳定的。可是为什么质子也能是稳定的呢？例如它完全可以衰变为正电子和光子，而且这一过程并不违反能量、动量以及电荷等守恒定律，应该是允许的。可是事实上质子却是非常稳定的，它的生命期非常长。其实质子的稳定性是我们整个宇宙构成的基础，因为如果质子是不稳定的，原子结构也就不稳定，以致分子结构不稳定，整个目前所呈现的宇宙结构也就都不稳定了。

 

 

第13节：三、物质形成(7)

 

 

　　因此，质子的稳定性是一个极为重要的事实。为了说明质子的稳定性，人们引进了类似电荷的新量子数，称它为"重子数"，并且规定质子的重子数为1，它们的反粒子（称为反质子）的重子数为-1，而其余的更轻的粒子的重子数均为0。质子是带有重子数的最轻的粒子，并且类似电荷守恒，在任何物理过程中体系的总重子数（所有粒子的重子数的代数和）是要守恒的。这样在能量动量、电荷和重子数守恒的三重约束下，质子的稳定性才得到形式上的说明。重子数的概念可以推广到更多的粒子，而且重子数守恒定律也被证明是普遍成立的。应该指出以上对粒子稳定性的说明只是以现象本身来进行的现象说明，还没有找到问题的本质，粒子的稳定性还需要我们寻找更深刻的本质上的原因。正像原子稳定性的研究对原子物理的促进一样，粒子稳定性的研究也将带来基本粒子研究的重大发展。

 

　　4．1秒

 

　　在宇宙诞生1秒的时候，宇宙温度已经下降到100亿摄氏度了。随着这个火球密度的减小，中微子不再处于热平衡状态，开始向外逃逸。电子-正电子对开始发生淹没效应，中子和质子之比进一步下降到0.3∶1，但这时温度还是太高，强核力仍然不足以把质子和中子束缚在一起。

 

　　尽管如此，强子特别是质子和中子是构成世界物质的基本单位。强子的出现，意味着构成宇宙特别是我们能够看到的宇宙星辰的物质具备了出现的前提。有了强子，特别是中子和质子，才有了石块、泥土和水，才有了星球和人类。

 

　　但是，科学永远不会满足于只是了解到强子这个层次。前文曾说，科学永远试图看到规则背后的东西。所以，科学试图知道比强子还基本的东西是什么，然而，这次科学让大家有些失望。

 

　　规则之三：物质的最小单位--夸克 科学家解释强子的构成时，使用了模型的概念。因为强子可以探测，但是打碎强子看看它里面的东西，却似乎是一项不可能完成的任务。宇宙规则深奥无比，强子像一个坚硬的小球，无论科学家用什么方法都不能动摇它分毫。也许是因为我们的能力还不够，但是更有可能的是规则根本不允许强子被打开。

 

　　所以，科学家只能猜测比强子更基本的物质单位是夸克，每个强子由三个夸克构成，这就是所谓的夸克模型。

 

　　夸克模型在说明强子的分类、质量和物理过程等方面取得了显著的成绩，可是作为夸克模型的主要角色夸克却至今尚未在舞台上亲自出场，这未免使人扫兴。虽然在1977年4月，美国斯坦福大学的费尔班克在美国物理学会年会上，宣称他曾发现了电荷为1/3电子电荷的客体，很可能它就是自由夸克。当时引起了科学家们一阵兴奋，可是后来别人重复这样的实验时却没能再发现分数电荷。

 

 

第14节：三、物质形成(8)

 

 

　　夸克在强子内部自由地运动着，估计目前所能达到的能量的高能粒子就可能把夸克分子轰出来，那么为什么我们至今尚未发现夸克呢？是什么原因把夸克禁闭在强子内部呢？ 科学家们根据大量事实确认了夸克的存在，但是又没法说明自由夸克为什么至今还未被发现？它是否最终能被发现？目前在回答这些问题时，人们提出了若干所谓"夸克禁闭"的方案。

 

　　夸克禁闭的问题和强子结构是紧密相联的。一般认为，夸克之间是通过交换胶子而形成它们之间的强相互作用的，正像带电粒子之间通过交换光子而形成它们之间的电磁相互作用一样。但是这两者之间又有本质的差别。根据目前所谓量子颜色规范场理论的观点，颜色规范是非对易的，而电磁规范是对易的，由此导致它们有以下两点主要差别：（1）胶子本身带有颜色，也就是胶子本身也可以产生胶子，而光子本身并不带电，光子本身不能直接产生光子。（2）带电粒子距离愈小，它们之间的电磁相互作用愈大；距离愈大，作用力却愈小。而夸克之间的超强相互作用则与之相反，当夸克之间的距离愈大时作用也愈大，而当它们的距离愈小时作用力也愈小，当它们相互靠近时，它们就像是近乎自由的粒子。

 

　　上文所说的超强相互作用的这种在近距离趋向自由的性质通常称为渐近自由性（或称紫外自由）。而当夸克间的距离愈来愈大时，它们之间的作用也愈来愈大。正是由于这个缘故，使得我们无法把单个夸克分离开来。

 

　　对于强子结构、夸克禁闭已提出了若干具体模型，这些模型可以总括为两大类。

 

　　第一类模型就是所谓的弦模型。它认为强子是由一条无质量的弦所构成的，这条弦有不变的张力（相当于势能与距离成正比），因此它经常会收缩而至消失。只有当弦经常绕其质心转动，并且其端点以光速运动，以至于这条弦有伸长的趋势时，才可以使离心力和张力达到平衡。弦的两端中一端是夸克，另一端就是反夸克，这好像是磁棒的两极一样。如果我们设法把弦拉长，那就要不断地对它做功，当弦得到足够的能量，就会被拉断成为两条弦，这样我们并没有得到单个的自由夸克，而不过是产生了另外一个强子。实际上在弦的断裂处产生出一对夸克对--夸克和反夸克分别出现在两条弦的断裂端上。这也和磁棒的情况相像，我们使磁棒断裂，只能得到另外的磁棒，而不能得到单个的磁单极。

 

　　强子结构的另一类模型就是所谓的袋模型。在这个模型里，强子被看成是真空中的气泡，夸克和胶子被看成是装在气泡内的气体，点状的夸克和胶子在泡内自由地运动。由于这种运动对泡的边界产生了压强，使泡向外扩展，而另一方面真空又对泡的边界存在固定的压强，使泡向内收缩。当两种倾向达到平衡时，就是强子通常所处的状态。泡的边界虽然具有弹性，可以收缩和扩展，但却不能让泡内的夸克和胶子穿透。因此在这个模型里，夸克和胶子是绝对禁闭的。实际上袋模型是在以夸克禁闭作为基本事实的前提下提出来的，显然，这种模型否认了找到单个夸克的可能性。在袋模型中，强子的质量主要来自袋内夸克的能量、袋本身的与袋体积成比例的体积能（体积能密度就是真空对袋所施加的不变压强）、夸克之间通过交换胶子的色相互作用能，以及一部分零点能量。

 

 

第15节：三、物质形成(9)

 

 

　　强子结构是基本粒子研究的重要方面，可是无论是夸克模型，还是其他模型，目前还没有哪一种强子结构的模型是令人满意的。也许，我们永远都不能知道强子里到底是什么。

 

　　5．13.8秒

 

　　在宇宙创生13.8秒时，宇宙温度下降到30亿摄氏度。这时，质子和中子已经可以形成像氢、氦这样稳定的原子核，我们对宇宙的认识终于可以转到化学的层次了。化学是一门古老的学科，化学比物理学更接近我们的生活，也更容易被我们理解。我们知道的物质相互作用，例如爆炸、燃烧，甚至生命的形成，化学都能给我们一些直观的认识。

 

　　化学元素就是从13.8秒这一时刻开始形成的。注意，我们指的是化学元素的原子核，而不是化学元素本身。在这么高的温度条件下，电子还不可能被原子核俘获形成原子，所以在这个时候，科学只能给出原子核形成的一些图像。当然，只要元素的原子核能够形成，那么原子核最后俘获电子形成中性原子就只是时间问题了。所以，在这个阶段，最好先看看原子核的合成。

 

　　在现在人类的科研条件下是不可能模仿30亿摄氏度这样的温度的，怎么办呢？有一个办法，温度对粒子运动的影响无非是影响它的活跃程度，也就是说，温度越高，粒子越活跃。那么，什么是粒子活跃呢？就是速度快的粒子。

 

　　于是，人们通过研究粒子高速运动的行为来间接推断创世之初的情形。好在人类已经有了加速粒子的手段，那就是高能加速器。加速器的作用就是通过长长的跑道，用不断给粒子加速的方法来获得高速粒子。加速器有两种-直线加速器和环线加速器。直线加速器很好理解，粒子像一个短跑运动员，从一端跑到另一端获得速度。目前世界上最大的直线加速器在美国，长度达到10公里，从空中看非常壮观。而环线加速器可以理解为圆形跑道，粒子一圈一圈地跑，不断获得速度。

 

　　科学家通过加速器把粒子加速到宇宙初期30亿摄氏度时粒子热运动的速度，从而使产生新元素的核反应能够发生。这非常重要，因为当时所产生的原子核至今仍是构成宇宙物质的基本部分。通过加速器，人类已经能够人工合成简单原子核并能解释大量的氢、氦甚至锂（这几种元素的原子核是依次含有一个、两个和三个质子的最简单的原子核）的形成机制。

 

　　这个过程通常是这样的：把中子和质子加速，让它们互相碰撞，当速度足够快的时候，它们就有可能组合在一起形成原子核。这也是宇宙在创世之初30亿摄氏度时做的事情，大量热运动的质子和中子互相碰撞，逐渐形成各种各样的原子核。这里还有一个常识，单一质子也可以形成氢原子核，科学上表示为1H（专有名词叫作氕）；而更通常的情形是一个中子和一个质子结合形成的氢原子核，科学上表示为2H（专有名词叫作氘）；还有两个中子和一个质子构成的氢原子核，科学上表示为3H（专有名词叫作氚）。其实无论是氕1H、氘2H还是氚3H，它们都是氢原子核。类似的两个质子和一个中子构成的氦原子核表示成3He（可以叫它氦三），而两个质子和两个中子构成的氦原子核表示为4He（可以叫它氦四），其中4He最稳定。

 

 

第16节：三、物质形成(10)

 

 

　　由于越简单的原子核越稳定，所以在这个时期，宇宙中所有的原子核几乎都是这三种-氢、氦和锂。这三种原子核我们现在都很熟悉，氢气通常在假日被打进气球中，而氦气通常被灌进飞艇里，这两种气体都比空气轻，所以氢气球和氦汽艇都能浮在空中。而我们平常所用的手机锂电池里含有锂。

 

　　在那个时候，这三种原子核所占的比例是不一样的。氢原子核最稳定，所以占的比例最大，大约占到73%，氦占到26%，剩下1%是锂和其他偶然形成的原子核。

 

　　6．35分钟

 

　　宇宙开始它的生命旅程35分钟后，温度进一步下降到3亿摄氏度，这时核过程停止了，氦和自由质子的质量之比大概保持在0.22～0.28这一范围内。由于温度还是太高，质子还不能和电子结合起来形成中性原子。

 

　　这里有个奇怪的现象：鉴于大爆炸早期，中子数目和质子数目相同，这正好同4He中质子数目和中子数目相等的事实一致，我们奇怪为什么大爆炸没有将全部氢变成氦。科学家们注意到，当宇宙膨胀时，很多中子转变为质子，所以中子数目会少于质子数目，这样就失去了氦形成的条件。

 

　　在中子变成质子的反应中，同时包含有对中微子的发射和吸收，这些捉摸不定的粒子与物质的相互作用相当弱。如果这些中微子与物质的相互作用非常强，中子应该衰变得非常快，并且以后应当有很少的中子遗留下来。如果这些中微子与物质的反应太弱，则形成氘核的反应会发生得很迟，就不会有过剩的质子形成氢以适于在像太阳这样的恒星中燃烧。那样我们的宇宙中也许将存在着迥然不同的生命。

 

　　7．30万年

 

　　当宇宙膨胀导致的冷却使温度下降到低于4000℃的时候，一个引人注目的事情发生了。这个时候由于温度的降低，自由飞行的电子将降低飞行速度。由于飞行速度的降低，它进一步受到质子的引力作用，慢慢地被质子俘获，成为质子的一颗卫星，围绕它转动。我们知道，原子是由电子和质子（另外加上中性的中子）构成的，这样一个质子和一个电子就发生了复合作用，成为最小的原子-氢原子。

 

　　在所有原子中，氢原子是最小的，所以受周围宇宙辐射的作用也最小。一般原子受辐射照射时会发出光来，比如我们在电影里经常看到，描写医院放射室或者核潜艇的核发动机时，总是表现为蓝莹莹的，其实这就是辐射照射空气分子时与分子相互作用发出的光。由于氢原子受宇宙辐射作用很小，所以辐射对它没有什么影响，因此任何光和辐射都能穿过它们。在外面看，原来一团致密的气体开始变得透明。这是一个奇妙的时刻，如果我们站在这个时期的宇宙外面，我们会注意到它开始变得透明和稀疏。整个宇宙开始敞开，这在宇宙学上叫作"解耦"。解耦后的宇宙体积进一步增大，为形成星系做好了准备。

 

 

第17节：三、物质形成(11)

 

 

　　按照大爆炸理论，在解耦前，宇宙应该是完全均匀的。因为我们无法想象从一个点向四周扩展的宇宙有什么理由是不均匀的。但是很明显，现在我们观测到的宇宙是不均匀的，因为我们不但能观察到星系团，而且还能观察到单独的星系和恒星。他们的平均密度大约为宇宙平均密度的1030倍。这个结构是如何形成的呢？其实，自组织理论就能很好地解释这个问题。在绝对均匀的情形下，总会在微小的局部有不均匀性，而这个微小的不均匀在某种条件下就可能扩大成最终的不均匀性。还记得那句话吗：亚平宁半岛上一只蝴蝶翅膀的振动，有可能掀起太平洋深处的一场风暴。在当初那个均匀的物质中，在引力作用下，微小密度有变大的趋势。任何一个微小的引力不均匀，都可能在局部形成一个比周围平均密度高的区域。这个区域将吸引更多的物质，因而进一步增加其密度。

 

　　美国物理学家勒斯仔细研究过这个问题。他说:如果一个区域内有较高的物质密度，将导致更多的气体受引力的作用而聚集；但由于离子密度增大的原因，也同时有更高的内部压强。一方面，扰动尺度越小，由此压强差引起的向外作用力越大；若尺度很小，压强使高密度区分裂。另一方面，引力的行为恰好为另一种方式，尺度愈大则引力愈大；若尺度非常大，压强效应是微不足道的，引力就起了作用，高密度区坍塌。对于一定尺度规模的扰动而引起所发生的稳定和不稳定之间的分界线叫作勒斯长度，大小为勒斯长度的一团物质的质量称作勒斯质量。

 

　　在解耦前和解耦后，勒斯长度是不同的，由105秒差距（秒差距如同光年一样，是一种宇宙尺度）下降到30秒差距，此时的勒斯质量是l06个太阳质量。因此，如果一个区域所包含物质的总数大于l06个太阳质量，则扰动直到解耦前都是稳定的，解耦时才突然变为不稳定。解耦后，由于气体随同宇宙膨胀，密度连续减小。不久以后，与密度有关的增加的引力效应阻止了膨胀并引起压缩，半径达到极大值，像银河系这样的星系的半径约为40千秒差距，随后急剧减小。当区域坍缩时，密度迅速上升，变得比宇宙平均密度大很多，这与星系观测一致。质量大于106个太阳质量的区域的引力是不稳定的，这个情况预言：将形成l06个太阳质量以上的构造。

 

　　在原星系本身中必定有小扰动产生，若其尺度足够大，它将是不稳定结构，开始坍缩形成星系中的星团和单个的恒星，甚至当时原星系本身也正在塌陷。这种情况下的勒斯长度很难算，但它表明星系形成过程跟勒斯质量在102～106个太阳质量间的变化有关。因此，恒星的第一代必然比现在典型的恒星重得多。这个结论对恒星中重元素的合成是重要的，因为重恒星更容易产生重元素。

 

　　在这个阶段，宇宙的主要成分仍然是气体物质，它们慢慢一团一团地凝聚成密度较高的气体云，慢慢地再进一步形成各种恒星系统。这些恒星系统的演化又产生了碳、氧、硅、铁等元素。

 

　　但是要记住，今天的物理学是基于此时此地的宇宙的研究基础上发展出来的，我们不能保证它绝对适用于描述创世之初的宇宙。因为当时宇宙的温度和密度仍然非常大，而只有在较低温度和较低密度下，物质的行为才可以用当代物理学描述，所以我们目前仍然无法十分精确地描述当时的情形。

 

 

第18节：一、恒星(1)

 

 

　　第二章 宇宙演义

 

　　宇宙完成漫长的胎儿过程后，终于进入一个相对稳定的发展时期。这个时候，构成全部宇宙的基本微粒都已稳定存在，形成宇宙的基本物质也已确定下来。星系开始形成，早先的紧密炽热慢慢变成现在的空旷寒冷。我们熟悉的宇宙开始露出雏形。

 

　　一、恒星

 

　　每一个星系都有一颗恒星安居中央，就像我们的太阳一样，给整个星系提供热量和光线。恒星是构成宇宙的基本单位，是星系的核心。所以，了解宇宙演化必须先从了解恒星开始。

 

　　1．恒星序列

 

　　如果想知道恒星演化的过程，必须首先搞清楚什么是恒星序列。

 

　　如果我们用肉眼仔细观察天上的星星，就不难发现，闪烁的群星有不同的颜色，有的微带蓝色，有的则微微发红。星星的颜色跟它们各自表面的温度有关，随着温度的增加，颜色由红到橙，由橙到黄，由黄到蓝，所以科学家就用星星的颜色来确定它们的表面温度。

 

　　20世纪初，丹麦天文学家赫茨普龙和美国天文学家罗素发现，如果用恒星的亮度和它们的表面温度分别作为纵坐标和横坐标的话，表示各种不同恒星的点并不是凌乱分布的，而是有一定规律，这个规律就叫作恒星的序列性。在图上，沿左上方到右下方的对角线上分布最密集，所以把这个区域叫作主星序。这表明：温度高的亮度强，随着温度的降低，亮度也减弱。另外，在左下方也有一块比较密集的区域，这些星温度高，呈蓝白色，可是亮度却很弱，大概它们体积不大，因而表面积不大（因为亮度跟表面积大小有关）。这类星叫作白矮星，这个区域叫白矮星序。在主星序右侧还有一个比较密集的区域，这些星亮度大，温度却低，呈红色。一般来说，温度低的星应该不太亮，但是这些星却非常亮，由此推断它们的体积一定十分巨大，所以叫作红巨星，这一带就叫作红巨星序。在巨星序的上方还有超巨星序。这张图就叫作赫茨普龙-罗素图，简称赫罗图。

 

　　天文学家认为，恒星的这种序列性反映了它们演化的规律性，不同序列的恒星就处在不同的演化阶段。这样，天文学家虽然没有可能观察到某个恒星从形成到衰亡的全过程，却可以通过观察处在不同演化阶段的许多恒星来研究恒星的演化规律。

 

 

第19节：一、恒星(2)

 

 

　　2．第一阶段-星云凝聚

 

　　最早的宇宙充满了宇宙尘埃，这些尘埃互相吸引、碰撞、远离，渐渐形成了一团一团的云雾一样的形状。我们知道，在天空中看到的云，实际上是无数细小的水颗粒或者叫水珠构成的。这些宇宙尘埃也同样聚集在一起，形成了恒星和星系的原始状态，这就是星云。

 

　　就是在现今的宇宙中，也依然存在着古老的星云组织。这些星云组织呈一团团不规则云雾状，其中充满了各种各样的气体和尘埃。这些古老的星云，不知道因为什么原因没有形成星系，而是按原来的形态保存了下来，它们给科学家提供了研究恒星形成原因的最宝贵的资料。有很多这样的星云我们至今还能看到，如著名的马头星云。因为星云是离散的，所以它们都不发光，而且它们十分稀疏，有些甚至稀疏到我们的目光可以穿越它们。也许，当我们注视一颗遥远的恒星时，那颗恒星的星光已经穿过了无数古老原始的星云才到达我们这里。

 

　　星云由于分布不均匀而往往分裂成团块，并向中心凝聚，成为弥漫星云。

 

　　弥漫星云在逐步凝聚收缩过程中进一步分裂，变成体积和质量更小而密度却更高的小球状星云。

 

　　星云很庞大，半径起码有好几光年。它的外原物质自由地向中心坠落，坠落速度相当快，但也需几百万年的时间才能落到中心区。

 

　　星云的质量通常和恒星差不多，但是体积却比恒星大成千上万倍。在宇宙形成早期，由于星云团中颗粒间的万有引力作用、热运动造成的碰撞作用和分子结合力，这些星云物质开始凝聚，在这个凝聚过程中，星云体积收缩，并且逐渐变热。变热的原因来自热力学定律，气体收缩导致分子间距变小，分子势能转化为热能释放出来。由于收缩是由引力造成的，所以这个收缩阶段很快，大概只需要几百万年。随着快收缩过程的进行，星云内部的密度迅速增大，温度快速升高，气压也相应增强，随之发生一系列的反应，使外原物质下落的速度和星云的收缩速度减缓，即进入慢收缩阶段。

 

　　一般把处于慢收缩阶段的天体称为原恒星。慢收缩开始后，中心区受强烈压缩而升温并发出热辐射，直到最后中心温度升到约800万摄氏度到1000万摄氏度以上，由氢原子核聚变为氦原子核的热核反应提供足够的能量，使内部压力与引力处于相对平衡状态，一颗恒星就正式诞生了。

 

　　原恒星进一步形成恒星的收缩过程要持续几百万年到几千万年。

 

　　经过凝聚的星云就开始向恒星演化，当体积逐渐缩小时，亮度就开始增加。当能在赫罗图上看到这团星云物质时，我们就可以称它为恒星了。这时候它一般位于赫罗图的右下角，成为一颗主星序恒星。

 

 

第20节：一、恒星(3)

 

 

　　3．第二阶段-壮年恒星

 

　　星云团由于中心收缩而大大加热，当星云内部的温度达到1000万摄氏度时，就开始了一个新的转变。原来星云物质中大量的氢，由于万有引力互相靠近和压缩而形成了核聚变反应。这个核聚变反应就是氢弹爆炸的原理，每四个氢原子互相靠近和挤压，在形成一个氦原子核的同时释放出大量核聚变能。在地球上，人们要想实现核聚变，以氢弹为例，就需要使用巨大的外力迫使氢原子互相靠近。这个巨大的外力在地球上是不能自动产生的，所以人们就只能使用原子弹产生的巨大压力形成氢原子挤压，造成核聚变，这就是氢弹的原理。而在早期的星云中，由于体积十分巨大，仅仅依靠原子间相互的引力就可以满足核聚变的条件，所以恒星内部就有无数个巨大氢弹在爆炸，这些爆炸产生了巨大的能量，从而使恒星进入一个活跃的壮年时期。

 

　　进入壮年时期的恒星主要组成物质几乎全部是氢和氦。内部核聚变所产生的能量逐渐占主要地位，收缩就不再继续。这时它通过辐射、发光而失去的能量就靠内部的核反应来补充，所以一颗壮年恒星是非常稳定和活跃的，这一阶段的恒星就位于赫罗图上的主星序中。在恒星漫长的一生中，停留在主星序阶段的时间最长。

 

　　我们的太阳就是一颗典型的壮年恒星，它活跃的内部不断进行核聚变反应，无休止地向外界辐射热量和光，所以才有了我们地球上的阳光普照。

 

　　4．第三阶段-红巨星

 

　　无论恒星当中有多少氢，总会有烧完的那一天。当壮年恒星内部的核反应逐渐把氢消耗完，所有的氢都转化为氦时，维持恒星状态的反应就结束了。这时候，恒星中心的核反应不再提供维持恒星状态的能量，星体只能继续收缩。同上次收缩一样，这次收缩同样将星体内部继续加热。而与此同时，恒星表层的大量气体由于失去了核心的束缚而向外膨胀，表面温度降低，这时恒星将变得很奇怪，它将有一个巨大的体积，但是主要成分却全部是气体，而同时有一个更加致密的内核。这个内核的温度非常高，超过1亿摄氏度，密度超过每立方厘米100吨。在这个内核中，由于只有氦原子，所以开始进行一个新的核反应，由三个氦原子核转化为一个碳原子核，再度产生巨大的能量，这个能量使得内部压力增高，从而抵御了向内塌陷的力，使整个恒星再度稳定起来。

 

　　我们可以设想一下从外面看这一阶段的恒星的情形：暗蓝色的外围星云气体,巨大的网络状结构横亘在内部的红色尘埃中,显著的中心白点,灼热的中央白矮星。星云的这些显著结构详细表达了恒星临死时的活动: 在红巨星阶段,恒星的氧-碳内核已经不再发生热核反应,即使外壳对核的压力增大,内核也得不到充分的压缩而引起碳-氧继续聚变,但内核周围的氢层和氦层继续燃烧,并且向外扩展,这种情况下,引力与排斥力开始不稳定, 恒星便开始一鼓一缩地脉动； 红巨星稀薄的包层向外以星风的形式逃逸,形成同心圆结构; 随着红巨星大气的丧失,中心星由于极高的密度和温度产生类似爆发的高速星风, 将剩余的气体与尘埃抛出,形成不规则的块状结构和气泡结构。由于从远处看这个阶段的恒星体型巨大而且发红，所以又叫红巨星。

 

 

第21节：一、恒星(4)

 

 

　　一般一个红巨星可以存在10亿年左右。它们在赫罗图的右上角。一般来说，体积越大的恒星氢消耗得就越快，所以寿命也就越短，成为红巨星的过程就越快。

 

　　5．第四阶段-白矮星

 

　　经过了红巨星阶段后，恒星就进入了它的晚年。这一时期恒星的特点首先是不稳定。不稳定的状态首先表现为脉动，也就是它的大小和亮度开始发生周期性变化。当脉动幅度达到一定程度的时候，就会发生爆炸。爆炸抛射出来的物质在垂死的恒星周围形成一个庞大的气壳或者是气环，看起来就好像是星云一样，然而这个星云却非常明亮，和恒星的亮度一样。

 

　　这时候，红巨星内部的氦也烧完了，内核温度达到6亿摄氏度以上，此时，碳开始进行核反应，进一步转化为氧和镁等比碳重的元素。碳烧完的速度更快，大概只需要1万年。这时候内核的温度已经超过20亿摄氏度，然后氧被迫进行核反应转化为氖、硫等更重的元素。氧反应存在的时间更短，几乎只有一年左右。这些反应一个接一个地进行，每一种元素都转化成比它更重的元素，直到最后，温度达到40亿摄氏度的时候，终于全部转化为最稳定的元素--铁。到了铁，剩余的核能在1000秒内用完，内核温度已经达到了60亿摄氏度。这时，内核已经不能通过核反应来获取内部压力以抵挡向内的塌陷了。

 

　　核反应消失以后，只有引力作用的内核不可阻挡地向内塌陷，体积越来越小，密度越来越大。它的半径最后缩到只有几百公里，而密度却比岩石高了几亿倍。现在的内核已经没有原子核了，所有的原子核都已经被挤碎成为非常小的微粒。我们知道，在原子核外面旋转的电子，当原子已经被压缩到间隙足够小的时候，电子之间同性相斥的力就开始起作用，它阻止了内核继续向内的塌陷，拯救了这颗无可救药的恒星。

 

　　于是，这颗恒星终于稳定了下来，因为体积小，所以亮度很低，于是它出现在赫罗图的左下角，被称为白矮星。

 

　　6．第五阶段-超新星、中子星

 

　　如果一个恒星在青年时期过大， 那它衰亡的过程就激烈得多。由于它质量大、引力作用强，在核反应结束的时候，向心引力非常大，所以它收缩得非常迅猛。这种剧烈的坍塌使内核压缩到密度极高的状态，同时又向外发出强烈的冲击波，使外层物质猛然向星际空间抛射，这就是超新星爆发。

 

　　超新星爆发时亮度骤增几千万倍甚至1亿倍以上，经过几个月时间才慢慢变暗下来。剧烈爆发把很大一部分恒星物质抛射到周围的空间中，成为弥漫星云。

 

　　超新星爆发后，恒星致密的内核在坍塌造成的巨大压力下压缩成为超高密度的状态，密度比白矮星还要高几百万倍。在这种情况下，原子里原来的核外电子几乎全部被挤到原子核里去，和原来在核里的质子结合成中子。这时候恒星的全部物质都由中子构成，恒星就成为中子星。由于密度大，中子之间也会产生一种斥力，能对抗引力塌陷，使内核达到一个稳定平衡的状态。

 

 

第22节：一、恒星(5)

 

 

　　7．第六阶段-黑洞

 

　　恒星进一步塌陷，成为充分紧缩到某种程度的天体，致使光线都不能外逃，第一个测出此事件发生时该天体半径的是美国天体物理学家史瓦西。史瓦西称得上是20世纪上半叶最伟大的天体物理学家，他曾为天体物理学的许多分支学科撰写了指引方向的论文。爱因斯坦推导出广义相对论引力场方程组后，史瓦西在去世前不久求出了第一个严格解，其中就包含了黑洞推论。天体紧缩到光线都不能向外逃逸的临界半径被称为史瓦西半径。太阳的这种半径大约为3公里，这就是说如果把太阳物质紧缩到半径为此值或更小的一个球内，它的光线就休想往外逃逸了。任何物体的史瓦西半径都可以算出来，质量愈小，这种半径也愈小。对应于一个人体质量的史瓦西半径实在微小，如果用厘米为单位来表示，就是小数点前面一个零，小数点后面要先来20个零才出得来非零数字。如果把一个人的质量挤压在如此小的半径范围中，光线就不能由此人逃逸到外界了。

 

　　一个天体失落在一个黑洞中绝不是它在宇宙中消失了，它的引力使它仍可以被外界所觉察。光线贴近它就被它捕获，在它周围较远处穿越的光线则发生方向变更。它能够用它的引力和别的天体组成力学系统，能够控制住一批行星，还能够和另外一颗星结成一对双星。

 

　　一颗恒星的命运要么以老老实实冷却的白矮星结束，要么以中子星而结束。但当一颗恒星演化到结束时，如果剩下质量太多到既不能形成白矮星，也不能成为平衡态中子星时，那么，这种残余天体的下场就是在黑洞里永远地收缩下去。

 

　　恒星的结局是致密天体，其中的物质永远处在一起。不过在此以前它们把一部分质量抛向空中，这就为新一代恒星的诞生准备了物质基础。那么，归根结底宇宙中的一切恒星都要缩聚为冷却中的白矮星、中子星或者黑洞，而围绕它们死气沉沉地运转的则是冰冷的行星，看起来宇宙似乎是在走向枯燥乏味的未来。

 

 

第23节：二、太阳系形成(1)

 

 

　　二、太阳系形成

 

　　太阳系是我们栖息的家园，是地球和生命起源的地方。太阳在浩瀚的恒星海洋中毫不起眼，但是因为它离我们最近，所以研究太阳系的起源可以最终了解其他恒星的起源，而且我们也十分有必要知道我们生存的这个星系是如何开始的。

 

　　1．起源假说

 

　　一个圆满的太阳系起源理论必须能解释太阳系目前存在的基本特征，否则我们就只能假定太阳系形成之后存在过某种强大的外界扰动，而这几乎是不可能的。下面便是起源理论所必须解释的主要特征：

 

　　（1）几乎全部绕太阳运转的天体的运动（公转和自转）都在同一方向，只有天王星、金星、少数卫星和许多彗星是例外。

 

　　（2）这些天体的轨道平面相互之间夹角很小。例外的情况是天王星的卫星和多数亮彗星。

 

　　（3）行星的赤道面和太阳的赤道面一样，都近似平行于各个行星的公转轨道，而只有天王星特殊。

 

　　（4）四颗类地行星的密度远比四颗类木行星的密度要大。

 

　　早期假说

 

　　法国人布丰提出的太阳系起源假说是依据这样的信念：彗星是一颗甚为庞大的天体，它一旦碰到太阳上就必定会裂为碎块而飞散到太空去，地球和其他行星就可能是由这种碎块形成的。

 

　　我们现在知道，彗星的质量极小，不会产生上述可能的过程。这个假说后来又做了修正，即认为太阳没有与彗星相撞，而是和另一颗恒星相碰。当然，若两颗恒星相碰，其规模肯定是相当可观的。不过，恒星彼此相隔太远，它们相碰的可能性之低可以完全否定这一设想。

 

　　如果恒星之间直接碰撞让人难以置信，那么，会不会有另一颗恒星与太阳非常接近呢？两颗恒星可如此的近，以至于恒星的潮汐力（两颗离得很近的星球，互相相向的一面互相吸引的力和互相相背的一面互相吸引的力是不同的，这个差别就是潮汐力）互相能够从太阳或恒星中吸出一股类似雪茄烟雾状的气团，使之最后能凝聚成为行星和卫星，但这种情况发生的概率仍是极小的。有人估计，自地球有生以来，在含有2000亿颗恒星的银河系中，经这种过程产生的行星系统仅有10个。

 

　　面对着茫茫的恒星世界，天文学家无法认同这样的陈旧观念-地球在宇宙中是独一无二的，我们的行星系统是无与伦比的。假如一个天文学家能完全客观地研究宇宙，他就不会承认天空中数不胜数的恒星都是单为人类的利益而存在的。他必然认为还有不少的恒星，其周围运行着有与人相似的生命存在的行星。所以，他对那些诸如恒星相撞或恒星接近之类的假说不予理睬，因为接受这样的假说，就无异于承认我们太阳系赋有特殊性或近似特殊的条件。

 

　　而且还有人证明过，即使两颗恒星相撞或互相靠近，抛向太空中的气体也不会凝聚为行星，因为气体的密度肯定很低，气体的运动只能导致气体的继续扩散。所以天文学家力求把太阳系的形成解释为一种不受外界影响的自身独立的变故。

 

　　星云收缩说 星云说

 

　　星云说是18世纪后半叶德国哲学家康德和法国数学家拉普拉斯提出来的。星云说认为太阳系是由一团巨大、灼热而又转动着的原始太阳星云在引力作用下演化而成的。成分以氢为主的气体云在银河系中是极为普遍的。有人估计，气体云的某一部分可能脱离气团的主体而自发形成一个局部旋涡。在一些亮星云的照片中，显示出在这些亮星云与地球之间存在着晦暗的"球状体"，这一事实更加重了上述论证的分量。

 

 

第24节：二、太阳系形成(2)

 

 

　　那么，假如这种小型旋涡的气体的密度达到足够高的程度，它便会在本身引力的作用下自行收缩起来。凡是一个处于自转而同时又收缩的体系或物体将会越转越快，这是角动量守恒定律的必然结果。正在收缩之中的气团的角动量是难以计算的，不过，气团中每个质点的角动量便等于质点的质量m、质点的转动速度v和质点围绕中心转动的轨道半径r三者的乘积（角动量＝mvr）。如果该质点不受外力的作用，这一乘积mvr将始终保持不变。假定质点的质量m不变，则在质点的转动轨道半径缩短的时候（因为气团作为整体在不断地收缩），其自转速度就要增加。这个现象可举一个实例来加以说明：一位旋转的花样溜冰运动员，在她开始旋转之初，其双臂是伸开的，但当她将双臂收拢时，她便转动得更快了。如果轨道半径减小而速度并不增加，那角动量就一定要降低。然而角动量守恒定律却完全否定了这种可能性-只要无外力作用在旋转体系之上，其角动量肯定是恒定不变的。

 

　　气体圆盘说

 

　　从星云假说的观点出发，康德和拉普拉斯进一步提出气体圆盘的假说。既然星云中一团正在收缩的气旋可以越转越快，其结果就会围绕着中心星云在垂直于自转轴的平面内形成一个巨大的气体圆盘。

 

　　圆盘一旦形成，拉普拉斯认为它会马上收缩起来。在此过程之中，圆盘便定时地遗弃一些小型的环圈或蒸汽环带，这些环状气团由于停止收缩也就脱离了主圆盘，每个独立的环圈通过自身形成一只小型的旋涡而聚合成为一颗行星；而这种气旋的旋转会再产生更小的气体环形气团，由此又形成行星的卫星（例如月亮）。在此之前，太阳已成为一颗新生的恒星，它的腰部围绕着一个又大又扁的气体尘埃圆盘。这个圆盘的扁平形状就可以解释行星轨道大都分布在同一平面之内的事实。拉普拉斯举出土星环为例，说"土星环就是土星大气的原始范围及其不断凝结过程的现存证据"。

 

　　这一解释尽管十分巧妙（它已部分地为当代假说所吸收继承），但它却无法说明太阳系的一个极为重要的特征，即行星和太阳之间的角动量分布极不均匀这一现象。太阳的质量虽然远远超过其体系的其余部分质量的总和（太阳占全体系总质量的99.9%），但是太阳的角动量居然只有全体系的2%。这一情况的物理含义是：太阳旋转极慢，但拥有全体系98%的角动量而体积却不大的诸行星，竟然在距离中心甚远的地方高速转动着。

 

　　根据康德-拉普拉斯理论并结合此后的补充知识来预算太阳的自转周期，就能验证康德-拉普拉斯假说是否正确。天文学家不仅能估计气体云在收缩之前的体积，还可测出所观测星云中气体的自转速度。根据这个估计的体积、观测的自转速度和角动量守恒定律，康德-拉普拉斯理论预见到太阳的自转周期应在半天左右，而实际的观测周期却是26天。理论与观测之间相差竟如此悬殊，是令人无法接受的，康德-拉普拉斯理论肯定忽略了形成过程中某些重要的方面。纵然这一理论对后来的天文学家的思想启发很大，但也无法原封不动地采用。

 

 

第25节：二、太阳系形成(3)

 

 

　　二力作用说

 

　　这是以太阳四周略具雏形的星云圆盘为起点的一个假说，是由美国亚利桑那大学月球和行星实验室的柯依伯提出的。他主张行星的发端是两种完全相反的力对星云圆盘中任一气旋（旋转单元）共同作用的结果。这两种作用力就是： （1）使气体聚集为一个整体的自身引力。

 

　　（2）力图使气旋解体的太阳潮汐力。

 

　　若气体密度足够高（高过某一特定的临界值，柯依伯称此临界值为"罗歇密度"），引力场将会起主导作用，而组成旋涡的物质便收缩为一种原行星，即一颗原始行星。在原始行星这个中央核四周环绕有一个同拉普拉斯的想象一般大的气体圆盘。

 

　　来自太阳的潮汐力迫使每颗原行星朝太阳方向变扁，从而便发生了周期和方向都与绕日公转一样的绕轴自转。但是随着原行星在其自身引力作用下不断收缩，它会越转越快，因为无外力作用时，它的角动量必须保持守恒。这样，我们可以看出，行星的自转方向应该与其公转轨道运动的方向相同。同理，产生于原行星周围的星云圆盘中的卫星，其公转与自转也和原行星的自转同一个方向。

 

　　这个解释似乎不能很好地说明土星环的存在，但美国天体物理学家罗歇曾证明了在2.4倍于行星半径（称为罗歇限）范围内存在的潮汐力非常强，足以阻止卫星的形成。这种罗歇限的概念有助于说明土星环的存在：原始构成环绕土星的星云圆盘的物质，因处于罗歇限之内而未能聚结成卫星。我们或许还记得，早在两个世纪之前，拉普拉斯就认为土星环乃是星云圆盘的现存证据。

 

　　柯依伯认为整个太阳系形成过程可分为四个阶段来讨论：

 

　　第一阶段是原始星云分解成为原太阳和绕太阳转动的星云圆盘。在此阶段的原太阳仍是昏暗无光的。

 

　　第二阶段是星云圆盘中的原行星的形成。该圆盘分裂为两部分：内侧部分形成四颗类地原行星，外侧部分形成四颗类木原行星。在介于两者之间的区域中，圆盘密度不会超过发生收缩过程所必需的罗歇密度，因而太阳的潮汐力将会阻止任何大型天体的形成。然而可以预料，几个比行星小的天体还是可能形成的，经碰撞，这些小型天体便分裂成为小行星。类木原行星之外的星云圆盘也是密度甚低，那就只能形成彗星了。

 

　　第三阶段是使太阳由暗变亮。它强烈的辐射会使星云圆盘中比较靠近太阳的气体电离，这种旋转的电离圆盘与太阳磁场间的相互作用能充分说明太阳角动量的丧失及太阳自转周期的必然加长这两个现象。

 

　　第四个阶段是星云圆盘和来自刚刚发光的太阳的辐射之间进一步相互作用。正如彗尾由于受太阳的辐射与微粒辐射压的作用总是背离太阳一样，星云圆盘中的多数气体也是远离太阳的。仅有那些被行星胚胎引力场牢牢控制住的气体才能留在太阳的近旁，其余的物质（其实占其质量的绝大部分）则由太阳系抛回星际空间去。离太阳最近的那些行星，因蒙受太阳的辐射与微粒辐射压作用更强，所丧失的质量会远远多于四颗离太阳较远的类木行星。既然被抛射出去的物质多是较轻的物质（氢气居多数），这就说明了类地行星的密度之所以较高的原因。

 

 

第26节：二、太阳系形成(4)

 

 

　　收缩假说的主要困难是难以解释气体被太阳风吹散后如何形成类地行星。要形成类地行星，星云圆盘中的密度必须超过罗歇密度，而这就要求在分解过程中占星云圆盘质量3/4的氢必须存在。照此说来，我们的地球就应该含有大量的氢元素，但实际上却不是这样。

 

　　当然，也会有这样一种可能性：类地行星的形成是一个吸积过程，而类木行星则是通过收缩过程形成的。这一见解在某种程度上已经得到观测资料的支持，月亮和火星上的巨大环形山便是吸积过程的例证；而土星与木星两者的内卫星及土星环的情况，则又表明这些行星系是由星云圆盘中的致密部分分解而成的。由此看来，类地行星与类木行星这两者的形成条件和过程不同是完全可能的。火、木二星之间空隙的存在可以这样解释：由于密度、太阳潮汐力以及温度等条件的限制，上述两种过程均不能在这一区域发生。

 

　　密度扰动说

 

　　英国天文学家金斯在20世纪初提出，原始星云如果出现满足一定条件的密度扰动，就会碎裂、坍塌而形成恒星。那么促使原始太阳星云坍塌而形成太阳系的密度扰动是如何产生的呢？太阳附近的超新星爆发可能是造成这种密度扰动的原因。

 

　　我们来想象一下50亿年前所发生的过程。那时太阳还没有诞生，在现在称为太阳系的这部分空间所有的只是一片密度很低的弥漫云状物质，这便是年轻的原始太阳星云。在离它几十光年的地方有一颗大质量恒星，已经到了一生中的晚期。随着时光的推移，这颗衰老着的恒星终于用完了在它核心部分进行热核反应的全部材料。结果这颗恒星剧烈地收缩，外部物质向中心迅速跌落，同时产生强烈的冲击波。恒星的外层向周围空间猛烈地抛出大量物质，星光在短时间内增亮千万倍，这就是超新星爆发。外抛物质的初速度可以达到每秒上万公里，经过几十万年的长途旅行后，抛出物以每秒几十公里的速度与太阳系星云相遇。太阳系星云在它们的冲击下受到压缩而扰动，星云中的物质分布不再是大致均匀的了，而是有的地方密度变高，有的地方密度变低。结果是太阳系星云发生碎裂，并最终在它密度最高的地方出现引力坍塌而形成太阳系。

 

　　1969年一颗大陨星坠落在墨西哥一个名为阿连德的村庄附近。这是一颗生存了45亿年之久的老年陨星，为我们提供了几乎原封不动的原始太阳星云物质的样品。研究发现，阿连德陨星中镁26同位素的丰度和分布情况无法用原始太阳星云本身做出解释。一种可能的途径就是通过超新星爆发把铝26注入太阳星云，并且在后来再衰变为镁26。这似乎间接地证明了太阳系最初是由某个超新星爆发偶然形成的。虽然这个说法偶然性太大，但还是被大多数人接受了。

 

 

第27节：二、太阳系形成(5)

 

 

　　星云吸积说

 

　　假定云状圆盘围绕太阳旋转的局面已定，描绘行星形成过程的另一种方法便是吸积过程，这就是说许多小天体集聚合并成为大天体。从火星上、月亮上和地球上的撞击环形山或陨星坑便可看出，这些天体在太阳形成后的第一个10亿年期间，每个都收集了许多小型天体。月亮上的月海与东方盆地就是由于收集这些小型天体而形成的，因而使月亮的质量大为增加。照此看来，月亮就是由吸积过程形成的。

 

　　吸积理论的主要障碍在于很难想象此过程是如何开始的。原始星云圆盘中那些细小的屑粒究竟是怎样会聚到一起而成为几个庞大的行星的呢？ 星云圆盘中的第一批固体显然是发现于球状陨星中的嵌入颗粒。这些陨星嵌粒通过某种途径集聚到形成大块物体的母体中，这种母体经过进一步合并就可能成为小行星，以至最终成为行星。但是细小的屑粒是怎样会聚到一起的，这一机制是完全不清楚的。

 

　　星云圆盘中的陨星嵌粒和尘埃都是非常细小的屑末，它们之间的万有引力很小，还不足以有效地吸引其他的颗粒。但是，这些物质屑粒受到高能光子、太阳风中的质子与电子以及宇宙射线的轰击，都是带电的，电力要比引力强得多。"阿波罗"12号宇宙飞船的飞行员曾发现许多微粒附着在他们的服装和设备之上，据推测这些颗粒是带电的。

 

　　带有相反电荷的两个物体是相互吸引的，一带电体（不论带正电还是带负电）会吸引其他非带电体，用一把塑料尺与毛皮摩擦即可吸附尘埃与纸屑。可以肯定，电力之强不仅足以使星云圆盘中的屑粒彼此吸引，而且一旦相撞，还可以结合得更加牢固。

 

　　另一个要回答的问题是，内侧的类地行星和外侧的类木行星的密度何以相差如此悬殊？星云圆盘的温度与太阳风对促使化学元素分离和圆盘中央形成石质的类地行星可能起了一定作用。星云圆盘的中央无疑会比外部热，所以可以认为中心的岩石一类的物质首先会凝固下来。当然，甲烷、氨、水蒸气和二氧化碳等气体在圆盘的热区是不会凝固的，像氢、氨之类的最轻元素则可能被太阳风吹出太阳系的中央区。

 

　　不过，既然太阳风之强足以吹散气体，那它也应该会使气体电离。这样一来，星云圆盘的内部就可能是由自转的电离气体所组成。带电粒子的运动产生磁场，人们普遍认为，造成太阳自转速度减慢的原因正是这种自转电离的星云圆盘磁场和太阳磁场的相互作用。这样，角动量由太阳转移到圆盘，并且如果大量的气体被吹至太空，那也会带走太阳的一些角动量。当这些气体被吹散时，行星在其形成过程中到底前进了多远，这是不清楚的。

 

 

第28节：二、太阳系形成(6)

 

 

　　吸积假说这样描述太阳系的形成过程：首先形成许多数百英里直径的天体，之后，这些天体再集聚成为类地行星和月球。月亮原是处于绕日运动的轨道之中，后来不知何原因又为地球所俘获。月球的轨道平面比地球的赤道面更为接近平行于太阳系平面，这一事实是地球俘获月亮这一见解的有力论据。木星的内卫星的轨道面几乎都与木星的赤道面相平行，这表明它们是同木星一起形成的。可是，木星的外卫星的轨道面却与木星的赤道面倾斜得很厉害，而且有几个外卫星的公转还是逆行。因此，目前普遍认为木星的外卫星是木星俘获而来的。

 

　　类木行星主要是由氢和氨构成的，有人猜测这些气体也许还夹杂有一些岩石物质，都是凭借着甲烷、氨、水和二氧化碳才集聚到一起的。显然，这一部分圆盘拥有大量的物质，足可形成大行星，而大行星的引力场不久便强得可以吸聚气体，因而每颗行星就增大起来。行星增长得越大，它的增长速度也越快，直到把圆盘中的气体耗尽为止。

 

　　除类木行星之外，据推测仅能形成主要由凝冻的甲烷、氨气、水和二氧化碳的混合物构成的小型天体。这些小型天体围绕着太阳在各自的轨道上运动，一般都位于海王星和冥王星的轨道之外。按照这个假说，这种由冷凝混合物组成的小型天体，有的偶然在其轨道上受到扰动，就会深入到太阳系的内部，这时它便被太阳加热，从而形成了使天文学家惊异不止的壮丽彗星。

 

　　2．行星起源

 

　　行星共性起源

 

　　人们很早就注意到太阳系天体的很多明显的共性，这些共性对于我们认识太阳系的历史有特别重要的意义。所有的行星基本上都在一个共同的平面上，像一个巨大的铁饼，这在天文学上叫作轨道共面性；根据观测，所有行星的运行轨道都是一个椭圆，但是有一个很有意思的特点，所有这些椭圆都不是特别扁，而是更接近正圆形，这在天文学上叫作轨道近圆性；行星的自转（自身的转动）、公转（围绕太阳的转动）的方向一般说都是一致的（金星反向自转），自转和公转围绕的轴心大致都是平行的，也就是说基本上所有的行星都朝同一个方向转动并且转动面都平行，这在天文学上叫作自转、公转同向性。另外，构成这些行星的基本元素几乎是相同的。

 

　　行星为什么有这样鲜明的公共规律性呢？这说明它们肯定有着共同的起源。它们就是由最初那个太阳星云变化而来的。星云物质是一些基本微粒，由于引力的作用，密度大的微粒吸引密度小的，成为一些团块；这些团块的周围微粒又陆续被吸引到团块上，团块逐渐增大，最后，最大的团块形成了太阳，其他团块形成了行星。

 

 

第29节：二、太阳系形成(7)

 

 

　　当微粒被吸引向中心团块的时候，有一种斥力使下落运动发生偏转，变成了绕团块的运动，这样中心团块就变成一个巨大的旋转的铁饼。在这个铁饼里，微粒在互相冲撞的运动中自然达到一个平衡状态，这样就造成了行星彼此同向平行的运动。而在形成行星的团块绕太阳运转时，跟在它后面的微粒受它吸引而加速，从团块的外侧落到它的上面，这样就产生了一种推动力使它自转，并且使行星的自转和公转方向一致。

 

　　这种星云的旋转和离心力使得星云变扁，这恰好说明了行星的共面性、近圆性、同向性是自然运动的结果。

 

　　行星密度分布有一个显著的特点，就是离太阳越远的行星密度越小。这是因为离太阳越近，星云的温度就越高，这样只有比较重的物质才能凝固起来，所以在这里形成的行星密度大；而离太阳越远，温度越低，比较轻的物质才可以凝固，因而在这里形成的行星密度小。所以太阳系行星从总体分布上呈现出密度从里向外逐渐减小的特征。

 

　　行星物质起源 行星的物质起源是一个化学上的课题。我们知道中心太阳凝聚时，它的周围有一个在太阳收缩期间从太阳里抛出来的尘气圆盘，尘埃粒子在互相靠近和吸引积聚并形成行星以前，会朝黄道面分离开来。天文学上称其为母尘气云，就是行星最开始的尘埃团体。完全有理由认为母尘气云混合得很好并且在化学上是同质的，即这些母尘气云在化学性质上应该是非常相似的。

 

　　关于这种云的化学组成的证据有好几个来源，而且是相互一致的。这些证据包括目前太阳系中最原始而尚未变质的陨石（例如一些碳质球粒陨石，请记住这种可能代表行星最原始物质的陨石，它将为行星演化提供非常重要的证据）中的元素丰度（各种元素所占的比重或者比例）的测定，以及以核合成过程和核素分类学等为依据的论据。为方便起见，把原始尘埃中的元素分成三大类："气"、"冰"和"岩石"，这是这些元素在相当低的温度下形成的。科学研究表明，"气"（主要是氢和氨的成分）占主要优势。在类地行星形成期间，这些气体几乎全部丢失了，在外行星中间也丢失了很多。所以有理由相信，最初的行星星云应该比现在存在的行星大许多倍。

 

　　现在需要关注一下铁在行星演化中的重要作用。我们知道，铁在120℃以下如果暴露在氧气环境下，会氧化形成氧化铁和磁铁，而如果高于这个温度，则磁铁会被还原成金属铁。一个简单的实验就可以证明这点，用火焰烧烤一块磁铁会很快使它失去磁性。

 

　　在原始的太阳星云里，由于所处的宇宙的低温环境，所有的铁最初都以氧化态存在。但是我们已经知道，地球、月球、陨石以及金星和水星全都含有金属铁，由此可得出结论：在尘埃吸积形成行星之前或是与此同时，氧化的铁被部分地还原成了金属铁。现在回顾一下那些原始的碳质球粒陨石，也许同太阳星云里的原始尘埃颗粒密切相关。科学研究发现，这种陨石里所有的铁都是被氧化的。仔细的化学分析还表明，碳质球粒陨石在相当大的程度上保留了大多数元素的原始丰度，除了那些高度挥发性的元素以外。它们经历了非常简单的化学和热的历史，而且在被吸积进母体后，不曾被加热到100℃以上。现在有相当多的证据支持对这些都是极其原始的物体的看法，它们为鉴定行星形成理论提供了重要的证据。碳质球粒陨石的明显特点之一是它含有大量碳质物质，包括许多种复杂的有机化合物。许多星际分子同在这些陨石里找到的化合物是密切相关的。当主要由一氧化碳和氢所组成的混合气体在有硅酸盐氧化物作为催化剂的情况下冷却时，不是生成了热力学上稳定的甲烷，而是在这些条件下很容易产生大量亚稳态的复杂有机化合物，倘若非常快地冷下来，这些化合物也许就可以长久地保留下来。

 

 

第30节：二、太阳系形成(8)

 

 

　　天文学家们还研究了行星的平均密度，发现它们的变动范围很大。这种变动一部分是由于在行星自己的重力场里由不同的自身压缩所造成，但也可看出，即使消除了这些效应，在某一共同的平均压力下，行星的密度仍将有很大的不同。密度的这些差别，意味着行星的化学成分也有相应的差别。天体化学的基本问题之一，就是试图说明化学上形成这些差别的性质和原因。解决了这个问题，将有助于弄清楚行星形成的化学过程。

 

　　天体化学家们首先考察的是外行星（类木行星）与内行星（类地行星）的比较，后者的密度大于前者。这是由于外行星主要由"气体"和"冰"组成，而内行星则大部分由"岩石"成分组成的结果。一般说来，根据母星云中的温度分布就可以理解这一点。在类地行星区域里温度相当高（在0℃以上），以致"冰"也不凝聚，因此，这些行星由非挥发性的"岩石"成分所组成。在外行星区域里温度相当低，使冰能够凝聚，被吸积形成相当于几个地球质量的大的行星核。以木星和土星来说，这些行星核的重力场强大到足以吸进气态的氢和氦，所以这些行星更接近于太阳的组成。天王星和海王星也被积聚成大行星，主要由冰组成，但不像木星和土星那样吸进那么多的氢和氦。就类地行星而言，当减到一个共同压力时，密度还是有很大差别，这表明类地行星在化学组成上也有很大差别。这些行星是从星云的相对不挥发的"岩石"成分所形成的，可是星云一开始的时候在化学成分上是匀质的，后来这部分相对不挥发的物质是怎样分化的呢？ 根据远距离对各个行星的观测结果，可以认为大多数行星都有的铁、硅、镁、钙、铝等金属的相对丰度是相同的，太阳和原始球粒陨石里的这些元素的丰度也是一样的。大多数类地行星之间密度差别的起因，不是相对的金属丰度的变动，而是行星里氧的量的变动，也就是氧化还原状态的变动。

 

　　怎么会造成氧化还原状态的这些变动呢？在一个冷的太阳星云里，尘埃颗粒在很多方面都像上面那个碳质球粒陨石的物质，这种陨石含有被氧化了的铁和复杂的含碳化合物。吸积了这种物质的原始行星，在吸积期间发生了自动还原作用，就像高炉炼铁那样，碳同氧化铁反应产生了金属铁，这样就直接形成了行星。由于能源不同以及运动条件的制约，所有行星都不会以同等程度进行还原过程。氧化还原状态的变动能够造成行星间密度的差别，在这点上，处于完全氧化态的原始碳质球粒陨石物质，当氧化态的镍和铁被还原成金属时，由于系统里失去了氧，密度就增大了；当铁完全被还原时，行星密度将增高很多。进一步还原时，硅酸盐分解成元素硅并与金属铁结合成为硅铁；当硅酸盐被还原时，密度增大得更快了；当原始行星里硅总量的40%被还原时，相当于20%的硅参与形成硅铁。

 

 

第31节：二、太阳系形成(9)

 

 

　　有了上面这些理论的支持，就可以细致地描述行星形成的过程。原始母星尘由于引力作用下落到生长中的行星核上时，主要以热能形式释放出引力势能。对地球来说，在吸积期间耗散的引力势能将越来越大。所以在行星吸积的早期阶段里涉及的能量很小，吸积相当缓慢。温度当然是低的，并被挥发物的汽化潜热所缓冲。挥发物主要是在星尘碰撞行星核表面时所排放出的水和甲烷。在这个阶段里，形成了一种冷的、氧化了的原始物质的核。当核的质量增大时，星尘下落的能量变得足以在碰撞时引起高温，使氧化的铁被碳所还原从而形成金属铁。伴随发生的是排放气体形成原始大气，主要是一氧化碳和氢。随着进一步生长，温度和还原的强度都增加了，在高温还原条件下比较容易挥发的金属（如钠、钾、铷、铅、锌、汞、铟和铊）挥发进入原始大气。

 

　　根据上面描述的过程来看，地球是"从里到外"发育的。有一个含有某些挥发物的冷而氧化了的地核，越靠近地表面渐渐地越被还原，含的金属越多。这是一种引力尚不稳定的状态。在靠近地表面发生熔融时，金属分离形成团块，沉入下面，而且在地球内部流动进入地核。因此，地核形成过程是：不稳定的引力能的释放产生热，使地幔的有效"黏滞性"指数随温度升高而下降，从而相应地加快了各种纯粹金属（例如铁）的分离和进入地核的速度。结果是地球平均温度迅速升高到将近2000℃，使得各处都出现部分熔融和硅酸盐，它们从地幔外层汽化进入大气，在原来是冷的地核里氧化的铁和挥发物在非平衡条件下渗入地下，以后被铁下沉所驱动的对流作用搞得均匀了。这个过程的最终结果是产生一个大质量的、热的原始大气层，它的质量相当于地球质量的四分之一，主要由一氧化碳、氢气和已挥发的硅酸盐所组成。

 

　　直到吸积结束后，这种大气在漫长的时间内从地球那里逸散一空。现在的大气和水圈（包括岩石里捕获了的挥发物），主要成分是水、二氧化碳和氮气，这些都是在以后阶段里从地球内部排放出来的。

 

 

第32节：一、地球演义(1)

 

 

　　第三章 地球演义

 

　　一、地球演义

 

　　地球的形成就像一部长篇历史小说，我们不妨称这部小说为《地球演义》。一部宏大的长篇小说需要分卷立册，卷、册之内又分章、回，使人读起来章回有序，前后衔接。同样，一部史书，也都要分朝划代，人们读后，人事清楚，前后贯通。那么，漫长的地质历史是不是也要分一分"章回"，划一划"朝代"呢？当然需要。可是，古时候人们的地质知识有限，只知道从山里挖出一些矿石和煤炭来冶铜炼铁，至于这些东西是何时形成的则很少去考虑。有时候人们在石头或煤层中发现一些古生物的化石，却也只能做一些猜测。什么地质历史，那时很少有人去注意和研究它。

 

　　1．地球断代

 

　　在人类开矿山、挖煤炭、修铁路的过程中，一些地质勘察队和地形测量队等深入到深山老林里勘测。18世纪初，英国一位名叫史密斯的年轻人在测量队里当"标杆工"，他每天扛着标杆在山上跑来跑去。这类工作确实单调无趣，可史密斯却是一个很有心的人，一有空闲就琢磨山上各种各样的石头。不久，史密斯担任了开挖运河的测量工作，使他有机会在新开运河的两岸清楚地看到了上下相叠的地层，它们的颜色、厚度和成分大不相同。他联想到仓库里在存放货物时，先搬进来的货物总是放在下面，而后搬进来的必须垒在上面。同样的道理，这些地层在形成过程中，底层的肯定先形成，年代要久远，而上层的必然后形成，年代要近。这就是后来地质学称为的"地层层序规律"。史密斯又根据自己的观察提出了一个很重要的推论：在下边古老的地层中，只能找到比较低等的古代生物化石，而上部较新的地层里，则含有比较高等的古代生物化石，并且每一地层都有它特有的化石。大多数情况下，依据这些化石就能够确定不同地点的地层是不是在同期形成的。史密斯的这个发现便是地质学所称的"化石层序律"。1799年，30岁的史密斯完成了世界上第一张最有系统的地层表-英国沉积地层表。

 

　　2．地球断代表

 

　　只用史密斯的方法去给复杂而漫长的地史分朝划代，研究早已逝去的"亘古世界"，显然是不够的。于是又有地质学家指出：今天是了解过去的钥匙。如果概括为四个字的话，就叫"将今论古"。也就是说，从今天的已知去推论古代的未知。举例来说，在今日的大海里生存着一些海生动物，而且每种海生动物对生活环境的要求，例如水深、温度和光线等，是各不相同的。如果我们在太行山的某一地层内找到了与现代类同的海生生物化石，毫无疑问就可以断定，在那久远的过去，这里必定是一片汪洋大海，并可以推断出当时海洋的一些基本情况。

 

　　另外，随着古生物学的发展，人们认识到地质历史的动植物不仅是由低级向高级逐渐演化的，而且这一过程既有阶段同时又是不可逆的。一定种属的生物群总是埋藏在一定时代的地层里。换句话说就是，在相同地质年代的地层中，必定保存有相同或近似种属的古生物化石。这样就有可能依据古生物化石来确定地层的相对地质年代，并相互对比了。

 

　　除此之外，地质学家又依据岩层的上下接触关系和构造变动等地质现象，把地质历史分成了几个大的阶段。从地质年代上讲，叫作"代"，而在这个"代"的时期所形成的各种地层，综合起来叫"界"。一个代又分成几个较小的阶段，称作"纪"（如你看过一部著名的影片《侏罗纪公园》，那么这个"侏罗纪"就是这样的一个纪，在那个纪里，恐龙的种族空前繁盛）。同样，在一个"纪"的时期内所形成的地层称为"系"，纪（系）又细分为"世"等等。

 

 

第33节：一、地球演义(2)

 

 

　　在如何划分地质阶段和各个阶段的命名方面，起初地质学家们根据自己在某一个地区的研究起了许多各不相同的名称，直到1881年，各国地质学会在波伦亚举行第二次国际地质学会议时，才正式通过了目前通用的地层表的蓝本。以后又经过不断的修改和补充，才形成了我们今天通常使用的地质年代表。

 

　　地球断代表

 

　　太古代（距今36亿年～20亿年）[细菌出现]

 

　　元古代（距今20亿年～6亿年）

 

　　早元古代（距今20亿年～17亿年）

 

　　长城纪（距今17亿年～14亿年）

 

　　蓟县纪（距今14亿年～10亿年）

 

　　青白口纪（距今10亿年～7亿年）

 

　　震旦纪（距今7亿年～6亿年）[无脊椎动物出现]

 

　　古生代（距今6亿年～2.25亿年）

 

　　寒武纪（距今6亿年～5亿年）

 

　　奥陶纪（距今5亿年～4.4亿年）

 

　　志留纪（距今4.4亿年～4亿年）

 

　　泥盆纪（距今4亿年～3.5亿年）[鱼类出现]

 

　　石炭纪（距今3.5亿年～2.7亿年）

 

　　二迭纪（距今2.7亿年～2.25亿年）

 

　　中生代（距今2.25亿年～7000万年）

 

　　三迭纪（距今2.25亿年～1.8亿年）[爬行动物出现]

 

　　侏罗纪（距今1.8亿年～1.35亿年）[恐龙繁盛]

 

　　白垩纪（距今1.35亿年～7000万年）

 

　　新生代（7000万年前～今）

 

　　早第三纪（距今7000万年～300万年）[哺乳动物出现]

 

　　晚第三纪（距今300万年～200万年）

 

　　第四纪（200万年前～今）[人类出现]

 

　　3．地球时钟

 

　　人们在没有找到一个可靠的方法去测定地球和地层的年龄以前，只知道下部的地层老，上部的地层新。就像只知道我国历史上汉朝比唐朝早，而唐朝又比宋朝早一样，到底它们距今多少年仍然是个谜。好在人类的社会历史一般都有文字记载，所以过去朝代的年代，翻开史书一查便知。而地球和地壳以及构成地壳的地层，它们是什么时候形成的呢？换句话说，它们有多大"岁数"？这成了地质学上一个令人头疼的问题，因为并没有谁会在遥远的古代用文字为我们记录地层的年代。长期以来，人们一直没有找到一个满意的办法来解决它。

 

　　在1715年，有人假设原来的海水不是咸的，现在海洋中的盐是江河从陆地上带去的，那么，用全世界河流每年注入海洋的盐量去除现在海洋的总盐量，不就是海洋的年龄吗？但这个办法既不科学，也不可靠。后来又有人根据沉积岩层以及河流一年一度的洪水淤积下来的土层层数去推算地球年龄，结果误差太大，均以失败告终。

 

 

第34节：一、地球演义(3)

 

 

　　能否找到一批准确记录地层的"时钟"呢？科学家长期以来像大海捞针一样，毫无结果。直到1896年法国物理学家贝克勒尔发现了铀元素具有放射性的性质，这个问题才开始有可能解决。两年之后，法籍波兰物理学家居里夫人从矿渣中提炼出了天然的放射性元素镭。人们逐渐知道了放射性元素有一个特殊的脾性-它一生从不间断地把自己的原子一个接一个地转变为另外稳定的新元素，这种现象叫作衰变。这种衰变是非常准确和可靠的，比如制造原子弹的铀，每经过22.5亿年便有恰好四分之一的铀变成了铅。再比如大气中由于宇宙射线产生的放射性碳，它在生物身体内的含量是一定的。当动物死后，它在转变为氮的过程中，经过5730年会毫厘不差地失去放射性碳原含量的一半。这样，如果科学家用精密仪器测出岩石或某种化石中含有的放射性元素的残留量以及所含的稳定元素含量，就很容易计算出这块岩石或者化石的年龄。

 

　　放射性元素的衰变成了天然记录地球历史的"时钟"。使用上面的估计方法，科学家才能知道断代表里那些纪元距今多少年。如果没有这个"时钟"，如何确定数十亿年内某个时期的具体年代是一项可怕的工作。

 

　　既然有了"时钟"，那么地球有多大岁数呢？关于地球的年龄有两种：若从构成地球的物质开始凝聚至现在来计算，叫作地球的天文年龄；如果从原始地壳出现，并开始了侵蚀、沉积和构造变动等地质作用至今来计算，叫作地球的地质年龄。

 

　　近些年来，人们测得"天外来客"-落到地球上的陨石（俗称流星）-年龄为45亿～47亿岁。人类登上月球之后，又测得了月球的年龄是46亿岁。现在一般认为太阳系行星大致是同时形成的。由此推断，地球的地质年龄也有46亿岁上下。如果计算地球的天文年龄，就是用地球的地质年龄加上地壳形成之前构成地球的物质开始凝聚的那段时间，那么现在人们只能粗略估计地球的天文年龄大约为五六十亿岁。

 

　　几十亿岁的时间有多长呢？有位学者打了一个比喻：在一块古老的陆地上耸立着一块巨大的岩石，它有100千米高，100千米宽，如果每隔1000年便有一只小鸟飞来在这块岩石上刮磨它的尖嘴，那么待到整块岩石被小鸟啄磨蚀尽时，这几十亿年的时间才算刚刚度过。

 

 

第35节：二、生命之前(1)

 

 

　　二、生命之前

 

　　地球最初也是由大大小小的太阳星云团聚集而成的，构成地球的所有质量在距今约47亿年前才基本确定了下来。那个时候地球还只是很多小行星的集合体，它们组成一个环状围绕太阳运行。这时的地球严格地说还不能称为地球，因为它还没有一个确定的核心（地核），所以称它为原地球。

 

　　原地球在万有引力收缩条件下不断变热，当原地球内部温度达到足以使铁、镍这样带磁性的元素熔融的时候，这些小行星互相靠近的速度就加快了。因为小行星绕行太阳的速度有快有慢，所以它们最终能结合在一起，包围在同一个核心周围，而不是两个或更多。这些集中的物质很快就聚集在地心附近，形成地核。

 

　　原始地核形成是地球历史最重要的事件之一。形成地核之后，整个地球是一个熔融状态的大液态球，要经过将近30亿年的时光变迁，这个大球才慢慢冷却。冷却先是从外部开始的。和炼钢厂刚刚出炉的液态钢水一样，首先冷却的是最靠外部的一层薄薄的壳，就像钢水表面快速凝结的一层钢壳一样，地球表面首先形成的就是薄薄的地壳。这层地壳保护了内部熔融状态的核心，所以内部的冷却开始变慢了，直到今天，地球的内部仍然是熔融的液体状态。

 

　　跟月球和类地行星一样，原始地壳也经过了大量陨石的撞击和普通火山作用的改造阶段。那时候的地壳就像现在的月球和火星表面一样，也曾经布满大大小小的环形山和撞击地貌，但唯一不同的是地球表面开始有了两样关键的东西：大气和水。

 

　　初始大气和水的来源有两个：一个是火山作用产生的，另一个是陨石带来的。无论是如何来的，大气和水的出现使地球马上处于一个非常特殊的地位，那就是这两样东西有很大可能带来一个奇迹-生命。

 

　　1．50亿年前-原地球时代

 

　　在地核形成以后，地壳还没硬结之前的地球还是一个混乱的世界，构成地球的各种物质元素仍处在分离过程中。地球如同一个出生不久的婴儿，还没有任何记忆力。一个气态和液态的地球还不能以任何方式给现在的我们留下任何资料和可供推论的痕迹。对那时候地球的情况，我们现在知道得很少。这个大约50亿年前地球发展的阶段（又称地球发展的天文阶段），仅仅是地球历史的"序章"，甚至还不是地球历史的开头。

 

　　我们只能用现有的知识来推断当时的情况，根据我们现在地球的状态，我们可以想象当年地球的运动和现在相比改变得应该不太多。现在的地球正在侧着身子一刻不停地围着太阳绕圈子（天文学称为公转，公转一圈是地球上的一年），所以童年的地球也一定在侧着身子一刻不停地围着太阳绕圈子，而且现在的地球还同时由西向东进行自身旋转（天文学称为自转，自转一圈是地球上的一天）。我们没有理由认为地球在当年的某个时刻是向着相反方向--由东向西转，所以童年的地球也一定是由西向东自转着。

 

　　但是，那时候的地球自转速度比现在快得多。那么它到底有多快呢？ 我们知道，宇宙间任何两个天体之间都由于万有引力的作用而互相吸引，地球和太阳之间、地球和月球之间都有一个相互吸引的力。太阳虽然比月球大得多，但月球距地球比太阳距地球近好多。因此，月球对地球的影响更大一些。我们知道，月球也在围绕着地球转动。所以任何时候，地球总有一面向着月球，而有一面背对着月球。别小看这点差异，月球对地球正面和背面的物质，特别是海水的引力是不同的，这种差别形成了引潮力。所以，地球上的海水随着地球自转出现了海面昼夜周期性的涨落现象，这就是潮汐的来源。如果你生活在海边，你会知道每到一定时刻，例如黄昏，海水会涨潮。那么涨潮的时候，你一定可以在天空中看到月亮，月亮吸引了海水，形成涨潮。

 

 

第36节：二、生命之前(2)

 

 

　　据地理学家研究，潮汐影响地球的自转速度，使其逐渐减慢，使一昼夜的时间越来越长。天文学家计算，这个减慢速度大概是每12万年增加1秒。按此推算，距今50亿年前的童年地球自转一周只需4小时，换句话说，那时候4小时便是一天。

 

　　假如我们回到地球的童年时代，仍按现在的时钟计时，早晨6点太阳从东方升起，上午8点正当我们计划开始一天的生活时，太阳却已经日落西山了，而10点时，太阳又再度升起。那时候，由于地球自转速度较快，地球自转所产生的离心力也必然较大，还不太坚固的地壳非常容易发生变动而破裂。从地球内部分离出来的各种气体和岩浆在地球内部巨大的压力下，顺着地壳的裂缝喷射而出。我们可以想象当时的情景：烟雾腾空，气流上下翻滚，狂风呼啸，岩浆迸流。地壳在崩裂，大地在剧烈颤动。大气层中由于气流的剧烈变化而电闪雷鸣，到处是火光和隆隆的雷声……大自然任意展示着它无比的力量。那是一个混乱狂暴的洪荒时期。

 

　　2．40亿年前-古大陆形成

 

　　原地球时代的地球，无论内部多么炽热，外表总是趋向于冷却，而炽热的内部物质则时常要求冲破刚刚形成的硬壳。在这些剧烈的斗争中，原始的地壳开始慢慢地形成。地球深处通过火山喷发出来的气体补充了原始的大气层，喷发出来的岩浆遇到相对寒冷的外层大气冷却凝结后，加厚了早年的地壳。随着这种反复运动趋向于相对的宁静，地壳越来越厚，火山慢慢被抑制在厚厚的地壳下面，于是相对稳定的大陆开始出现了。

 

　　那时候的古大陆由于地壳的频繁变动，远没有现在这样辽阔。在中国，面积较大的一块古大陆最先形成于华北地区。它西起内蒙古大青山山地，向东穿过山西阳高、北京密云、河北迁西和迁安等地，又向东一直延伸到辽宁抚顺地区。这条长达1000多公里的长条状古大陆宛如一条巨龙横亘在我国北部，而这块古大陆的周围，几乎全是面积大小、深浅不一的海洋。在它周围的海洋中，现在的山西五台山、山东泰山、河南嵩山以及辽东半岛和山东半岛上的一些山地先后露出了海面，变成了大海中的孤岛。随着大陆面积逐渐扩大，经过数10亿年的变迁，这些巨大的岛屿才和古大陆慢慢连在一起，这才是真正的沧海桑田。也许你脚下的这片土地在遥远的40亿年前是一片广阔的海洋。

 

　　在古大陆刚刚形成时期，大气层还远没有现在这么厚。灼热的阳光和强烈的紫外线可以畅通无阻地穿过原始稀薄的大气层，无情地照射在光秃秃的大地上。当时无论成片的大陆还是孤岛状的小片陆地，都是没有任何生命存在的死寂世界。所以，古大陆时期的地球就显得格外空旷。你如果曾经看到过月球表面的照片，就可以想象当年的地球是个同样死寂的世界。古大陆时期唯一留给我们的就是现在厚达万米甚至几万米的地壳--人类和其他物种繁衍生息的基础。

 

 

第37节：二、生命之前(3)



　　3．20亿年前-造山运动

　　在长达20亿年的漫长岁月中形成了巨厚的地层，这并不奇怪。令人惊奇的是，如果地球当时是均匀地凝结地壳，我们现在拥有的地球表面应该是一马平川，而事实上现在的地壳表面充满了海洋、河流、高山、盆地。是什么力量能撕裂上万米厚的地壳，把它扭得面目全非了呢？ 宇宙间万物都处在不停地运动中，地壳从形成的那一天起就一直在运动着。地球童年的地壳运动表露得特别明显，如果我们来到河北阜平和辽宁鞍山等山地，就会发现上万米厚的太古界地层好像一叠纸板被从两边推挤了一样，变得七褶八皱。再仔细看，上下岩系的褶皱形状明显的不同，中间有个接触面，把太古界地层（太古代时期形成的地层在地质学上称为太古界地层）一分为二，下部地层为下太古界地层，上部则是上太古界地层。这个上、下太古界地层的接触关系，地质学上称为"不整合"接触关系。

　　这个有趣的地质现象清楚地告诉我们：在漫长的太古代时期，距今约24亿～25亿年，地壳发生了一次规模巨大的构造变动，把几千米厚的下太古界地层挤压得变形了。河北阜平、山东泰山等山地在这次构造运动中从海底升起，变成大陆的一部分，这就是我国地质史上人们所称的"阜平造山运动"（简称阜平运动，或叫鞍山运动等）。此后，地壳经历了几亿年的相对平静的时期。到了距今20.5亿年的太古代末期，又发生了第二次构造运动，把太古界地层挤压得更加褶皱了。在这次构造运动中，我国的四大佛教圣地之一的五台山山地从海底升起，所以这次造山运动又称"五台运动"。同样道理，在早元古代末期，发生了第三次构造运动-"吕梁运动"。随着现代地球物理学和地质学的发展，人们开始研究从哪里来的惊人的力量推挤着上万米厚的地层。

　　16世纪末期，意大利天文学家布鲁诺因为宣传和捍卫哥白尼的"日心地动说"而触犯了教会，在公元1600年2月17日被教会的僧侣们活活烧死。正是这位为真理而献身的布鲁诺，认为原始的地球比现在大得多，并且也比现在热得多。后来，地球温度降低，体积缩小，正像一个苹果，放得时间长了，果肉干缩，果皮便产生褶皱一样。地壳在地球的收缩过程中也就发生了褶皱和断裂。因此，地球表面的凸凹不平是因为地球收缩引起的。

　　到了20世纪初，人们已经认识了一些放射性元素在衰变过程中可以放出大量的热能之后，有人认为，原始地球内部由于放射性元素衰变放热，使地球内部温度不断升高，因此，地球内部物质就有越来越大的可塑性。在重力作用下，重的物质向下沉，而轻的物质向上浮。由于地球内部物质的运动，使地壳也发生了运动，地球（包括地壳）内热能的积累是产生地壳运动的主要动力。

 

 

第38节：二、生命之前(4)

 

 

　　另外人们又发现，当地球内部压力增大和温度增高到一定程度时，物质的结构、物理、化学特性和体积就会发生变化，这叫作"相变"。例如，地壳底部的玄武岩在压力和温度发生变化后，可以相变为上地幔的榴辉岩，使得岩石体积缩小、地壳变薄。相反，上地幔的榴辉岩又能转化为体积更大的玄武岩，使得岩石体积膨胀、地壳增厚。如果产生大范围的相变，必然引起地壳运动。

 

　　对于造成地壳运动的原因，还有的科学家从地球自转速度的变化上进行了探讨。我们知道，地球自转速度除长期减慢之外，还有短时期的时快时慢的突变。当地球自转速度加快时，就像我们乘坐公共汽车时，汽车加速，乘客必然向后倒一样，地幔上部液体状的"软流圈"驮载的地壳岩层也会向后滑动，从而产生东西方向的拉力或压力。这时，地球自转产生的离心力也会加大。因为赤道部分距地球旋转轴的距离（地轴）比地球两极大得多，虽然地球上离心力都增加，但是赤道部分增加得最大，由此产生了一个自两极朝赤道方向的南北拉力或压力。结果，地壳便产生了运动。地壳在运动中相互挤压，原来水平的岩层就会褶皱成山或者断裂成谷。

 

　　关于地壳运动的原因还有其他看法，有的人认为由于地幔物质存在着对流而导致了地壳运动。

 

　　不论哪种说法是正确的，或许这些说法都是造成地层剧变的原因之一，都证明它们的力量是很大的。上万米厚的地层，就像翻卷一张烙饼一样，被挤压得七褶八皱。地壳正是在这种运动中，使得陆地面积逐渐扩大，在中国东部地区（主要是华北）形成了相对稳定的地质基础-中国地台（地台是传统的大地构造学说中所指的地壳相对稳定地区），又称中国古陆，或者叫华夏古陆。

 

　　4．3亿年前-大陆漂移

 

　　当你打开世界地图仔细观看时，就会发现南美洲的东海岸和非洲的西海岸的海岸线在外观上表现出惊人的吻合，难道这两块大陆原先是连在一起的吗？ 德国的阿尔弗德·魏格纳是一个气象学家，他生于1880年，青年时期从事大气动力学的研究。为了探索极地气团对气候的影响，他26岁时参加了考察格陵兰东北部的丹麦探险队。两年后回到德国，在齐马尔堡物理学院任教。1910年的一天，他在看世界地图时，发现大西洋两侧的海岸线那么相似，但他以为这种情况不过是偶然的巧合罢了。直到1911年秋，他从一个古生物学报上得知：从古生物的观点看，在巴西发现的古生物化石和在非洲发现的古生物化石十分相像。这一论点引起了魏格纳的极大兴趣，他决心进行一番研究。他从地质学、古生物学、古气候学等方面入手来探讨地球各大洲的成因问题，终于在20世纪30年代第一个提出了大陆漂移学说。

 

 

第39节：二、生命之前(5)

 

 

　　他观察了海洋的潮汐作用和星球之间的摆动之后，认为在形成地球之初，地球的物质还处于炽热的熔融状态时，地球的自转速度比现在快很多，自转一周只需要三四个小时。由于旋转得快，地球便成为在赤道方向膨胀，而在两极方向收缩的扁平体，就像现在的木星那样。随着地球的继续旋转，变成了一个像鸡蛋的样子，而后又变成了一个梨形，最后突出的那一部分"梨头"受到太阳引力的作用，从地球脱离而成为环绕地球旋转的卫星-月球。地球则由于月球脱离产生的"翅痕"形成了一个洼地或者是缺口，后来这个洼地形成了今天的太平洋。他把太平洋叫作月球脱离时留下的创伤。

 

　　这个假说继续发展，进而推测月球从地球分离以后，地壳剩余的部分向洼地方向"滑动"，就由东西两个方向填补太平洋这个缺口，从而在地壳中产生巨大的张力。到了侏罗纪时，终于把这一块地壳扯裂开，形成了各奔东西的两块大陆。东边陆块较大，西边陆块较小，前者是今天的欧亚大陆和非洲，后者是今天的南北美洲，当中的裂缝就是大西洋。

 

　　1912年1月6日，在法兰克福市的地质学会上，魏格纳发表了《从地球物理学的基础论地壳轮廓（大陆与海洋）的生成》的论文后，又发表了《大陆的水平移位》的讲演。他认为，大约3亿年前，地球上的陆地是彼此相接的，而且是一个巨大的大陆，称为泛大陆。当时根本不存在大西洋、印度洋和北冰洋，海也只是围绕泛大陆的一个巨大的海洋。后来由于地球不停地自西向东旋转，美洲陆块渐渐落后了，慢慢地中间的裂缝越来越大，终于形成了今天的大西洋。大陆漂移说公布于世后，震动了整个地质学界。把人们从地壳是坚硬稳固、仅做缓慢升降运动的传统概念中解脱出来，而当时的魏格纳年仅32岁。1915年，魏格纳出版了著名的《海陆的起源》一书。

 

　　从世界地图可以看到，大西洋东西两岸的轮廓如此相互吻合，东边凸出来的部分对着西边的凹陷部分。在美洲大陆，山脉都集中在西海岸，似乎是大陆块向太平洋的方向移动时，在边缘部分受到阻力，从而受到挤压发生了褶皱；在南美洲末端的阿根廷和智利，向东有了若干度的弯曲，正像陆地向西漂移时遇到了阻力的情形一样。这种惊人的现象，就成了我们研究地壳及其运动方向、创立新概念的起点。

 

　　魏格纳认为，南美洲在千百万年以前曾直接并列地和非洲毗连着，甚至是与非洲一起构成一个大块，只是在白垩纪时才分裂为两部分。这两部分后来像冰块漂浮在水上一样，彼此越来越远地分离开。与此类似的是，北美洲原来曾紧密地毗连于欧洲，至少由纽芬兰和爱尔兰往北的地方与格陵兰连在一起，是一个广大的陆块。只是在第三纪末，而北方甚至是在第四纪才沿着格陵兰附近的裂缝发生分裂，因此两个部分就分开了。同时，陆块上被浅海淹没的地段（地质学上称为陆棚），应当看作陆块的组成部分。有时也看到不完全符合的情况，据魏格纳的解释，是由于分裂的许多地块后来发生不均匀的缩小所致。至于南半球，他认为南极带、澳洲和印度、巴基斯坦一带，直到侏罗纪初期还是直接地相连于南部非洲，并且还与南部非洲和南美洲一起构成一个广大的陆地区域，部分曾被浅海超没。这个大陆区域在侏罗纪、白垩纪、第三纪中沿裂缝分裂为许多块，后来这些块向不同的方向蠕动散开。

 

 

第40节：二、生命之前(6)

 

 

　　根据魏格纳的意见，地壳全部发展过程分为三个阶段。

 

　　最古老的原始阶段：硅铝层呈连续不断的薄壳，薄壳的厚度只有30千米，几乎全被一个统一的水壳覆盖（后来地质学家计算，这水壳的深度为2.64千米）。

 

　　中期阶段：这一阶段实际上差不多包括地球的全部历史在内。硅铝层破裂，聚集成一个密集的整体，即聚集成表面逐渐缩小、厚度愈来愈大的联合古陆。在这种缩小过程中，有单独的碎块脱离联合古陆而成为各个海洋盆地之间的陆岛。

 

　　最后阶段：从侏罗纪开始，联合古陆分裂成许多地块，各个地块在硅铝层上蠕动散开，向西方移动和由两极向赤道移动。

 

　　以上所述就是大陆漂移学说在20世纪30年代的基本观点。

 

　　后来，随着地质历史学和其他科学的发展，不少科学家开始怀疑和排斥上述学说，认为太平洋的许多地区正在不断地下沉，而另一些地区则正在产生造山运动；太平洋是一个原生的地壳区，它的上面从来没有过大陆的存在。根据后来的计算，认为月球的质量并不符合太平洋这个缺口所失去的质量。如果把月球安放在太平洋里边，那么月球将在太平洋里突出很多；还有不能解释角动量的问题等等。大陆漂移说的反对者们认为魏格纳的根据是凭空设想出来的，论据并不够充分。他们举出了意大利的地理轮廓像靴子这样的例子来说明这个学说还不足以说明问题。

 

　　然而，大陆确实因为某种原因发生漂移这种设想，虽然在当时的科学界似乎站不住脚，但却继续萦绕在地质学工作者的脑海中，令人难以抛弃。直到更先进的科技给出了更强有力的证据，大陆漂移学说才获得了新生。关于这方面的研究，根据是地球磁场周期性倒转的假说。这些令人信服的证据来自世界范围的标准地震检测站网络，这些网站最初是为监听秘密的原子弹爆炸而于1960年建立的。

 

　　虽然大陆漂移学说受到了很大的冲击，但是后来，尤其是20世纪60年代以来更加活跃起来了。大陆漂移学说的理论根据是以各种大地测量、地质及地球物理资料为基础的，根据美国、新西兰、日本及土耳其等地地震断裂的研究证明，地壳确实存在水平位移，而且它在相当长的历史时期内（1000万年～l亿年）其位移可达数百至数千公里，以此计算其运动形式大概是以每年10厘米～15厘米的速度做水平运动。而最新资料表明这个速度每年可达39厘米。

 

德国地震学家堡德认为，太平洋所有边缘地区都围绕着太平洋内塌陷的地块发生了某种扭转现象。克里斯多弗维奇曾根据魏格纳大陆漂移理论的思想基础编制了著名的《地球上古生代古植物区示意图》。沃尔甚至在《地球古植物史》中提到，如果没有大陆漂移概念，是完全不能解释植物界发展的主要特点的-被认为不能跨越深水的古植物和动物，分布在大西洋两岸及其他被大西洋隔开的大陆上的一定地理区域内。它们的分布情况说明过去的陆地在欧洲和北美洲之间，南美洲、南极洲、澳洲、印度及非洲之间曾是有联系的。过去也有的学者曾经提出过陆桥假说，即从一个大陆到另一个大陆的暂时的陆地联系。对于这种陆桥是否真正存在和它们的位置，也从古生物学方面进行过热烈的讨论，自从大陆漂移的理论提出后，陆桥说就没有必要研究了。

 

 

第41节：二、生命之前(7)

 

 

　　特别是近年来对古地磁学的研究，大大促进了大陆漂移理论的发展。一位日本学者把日本的白垩纪至早第三纪古地磁极移动的路线与北美及欧亚大陆所求得的结果相比较，提出了白垩纪至早第三纪日本岛漂移假说。北美和欧亚大陆的磁极的平均移动路线与日本相比较有显著不同，这种现象解释为可能是日本列岛处于亚洲大陆边缘造山带的岛弧的结果，是欧亚和北美两大陆对日本造成相对运动的结果。日本的平均移动速度大约是每年1厘米左右，显然与各大陆平均的移动速度不相等，而据水泽纬度观测站六十多年的观测资料，认为这种速度是存在的。

 

　　为了进一步证明大陆漂移理论，不少人提出用卫星反射激光束的办法来验证这一理论的可靠性。这种方法能够确定地球上的某地的位移，精确度可达几厘米。此外，利用这种方法还能帮助确定世界各地的海平面是否相同、地球形状是否更像一个干梅子，而不是曾经认为的梨形等等。利用这种方法，人们检验了现在的非洲正在以每年几十厘米的速度远离南美洲漂移，同时识别了不均匀的重力牵引和氢元素在地球内的不均匀分布导致的海洋中的凹陷和膨胀问题。更重要的是它证实了各大陆在经历漫长的地质年代的过程中，各大陆块若即若离，就像现在的南美洲正在慢慢地远离欧洲和非洲。

 

　　大陆漂移学说导致了板块构造理论的形成。板块构造的概念认为：地球岩石圈或地球表面的最外层，大致可以划分为七块厚度达100千米的大刚性球面形盖体，称为板块。这些板块漂浮在软流圈（地幔熔化了的软薄岩层）之上，大陆曾像木筏那样在地球表面漂移了几亿年。除太平样板块和印度洋-澳大利亚板块外，其他五大板块中的每个板块都是以各个大陆名称而命名的，分别叫作北美洲板块、南美洲板块、欧亚板块、非洲板块和南极洲板块等，另外有几块较小的亚板块。总之，板块构造学说是对包括大陆漂移学说和海底扩张说在内的几种早期构造地质学理论的综合。

 

　　5．沧海桑田

 

　　根据板块构造理论，海洋和陆地的分布从古到今曾有过巨大的沧海桑田的变化。地质学家指出，早在寒武纪晚期已有跨赤道的六块大陆。到了二迭纪时，在南极形成一大的陆块-泛古陆，它沿地球的一面向北朝北美洲大陆和欧亚大陆延伸。当时，相当于今日北美洲东部的地区与欧洲和非洲相接，南美洲也和它们邻接。

 

　　二迭纪之后，泛古陆分离为若干新的大陆，这些大陆不是最初形成泛古陆的那些大陆，而是重新分界分离而成的。三迭纪晚期，亚洲和非洲开始分离。随后，在侏罗纪早期，北美洲离开非洲和南美洲开始向西移动，但北边仍然与欧洲相连。这时北美洲和欧亚大陆在北半球形成一块大陆称为劳亚大陆，而在南半球形成的一块大陆称为冈瓦纳大陆。古中国陆块与其他两个陆块融合成为一个单独的曲大陆并且向北移动，一直到距劳亚大陆北侧边缘很近。不迟于侏罗纪早期，在北美洲和欧亚大陆之间形成了一个窄的海路，把北冰洋与古地中海连通，古地中海指那个把欧亚大陆与冈瓦纳大陆隔开的宽广的海路。在侏罗纪和白垩纪时，广阔的海洋覆盖了北美西部、加拿大和欧亚大陆中部的许多地方。

 

 

第42节：二、生命之前(8)

 

 

　　白垩纪中期，冈瓦纳大陆已开始分成非洲、南美洲（但北部仍与非洲相接）和包括澳洲、南极洲和印度在内的一块大陆。白垩纪晚期，印度已分出并开始向北移，直到最后与亚洲接触；南美洲完全与非洲分离，但在南部仍稍与南极洲-澳洲陆块连接；北美洲已向西移动得很远，以至彻底地与欧洲西部分离，但与亚洲东北部相接而在阿拉斯加和西伯利亚地区形成白令陆桥。在白垩纪晚期有一次大规模的海退，使大块陆地暴露出来。在三迭纪早期，大西洋比今天窄，美洲向西的移动仍在进行中。最后，在上新世晚期（"世"是比"纪"更进一步的时代划分，上新世属于晚第三纪晚期）巴拿马地峡产生，北美洲与南美洲连接起来并将加勒比海的海洋生物区系与东太平洋的生物区系分开。

 

　　在这段漫长的历史中大部分时期，地球气候较今天温暖，纬度温差较小。寒武纪晚期、石炭纪、二迭纪是发生过冰川作用的寒冷时期。最近一次气温趋冷始于三迭纪早期，到渐新世（属于早第三纪晚期）时，北半球已变得比以往更冷、更干燥，草原和落叶林分布更广。到了更新世（约始于200万年前），气候剧烈改变，极地和近极地地区的温和气候变得很冷，极地冰盖形成。在北半球大陆的冰川反复地扩大和退缩，有许多小冰期，至少有四次大冰期，其中最近的一次大冰期称为北美威斯康星冰川，约在1万年前消退。在冰川时期，全世界海平面下降100米，下降程度与冰盖中水被封闭的程度相当。热带和亚热带地区的气候变得比较干燥，仅两个冰期之间的气候较为温暖和较为潮湿，而且海平面上升。

 

 

第43节：一、生命解说(1)

 

 

　　第四章 生命演义

 

　　太阳系有很多类似地球的行星-火星、水星、金星。它们的构造和基本物质组成与地球非常类似，但是只有地球上的大气和水产生了生命，这不能不说是个奇迹。

 

　　最早的生命从何而来？它是怎样起源的？这是一个复杂的问题，历来存在着意见分歧。有些不得不承认进化论的有神论者认为，最早的生命是造物主（上帝）创造的，创造出来以后，才有生命的进化。自然发生说则认为在地球目前的条件下，可以从非生命一下子产生出生命来。

 

　　只有一个人不同意这些论点，他于1871年在给朋友的信中这样写道： "有人认为产生最早生物的条件一直跟现在的条件一样。但是，如果（啊！这是多么大的一个如果啊！）我们能够设想某一个温暖的小池子，那里有氨、磷酸盐、光、热、电等等，通过化学方法形成了蛋白质，并进行进一步的变化，产生出生命；而现在这些物质一形成就会被其他生物吞吃或吸收，而不能成为生物……" 这个人就是进化论的奠基人-英国博物学家达尔文。

 

　　一、生命解说

 

　　1．生命命题

 

　　美国生物学家威廉姆教授曾在斯坦福大学从教三十多年，他遇到的最多的问题就是"什么是生命"？如何在探究学习过程中引导学生对"什么是生命"的问题进行一番探究，威廉姆教授颇动了一番脑筋。

 

　　说起生命，人们脑子里跳出来的第一个想法就是"活的"。

 

　　知道了什么是活的，也就知道了什么是"死的"，知道了活的和死的，也就能回答什么是生命了。植物人是不是一个特例？以大脑判定死亡时，植物人应该算死了；以心脏停止跳动判定死亡时，植物人就应该是活的。主张大脑死亡即死亡的人认为植物人的器官可以捐出来医救病人，但以心脏停止跳动判定死亡的人认为这样做无异于在杀人。这实在是一个非常复杂的社会问题，涉及判定生命死活的标准，涉及宗教信仰，涉及伦理、道德、道义…… 社会学争论的焦点只是如何理解死亡，而生物学的任务却是要给出一个定义。在科学课堂上探究生命的起源，很难做到由一个单一的事件把问题一下说清楚，它有一个较长时间的演化过程。

 

　　有一次在课堂上，又有学生提问关于生命的问题。威廉姆教授问大家"死"与"活"的标准是什么？有的说，"活的东西会动，死的东西不会动。"威廉姆教授诡秘地一笑，"那汽车呢？帆船呢？它们会动，它们是活的吗？死的东西不会动，树不会走动，树难道是死的吗？"看来，用会动不会动判定死活，在科学意义上显然是不够严密的。而正是这个不严密，才使得学生必须继续沿着这条思路往前走，进入前面"更茂密的丛林"去进行更深入的探究。显然，威廉姆教授并不急于把答案告诉学生，他支上了幻灯机，学生们的好奇心顿时倍增，一张张脸上无一例外地挂着做学问的认真。学生们看到在一只盛着透明液体的培养皿里有一个不透明的圆形小物体，一动不动地呆在那里。在幻灯打出的屏幕上，这个圆形物体变成了一个小黑点。"这个小黑点，你们说是活的还是死的？是有生命的，还是无生命的？"凭着观察和理解，学生们的回答几乎是一致的：死的，无生命的。威廉姆教授的沉着显然在怂恿他们的判断。然后-让我们还是等一会儿再"然后"，此时只见威廉姆不慌不忙，仅仅是在调焦距，让画面上的"小黑点"看上去更清楚。变得更清楚的画面增加了学生们判断的可信度，那的确是一个一动不动的小黑点儿。不少学生认为，但凡是一个活物，它就不可能在放大这么多倍数之后还会不露一丝痕迹，纹丝不动! 死的，肯定不是一个生命体。威廉姆问一名学生："你有没有过这样的体验，当你特别饿的时候，你一点都不想动，或是没有一点力气想动？""太有这方面经验了，而且不止一次。人挨饿的时候，不是不想动，而是一点力气都没有了，实在动不了了。""那你们想过没有，这小黑点，假如是个小生命，它会不会饿得一点力气也没有了呢？""也许不能排除这种可能性吧。" 学生们只是不想把话说绝。但经验告诉他们这种可能微乎其微。"那咱们给它喂点食物，也许它太饿了。"说着，威廉姆教授用镊子夹起一点"食物"，小心地放在小黑点儿的身边。食物很快在水中溶化，水变成一片橘黄色。当溶化的食物接触到小黑点后，奇迹发生了，小黑点变得活跃起来，整个身体逐渐开始蠕动，像变形虫似的，还不时用它的伪足把食物拢到身下，有时小黑点还把自己分开，分成两部分，分开后，全部变成了可以活动的独立的小黑点。再仔细观察，小黑点身体表面居然生出了毛茸茸的外层……5分钟后，"吃饱"了食物的小黑点终于安静下来。有学生说，吃饱了休息一会儿也是常情。这期间，威廉姆教授开始启发学生思考若干相关的问题，诸如食物进入了小生命的肌体了吗？进入小生命的肌体后纳入了一个什么样的机制？有没有新陈代谢的过程？食物转换成小生命的能量经历了怎样一个变化？小生命体外毛茸茸的柔软层是否是经过新陈代谢后的排泄物？小生命是否会自我繁殖？能否靠基因系统产生下一代？这个基因系统可不可以特别地调控小生命的生长和新陈代谢？它的基因系统是否可以产生出多个不同的种？这些新种能否更好地适应环境的变化？小生命停止活动后是休息？是睡眠？还是死了呢？……尽管所有的答案都还是推测的，但这个过程让每个学生都验证了一回事先列出的有关生命的各种特征。总括这一切，大家得出一个一致的结论：那个最初浸在水里的小物体，后来在幻灯屏幕上出现的小黑点，再后来见到食物后表现出"兴奋"状态的是个小生命，是"活的"。当这个探究过程终于结束之后，威廉姆教授宣布说："现在，我要告诉你们真相了。""什么真相？难道我们观察到的这一切还不是真相？" 学生们发出了疑问。"是的，"威廉姆教授说，"液体是2% 的硝酸溶解液，'食物'是钾铬酸盐的结晶体，而'小生命'自己是一滴汞。"听到这里，学生们无不愕然。一个纯净的化学反应过程在视觉里居然变成了一个非常生物的现象。

 

 

第44节：一、生命解说(2)

 

 

　　这个有趣的小故事说明，生命不是用眼睛看和用脑子想就能确定的，必须有科学的方法和概念来描述它。

 

　　2．生物学标准定义

 

　　现代生物科学认为：生物种类非常多，数量非常巨大，生命现象十分错综复杂，但是错综复杂的生命现象一定存在某些共同的规律。比如从元素成分看，至少地球上的生物都是由碳、氢、氧、氮等元素构成的；而从分子成分来看，生命体中有蛋白质、核酸、脂肪、糖类、维生素等多种有机分子。其中蛋白质都是由20种氨基酸组成；核酸主要由4种核苷酸组成；ATP（三磷酸腺苷）为贮能分子。再比如已知大部分生物的基本单位是细胞，细胞内的各结构单元（细胞器）都有特定的结构和功能，而整个生物界是一个多层次的有序结构。在细胞这一层次之上还有组织、器官、系统、个体、种群、群落、生态系统等层次。每一个层次中的各个结构单元，如各系统中的各器官、各器官中的各种组织，都有它们各自特定的功能和结构，它们的协调活动构成了复杂的生命体系。各种生物编制基因程序的遗传密码是统一的。生物体不断地吸收外界的物质，这些物质在生物体内发生一系列变化，最后产生代谢过程的最终产物而被排出体外。所有的生物体都能通过新陈代谢作用而不断地生长、发育。生物体还能不断地繁殖下一代，使生命得以延续。生物的遗传是由基因决定的，生物的某些性状会发生变异；没有可遗传的变异，生物就不可能进化。

 

　　那么，按照生物学的标准说法，概括起来，具有如下特征的现象，应该就是生命：

 

　　（1）应激性 应激性是指生物个体对外界刺激发生反应的特性。我们的手触到热源会缩回，昆虫晚上会向光源聚集，都是对刺激的反应，即生物具有应激性。

 

　　（2）新陈代谢 新陈代谢是指生物体与其周围环境之间进行物质和能量交换以及生物体内物质和能量的转变过程。

 

　　生物个体的新陈代谢包括相互联系的两个方面：同化作用与异化作用。同化作用是指生物从外界摄入物质（如我们吃食物、喝水），经过一系列的转化过程，将外来物质转化为自身的物质（如构建我们的糖、脂肪和蛋白质），并把能量储存在自身的物质内的过程；异化作用是指生物个体内的物质分解成较简单的物质，并释放出能量，以供活动所需的过程。生物个体正是通过新陈代谢-同化作用与异化作用的过程维持生命。个体的新陈代谢停止，生命即告终。

 

　　非生物也能与外界进行物质交换，但交换的结果是导致自身的消亡，而不是自身的建设。例如，蜡烛借助于空气中的氧，燃烧后变成二氧化碳和水蒸气，岩石风化变成土壤。

 

 

第45节：一、生命解说(3)

 

 

　　因此，外界环境是生物个体生存的条件，是非生物个体消亡的原因，这就是生物个体与非生物个体在与环境相互作用过程中的本质区别。

 

　　（3）生长与繁殖 生物的生长，是指生物把生命所需要的物质吸收到体内，经过一系列转化后成为其自身的物质，而使生物个体长大的过程。

 

　　非生物的"生长"只是相同物质的增加。在寒冷季节，把水浇在冰块上，冰块会增大；把若干小溪的水注入一条河时，河水会增加。但冰块的增大部分和河水的增加部分仍然是水，而不是别的物质。所以生物的生长与非生物的生长有着本质的区别，前者有质和量的变化，后者只有量的变化。生物生长到一定程度后具有产生后代的能力，即具有繁殖能力。由于任何一个生物个体有朝一日总要死亡，因此生物的繁殖保证了种族和生命的延续。

 

　　（4）遗传、变异和进化 生物进行繁殖时，具有"类生类"现象，如狗生狗、猫生猫。这种亲代与子代相似的现象称为遗传，它保证了各个物种的相对稳定性。但是，亲代与子代之间，以及子代各个个体之间总会有差异，这种现象称为变异。生物有了变异，通过自然选择把有利的变异在群体中固定下来而成为新类型，使生物得以进化。

 

　　生物通过遗传、变异和自然选择，不仅使得生物界的各个物种具有相对的稳定性，而且使得生物界产生由低等到高等、由简单到复杂、由水生到陆上的逐渐进化。

 

　　3．生命的哲学解释

 

　　生命是生物体所显现的种种现象的总的抽象概念。从古至今随着人们对这些现象的逐步理解，生命的概念也在不断地改变。上文中我们提到的现代常用的定义，即生命是生物体所表现的自身繁殖、生长发育、新陈代谢（与环境进行物质和能量交换）、遗传变异以及对刺激的反应等的复合现象。但这些复合现象中任何一个单一现象都不是生物所特有的。拿"新陈代谢"来说，非生命的火焰不断把燃料变成其他物质，进行着剧烈的物质和能量交换，但人们并不认为它有生命；相反在适当条件下保存着的种子（如古莲子）在长时间内可以没有物质和能量交换，但仍然具有生命，因为环境适宜它就会萌发。"生长"也是一样，无机的晶体在形成的时候（如水结冰），就有一个生长的过程；相反，有些生命体并不总在生长，有的一旦形成，大小就不变了。"繁殖"也不是生命体独具的特征，凡是有自催化过程的反应系统都有繁殖现象，如一些核反应；而有些生命体由于生殖系统的先天缺陷也不能繁殖（如骡子）。至于说到外界刺激会引起反应这一点，自从有了机器，特别是计算机以后，那也就不能认为是生命所特有的性质了。

 

 

第46节：一、生命解说(4)

 

 

　　既然生物学上的概念不能涵盖生命的定义，我们就必须从更广泛的领域中寻找答案。

 

　　古希腊的哲学家倾向于把一切尚不了解的产生运动的原因称之为"力"。以后的学者们就借用了这个"力"的概念，研究了各种运动，如物理学中的"引力"、"电磁力"，化学中的"亲和力"等。他们的研究取得了很多成果，但是至今还没有弄清楚古希腊哲学家很早就提出的所谓"活力"或"生命力"是什么。中国古代的哲学家倾向于把尚不了解的产生运动的原因归之为"气"，生命被看作是"气"的活动。例如："人之生也，气之聚也，聚则为生，散则为死……故曰通天下一气耳。""气"也是不明确的概念，不同的学者有很不同的解释。其他与现代科学比较接近、有唯物主义倾向的观点如："人之生，其犹冰也，水凝而为冰，气积而为人。"这里把生命的形成比作水结冰的过程，这种观点与现代科学的近似之处在于它强调了生命的有序性。也有把生命比作火的，如："人含气而生，精尽而死，灭也。譬如光焉，薪尽而火灭，则无光矣。故灭火之余，无遗炎矣；人死之后，无遗魂矣。"这种观点则强调生命是一个物质代谢过程。由此可知，中国古代哲学家把生命看作一个物质运动过程，常把生与死联系起来讨论，这也是中国哲学思想的特点。

 

　　4．分子生物学观点

 

　　分子生物学产生后，人们开始从生命物质微观构成的共性来概括生命定义。根据分子生物学的研究，人们对构成生命活动的基本物质有了比较详细的了解。生命体的形状、大小和结构可以千差万别，但它们都是由脱氧核糖核酸（DNA）、核糖核酸（RNA）和蛋白质等大分子为骨架构成的。

 

　　DNA是由4种不同的叫作脱氧核苷酸的小分子（单体）按一定的排列次序组成的一条非常长的分子链，例如大肠杆菌的 DNA就是由约两千万个脱氧核苷酸分子组成的长链。在各种不同形式的生命体中，DNA相当于同样字母写出的长短不同、排列次序不同，因而意义也不同的书。RNA也是由4种不同的叫作核苷酸的单体连接而成的分子链。其情况与DNA相似，但链较短。各种不同形式的生命体中有着各式各样长短不一的 RNA。蛋白质是由20种不同的氨基酸单体按照一定次序连接起来的长链分子。各种不同形式的生命体中具有各式各样的单体排列次序的长短不同的蛋白质链，链的折叠、卷曲形状也各不相同。总之，各种生物的DNA、RNA和蛋白质都分别由4种脱氧核苷酸、4种核苷酸和20种氨基酸单体组成，也就是说它们都是由通用的"元件"组成的，这些核酸、蛋白质在各种生物的生命活动中所起的作用也基本相同。

 

 

第47节：一、生命解说(5)

 

 

　　由于DNA可以自身复制，因而使生命物质具有繁殖和遗传的能力；由于DNA能通过转录和翻译决定RNA及蛋白质的结构，从而控制了生物的形态结构和生理功能；而复制、转录及翻译这些过程又都需要蛋白质、酶及 RNA参与。这样，就有了一个分子生物学的生命定义：生命是由核酸和蛋白质特别是酶的相互作用产生的、可以不断繁殖的物质反馈循环系统。

 

　　分子生物学上对生命的这种说法是对生命物质的微观结构及其运动过程的描述。它概括了分子生物学的一些重要的理论突破，但仍然有一些界限不清楚的地方。自然界有一类东西称为病毒，病毒是由核酸链和蛋白质外壳构成的，单独存在时，好像是一种纯粹的化学物质，并可结晶，但一旦进入了活的特定的宿主细胞中，就可利用宿主细胞内的单体和能量的供应以及复制、转录和翻译的"机器"自我繁殖。近来又发现一些被称为质粒的物质，它更为简单，只是一些裸露的环状核酸，但可进出于活细胞之间，利用活细胞内的复制"机器"自我繁殖。此外，类病毒也有类似的情况。这些物质是否具有生命，目前还有争论。有人认为，只要能够控制自身繁殖和遗传变异并对进化力量独立做出反应的都应称之为生命。如果这样讲，那么病毒、噬菌体、质粒和类病毒之类的东西就都可划为生命物质。也有人认为，生命体必须能够独立自主地复制、转录、翻译和提供单体及所需的能源，而病毒、类病毒和质粒之类的东西是一种不完整的生命形态，它们都是寄生的，不能独立存在。但后一种观点也不能成为明确的生命定义的划分界限，因为生命体从来就不是一个孤立的存在物，它与周围环境以及与其他生命都有着不可分割的联系，这就使得什么是独立生活、什么是寄生生活失去了明确的意义，因此还需要从宏观的角度、也就是从生态学去研究生命观。

 

　　5．生态学的生命观

 

　　就已知的事实看，在太阳系内，生命活动只见于地球的生物圈内─由高约离地表20公里的大气层（当然不包括航天器中的生命），直至地下离地表十几公里的深处，这一相对说来不厚的空间构成。在生物圈内有的生命体具有叶绿素，可进行光合作用，称为自养生物，大部分植物、蓝藻和部分细菌都属于这类生命体；还有一些生物没有叶绿素，不进行光合作用，必须依靠摄取自养生物或其他生物为食而生存，称为异养生物，真菌、动物（包括人在内），以及大部分细菌属于这类生命体。生物圈中的无机物质，通过自养生物的光合作用进入生物体，以后部分通过自养生物自身的代谢活动而回到无机世界，部分为异养生物所摄取，通过代谢活动（包括呼吸、排泄等）又回到无机世界；而大部分植物秸秆和动物尸体最后都经腐生生物（异养生物）的降解作用而返回无机世界。这样就形成了生物圈内的物质运动循环。这种循环运动都是单方向进行，不可逆转。在这个循环运动中少了哪一环或哪一环不通畅，都会影响到整个生物界。没有自养生物或自养生物不足，异养生物当然难以生存；但只有自养生物，没有异养生物，大量有机物质积累后不能降解，也会阻塞自养生物继续生存的道路。

 

 

第48节：一、生命解说(6)

 

 

　　从物质的简单形式来看，例如在大气中的以二氧化碳形式存在的碳元素，经过自养生物的光合作用，与水化合成糖类进入生命体内，部分经过自养生物自身的呼吸作用，重新成为二氧化碳回到大气中；其他部分又被各种异养生物所利用，通过它们的呼吸作用，回到无机世界。这样就形成了一个碳元素的循环。这个碳元素循环在生命体中还必须与其他很多元素（如氢、氧、氮、磷、硫等）的循环通过化学反应耦合起来，同时也推动了这些元素在空间进行循环运动。在生物圈内，元素的循环运动网络中，有很多交点，这些交点所代表的生物个体的总和就是生物量。这种周而复始的循环运动，不仅在宏观的生物圈中存在，同时在生物体的微观运动中也是存在的。生态学把生命看作是上述生物圈中种种不可逆物质循环过程的中心环节，但它仅描述了生命的外部条件及其所处的地位，却未指明生命本身的质的特点。

 

　　6．生物物理学的生命观

 

　　生物物理学出现后，对生命的诠释开始着重从物质运动的一般规律上指明生命特征。我们知道，物质和能量是守恒的，地球与外界没有物质交换只有从太阳辐射得到能量，而又反射和辐射到太空之中。太阳辐射到地球上的能量与地球反射和辐射到太空中的能量相等。尽管地球的物质和能量都没有显著变化，但地球上各种元素由于与太阳辐射发生不同反应就可产生不同程度和不同方式的运动，即产生了上述的各种循环运动，这些运动导致了地球上物质的不均匀分布。因太阳辐射所造成的能量流动对地球的影响在一个长时期内是稳定的、有节奏的和有规律的，所以，地球上物质分布的不均匀性也是有节奏的和有规律的，这就产生了地球上物质分布和运动的有序状态。热力学第二定律用一个叫作"熵"的函数来衡量一个系统的均匀程度。一个孤立系统，即与外界没有物质和能量交换的系统，运动总使熵增加。当熵达到极大值时，宏观的物质运动就会停止，称为热力学平衡。此时系统处于均匀的、无序状态。地球不是一个孤立系统，而是一个闭系，即与外界只有能量交换而无物质交换的系统，它接受太阳辐射的能量，同时它又向太空反射和辐射能量。太阳辐射出来的能量使太阳表面呈高温状态（约5800℃），根据熵的定义，它处于相对的低熵形式。而地球向太空辐射的能量，由于地球表面温度远低于太阳，故处于相对的高熵形式。活的生命体是个开放系统，它与外界不仅有能量变换，而且有物质交换。所以，站在生物物理学的角度上来看，生命体实际上是从环境中取得以食物形式存在的低熵状态的物质和能量，把它们转化为高熵状态并把废物排出体外，从而保持自身的熵处于比环境更低的水平，也就是维持着自身的有序状态。

 

 

第49节：一、生命解说(7)

 

 

　　生命体的有序性从分子水平看就很明显。它们的大分子如核酸、蛋白质在各种细胞中都有一定的排列顺序，以至一个生态系统都有一定的空间结构。有序性不但表现在空间的分布上，也表现在生命体活动的规律上。它们都有一定的特性：生长、发育、生殖、衰老、死亡以及对外界刺激做出有规律的反应等。因此，用有序性来诠释生命的概念，似乎是比较完全的了。

 

　　但是，我们仍然有一个地方没有弄清楚。从热力学的观点来看，生命的有序性现象都出自太阳辐射的推动，但是太阳辐射仅仅是生命现象出现的外部条件，因为太阳系还有其他行星，它们都具备这个条件，但却只有地球上有生命活动，生命的出现必然还有它自身的因素。

 

　　7．对称性破缺导致的生命现象

 

　　根据近三十年来物理学、数学以及其他领域的研究进展结果，人们发现过去以牛顿力学为哲学背景建立起来的自然科学的思想基础（包括量子力学在内）都是有一定局限性的，都是以线性叠加原理成立为前题的，但是自然界的各种现象中很多都是非线性的，可以统称为非线性问题。简单地讲就是，一个系统的性质不同于它的组成部分性质的线性叠加，这个系统就是一个非线性系统。在过去，不论从数学还是物理学上都认为这类非线性问题很困难，无法解决。由于近年来计算技术的发展和数学、物理上的突破，出现了一大批研究非线性问题的理论和方法，如"突变论"、"耗散结构"、"协同论"、"分岔理论"以及"混沌现象"等等，这些理论虽然提法和解决问题的方法都不相同，但是它们都是针对动力系统的非线性问题而产生的。

 

　　当一个系统的变化属于非线性问题时，它的控制参数超过了某个临界值，就会出现"对称性的破缺"，一个均匀的、对称的系统就变为不均匀的和不对称的系统。物质在空间中出现了不均匀的分布也就意味着出现了结构。这种结构的形成和维持要依靠系统中各个组分及其与外界相互作用的非线性的性质才能实现。一旦各组分及其与外界的相互作用发生变化，它们就可能解体、消失，有人称之为"耗散结构"，因为它们的相互作用不断地耗散能量和物质。生命现象是一个典型的非线性动力系统，因此动力系统非线性问题的研究对生命的理解将有重要的贡献。

 

　　生命现象是一个不断地对称性破缺的过程。从分子水平上看，所有的核苷酸、绝大部分的氨基酸以及很多脂肪酸和其他分子都是"光学活性"分子，即只有手性分子的镜像的一面，它的镜像异构分子在生物体中却不存在。这个特性，从百多年前被巴斯德发现一直到现在，是唯一的有无生命活动的经验判据。这也可能是宇宙不守恒的对称性破缺的结果。这些分子的相互作用构成了一系列的对称性破缺，从而生成了有复制能力的对称性破缺的反应系统，从而导致生命现象的出现。

 

 

第50节：二、生命演化(1)

 

 

　　二、生命演化

 

　　1．100亿年前-生命物质

 

　　以前，人们认为地球在古生代才开始有生命存在，但是现在已经发现远在30亿年前，当地球还在幼年时期，表面受陨石撞击和火山运动而变得沟壑纵横时，地球上就已经有了生命物质。

 

　　关于地球上生命诞生的条件问题，我们可以从其他类地行星上不具备什么条件来得到反证。

 

　　第一，距离太阳的远近决定着行星表面的温度，例如水星向阳面的温度可以使铅熔化，而天王星表面温度却是零下200℃。无论温度太高还是太低都不能产生生命。看起来地球的位置得天独厚，距离太阳的位置恰好不远不近，这构成了产生生命的第一个条件-温度。

 

　　第二，水和大气的存在是必不可少的。大气层的存在抵挡和缓解了外来陨石的撞击能量，我们经常能看到的流星就是陨石在大气层中摩擦发热、发光的产物。如果没有大气层，地球就是30亿年前大气层尚未形成时的状态-陨石坑遍布。大气层保护了地球，为脆弱的生命诞生创造了理想的环境。另外，地球大气层特殊的化学构成也为生命演化提供了物质基础。地球上的生命形式大部分是由碳、氢、氧这几种元素构成的，早期大气层恰好含有丰富的这类元素，这提供了产生生命的第二个条件-生命元素。

 

　　生命是一套复杂的系统，要构成生命，首先要能形成巨大的有机分子，这些巨大的分子再在某种条件下形成生命物质最重要的基本结构-氨基酸。这些氨基酸再进一步结合，形成构成生命的基本单元-蛋白质。能够形成蛋白质已经是一项了不起的成就，可是，最简单的生命也比蛋白质复杂得多。

 

　　我们不妨设想一下生命基本物质出现时的情形：很多证据表明，最初的地球大气含有丰富的甲烷和氨，由于水的出现，甲烷和氨在水溶液中结合，形成简单的有机分子。这些有机分子在原始海洋的某些部位聚集，并且在原始地球剧变的环境中互相集合，成为越来越复杂的有机大分子。这个时候的地球就像一个巨大的化学实验室，各种各样的化学物质进行着各种各样的化学反应。那些结构稳定的大分子长期存在下来，并且逐渐形成一定的稳定的共生系统，和其他集团独立起来，再经过长期而缓慢的组合，最终形成生命最初的物质。

 

　　2．46亿年前-原始大气

 

　　自然发生说认为在地球现有的条件下，非生命物质可以在适宜的环境中短时间内一下子出现低等生物，例如水螅、蠕虫之类。而化学进化说讲的是在早期地球没有任何生物的特殊条件下的物质逐渐复杂化，并由此产生最原始的生命，这些生命类型都比现在所知道的任何低级生物简单得多。

 

 

第51节：二、生命演化(2)

 

 

　　早期地球的特殊条件至少包括以下的内容：

 

　　（1）陆地上和海洋里都还没有生命。

 

　　（2）大气含有特殊的化学成分。

 

　　（3）地球表面有适宜的温度。

 

　　（4）海水里含有多种化学成分，很适宜于物质的复杂化。

 

　　很显然，化学进化说虽然跟自然发生说有些相似，但是区别是明显的。第一是条件不同，化学进化是发生在还没有任何生命的时期；第二是所需时间不同，化学进化要求很长很长的时间。

 

　　不管地球以什么方式形成，也不管早期地球是低温还是高温，有一点可以相信：当时的地球上没有任何生物。

 

　　指出早期地球没有生命，不仅是目前大家所能承认的事实，而且为生命起源提供了必要的前提。如果一开始有地球就有生命，那么这生命从何而来，还是一个问题。另一个问题，正如达尔文所说，早期地球的条件跟现在很不相同，不适宜任何生物的生存。

 

　　原始大气的成分跟现在的很不相同。当时，氢气是主要的成分，基本上没有氧气。因此，当时的大气是还原性的（在古老大气中你把一块铁锈变成铁是很容易的事情，就像现在你使一块铁生锈一样容易），跟现在氧化性的大气很有区别。

 

　　除了氢气以外，当时的大气还含有氦气、甲烷、氨、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、硫化氢等，这些是由有关的元素化合而来的。

 

　　瑞士化学家米勒和美国化学家尤里曾经设计了一个简易的装置模仿原始地球的条件。他们在仪器里放有水、甲烷、氨和氢气，对这些混合物加热，使它沸腾，跑出气体。让混合的气体在仪器里流动，沿着一定路线循环不息。在仪器的一处装上电极，并且放电使其经常出现电火花，以此作为能源，以促进化学反应。这样连续处理一个星期，他们取出液体分析，得到一些意想不到的结果。他们在那些液体里发现几种氨基酸和其他一些化合物，这表明化学进化在试管里进行了。这就有理由推测相似的化学过程会在早期的地球上发生。一些无机物或比较简单的化合物会在适宜的条件下彼此化合产生出生命所必需的一些化合物，如氨基酸之类。这说明物质在一定条件下可以由简单向复杂方向发展，物质的复杂化是生命起源的物质基础。

 

　　适宜的温度是生命起源的另一种必需条件。像金星现在的温度达到800℃，显然不适于生命的起源或生命的存在，除非另有一些特殊的生物类型适于在那样的高温下生活。鉴于某些星球，例如冥王星上的极端低温条件，也不适于生命的起源和活动。

 

　　生命适宜的温度一般在0℃以上，60℃以下。海洋的出现对地球上温度的调节起了关键性的作用。水在100℃以上会成为水蒸气，在0℃以下会结成冰。海洋的出现意味着水的温度不会太高，也不会太低。在早期的地球，有很长时期海洋的温度不太高也不太低，这适于贮存大量的有机物。高温一般会把有机物分解掉。

 

 

第52节：二、生命演化(3)

 

 

　　海洋是生命的摇篮，这是因为海洋能够提供生命起源和发展的若干重要条件。海洋能够使地球的温度不会趋于极端，这有利于生命物质的形成。很显然，没有海洋，生命的起源是不可思议的事。当然，最早的生命不一定在广阔的海洋里出现，也可能是在陆地上的某些适宜的沼泽里，像达尔文所猜测的那样。但是无论如何，海洋的存在是必需的条件，陆地上某地方的积水由于雨水冲刷会汇集于海洋。

 

　　地球的温度变化比较小，火星的温度变化很大。据观测，火星晚上的低温达到零下120℃，而白天的高温达到800℃。这是夏季的记录，这样的温度显然不适于生命的活动。尽管有不少人认为火星上有生物，甚至有人类，但现在看来，这不可能。

 

　　地球上不寻常的条件不仅在于温和的气候条件，而且还在于巨大的海洋面积。海洋占地球表面的71％，这样庞大的水面有许多好处。温和的气候跟巨大的海洋有密切的关系，这是因为水有特殊的性质，能够贮存较多的能量而温度变化不大。

 

　　这些条件非常有利于生命的起源和发展。

 

　　3．30亿年前-化学演化

 

　　原始的早期地球从非生命物质逐步发展到具有生命过程的原始细胞，大抵要经历以下几个可能的基本步骤，这就是早期的化学演化。

 

　　（1）形成了行星，出现了地球。这大约在46亿年前，当时地球的周围有许多气体，其中已有由某些元素合成的简单化合物。这些元素和化合物是进一步合成比较复杂化合物的材料，到一定时期（大约在39亿年前），出现了海洋。现在有资料表明，地球上最早的火成岩出现在39亿年以前。

 

　　（2）利用原始地球的条件合成出比生命基本物质小的单体分子，例如氨基酸、糖类和有机碱。

 

　　从无机物合成有机物，特别是合成氨基酸和有机碱，需要能源。在原始地球可以利用的能源大概有闪电或电火花。这在刹那间会提供大量的能源，引起化学演化。上面谈到的米勒实验，他们用经常发生的电火花作为能源，把一些结构比较简单的分子合成为氨基酸和其他有机物，包括甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸、蚁酸、醋酸和其他一些碳源分子。

 

　　其他学者应用相似的能源和增加某些其他成分例如乙烷等，得到了更多的氨基酸。早期地球由于没有氧气，大气的上层没有臭氧层，所以当时紫外线可以大量地到达地面。有些科学工作者应用紫外线作为能源，照射一些简单的化合物，由此得到另外一些氨基酸，例如天冬氨酸、丝氨酸和苯丙氨酸。而另一些科学工作者发现不超过100℃的热量和电离射线也可能在化学演化中发生作用，把氰化氢、氨和其他一些分子放在一起加热，不仅产生出一些氨基酸，也产生出一些嘌呤，如腺嘌呤。

 

 

第53节：二、生命演化(4)

 

 

　　嘧啶（在生物学中，嘌呤和嘧啶属于脱氧核苷酸）也可以由类似的方法产生出来，所用的原料当然有所不同。于是在原始海洋里，或者在某些池塘里，就逐渐累积下多种有机物，特别是各种氨基酸和核苷酸。由此出现了大量的蛋白质和核酸。这些都发生在达尔文所说的"热汤"里。这就是生命起源的海洋，不是现在所知道的一般海洋。在这特殊的海洋里，物质复杂化的过程又有新的创造。

 

　　（3）在"热汤"里由于某种化学作用，有些物质聚合在一起，形成许多小颗粒。这些小颗粒具有自己所特有的成分，这在生物学上称为"团聚体"或"微球"。这是从物质引导出具有一些内部结构体的一个重要步骤。从电子显微镜中观察这些"微球"，可以看到一些初步结构的情况，但是这当然还不是细胞，虽然它们可能已有吞食的现象。

 

　　活细胞之所以能够正常工作，一是在于它所含有的大分子有相当高的浓度，二是在于大分子之间、大分子与其他分子之间能够发生相互联系和相互制约。一句话，这是物质世界中一种新的体系的出现。这又是一个质变。

 

　　这样的环境中细胞是怎样起源的还是一个谜，但是团聚体、微球等的形成和结构可以帮助我们了解细胞的起源。

 

　　在人造的"热汤"里，核酸跟某些氨基酸如组氨酸在一起，会形成小颗粒，如团聚体一类的东西。它能吸取周围相类似的物质而增大体积，又能进行一些氧化还原作用，这跟呼吸作用相类似。

 

　　用各种氨基酸与高浓度的天冬氨酸和谷氨酸形成一种蛋白质性质的混合物，把这些混合物放入水中，就出现了微球。它们表现出一些代谢作用，例如它们能把一些有机物分解，它们具有膜一类的结构，能够进行类似芽生的"生殖作用"。

 

　　当然，团聚体也好，微球也好，都是短命的。它们都称不上细胞，它们的内部还没有什么可利用的稳定结构，周围也没有一个哪怕是很原始的半透性膜。

 

　　现在要问，在还没有细胞的时期，有没有其他类型的生物？如果有，可能是什么样子的呢？我们来进行一些臆测。

 

　　现在所知道的生命过程都离不开细胞，但是细胞，即便是原核生物的细胞，例如最简单的细菌，内部的结构也很精致、很复杂。看来生命一开始不会以细胞的形式存在，原则上应该有一个非细胞形态的生物，换句话说，就是前细胞形态的生物。

 

　　病毒如果算是生物，那么因为它没有细胞结构，它就是一类非细胞形态的生物。它是不是前细胞形态的生物呢？那是另一个问题。病毒不能在细胞外进行复制，换句话说，在细胞外，病毒并没有代谢作用，也不能复制自己，不能产生后代。因此，病毒是否是生物，一直是一个争论的问题，还有理由认为病毒是退化的细菌或者是离开细胞的基因。所以长期以来没有把病毒看做是前细胞生物。

 

 

第54节：二、生命演化(5)

 

 

　　现在看来，至少可以从病毒的简单结构推测前细胞的生物类型。我们知道，病毒的基本成分就是遗传物质（DNA或RNA）加上由蛋白质组成的外膜，这样的结构在早期地球的"热汤"里可能有条件进行代谢作用和复制自己。最简单的病毒只含有三个基因，一个基因产生出复制酶，一个基因产生出自己所特有的蛋白质，一个基因产生出另一种蛋白质，用于附着在宿主细胞上。类病毒是比病毒更简单的结构，它只是一条RNA，没有蛋白质，但是它一旦进入适宜的细胞（主要是高等植物例如土豆的细胞），就能复制自己并引起宿主出现特有的病症。生命是否可以由类病毒的形式出现呢？这也是一种可能性。

 

　　在现代生命系统中，DNA是至高无上的统治者，它是地球上绝大多数生物的遗传物质，即使不含DNA的少数病毒，也是以与DNA有关的RNA作为遗传物质的。因此，在生命物质准备向细胞演化之前，无论它是结构多么简单的前细胞形态，一定不能缺少DNA。DNA的重要性不仅在于作为遗传物质而传递本身，而且更主要的是在于DNA所具有的各种功能。

 

　　首先，细胞内的DNA含有生物正常发育、生长和繁殖所需的全部信息，它好比是一套详细、完整的"生物建筑蓝图"，决定生物长成什么样子，长到多大，什么时候开始繁殖下一代，甚至什么时候开始衰老，什么时候死亡。

 

　　其次，DNA在很大程度上决定了生物的习性。据近年的研究成果，错综迷离的动物行为的根源是可以追溯到遗传物质DNA本身的。

 

　　第三，DNA还决定了生物与环境的关系，决定了一种生物能在什么样的环境范围内生存，决定了生物对环境因子变化的反应。

 

　　第四，DNA通过"半保留式的复制"，可以精确地把其所含的遗传信息从1份变为2份，再变为多份，使得一个细胞可以分裂为多个含有相同DNA的细胞，使得一个小小的受精卵可以长成一个成熟的生物体，使得遗传物质可以精确地从上一代传给下一代，从而才有"种瓜得瓜，种豆得豆"，使生命得以延续。

 

　　第五，DNA通过RNA的中介和一整套的遗传密码，编码了生物所需的所有蛋白质，决定了蛋白质链中的氨基酸种类及其排列顺序。离开了DNA的指引，细胞内将是混乱一团。

 

　　第六，生物能够进化，也完全是由于DNA的存在。DNA在精确复制的同时，还可表现出一定的变异性。可以说，细胞内DNA的变异，特别是DNA整体结构的变异，是生物进化的基础，所有生物进化最终都要归结于DNA的变异。

 

　　因此，概括地说，生物细胞内的DNA好比是发号施令的总司令、细胞王国的国王，拥有至高无上的地位和权力、任何重大的指令都是从DNA发出，任何进化都与DNA有关。

 

 

第55节：二、生命演化(6)

 

 

　　化学进化所占的时期有多长呢？如果地球的年龄是46亿年，原核生物在36亿年前出现，那么在细胞生物出现前的l0亿年都主要是化学进化的时间。这里有一点值得指出：化学进化的时间应该很长，在地球形成以前就有化学进化，在生命出现以后还有化学进化。但是细胞生物出现以后，化学进化至少在地球上已经不再是很重要的事了，这是因为任何有机物的出现，都会被微生物所利用。而达尔文早就清楚地认识到了这一点。

 

　　4．20亿年前-菌类和原核细胞出现

 

　　现代生命的物质基础都是细胞。细胞有这样的特性：它把遗传物质和其他与生命密切相关的物质集中在小范围里，保证这些物质在那里有比较高的浓度，使新陈代谢过程得以正常进行。在这里，细胞膜起了特殊的作用。另一方面，细胞有两个基本的功能：一，它能进行特有的新陈代谢；二，它能进行生殖作用。缺少任何一个功能，生命都会停止。

 

　　非细胞形态的生物出现在早期地球上可能不止一次，因为这样的生命形态很不稳定，不可能一试就成功。

 

　　细胞结构有这样的优点：

 

　　第一，它有细胞膜，可以控制物质的交换，可以保证细胞内的大分子经常处于高浓度的状态。如果没有这可贵的膜，细胞物质就会被水冲淡变稀，大分子之间的相互作用就不可能建立了。

 

　　第二，它有蛋白质和酶，可以催化细胞内的物质代谢，由此得到能源和碳源，并释放出一些能量供代谢的需要。

 

　　第三，它有完整的遗传系统，这包括遗传物质DNA、三类RNA和核糖体以及细胞分裂的机制，由此可以进行DNA的复制，可以产生出RNA和蛋白质（包括酶在内），可以产生出子细胞。

 

　　有人认为像病毒那样的非细胞形态的结构，如果在早期地球中，由于基因突变和自然选择可能逐渐发展成原核细胞，一个可能的步骤如下：首先，由于基因突变和自然选择，病毒的体积得到了增大，蛋白质的外膜发展成为原始的细胞膜；其次，也是由于基因突变和自然选择的过程，在原始的细胞膜内，遗传系统逐渐得到完善化；最后，还是由于基因突变和自然选择的过程，在原始的细胞膜内产生出较多种类的酶，于是细胞内的代谢作用逐渐地提高了效率。

 

　　可以设想，在早期的地球中，各种类型的非细胞生命都在进行大实验、在彼此"竞争"，于是，在长期的自然选择中才出现了原核细胞。

 

　　在原始海洋的某个地区或者其他适宜的地方，一旦出现了原始的原核细胞，它就有了相当强的竞争能力，于是它可以逐渐分布到海洋的其他地区去。首先出现的是不能进行光合作用的细菌，理由是某些细菌类型的细胞比较简单，能够进行的工作比较有限。

 

 

第56节：二、生命演化(7)

 

 

　　细菌类型的原始生物怎样解决自己的食物问题呢？有理由相信当时海洋里有丰富的有机物，这"热汤"可以源源不断地对原始细菌提供能源和碳源。那时地球上的生态系比较单纯，主要成分是原始细菌和"热汤"，还有充足的阳光和适宜的温度。

 

　　最早的细菌类型的呼吸方式是无氧呼吸-发酵作用。当时的地球没有氧气，另外，如果细胞里要进行有氧呼吸，则需要一套机制，需要一系列的酶和细胞色素，不然就不能利用氧气。按照由简到繁的进化原理，先出现的应该是结构比较简单的细胞类型和呼吸方式。

 

　　可以想象，在养分丰富的环境里，温度又适宜，原始细菌会迅速地生长，得到大量的繁殖。经过一个时期，海洋里到处都有了它，于是出现了许多厌氧类型的细菌。经过许多万年，"热汤"的浓度逐渐变稀了，一句话，海洋里现成的有机物逐渐减少了。

 

　　这样，必然出现了食物问题。

 

　　在海洋里的有机物还没有被消耗完以前，原核细胞通过突变和自然选择会产生出新的细胞类型，它能够把简单的物质合成为可以利用的有机物。由此，可能出现这样的细胞：它能够把二氧化碳跟氢化合，产生出有机物，这就提供了一些食物。

 

　　接着，也可能出现这样的细胞：它能够固定氮气，把氮气转化成硝酸盐和氮的有机物，这样，食物的种类就得到了增加。

 

　　在这样的生化功能的基础上，一些原始细胞可能合成出卟啉和有关的一些其他化合物。卟啉是合成叶绿素等的基本化合物，这就为叶绿素和细胞色素的产生打下了基础。有了叶绿素就可以出现光合作用了，有了细胞色素就可能发展出有氧呼吸的机制了。

 

　　这意味着光合作用类型的原核细胞要登上生命的舞台了。

 

　　光合作用的出现是进化的一件大事，从此，食物有了新的更大量的来源，于是"热汤"的逐渐消失并不能阻碍生命的继续发展。同样重要的是，由光合作用所产生出来的氧气是一种很活泼的气体，它的出现要逐渐从根本上改变地球的环境，比如说，还原性的大气要逐渐变成氧化性的大气。

 

　　环境的这种转化要给许多细菌之类的原核生物带来灾难，这是因为氧气对厌氧细菌是有毒的，会把它们杀死。于是原始的细菌在进化中有两条路可走：一是避开有氧气的环境，生活在缺氧的地方；二是逐渐产生出一些能够处理氧气的酶，这就成为好氧细菌。

 

　　从与氧气的关系讲，现在基本上有三类细菌：厌氧的、好氧的、无所谓的（即在有氧无氧的条件下都能生存的）。有些细菌具有细胞色素和复杂的酶，利用氧气进行呼吸作用，跟我们人类基本上一样。

 

 

第57节：二、生命演化(8)

 

 

　　环境影响生物的进化，这是一方面。另一方面，新生物类型的出现会改变环境。例如，光合作用的出现至少从两方面改变了环境：使大气有了氧气；使食物有了新的来源。于是海洋里的生态系较为复杂了。

 

　　5．10亿年前-真核细胞出现

 

　　真核细胞跟原核细胞有若干重大的差异：真核细胞有细胞核膜，染色体大多有若干条，染色体由DNA和组蛋白所组成；而原核细胞只有核区，没有核膜，它的染色体只是一条环状的DNA分子，没有组蛋白。真核细胞的细胞质里有若干细胞器，例如线粒体、叶绿体、中心粒、内织网等；原核细胞没有细胞器。这就是说真核细胞和原核细胞之间有明显的鸿沟，界限分明。那么它们在进化中的关系如何呢？ 在生物史中，从化石材料知道，先出现原核细胞，以后才有真核细胞。现在要问真核细胞是怎样来的，是不是起源于原核细胞呢？答案是肯定的。问题是怎样起源的呢？ 由于缺乏若干中间类型，大部分论点是根据已知的生物学知识推论出来的。现在比较流行的一个理论是内共生说。按照这个假说，在原始原核生物的进化中，产生出多种类型的原始生物。

 

　　跟这个假说有关的是以下四种生物：

 

　　（1）蓝藻类的单细胞，它所含有的叶绿素分布在细胞内一层层的膜上。这是叶绿体类型的生物。

 

　　（2）好氧型细菌类的单细胞，细胞里有片层结构能进行呼吸作用。这是线粒体类型的生物。

 

　　（3）具有鞭毛的细菌类的单细胞，能活泼游泳。这是代表中心粒类型的游泳生物。

 

　　（4）一种细胞较大的生物类型，它具有原始的细胞核，能进行有丝分裂。这可以看作是一种"前原生动物"。

 

　　结构复杂的真核细胞由以下的步骤发展而来： 那些个体较大的前原生动物被其他原始生物所侵入，或者它吞下其他原始生物。假定是好氧细菌进入了较大细胞的前原生动物里，于是前原生动物可能受害而死亡，也可能把它消化掉，也可能偶而由于突变而能与入侵者"和平共处"，于是逐渐发生了共生作用。共生对两种生物都有利，前原生动物形成了有效的呼吸结构--线粒体，而共生的好氧细菌得到安生处所。以后又发生了类似的过程，具有鞭毛的小细胞并入上述的具有线粒体的前原生动物，并发生了共生作用，于是它获得了游泳工具和中心粒子，它的活动能力增强了，结构更加复杂了。这是动物细胞的起源，可以看作是鞭毛虫之类的原始动物。

 

　　而叶绿体生物（即上述的一类蓝藻）或寄生在上述的鞭毛虫上或被吞吃，于是，经过漫长的过程，在那里也发生了共生作用，这就产生出真核细胞的植物。这大概是一类原始的绿藻。

 

 

第58节：二、生命演化(9)

 

 

　　有若干事实支持内共生说。例如叶绿体和线粒体都能复制自己，它们具有相对的自主性；它们都有自己的DNA和有关的遗传系统；它们的DNA都是环状的，其遗传系统都跟细菌的遗传系统很相似；它们遗传系统中的核糖体跟真核细胞的核糖体有所区别，跟细菌的核糖体比较相似。

 

　　现代单细胞生物之中也有一些共生的例子。如一种草履虫跟一种小球藻发生共生作用，一般情况下共生得很好，但是也遇到这种情况：小球藻繁殖过盛，一只草履虫内就含有数以百计的小球藻，数量过大，会影响草履虫的生存。这样的共生关系还需改进。甲藻的染色体并不含有组蛋白，眼虫的细胞分裂并不出现纺锤体等等，可以看作是细胞核进化的一些中间类型。

 

　　真核细胞的出现使生物类型更加多样化，使生态系增加了新的内容，于是有了性的起源和多细胞生物的起源。从此，进化的速度大大地加快了。

 

　　6．4亿年前-鱼类出现

 

　　鱼和脊椎动物 当我们拿起馒头送到嘴边的时候，嘴自然就会张开，这是因为我们的上下颌上附有肌肉，肌肉包着舌头，控制嘴张开的骨骼叫上颌骨和下颌骨，在吃东西时都是利用下颌骨-下巴的活动来咀嚼食物。蛇的嘴可以张得很大，一口吞下一只鸟或一只青蛙，它们的下颌骨是由七块骨头组成，吞食时骨缝可以松开。哺乳动物中的马、牛、骆驼、羊、大象和老虎虽然有的吃食物慢条斯理，有的吃东西狼吞虎咽，但也都是用下巴一合一开地吃，只是速度不同罢了。

 

　　脊椎动物的下颌骨是经历了从无到有，逐步完善的漫长过程的。在脊椎动物中，最早出现的是鱼形脊椎动物。这些动物的口部还没有形成可以自由开闭、能够随意咬捕食物或抵御敌害的上下颌骨，被动的生活方式说明它很古老。从奥陶纪开始，就已经发现了无颌类脊椎动物的生活迹象。化石无颌类鱼绝大多数身体前部都由骨质的甲胄覆盖，所以也把它们叫作甲胄鱼。没有颌骨的脊椎动物吃东西时，只能靠流动的水将细小的生物带入它的嘴内，所以它们只能在海底坐等良机或过寄生生活。这种寄生的日子使没有下颌的脊椎动物在发展上受到了限制。

 

　　鱼类开始有了上下颌的分化时，就可以自由自在、随心所欲地捕捉所需的可口食物，同时也促进了身体神经系统、运动器官的发展，为脊椎动物向更广阔的领域发展铺平了道路。

 

　　在脊椎动物的进化史上，从无颌到有颌，从只有背鳍和尾鳍发展到偶鳍，从取食的进步到运动的灵活，这种种变化带来了鱼类的鼎盛时期。广阔的水域里，出现了具有原始上下颌和偶鳍、身披"盔甲"的真正鱼类，给刚刚开始的泥盆纪带来了无限生机。

 

 

第59节：二、生命演化(10)

 

 

　　众所周知，鱼类是脊椎动物中最大的"家族"，现今世界上有25000多种鱼，而鱼类的历史，毫不夸张地说，要比人类的历史悠久得多。在距今约4亿年前的泥盆纪早期，鱼类已经开始成为水域的主宰。

 

　　古老的鱼类身上具有骨甲，因而把这些来源不同的鱼类都叫作盾皮鱼类。它不同于甲胄鱼，甲胄鱼是把身体套在一个骨质的硬壳里，不分块的骨甲束缚了它的行动，而盾皮鱼的硬壳外衣包裹在身体的前部，又是分成几块的，这样，盾皮鱼在行动上就更加灵活了，游泳速度加快了，有利于它的发展。

 

　　盾皮鱼种类繁多，其中有10米长的恐鱼，它不但体长，而且是真正的肉食类鱼，是当时海洋中的"侵略者"。它属于当时最繁盛的两种鱼类之一的节甲类。节甲类鱼的头和身体部有坚固的骨片包着，但各不相干，只有一对关节相连，吃食物时和大部分脊椎动物相反，下颌不动，上颌向上抬起，然后向下切割，像铡刀铡草一样。我国四川省江油县发现过和恐鱼相似的头骨的甲片化石，定名为"江油鱼"。

 

　　同时，盾皮鱼中还有一种朋甲鱼也较为繁盛。我国发现的朋甲鱼化石比较多，它生活在泥盆纪中晚期，是体型较小的原始有颌类。它的头部、躯干部和胸腔由多块甲片组成的骨甲覆盖，尤其躯干部的甲片最发达。

 

　　我国云南省还曾发现了盾皮鱼中属于胸甲类的武定鱼、云南鱼和滇鱼等化石。

 

　　盾皮鱼比无颌的甲胄鱼前进了一步，但笨重的"盔甲"是它致命的弱点。它虽然有了不太发达的偶鳍，取食不必等待水的流动，张嘴捕食可以随心所欲，但行动还是受到极大的限制，依然没有摆脱枷锁的束缚，它还是不能自如地在水中行动，只能过底栖生活（生活在水底）。盾皮鱼经历了一段全盛的发展时期，但在激烈的生存竞争中还是落伍了，它由志留纪晚期生活到泥盆纪，也有少数延续到石炭纪早期，最终全部退出了生命的舞台。

 

　　在漫长的生物发展的历史长河中，鱼类中有的类群全部灭绝了，生存下来的是进步类型的软骨鱼和硬骨鱼。这两大类鱼的总和比现代其他脊椎动物还多。

 

　　鱼类登陆 1938年12月22日是一个激动人心的日子。在非洲东海岸的伦敦港附近，当地的渔民正在捕鱼，在靠近一条小河口的海中捕捞到一大网鱼，其中有一条鱼和别的鱼不一样。这条鱼是深蓝色的，鱼鳞闪闪发光，鱼的体重足有58公斤，身长15米。当地图书馆的女管理员有丰富的鱼类知识，她发现这条鱼很特殊，于是就通知了附近的一位大学教授。这位教授是个鱼类学家，他一看到这条鱼就惊呆了。经过他的研究，认为这条鱼是古生代总鳍鱼的后代，这个发现否定了总鳍鱼和恐龙是同时灭绝的说法。为了纪念这一重大发现，他们用图书馆女管理员的名字"拉蒂迈"为这条鱼命了名。

 

 

第60节：二、生命演化(11)

 

 

　　这条拉蒂迈鱼的发现曾在动物界轰动一时。拉蒂迈鱼也叫矛尾鱼，是硬骨鱼中的"珍品"。科学家对这种"活化石"非常感兴趣，可当时天气太热，这条鱼只活了3个小时便开始腐烂，只保存下来鱼皮，后来被制作成标本，它的内脏、肌肉和骨骼都被扔掉了。为了继续捕捞这种鱼，当地博物馆做了大量报道和宣传，还画了宣传画，以便引起渔民的注意。科学家开始到海上大肆搜捕拉蒂迈鱼。

 

　　拉蒂迈鱼（即矛尾鱼）的发现究竟对我们有什么启示呢？在距今4亿年前的泥盆纪，地面的植物出现了，为生物征服陆地取得了第一步胜利。当时在淡水湖泊及河流中生活着总鳍鱼的一支，它向陆地上发展，成了脊椎动物登陆成功的先驱。总鳍鱼类中有一种叫真掌鳍鱼的登上了陆地，但并不是轻而易举、一朝一夕的事。

 

　　在4亿年前的泥盆纪刚开始的时候，地壳运动十分激烈，陆地抬高升起，海底大面积升起露出海面，变成高山和平原。大大小小的低洼地在丘陵地带和海滨出现了，接着水生生物向陆地迁移。其中水生植物不用长途跋涉，水一退去就"自动到达"陆地，不用挪动，只是改变了环境--由泡在水里到站在陆地上。

 

　　而水生动物也开始了征服陆地的历程，其中一些飞向天空，演变为昆虫，休息时在陆地上有了落脚的地方；其他节肢动物等无脊椎动物，顺理成章地登陆成功。当时水中最高等的动物就是鱼类了，开始人们把登上陆地的英雄的"桂冠"戴在了肺鱼的头上。他们认为现代依然生活在非洲、大洋洲和南美洲的肺鱼，在干旱时可以用肺呼吸，并能够用肉质的偶鳍支撑身体在陆地上爬行。鱼类学家进一步研究了肺鱼的特点后，发现肺鱼的身体形态和内部结构并不适合陆地生活，是一种特化的类型。于是摘掉了肺鱼作为脊椎动物登陆先驱的桂冠，开始把眼睛盯在了与肺鱼同时出现的总鳍鱼身上。

 

　　在泥盆纪晚期，陆地的气候起了变化，出现了季节性的干旱。水边生活着刚刚露出水面的植物，植物的枝和叶落入水中后慢慢腐烂，使得水里的氧气越来越少，许许多多的鱼因缺氧而艰难地呼吸，致使很多鱼窒息死亡。我们今天看到的现生鱼类有两个外鼻孔，一个进水，一个出水，它们和口腔没有通道。而总鳍鱼类中的真掌鳍鱼已经有了内鼻孔，这个内鼻孔和外鼻孔相通，有了气体的通道，说明空气中的氧气已经能从外鼻孔经过鼻道进入口腔，随后通往肺里。肺是软组织，没有硬体部分，不可能形成化石，但内鼻孔的存在，证明了总鳍鱼类已经有了肺。一般鱼有鳃，适合在水中呼吸，总鳍鱼类既有鳃又有肺，两种器官的同时存在，说明总鳍鱼类在水陆两处都可以呼吸。脊椎动物上陆后，光会呼吸还不够，紧迫解决的关键问题是如何支撑体重在陆地上爬行。水中鱼类的鳍是柔软的游泳器官，要支撑身体在陆地上爬行比登天还难。而真掌鳍鱼的鳍与其他鱼类有明显的不同，它的胸鳍和腹鳍中存在坚硬的骨块，而骨块的排列方式和原始两栖动物的四肢非常相似，很适合在陆地上爬行和支撑自己的身体。还有十分重要的一点就是，真掌鳍鱼头骨里的骨片排列的方式，以及它的牙齿和脊椎骨的构造也和陆生脊椎动物有很多相似之处。因此，许多生物学家确信：总鳍鱼类中的真掌鳍鱼具备了向陆生脊椎动物过渡的条件，因而只有它们才能成功地发展成为陆生的脊椎动物。

 

 

第61节：二、生命演化(12)

 

 

　　7．2亿年前-中生代

 

　　1822年的一天，英国古生物学者基德思·曼特尔博士的夫人像往常一样到苏塞克斯州的采石场采集化石，她从白垩纪时期（约1亿年前）的地层中找到了几颗某种奇怪动物的牙齿。曼特尔博士的夫人在帮助丈夫进行研究的过程当中，对于化石的研究有了一定的造诣，但是，这些奇妙的牙齿究竟是什么动物的呢？她一点也看不出来。于是她跑回家去拿给曼特尔博士看，但是博士也完全看不明白，因为当时谁也不知道恐龙。实际上，在那个时代连恐龙这一名称都还没有产生。一筹莫展的曼特尔博士把这些奇怪的牙齿送给了自己的朋友-地质学家莱尔勋爵。莱尔勋爵是当时英国有名的学者，可是他也看不出门道来。于是，莱尔勋爵转请法国著名的解剖学家居维叶男爵对标本作鉴定。居维叶仔细地检查了这些牙齿，在给曼特尔的回信中说这可能是犀牛的牙齿化石，但是曼特尔对于这一回答并不感到满意，原因是曼特尔本身就十分熟悉动物的牙齿，认为这根本不是犀牛类的牙齿。

 

　　曼特尔觉得无论如何必须先找到更多的化石，这样才会得出正确的答案。于是，他来到妻子以前发现牙齿化石的采石场，积极地寻找起化石。曼特尔在现场又找到了几块化石，他将新采集到的化石又寄到法国的居维叶处。根据居维叶的推测，这些化石可能是河马的。曼特尔对于这一回答也不满意，他终于意识到，除了依靠自己深入研究外，别无他法。自此以后，曼特尔就专心致志地将这些标本与其他标本作比较来进行研究。最后，由曼特尔自己得出的结论是：这种动物属于一种新类型的大型爬行类，具有与现今蜥蜴的牙相类似的牙齿。因此，给这个动物取名叫禽龙。这就是世界上首次对恐龙化石正式给予学术上的命名的经过。

 

　　"恐龙"这一名称是在1842年由英国学者理查德·欧文勋爵命名的，它是用来说明在中生代的地层中发现的陆栖的大型爬行类动物，希腊语的意思是"恐怖的蜥蜴"。

 

　　恐龙生活在距今约2.25亿年（三迭纪的初期）到约7000万年（白垩纪的末期）的中生代。恐龙从大的分类上来看有两种，分别是蜥臀类和鸟臀类。蜥臀类的意思是"具有爬行类腰的一类"，鸟臀类的意思是"具有鸟类腰的一类"。在蜥臀类的腰骨上，骨盆下部的坐骨与前部的耻骨相对，构成一个角度；鸟臀类的腰骨的形状是坐骨长，而且与耻骨相平行。所有的恐龙不外乎这两大类别。肉食性且强壮有力的兽脚龙类和身躯极其庞大而又沉重的雷龙类部属于蜥臀类，鸟脚龙、剑龙、甲龙和角龙这些吃植物的恐龙部属于鸟臀类。

 

　　不论是蜥臀类还是鸟臀类，原来都是从叫作槽齿龙（三迭纪的爬行类）的祖先分化出来的。而且，恐龙栖居在地球的各种环境里，为了适应生活，演变成多种多样的形状而达到繁盛。恐龙是霸占地球最久的生物，让我们依照时间先后的顺序翻看一下恐龙的族谱，看看这些庞然大物是如何进化的。

 

 

第62节：二、生命演化(13)

 

 

　　兽脚龙类

 

　　兽脚龙是最早的恐龙。它们大部分都是肉食性和两足行走的。

 

　　小鸟龙 小鸟龙是一种身长不到2米的小恐龙，生活在侏罗纪，尾巴很长，越往后越细，起到保持身体平衡的杠杆作用。

 

　　小鸟龙是身体轻巧而柔软的恐龙。因此，小鸟龙在巨大的肉食龙靠近时，能够飞快地逃走。小鸟龙生有像鸟类那样强壮的后肢，它们一般在热带密林的绿荫深处搜寻猎物，轻巧而有力地在树林里跳进跳出。像其他的兽脚龙一样，小鸟龙的前肢很小，但是却长着能攫取食物和握紧东西的长长的手指。又轻又小的头骨有足够的深度，尖锐的牙齿似乎适合于吞吃或嚼碎东西。小鸟龙小巧的躯体本身对于擒拿侏罗纪的小动物是非常有效的。小鸟龙是靠追捕躲藏在岩石缝的背阴处或爬到羊齿植物茎上的小动物维持生活的。小鸟龙虽然长得不大，但是在侏罗纪当时的环境里却活得很好。

 

　　跃龙 同样是侏罗纪的兽脚龙类的跃龙却是一种庞大的肉食龙，与小鸟龙恰好形成鲜明的对比。跃龙长度达10米左右。

 

　　霸王龙 白垩纪的巨大兽脚龙类的发展到了霸王龙时，似乎已经达到了顶峰。这是至今出现在地面上的最大最强的肉食性动物。霸王龙用它那强劲有力的后肢站立起来时，头的高度距地面5～6米，全长约有15米左右，重量大约有7吨。

 

　　鸵鸟龙 鸵鸟龙是一种在白垩纪与现代鸵鸟相似的恐龙，它和一般兽脚龙不同，它是食素的。鸵鸟龙体格中等，用两只脚走路，有一条长尾巴，是兽脚龙中的怪物。这种恐龙具有和小鸟龙有几分相似的适于抓东西的爪子和长长的指头。

 

　　雷龙类 可能是因为陆地地质变迁的原因，恐龙的身体越来越大，于是就发展成了雷龙。如果仅以活在陆地上的动物而论，那么远自几亿年前的古代以至现在，遍及古今中外，还没有比雷龙更大的巨型身躯。若说比它大的东西，那只有生活在海里的鲸类。

 

　　板龙 雷龙在进化初期也只是中等大小的恐龙。在欧洲和亚洲发现的三迭纪的板龙就是最早的雷龙的一个例子。板龙长度约6米，特征是头比较小。板龙的骨盆具有蜥臀类的特征，它只能用两只脚行走。板龙的牙齿不像肉食兽脚龙类的代表那样有锋利的刃，而是为了适应于采食和嚼碎枝叶茂密的植物，牙齿的前端是扁钝的。

 

　　雷龙 最有名的雷龙类的代表就是雷龙。这是一种身体长得无法形容的四只脚的恐龙，根据化石测量雷龙，从头顶到尾巴的长度约有20～25米。雷龙生活在洼地中，在沼泽密布的地方以及沿着河流和湖泊的岸边栖息。这些动物大部分时间是在水中度过的，并且在植物丛生的湿地靠吞食植物生活。

 

 

第63节：二、生命演化(14)

 

 

　　梁龙 梁龙是北美洲产的一种极富盛名的雷龙，体重约10.5吨。虽然没有雷龙那样大，但也不算小。梁龙比雷龙的身体细长，头骨小，牙齿是细桩形的，牙的直径还不如一支铅笔的直径大。它一生的大部分时间是在水中度过的，从化石里也可以看到这一特点。

 

　　腕龙 在雷龙类当中，体重最重的是腕龙。在北美和东非出现了它们的化石。腕龙虽然没有雷龙和梁龙那样长，但是体积非常大，重量在70～80吨。腕龙与其他的雷龙类成员不同，身体的前半部分出奇的长和大，具有前腿比后腿粗大的特征，而且脖子特别长。因此，它像长颈鹿一样，脊背由前向后倾斜着。腕龙头顶部突起，形成一个峰，鼻孔就长在那里。

 

　　鸟脚龙类

 

　　翼龙 鸟类不是第一种征服天空的动物，在脊椎动物中，首先打破空中沉闷气氛的是飞翔的恐龙-翼龙。翼龙既像鸟又像蝙蝠，它的身体结构轻巧，翅膀硕大无朋，展开两翼最长可达7米。它的头又低又平，两侧各有5个孔，使头的重量减轻，减少空气阻力。

 

　　弯龙 弯龙是鸟脚龙类的一种，生活在侏罗纪。这种恐龙既可以像兽脚龙那样双足行走，又可以像雷龙类那样完全用四足行走。它能够根据情况采取任何一种姿势。弯龙的脖子较长，有着鸟一样的尖嘴，嘴的后部里侧长着扁平的牙齿，它的嘴用作切割东西的工具。

 

　　禽龙 禽龙是和弯龙关系密切的一种鸟脚龙，是由英国的曼特尔博士夫妇首次发现的。随后，在比利时的煤井里也发现了类似的化石。

 

　　鸭嘴龙 在鸟脚龙类中，特别兴旺的应是白垩纪的鸭嘴兽形恐龙。它的代表就是名为鸭嘴龙的大型恐龙。在日本曾经从长崎县高岛煤矿的矿井里找到了鸭嘴龙一类的肩关节和腕的部分。看来，鸭嘴龙有时用四条腿爬行，有时则用两条腿站立起来。

 

　　肿头龙 在鸟脚龙中，还有叫作肿头龙的非常奇特的一个类群。肿头龙生活在白垩纪后期，是硬脑壳冠军。它的名称的原意就是"厚实的头的爬行类"。这是小型或中等大小的恐龙，从外貌来看，身体和其他鸟脚龙非常相似，只是头部大不相同。这种肿头龙身长不足2米，但是却有一个很值得夸耀的硬脑袋，头部极端肿厚。它的头骨竟然有22厘米厚，而且在鼻子上和后脑勺还长着许多疙瘩、瘤和刺一类的东西。因此，在脑的上方有很厚的头骨形成上顶。虽然里面装的脑子极其贫乏，可是为什么要用这样厚的骨头来保护呢？令人百思不得其解。

 

　　拉齿龙 拉齿龙是一种会爬树的恐龙。这种恐龙脚的构造适合抓东西，通常是用来抓住树枝的。而且拉齿龙的身体较小，所以也可以在树上生活。

 

 

第64节：二、生命演化(15)

 

 

　　剑龙类

 

　　剑龙 剑龙是剑龙类的代表。剑龙生活在侏罗纪，为了保护自身，它们全身披挂着坚固的盔甲。在从脊背的正中最高处稍微向下一点的位置上，长着一连串的直立的三角形骨板，平行且交错地排列成两行。在尾巴的末梢伸出四根大尖刺，这种骨刺多半是驱逐其他恐龙用的，以免它们靠得太近。剑龙是完全用四足行走的大型恐龙，前肢比后肢小很多。它的脑袋和弯龙相似，但它脊背的形状却很特殊，从小小的脑袋起到高耸的臀部，沿陡峭的曲线形成拱桥形，然后又下降到尾巴的末端。巨大的身躯由极强壮的腿支撑着。

 

　　甲龙类 甲龙 甲龙是白垩纪武装恐龙的代表，但是它的外貌却没有侏罗纪的剑龙那样威武壮观。用来保护身体的脊背上的鞘甲和尾巴的骨锤从效果上来看，在甲龙类中可以说是最发达的。

 

　　这类恐龙说起来也就是古代的穿山甲，当遭受到肉食恐龙攻击的威胁时，就将身体蜷缩成一个球形，或者在地上将身体伸展，总之，在敌人停止攻击之前，一动不动地争取早些脱险。但是有的时候这类恐龙也不光是致力于防御，它们大多在尾巴的末端长有长锤或大棒，这是用来击退敌人进攻的唯一武器。

 

　　角龙类 在白垩纪期间先后出现了各种类型的角龙。

 

　　鹤鹅嘴龙 鹤鹅嘴龙是在蒙古高原的晚期白垩纪地层中发现的，是一种小型的两足式恐龙，它是近似于角龙始祖的动物。这种小动物的头骨已经很发达，而且明显地具有角龙特有的嘴巴。脚的形状也和角龙相符合。

 

　　原角龙 在蒙古高原的后期白垩纪地层中，发现了名为原角龙的小型的四足式恐龙化石。这就是脖子周围有褶皱的角龙类的最早的一批。原角龙的身长只有1.5米左右，最多也不超过2米。

 

　　三角龙 三角龙是最有名的角龙类。这种恐龙长约6～9米，用四足行走，臀高2.5米。三角龙的腿很强壮，并将肚子抬高离开地面。三角龙的头长占身体全长的1/3，长约2米的头边有一个大褶皱，褶皱延伸到脖子和肩上。额头变窄，形成钩状的像鹅嘴似的尖嘴，和任何一种角龙一样，三角龙的眼睛上衬着一双特别尖而且硬的角，另外在鼻子上也具有一只粗角。

 

　　白垩纪末期，各种各样的角龙繁荣兴盛。这些恐龙的角和褶皱的发达情形，根据种类各有不同。名叫隙龙的角龙只有很小的角。独角龙在眼睛的上方各有一只小角（眉角），在鼻子上方有一只大角（鼻角）。对于朗龙来说，眼睛上边的角小，但鼻子上边的角大，而且在褶皱的四周具有好多个前端尖利的枝状物。

 

　　在恐龙类中，角龙最后登场，充分繁荣了这一时期，接着和其他恐龙一起从地面上消失了。

 

 

第65节：二、生命演化(16)

 

 

　　8．500万年前--人类起源

 

　　起源分析

 

　　人类的由来是物种起源问题的一个具体例子。它在生物进化中有一般性，又有明显的特殊性。这是因为人类在动物界的出现导致更高一级的进化--社会进化。

 

　　人类由来问题一向是一个禁区。在达尔文时代和以前的长时期中，特别在欧美的社会中，只允许宗教的说法，即"上帝造人"的说法，凡持有异议的，会被视为异教徒而遭受迫害。达尔文在发表著名的《物种起源》时没有讨论这个问题。他只是在结束部分轻描淡写地提了一句，说人类的起源和历史会由此有所阐明。相信进化论的人们会自然地由此考虑到人类在自然界里的位置，会探讨人类跟其他动物的亲缘关系。

 

　　1871年，达尔文把多年搜集的有关人类起源的材料整理发表，书名是《人类由来及选择与性别的关系》，简称《人类由来》。当时，关于人类化石的材料发现得很少，他主要从人和动物的解剖学和胚胎学等研究中得出人和猿同祖的理论。跟人比较相似的动物有猴子和类人猿即猿，这些动物都属于灵长类。长着尾巴的猴子主要产于热带和亚热带，新大陆（美洲）和旧世界（指非洲和欧亚大陆等地）都有多种猴子。据古生物学家研究，类人猿跟旧世界的猴子与人的亲缘关系比较相近，类人猿主要有长臂猿、猩猩、黑猩猩和大猩猩，前两种产于亚洲，后两种产于非洲，它们基本上都是森林动物。

 

　　猴子、猿和人三类动物彼此的亲缘关系如何呢？捍卫进化论的赫胥黎在达尔文《人类由来》一书发表以前就指出，人和猿的相异远比猿和猴的相异为少。达尔文支持这个论点。现代动物学的研究证明：猴、猿和人在进化中的关系非常接近。

 

　　长臂猿是较低级的猿类，它个体较小，脑子较不发达，它跟人的亲缘关系较远。猩猩的个体相当大，它跟人很相似。生活在加里曼丹岛上的人们会抓捕猩猩的幼兽加以驯化，以帮助人们做工作。

 

　　黑猩猩和大猩猩跟人更加相似，它们智力最高。据古生物学家研究，它们与人的亲缘关系最近。根据形态学和某些化石材料看，人和猿分开进化远在一两千万年以前就发生了，可是根据分子生物学的最新研究，有了一个完全不同的答案。按照这个假说，人和猿的分支进化不但不是很久以前发生的，而且也不是从拉犸古猿开始的，是从人和黑猩猩或大猩猩的分化开始的。

 

　　比较有说服力的材料来自蛋白质的分析和核酸DNA分子的杂交实验。根据这方面的材料可以知道，人和黑猩猩或大猩猩的蛋白质差异（基因差异）只有l％～2％。人和黑猩猩DNA分子的杂交实验也得到相似结论。这种相似之深远远超过狗属、猫属和马属中的属内物种的相似。

 

 

第66节：二、生命演化(17)

 

 

　　人和黑猩猩如此相似，暗示着这两类动物分开进化的时间不会太久远。据估计，分开进化的时间大概在400万～500万年前。从非洲南部发现的南方古猿有利于这个新论点。

 

　　于是出现了一个问题：是什么机制使1%～2％的差异造成人与猿的根本不同呢？在人类的系统发育中，从身体结构和文化方面考虑，大抵经历了以下的阶段： 南猿即南方古猿，主要分布在非洲南部和东部，其最早的化石是在非洲南部发现的。这是能直立行走的动物，它们已经有了自由的手，可能就是猿人（直立人）的祖先。它们包括几个物种，生活年代距今约500万年到100万年。南猿中至少有一个物种已经能制造粗糙的工具，它的脑子也稍微大一些，大约有500立方厘米。这应是人类的开始，是早期的猿人或早期的直立人。

 

　　以后的发展就是在爪哇和我国发现的直立人。中国直立人首先是在北京附近的周口店山上发现的，当时被命名为猿人，现在这类人都叫作直立人。现在已知直立人有几个亚种，除印尼和我国以外，非洲也有一个亚种。我国发现的中国直立人化石及其文化遗址在所发现的同类化石和文化遗址中是最丰富的。他有洞穴为家；他的脑量已接近1000立方厘米；他能制造和使用工具，进行劳动；他的文化属于旧石器时代。

 

　　进一步的发展就是真人或智人。在我国发现的有河套人和山顶洞人等，在欧洲发现的有尼安德特人和克鲁马弃人等。他们的身体结构跟现代人已经没有什么区别；他们的脑量也已达到现代人的水平；他们所制造的劳动工具更多，但是仍属于旧石器时代的文化；他们集体生活的方式有所发展，他们会集合在一起去围捕马群或其他动物。真人已懂得欣赏艺术，这从真人遗留下来的壁画中可以知道。

 

　　从大猩猩、直立人和真人的头骨比较，可以看出在人的起源中，前额逐渐升起，下颌逐渐退缩，脸面逐渐出现。在从猿过渡到人的进化过程中，也像其他生物的进化一样，都是按照客观规律进行的，在哪里也不是直线发展的。例如就南猿讲，大概有几支的进化系统，其中只有一支是直立人的祖先。

 

　　人类进化的步骤

 

　　在人类的起源中，有若干进化步骤很重要。这包括：直立行走、工具的制造、生活方式的改变、脑子特别是大脑的发达、语言的出现和发展、社会的出现和发展等。

 

　　用两脚直立行走是人类起源中关键性的一个步骤。比较直立人、现代人和黑猩猩头骨的腹面，可以看到脊髓进入脑子的通道的位置很不相同。从黑猩猩的脑子与脊髓相连的位置可以清楚地看出，它还不能真正直立行走，而直立人和现代人则能真正直立行走。达尔文在讨论人类起源中，很强调直立行走，他指出"只有人成为用两脚行走的动物"，直立行走意味着手足分工。古生物学家认为，人类的动物祖先即某种古猿是树栖的，它是森林动物。在那时，像现在所看到的黑猩猩那样，它的前后肢已经有了一些分工，前肢更多用于握物。这就是说，它已有了萌芽状态的手。

 

 

第67节：二、生命演化(18)

 

 

　　人类的动物祖先可能由于某些原因而不得不发展进化。

 

　　例如气候变化使得雨量减少，而雨量不足不利于森林的存在，但是草原却可以逐渐得到发展。在草原和森林的长期斗争中，草原逐渐占优势，森林把地盘让给了草原。在此过程中，森林动物由于生态系的变化不能不有所变化。在森林逐渐消失的过程中，古猿或者迁移到有森林的地方去，或者改变为在地面上生活的习性。

 

　　有些证据表明，在印度发现的拉犸古猿已经是地面上的动物，但它是不是人类的远古祖先现在还没有统一的意见。南猿从骨骼结构来看，已经肯定是直立行走的动物。虽然对于南猿是人还是猩猩一类的猿有不同的意见，但至少它们当中有一个物种已经能制造石器。这种南猿应是人的开始，是从猿到人的中间类型之一。

 

　　南猿能够直立行走，这意味着它的手已经从行走中得到了解放。在科学上有个争论的问题：是手先出现还是脑子先发达？大家知道，在人类生活中手和脑都很重要，手的动作是受脑的指挥的，所以有人主张脑先发达，然后才有手，是脑的发达使动物转化成人。但是达尔文主张在人类起源中是先有手的。现在有些化石资料支持达尔文的观点，主要是南猿的资料。南猿这类猿人能够直立行走，这表明它有了两手，但南猿的脑子却很不发达，比大猩猩的脑子只大了一点点。这就是说猿人的直立行走比脑的发达至少提前了200万年。到了距今大约150万年前，或更迟些，才出现了直立人，他的脑部已比较发达。

 

　　生活于50万年前的中国直立人不仅已经学会了用火，而且学会了工具的使用和制造。在发现南猿的地区并没有看到粗糙石器这类劳动工具，当然，这并不是说它不会使用任何天然的工具。从现在所看到的黑猩猩的行为来说，黑猩猩不仅会使用树枝去取食，而且还会对天然工具进行一些加工，使它能够更好地满足自己生活上的需要。比如说它会折下一根树枝，会把树枝上的小枝和叶子去掉，便于插入一个白蚁巢里去寻找白蚁作为食物。这样的工具南猿大概也会使用，并进行一些加工。之所以证据比较少，主要原因是这类工具不容易留下化石一类的证据。

 

　　根据推测，人的祖先-南猿最初大概用手去采集食物，并把食物抱回"家"来，供"家庭"食用。它可能已经有了原始的家庭。后来，它才逐渐发展出新的本领-使用和制造粗糙的石器。石块比木头坚硬，原始人可以更好地用它来割下兽肉，剥制兽皮，丰富自己的生活。于是使用和制造工具的劳动成为人类祖先生活的依据了。地球上除了人类以外，没有其他动物专门依靠这样的劳动来生活。

 

 

第68节：二、生命演化(19)

 

 

　　劳动一出现，它就会发展。因为劳动的发展对生存有利，便会得到自然选择的支持，所以用标枪围捕野马的事出现了。于是，手愈来愈灵巧了。手是劳动器官，它创造了劳动，劳动也创造了手，使原始的手发展成为现代人的手。这是手和劳动在历史过程中相互促进的辩证法。

 

　　从南猿到现代人的过程中，脑部也逐渐发达起来了。脑的发达有重大的意义，它使高级的思维成为可能，在此基础上逐渐出现了语言。语言是思维的工具，也是传递信息的载体。有了语言，原始社会的进化就更有条件了。

 

　　语言的出现和发展使文化的进步成为可能，而文化的进步又丰富了人类的生活，增强了人类征服自然的力量。于是，原始的壁画出现了。

 

　　脑是怎样发展起来的呢？这跟使用和创造工具有关，跟劳动有关。劳动是手和脑合作的产物，没有灵活的手和发达的脑，劳动总是低级的，这是因为劳动是体力劳动和脑力劳动的综合。

 

　　那么，劳动对于脑和手有什么要求呢？能不能对脑和手的进化发生作用呢？回答是肯定的。但是过去对这一问题有两种回答：一是拉马克学说的论点，一是自然选择学说。拉马克学说认为，器官由于使用而发达，发达的器官能够遗传，称为获得性遗传。我们现在已经充分知道，获得性是不能直接遗传的，因此拉马克观点是不成立的。

 

　　自然选择怎样说明问题呢？在人的种群中，由于遗传的原因，脑的发达程度是有些差异的，手的灵活性也如此。稍微发达一点的脑和灵活一点的手对学习和劳动是有所帮助的，有利于种群的发展，因此，它会受到自然选择的照顾。代代如此选择，脑和手就会逐渐得到发展。

 

　　这就是说，脑和手的活动能力及其差异都有遗传基础。遗传的差异是会受选择的作用的，在从猿过渡到人的过程中尤其如此。所以劳动在这里是一种选择力量。

 

　　人类与其他动物相比，至少在脑部进化方面具有速度上的优势，这是美国芝加哥大学霍华德·休斯医学研究中心的最新研究结果。"到了人类这一阶段，脑部进化的速度就不再像蜗牛般爬行了，取而代之的是火箭般的速度，我们的微观实验表明，大量的基因突变是在很短时间内完成的。" 人类拥有大而复杂的大脑，即使是与猕猴和其他非人类灵长类动物相比也是如此。人类大脑比猕猴大脑要大好几倍-即使考虑到身体大小，"就大脑结构而言，人类大脑也要复杂得多。" 通过研究发现与大脑相关的基因在人类和猕猴身上的进化速度要比在家鼠和老鼠身上的进化速度快得多。此外，这些基因在人类的世系中与在猕猴的世系中相比，其进化速度快得多。这显然是受到强大选择过程的驱动。在人类祖先时代，拥有面积更大、更复杂的大脑会比其他哺乳动物享有更多的益处。这让那些拥有"更聪明大脑"的个体可以留下更多的后代，使产生面积更大、更复杂大脑的突变基因可以在人口中迅速蔓延。其结果是最终导致控制大脑大小和复杂性的基因的进化速度"极快"。

 

 

第69节：二、生命演化(20)

 

 

　　除了揭示与大脑相关的基因（尤其是那些与脑发育相关的基因）在人类世系中进化速度显著的总趋势外，研究者还发现了对人类大脑进化做出重要贡献的24个"外层"基因。这些"外层"基因在人类世系中变化的速度特别快，比在研究过程中分析的其他基因都要快得多。令人感到惊讶的是，多数"外层"基因要么涉及控制大脑的总面积，要么涉及控制大脑的行为能力-大脑的这两个方面是人类进化过程中变化最大的。

 

　　这表明人类世系的选择力对面积更大、更复杂的大脑"十分关照"。

 

　　对DNA序列在人类、短尾猿、家鼠和老鼠等四个物种上随时间进化的变化过程进行分析，表明人类与短尾猿在2000万年至2500万年前同属一个祖先，而家鼠和老鼠在1600万年至2300万年的进化过程中逐渐分化，但在8000万年前，所有这四个种类同属一个祖先。在世系进化成人类的2000万年至2500万年的过程中，如此众多的基因发生如此大程度的突变，这种状况简直可以称为壮观。这说明人类在进化过程中，对智力更发达的大脑的选择比其他哺乳动物在进化过程中对大脑的选择激烈得多。这也意味着选择是一项特别辛苦的"工作"。在人类进化过程中，发生的距现今最近的几次重大事件可能反映了强大的选择力的活动，其中包括大约200万年前人属的出现、大约50万年前大脑面积开始增加以及大约15万年前解剖学意义上的现代人类的出现。

 

　　显然，人类进化并不是刹那间发生的。在从猿过渡到人的过程中，体部的改造几乎是全面的，这是因为直立行走和手的劳动（特别是直立行走）要引起身体的一系列的变化。骨盆的增大跟直立行走相联系；脊柱的形状也由于直立行走发生了某些改变；前额发达，这跟脑的发达密切相关；下腭形成，齿部特别是犬齿缩小，而臼齿则发达，这情形跟猿恰好相反。当然，这也得付出一些代价，例如直立的姿势使婴儿的难产率有所增多。

 

　　总之，在从猿到人的过渡中，手和脑相互促进的发展也改造了其他器官的构造，于是出现了"真人"。

 

　　为什么人类世系在选择更聪明的大脑的过程中会经历如此一个强化的过程，而其他物种却未经历呢？这个问题目前还没有答案。这个答案可能不仅仅来自生物科学方面，也许是人类祖先所独有的复杂社会结构和文化行为才推动了大脑的进化速度。

 

　　显然，人还是一种动物，生物学规律，包括达尔文选择学说在内，甚至到现在还是要对人发生作用的。可以进一步推测，选择更聪明更复杂的大脑的进化，也许还在现代人类中进行着。但是由于人创造出社会，人已是社会的成员，所以在承认生物学规律作用的同时，还要承认社会规律的作用。从人的生活方式和进化途径来讲，支配人进化方向的主要是社会规律，而生物学规律已退居到很次要的位置了。

 

　　还应注意，社会规律不是生物学者发现的，而是社会学家发现的。

 

 

注：本文摘自百度文库     该文原创作者为林为民先生

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