2第二講-宇宙、地球、生命的起源與演化課件

公共選修課現(xiàn)代物理概論

第二講

宇宙、地球、生命的起源與演化公共選修課現(xiàn)代物理概論第二講12第二講-宇宙、地球、生命的起源與演化課件22第二講-宇宙、地球、生命的起源與演化課件32第二講-宇宙、地球、生命的起源與演化課件42第二講-宇宙、地球、生命的起源與演化課件52第二講-宇宙、地球、生命的起源與演化課件6第一節(jié)宇宙概觀，宇宙的起源與演化宇宙:泛指天地萬物.中文宇指空間,宙指時間.在過去的幾十年中，天文學家們已逐漸認識到現(xiàn)在宇宙的年齡約為100億至150億年之間，這段時間若與人類歷史或者地質年代相比簡直太長了。但從某種意義上說，宇宙仍然是個新生兒，人生歷程才剛剛開始，宇宙自身許多的神奇故事還沒有上演呢！

在天文學家們的日常工作中，經常討論一些也許多少億年也不會發(fā)生的事情。比如，根據恒星演化的理論，在大約11億年以后，我們的太陽將變得非常熱，被煎熬的地球由于不再適于生命的存在而變得一片荒涼。70億年以后，它將成為一個龐大的紅巨星。接著在隨后的幾億年的時間里，它將耗盡自己的核能，外殼變暗成為一顆白矮星，進而開始了一個漫長的逐漸暗淡的過程。

第一節(jié)宇宙概觀，宇宙的起源與演化7這些嚴肅的事實讓人不禁會問，是不是天上所有的星星都有一天會走到自己生命的盡頭？是否有一天每顆星都已熄滅而又滅有更多的產生出來？如果所有的星都已逝去了，宇宙中將會發(fā)生什么事情？生命會在以個無星的環(huán)境中存在嗎？生命是否還有其它奇怪的形式？并且很快我們就會問到這樣一個終結問題：宇宙是否存在一個最終狀態(tài)，在此以后又重新開始的可能也沒有？

以上這些問題中部分問題的答案正在逐漸變得清晰。大致而言，宇宙的前途有三種可能：封閉、平直和開放。對封閉宇宙猛烈的攻擊始于1969年MartinRees（現(xiàn)在是英國皇家天文學家）的一篇開創(chuàng)性的文章。而后，IamalIslam和FreemanDyson推動了開放和平直宇宙模型的長遠發(fā)展。

在此，根據Rees,Islam,Dyson的理論以及現(xiàn)在人類對物理和天文的最新理解，為大家描繪出遙遠未來宇宙的一幅圖象。正象我們的描述與前人的描述在一些細節(jié)上有所不同一樣，隨著天文學和物理學的發(fā)展，這些描述同樣也會被重寫。這些嚴肅的事實讓人不禁會問，是不是天上所有的星星都有一天會走8一個開放的宇宙

大爆炸理論空前成功地解釋了我們現(xiàn)在的宇宙及其特性，特別是在有關宇宙膨脹、微波背景輻射及各種輕元素的不同豐度等方面，而幾乎所有的通常意義上的物質都是由這些輕元素組成的。

始自大爆炸的宇宙將面臨三種不同的命運：一個封閉的宇宙將由于自身引力作用而最終走向塌縮，開放的宇宙將永遠膨脹下去，平直宇宙則介于二者之間，它也會永遠膨脹下去，膨脹速度不斷減慢，但永遠不會達到靜止。

最后的結局從宇宙開始就已決定了。它取決于宇宙的總體密度，一個被宇宙學家稱之為Ω的值。平直宇宙，處于準確的平衡狀態(tài)，其Ω值被定義為1。如果Ω大于1，哪怕僅超過一點點，宇宙就會擁有足夠的質量也可以說是能量，從而靠其自身引力阻止膨脹的趨勢，把所有的物質揀回到一個難以想象的奇點，如果Ω小于1，宇宙正以快與其"逃逸速度"的速度在膨脹，且會繼續(xù)膨脹下去。一個開放的宇宙

大爆炸理論空前成功地解釋了我們現(xiàn)在的9我們到目前還沒有完全確定哪一種可能性是正確的。但一個最終判決正在到來，基于近來幾種方式的天文觀測表明Ω在0.2至0.3之間。這么低的值的可能性很大。許多理論學家傾向于Ω等于1。但不論觀測還是理論都沒有得出過大于1的結論。

如果Ω小于或等于1，那么宇宙將回存活足夠長的時間以允許許多有趣的事件發(fā)生。封閉的宇宙則不會讓所有激動人心的事件全部發(fā)生。在這篇文章中，我們暫且認為宇宙會永遠膨脹，并可以持續(xù)到無窮的時間。暴脹時代

對于宇宙的極早期，我們知之甚少，雖然如此，現(xiàn)代物理還是把答案歸咎于大爆炸。大爆炸宇宙學模型：1948年，伽莫夫等在美國《物理評論》雜志上發(fā)表了關于大爆炸宇宙學模型的文章：提出宇宙是由甚早期溫度極高且密度極大，體積極小的物質迅速膨脹形成的，這是一個由熱到冷、由密到稀，不斷膨脹的過程，尤如一次規(guī)模極其巨大的超級大爆炸．我們到目前還沒有完全確定哪一種可能性是正確的。但一個最終判決10根據這一學說，在宇宙的最早期，即距今大約150億年前，今天所觀測到的全部物質世界統(tǒng)統(tǒng)都集中在一個很小的范圍內，溫度極高，密度極大．大爆炸開始后0.01秒，宇宙的溫度約為1000億攝氏度，其物質的主要成分為輕粒子(如光子、電子或中微子)，而質子和中子只占十億分之一．所有這些粒子都處于熱平衡狀態(tài)．由于整個體系在快速膨脹，因此溫度很快下降．大爆炸后0.1秒，溫度下降到300億攝氏度，中子與質子之比從原來的1下降到0．61．1秒鐘后，溫度已下降到100億攝氏度．隨著密度的減小，中微子不再處于熱平衡狀態(tài)，開始向外逃逸．電子棗正電子對開始發(fā)生湮沒反應，中子與質子之比進一步下降到0.3．但這時溫度還太高，核子仍不足以把中子和質子束縛在一起．大爆炸后13.8秒，宇宙溫度下降到30億攝氏度．這時質子和中子已可形成像氘、氦那樣穩(wěn)定的原子核．化學元素從這時候開始形成．35分鐘后，宇宙溫度進一步下降到3億攝氏度，核形成停止了．氦和自由質子的質量之比大致保持在0.22～0.28這一范圍內．由于溫度還很高，質子仍不能和電子結合起來形成中性原根據這一學說，在宇宙的最早期，即距今大約150億年前，今天所11子．中性原子大約是在大爆炸發(fā)生后30萬年才開始形成的，這時的溫度已降到3000攝氏度，化學結合作用已足以將絕大部分自由電子束縛在中性原子中．到這一階段，宇宙的主要成份是氣態(tài)物質，隨著溫度的進一步降低，它們慢慢地凝聚成密度較高的氣體云，到109年后，進一步形成各種星系，1010年形成恒星系統(tǒng)．這些恒星系統(tǒng)又經歷了漫長的演化，才形成了我們今天所看到的宇宙．大爆炸宇宙學模型發(fā)展至今，特別是關于輕元素豐度的解釋和微波背景輻射的測量，說明大爆炸宇宙學模型正在走向成熟．但這并不能說明該理論無可挑剔．相反，大爆炸理論存在諸多包括視界問題、平坦性問題(現(xiàn)已被暴漲理論所解釋)、奇性問題、磁單極子問題、重子不對稱問題、暗物質問題和宇宙常數(shù)等困難，這些有待于進一步研究．相信對這些問題的不斷解決，必將進一步完善大爆炸宇宙學模型．理論物理學家已經提出了一些看似可行的觀點來解釋宇宙的開始。一般認為存在許多次大爆炸，而非一次，不斷地從以前形成的時空中產生出來，每次大爆炸，宇宙都迅速漲大，并從產子．中性原子大約是在大爆炸發(fā)生后30萬年才開始形成的，這時的12生它的母體中分離，這個新的宇宙與其它宇宙相互隔離并且是以其自有的方式演化。

對于我們存在的這個宇宙，對數(shù)時間軸有一個確切的始點：10E-44秒，這個時間稱為普朗克時間，被認為是時間的量子單位，不能把時間劃分得比這兒再小了，正如一種基本粒子電子不能再分割成更小的成分一樣。

根據現(xiàn)有理論，時間軸上下一個重要的事件于發(fā)生于10E-7量級之后，即10E-37秒的時候，在此時新生的宇宙具有難以置信的高溫和密度。超高能量的量子場使空間以很大的加速度在膨脹。與此同時，產生了非常小的密度起伏，否則這個微小寂寞的宇宙將充滿光滑又毫無特征的能量場。這些微小的變化隨空間的膨脹而保留了下來。他們以后便成為了我們現(xiàn)在所看到的星系、星系團和大尺度結構的種子。在10E-32秒的時候，這樣的暴漲停止了，隨后宇宙膨脹的步子溫和多了。

這里要提醒大家注意的是：暴脹理論預言的宇宙Ω0等于1，至少也是理論的最簡單情況。物理學家正設法使這種理論能產生出開放的宇宙來。生它的母體中分離，這個新的宇宙與其它宇宙相互隔離并且是以其自13輻射為主的時代

下一個不斷冷卻且不斷膨脹的時代持續(xù)了10E43個數(shù)量級，直至宇宙的年齡為一萬年，在這段時間里，宇宙中除了光滑單一的輻射海洋外，幾乎一無所有，我們熟悉的天體，如恒星和星系，現(xiàn)在還沒有誕生。

在一輻射為主的時代中，許多重要的時間奠定了我們現(xiàn)在所知宇宙的性質，例如：復雜粒子的相互作用使得正物質比反物質稍稍多了一點。反物質和幾乎所有的正物質都相互湮滅了。殘留下來的一些正物質便形成了我們知道的這個宇宙。

大爆炸后數(shù)分鐘時，冷卻的物質開始形成輕元素的核，包括氫、氘、氦和鋰。核物理定律對標準大爆炸模型在這時期的溫度、壓強和密度已經開始適用。因此我們可以準確地計算所應產生的原物質的成分。計算結果與我們實際所觀測到的宇宙中最古老的物質的成分是相等的。

輻射為主的時代

下一個不斷冷卻且不斷膨脹的時代持續(xù)了14當不斷減少的輻射能量密度低于物質的能量密度時，輻射為主的時代結束了。

以上情況不久，另一有劃時代意義的事件便發(fā)生了。在宇宙年齡為30萬年時，宇宙的溫度第一次下降到了可以讓整個原子（特別是氫原子）得以形成并保持下來的程度。在此之前，溫度太高了，即使有一電子與原子結合在一起也會很快被撞為自由電子的。宇宙轉化為由中性氫構成的這一時期被稱為“復合時期”。

這個過程很重要，因為這是第一次把宇宙從輻射中解放出來，還之以透明。在此之前，宇宙是不透明的輻射不斷地與物質粒子相互作用。由于氣體氫是透明的，所以這時的輻射可以自由飛翔了。首次一自由光的形式傳播。今天我們觀測到的微波背景輻射就是復合時期遣留下來的。由于其強度大大減弱，該輻射已經產生了很大的紅移。

由此開始，那些沒有被漫步宇宙的輻射之海所平滑掉的物質密度的起伏開始產生結構，我們熟悉的天體，像恒星和星系開始形成。當不斷減少的輻射能量密度低于物質的能量密度時，輻射為主的時代15恒星時代

恒星時代意味著這是一個"充滿恒星"的時代，在該時代中，宇宙中產生的大部分能量來自于普通恒星的核聚變。恒星不斷地形成、演化和死亡。我們目前就生活在恒星時代中期。

第一代恒星可能形成于宇宙僅有幾百萬年歷史的時候（雖然這類屬于"星族Ⅲ"的恒星到目前還沒被證實）。在隨后的幾十億年間，最初的星系開始出現(xiàn)，并逐漸形成星系團、超大星系團和大尺度結構。在很多星系內部，恒星形成過程以驚人的速率發(fā)生。許多年輕的星系還經歷著與其貪婪的中心黑洞有關的劇烈過程。黑洞會把魔爪的恒星撕裂，并把它們變成由熱氣體組成的圍繞其自身的吸積盤。在時間的長河中，大多數(shù)的類星體和活動星系核逐漸死去。我們的太陽和太陽系形成得稍晚，大約在45億年前，這時銀河系已經存在了相當長的一段時間了。

在我們太陽系演化的過程中，不能不提的一個事件是當太陽耗盡其氫燃料后，重新調整自身結構并形成一顆紅巨星。計算機模擬結果表明太陽表面將會令人傷心地膨脹到幾乎足以吞恒星時代

恒星時代意味著這是一個"充滿恒星"的時代，16沒我們的地球，強大的熱量將使地殼熔化，毀滅所有曾經存在于這個行星表面的生物和文明留下的證據。然而，地球也在以各種可能的方式脫離這場災難。成為紅巨星的太陽將以很強的太陽風的形式拋棄大量物質。隨著脹大的太陽把它的物質丟棄在太空，地球的軌道也會逐漸擴展一些，到一個稍安全些的地方，也許會變得和目前火星軌道大小差不多。

與此同時，在更大的尺度上，星系之間的碰撞和合并也在繼續(xù)，然而這對星系中的單個恒星或行星并沒有多少影響。據估計，60億年后，我們的銀河系將與M31，即仙女座大星云產生相互作用，即使那次不會合并，在更久遠的未來這種命運也是難以逃脫的。這兩個星系是很明顯地由引力作用束縛在一起的一對兒，兩者合并為一個更大的系統(tǒng)僅是一個時間問題。

對很多存在與星系團中的星系來說，相似的命運在等待著它們。在以后幾個宇宙時代里，當時間以太年（即10E12年）來計算時，星系團也將合并，并讓位于更大的不定型的類星系系統(tǒng)，在一些富星系團中，這樣的過程已經開始上演了。沒我們的地球，強大的熱量將使地殼熔化，毀滅所有曾經存在于這個17隨著恒星時代的繼續(xù)，一個關鍵性的角色將落到一類最不起眼、最通常的星體上，這就是紅矮星。這類星的質量不足太陽質量的一半，但由于其數(shù)量龐大，它們的總質量很容易就超過其他星體質量的總和。尤其需指出的是，這些紅矮星在把他們的氫燃燒成氫的過程中，可是真正的吝嗇鬼。它們節(jié)省著自己的燃燒，以至于在九太年之后它們中的最節(jié)儉的成員還在閃閃發(fā)光。到那時，所有大一些的星都早已燃盡而變成象冰冷的白矮星這樣的殘渣或者以超新星的形式炸毀了。紅矮星的長期演化與太陽這樣更重些的恒星是不同的。最小的恒星在把自身的氫燃燒成氦的過程中，其亮度和溫度都增加得非常緩慢，而不是很快膨脹并變成紅巨星。一個很有趣的巧合：一個0.2太陽質量的恒星將經歷一個相對平淡的人生，直到將近生命的盡頭。在這期間，它的大小、溫度、光度都幾乎不變，其數(shù)值與今天的太陽差不多。小質量星將在遙遠的未來經歷長時間的逐漸加熱過程。在以后的某階段，它們將比現(xiàn)在這種虛弱狀態(tài)明亮得多。這也許需要幾十億年的時間，比如，一個0.16太陽質量的恒星在以后55億隨著恒星時代的繼續(xù)，一個關鍵性的角色將落到一類最不起眼、最通18年期間，其亮度將從現(xiàn)在太陽亮度的10%增加到25%，這段時間已足夠在所有合適的行星上產生生命，比如我們的地球。在此之前，這些行星將在寒冷的狀況下呻吟，以為這需要最小的恒星花幾太億年的時間在低溫的主序階段緩慢的進化。我們大膽地設想假如我們能達到這樣一個遙遠的未來中的行星，我們會發(fā)現(xiàn)一個和現(xiàn)在地球差不多的世界被照耀在陽光下，但那時的夜晚的空間將是一片空白，好象沒有一顆星。

最后，即使是最小質量的紅矮星也燃盡了它的氫，而一低質量的白矮星的形式結束它的生命。今天處于主序最低層的星，其質量僅有太陽的百分之八，它的主序階段將持續(xù)10太年，而以后又該如何呢？

一個星系只要它能不斷地得到星際氣體這種原料，它就能維持星系內恒星的不斷產生，隨著恒星時代星風的減弱，恒星形成率也在不斷下降。雖然這種趨勢相當緩慢，10太年到100太年之后（這段時間相當于最長壽命的恒星的生命期），宇宙中的氫將耗盡，普通恒星的形成過程也永遠不會再有了。年期間，其亮度將從現(xiàn)在太陽亮度的10%增加到25%，這段時間19最后階段產生的恒星們將是經歷過許多代恒星演化循環(huán)的氣體聚合而成的。因此，在這些后天恒星中，比氫和氦中的元素的含量會很高。當氧在恒星混合物中的含量足夠高時，具有0.04個太陽質量的天體會在它的上層大氣中形成厚厚的冰云，從而停止自身的收縮。核心因微量的核聚變而產生的熱與從表面散失的能量保持平衡，使云層保持溫熱。這是些很怪異卻真的很冷具有冰大氣的天體。當最后一顆紅矮星也暗淡后，恒星時代也就結束了，這時宇宙的年齡大約是10E14年，天空中已沒有一顆閃亮的恒星了。最后階段產生的恒星們將是經歷過許多代恒星演化循環(huán)的氣體聚合而20第二節(jié)地球的起源與演化關于太陽系的起源的學說已有40多種。本世紀初期迅速流行起來的災變說，是對康德－拉普拉斯星云說的挑戰(zhàn)；本世紀中期興起的新的星云說，是在康德－拉普拉斯學說基礎上建立起來的更加完善的解釋太陽系起源的學說。人們對地球和太陽系起源的認識也是在這種曲折的發(fā)展過程中得以深化的。地球起源問題自18世紀中葉以來同樣存在多種學說。目前較流行的看法是，大約在46億年前，從太陽星云中開始分化出原始地球，溫度較低，輕重元素渾然一體，并無分層結構。原始地球一旦形成，有利于繼續(xù)吸積太陽星云物質使體積和質量不斷增大，同時因重力分異和放射性元素蛻變而增加溫度。當原始地球內部物質增溫達到熔融狀態(tài)時，比重大的親鐵元素加速向地心下沉，成為鐵鎳地核，比重小的親石元素上浮組成地幔和地殼，更輕的液態(tài)和氣態(tài)成分，通過火山噴發(fā)溢出地表形成原始的水圈和大氣圈。從此，行星地球開始了不同圈層之間相互作用，以及頻繁發(fā)生物質-能量交換的演化歷史。第二節(jié)地球的起源與演化21形成原始地球的物質主要是上述星云盤的原始物質，其組成主要是氫和氦，它們約占總質量的98％。此外，還有固體塵埃和太陽早期收縮演化階段拋出的物質。在地球的形成過程中，由于物質的分化作用，不斷有輕物質隨氫和氦等揮發(fā)性物質分離出來，并被太陽光壓和太陽拋出的物質帶到太陽系的外部，因此，只有重物質或土物質凝聚起來逐漸形成了原始的地球，并演化為今天的地球。水星、金星和火星與地球一樣，由于距離太陽較近，可能有類似的形成方式，它們保留了較多的重物質；而木星、土星等外行星，由于離太陽較遠，至今還保留著較多的輕物質。關于形成原始地球的方式，盡管還存在很大的推測性，但大部分研究者的看法與戴文賽先生的結論一致，即在上述星云盤形成之后，由于引力的作用和引力的不穩(wěn)定性，星云盤內的物質，包括塵埃層，因碰撞吸積，形成許多原小行星或稱為星子，又經過逐漸演化，聚成行星，地球亦就在其中形成原始地球的物質主要是上述星云盤的原始物質，其組成主要是氫22誕生了。根據估計，地球的形成所需時間約為1千萬年至1億年，離太陽較近的行星（類地行星），形成時間較短，離太陽越遠的行星，形成時間越長，甚至可達數(shù)億年。至于原始的地球到底是高溫的還是低溫的，科學家們也有不同的說法。從古老的地球起源學說出發(fā)，大多數(shù)人曾相信地球起初是一個熔融體，經過幾十億年的地質演化歷程，至今地球仍保持著它的熱量?，F(xiàn)代研究的結果比較傾向地球低溫起源的學說。地球的早期狀態(tài)究竟是高溫的還是低溫的，目前還存在著爭論。然而無論是高溫起源說還是低溫起源說，地球總體上經歷了一個由熱變冷的階段，由于地球內部又含有熱源，因此這種變冷過程是極其緩慢的，直到今天地球仍處于繼續(xù)變冷的過程中。誕生了。根據估計，地球的形成所需時間約為1千萬年至1億年，離23地球的歷史有46億年。如果把這46億年比作人類的1年，那么，在這一“年”中，地球形成于1月，地殼于2月凝結，原古海洋在3月產生；最早的生命誕生于4月，留下化石則已是5月間了；12月“中旬”時，恐龍成為當月的主宰；而靈長類的足跡晚至12月26日才開始出現(xiàn)；作為一代天驕的人的歷史，如以300百萬年計，則直到這一“年”的12月31日“下午”的6“點”24“分”，方才姍姍來遲。但卻恰好趕在“除夕”之日的《新聞聯(lián)播》之前，成為這一“年”內最具爆炸性的新聞。地球的歷史有46億年。如果把這46億年比作人類的1年，那么，24第三節(jié)生命的起源關于生命起源的幾個假說：1．特創(chuàng)論（或神造說）。這一假說認為，現(xiàn)在地球上的各種生物都是由神創(chuàng)造出來的，生命是上帶或神按照一定的目的，一次性地創(chuàng)造出來的。這一假說極為簡單地把生命的起源推到了一個不可知、也無法證明的上帝和神的身上，這是在有科學之前，由于人類的愚昧無知而提出的。這一假說把生命起源的問題，劃歸神學的范圍，因而是極不科學的。2．自生論（或自然發(fā)生說）。這一假說是很多人根據一些錯誤的觀察而提出的，認為生命是自然而然地由非生命物質產生的，而且是從非生命物質中突然產生出來。例如，中國古代有“腐革化螢”、“朽木化蟬”、“白石化羊”等說法；希臘有“泥土變魚”的傳說；17世紀歐洲有“腐肉生蛆”的說法等。這一假說本來出自原始社會人類的自然觀，認為生命來自非生命物質，具有樸素的唯物主義因素，但因為是觀察粗糙、錯誤而得出的結論，所以這一假說實際上又否認了生物與非生物之間的轉化條件，因而否認了生物與非生物之間的界限。第三節(jié)生命的起源253．生源論（或生生說）。法國微生物學家巴斯德用一系列實驗證明了，生命是不可能自然發(fā)生的，生命只能由同類生物通過繁殖而產生。這一假說雖然證明了“自生論”是錯誤的，但又否認了非生物轉化為生物的可能性，從而否認了生物與非生物之間的聯(lián)系。按這一假說的看法，生命不能自然發(fā)生，只能以繁殖的方式產生，那么地球上最初的生命又是怎樣產生的呢？這一假說是無法解釋的。4．宇宙生命論（或泛生說）。這一假說提倡“一切生命來自生命”的觀點，認為地球上最初的生命來自宇宙間的其他星球，即“地上生命，天外飛來”。這一假說認為，宇宙太空中的“生命胚種”可以隨著隕石或其他途徑跌落在地球表面，即成為最初的生命起點?，F(xiàn)代科學研究表明，在已發(fā)現(xiàn)的星球上，自然狀況下是沒有保存生命的條件的，因為沒有氧氣，溫度接近絕對零度，又充滿具有強大殺傷力的紫外線、X射線和宇宙射線等，因此任何“生命胚體”是不可能保存的。這個假說實際上把生命起源的問題推到了無邊無際的宇宙中去了，同時這個假說對于“宇宙中的生命又是怎樣起源”的問題，仍是無法解釋的。3．生源論（或生生說）。法國微生物學家巴斯德用一系列實驗證明265.新自生論（或化學進化說）。這個假說也主張生命是由非生命物質產生的，但與“自生論”不同，認為生命是在漫長的宇宙進化中發(fā)生的，是宇宙進化到某一階段的產物，不是現(xiàn)在條件下由非生命物質產生的。近幾十年來，隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，對于生命起源的化學進化問題，從天文學、地質學、物理學、化學、生物學、古生物學、古生物化學等多學科，進行了綜合研究，取得了很大進展。這一假說提出：在幾十億年的漫長歲月中，地球上由沒有生命的無機物逐步發(fā)展成今天的生命世界。這一化學進化的說法，已經為廣大的學者所接受、所承認。生命的本質生命起源歷來與宇宙成因、物質結構共同成為自然科學三大基礎理論問題之一。有史以來人們一直在孜孜不倦地進行探討，迄今并未終了。到底什么是生命？不同人有各種理解。信奉宗教者篤信“神的創(chuàng)造”和“靈魂”的存在，機械論者將生命現(xiàn)象與非生命現(xiàn)象視作完全等同，都不可能真正了解生命的5.新自生論（或化學進化說）。這個假說也主張生命是由非生命物27本質。人類歷史上第一個從辨證唯物主義觀點揭示生命本質屬性的是德國的恩格斯，他在《反杜林論》中指出：“生命是蛋白體的存在方式，這種存在方式本質上就在于這些蛋白體的化學組成部分的不斷的自我更新”。簡而言之，生命的基本特征就在于蛋白體（目前的理解為類似于原生質的核酸-蛋白質體系）具有的新陳代謝能力。這種能力是任何非生命不具備的，所以生命是物質運動的最高形式。生命現(xiàn)象的本質特征是核酸和蛋白質化學成分的自我更新(新陳代謝,包括同化和異化),生命現(xiàn)象最本質的內容是生物大分子的自我復制(DNA的復制;基因與人類基因組;蛋白質合成的控制;遺傳密碼)和生命體的自我組織.生命（生物）與非生命（非生物界）之間并不存在不可跨越的鴻溝，構成生物體的50多種元素在非生物界里同樣存在，說明兩者有著共同的物質基礎。生物是非生物演化到特定階段的產物。本質。人類歷史上第一個從辨證唯物主義觀點揭示生命本質屬性的是28生命起源的機制20世紀60年代以來射電望遠鏡搜索宇宙空間的結果，已經發(fā)現(xiàn)星際空間存在大量有機分子，至80年代初已累計達到55種，其中最重要的有15種。星際有機分子的存在說明，構成生命物質基礎的有機物可在宇宙空間的自然過程中產生，并分布于銀河系、河外星系的星球上和星際空間。但從無生命的簡單有機物小分子（氨基酸、核苷酸、單糖等）→復雜有機物大分子（類蛋白質、核酸、甘氨酸等）→許多大分子聚集而形成以蛋白質和核酸為基礎的多分子體系（呈現(xiàn)初步的新陳代謝生命現(xiàn)象），需要經過由化學演化—生命演化的連續(xù)序列和重大飛躍。在已知宇宙空間或存在熱核反應的恒星條件下，是不可能實現(xiàn)的。因此，地球上的生命起源應當從地球早期地表環(huán)境，以及物質系統(tǒng)自身的演化過程中去尋找原因。生命起源的機制29地球完成初始圈層分異后，隨著地表溫度下降到300℃±，地球表層已經存在原始地殼（硅鎂質玄武巖為主）、原始水圈（呈強酸性）和原始火山氣圈（以大量水蒸汽、H2、CO、NH3、CH4H2S等為主，屬于還原環(huán)境）。英國人米勒通過玻璃容器中上述混合氣體的放電實驗，獲得了氨基酸等簡單有機物。原始地球表面在紫外線、電離輻射和雷電作用下也可完全可以形成，已經不再有人懷疑。這些有機物匯聚到原始海洋之中，有人比喻為“生命培養(yǎng)湯”。在經過地殼環(huán)境的熱聚合等作用促進下，逐漸由氨基酸→類蛋白質→蛋白質，這個過程始終具有化學開放系統(tǒng)特征，能與周圍環(huán)境不斷發(fā)生物質-能量交換；在此系統(tǒng)內部，隨著化學反應速度提高，其有序性和方向性也相應加強，終于出現(xiàn)真正蛋白質合成，完成了向原始生命進化的飛躍。有生命的原生質是一種非細胞的生命物質，進一步的演化是形成具有保護功能的外膜，成為具有更完備生命特征的細胞，從而進入了地球歷史中生物界和非生物界共同發(fā)展的新時代。地球完成初始圈層分異后，隨著地表溫度下降到300℃±，地球表30生命出現(xiàn)的時間地球上最古老生命的記錄（化石），已在南非巴布頓地區(qū)和澳大利亞西部的燧石（一種與海底熱液噴發(fā)有關的SiO2膠體在海洋中沉淀形成的巖石）層中發(fā)現(xiàn)，主要是球狀和棒狀的單細胞細菌化石（圖2-12）。由于燧石的同位素年齡測定前者為38×108年，后者為35×108年，可推論當時地球上的單細胞生物已經出現(xiàn)（地質學上稱為太古宙早期）。在此發(fā)現(xiàn)之前有人從地球化學角度依據12C、13C碳同位素比率（僅13C與生命物質有關），也推論地球上生命過程開始于38×108年前。上述兩個渠道所獲結論一致，比較可信。原始地球為生命起源提供的三方面的條件：①物質條件即原始大氣的主要成分；②能量條件即宇宙射線、紫外線、閃電等；③場所條件即原始海洋。生命出現(xiàn)的時間312第二講-宇宙、地球、生命的起源與演化課件32生命的起源無機小分子物質生成形成組成演變有機小分子物質有機高分子物質多分子體系原始生命1953、美國米勒第一階段場所實驗第二階段過程第三階段第四階段

原始大氣

原始海洋聚合、縮合濃縮、凝聚長期演變、相互作用場所

原始海洋

原始海洋場所場所過程過程生命的起源無機小分子物質生成形成組成演變有機小分子物質有機高33H2H2OCH4

CO2NH4無機小分子物質有機小分子物質宇宙射線紫外線閃電

氨基酸核苷酸單糖生成有機高分子物質

原始蛋白質核酸分子長期積累縮合聚合

形成多分子體系濃縮凝聚

組成原始生命

演變長期演變相互作用有原始界膜原始物質交換具原始新陳代謝繁殖原始新陳代謝繁殖H2H2OCH4CO2NH4無機小分子物質有機34第四節(jié)人類的起源及其智力的發(fā)展距今65百萬年前的白堊紀、第三紀之交，出現(xiàn)了地球內外圈層多種重大災害群發(fā)事件，地球上生物界面貌又一次經歷巨大變化。新生代起開始了以哺乳動物和被子植物為主宰的階段。新生代生物界演化中最重要的事件是距今250萬年前后（第四紀）人類的出現(xiàn)。人類起源自古以來一直被當作一個奧秘而長期存在。宗教界的“上帝造人”、“特創(chuàng)論”和科學家提出的“由猿到人”、“進化論”進行過長期激烈爭論。1860年6月30日赫胥黎在英國牛津大學舉行的辯論會上挺身而出，勇敢地宣稱：“人類沒有理由因為他的祖先是猴子而感到羞恥，與真理背道而馳才是真正的羞恥?！逼駛鳛榧言挕?891年印尼爪哇梭羅河畔發(fā)現(xiàn)了180萬年前的爪哇直立人化石，1929年裴文中在北京周口店發(fā)現(xiàn)了50萬年前的北京直立人（俗稱北京人）化石，以及以后在歐洲、非洲等地古人類化石的陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，都以可靠的科學依據證明了人猿同祖論的預言。60年代后期起開展的人類與黑猩第四節(jié)人類的起源及其智力的發(fā)展35猩、大猩猩血液蛋白質、遺傳物質DNA分子等對比研究，也證實人與猿的親緣關系最近，再次從高科技研究角度提供了新的佐證。在從猿到人演化的動力機制方面，恩格斯首先提出勞動在從猿到人轉變過程中的關鍵作用。他明確指出：“首先是勞動，然后是語言和勞動一起，成了兩個主要的推動力，在它們的影響下，猿的腦髓就逐漸地變成人的腦髓?！本俚卣f明了從猿到人演化過程中最關鍵環(huán)節(jié)的奧秘。達爾文也強調“兩足行走，（使用工具）技能和擴大的腦”是人類的重要特征。原始人類與古猿的實質區(qū)別在于，后者仍停留在動物本能的勞動形式，只會使用天然工具；而前者已經有意識地能夠自己制造工具。按照制造工具的工藝水平和相應的身體結構特征（如骨骼粗壯程度、腦容量大小、直立行走姿態(tài)等），史前人類可以區(qū)分為猿人（含早期猿人，又稱能人和晚期猿人，又稱直立人），古人（早期智人）和新人（晚期智人），共3類，4個階段。猿人階段創(chuàng)造了舊石器早期文化，古人階段發(fā)展為舊石器中期文化，新人階段則從晚期舊石器轉入新石器時期文化。猩、大猩猩血液蛋白質、遺傳物質DNA分子等對比研究，也證實人36地球上已知最早的猿人化石及其制造的石器，出現(xiàn)在250萬年前的東非的坦桑尼亞、埃塞俄比亞和肯尼亞地區(qū)。因為歐亞大陸等地迄今尚未發(fā)現(xiàn)早于250萬年的猿人化石和石器，國際上一般認為非洲是人類起源的唯一發(fā)祥地。我國云南元謀縣境內，1956年發(fā)現(xiàn)了175萬年前已學會用火的元謀直立人，1986－1987年發(fā)現(xiàn)了250萬年前‘東方人’的牙齒和共生的骨器，1988年又發(fā)現(xiàn)300萬～400萬年前的人猿類頭骨化石。滇中高原會否是另一個人類起源發(fā)祥地，中國科學家很可能在21世紀內揭示這個舉世矚目的問題。早期人類生存的地球表層環(huán)境是一片洪荒世界，既有大型兇猛野獸的攻擊，又有自然災害的肆虐，生活條件十分艱苦。以50萬年前的北京直立人為例，在已發(fā)現(xiàn)的40個左右男女不同個體中，死于14歲以下的兒童占39.5％，30歲以下的青年占7％，40～50歲和50～60歲的中年分別占7.9％和2.6％，其余死亡年齡不明者占43％。無獨有偶，歐洲早期智人階段的尼安德特人（10萬～3.5萬年前）死亡年齡統(tǒng)計中，11地球上已知最早的猿人化石及其制造的石器，出現(xiàn)在250萬年前的37歲上下的兒童占40％，大于40歲者約5％（賈蘭坡，1950）。上述兩種統(tǒng)計結果極為相近，顯然早期人類短命的原因并不是“互相殘食”，主要原因可能是：①常被巨大肉食動物侵害，②近親繁殖，③食物攝取的有限性，④無力對付自然災害和疾病。即使到了號稱“大同世界”的原始公社制度時期（黃帝至堯、舜、禹，約3000～2100BC），當時的生產工具僅僅是石器和弓箭，生活資料僅僅是粗布衣、糙米飯，野菜根不加調味，衣履不到破爛不換。雖然當時不存在階級分化和剝削現(xiàn)象，也并不是令人羨慕的“大同世界”。歲上下的兒童占40％，大于40歲者約5％（賈蘭坡，1950）382第二講-宇宙、地球、生命的起源與演化課件392第二講-宇宙、地球、生命的起源與演化課件40達爾文進化論近代提出具體進化學說的首推18世紀法國博物學家布豐。他在1766年提出，不同物種可能由共同祖先通過變異而形成，認為生活環(huán)境的改變可以引起生物有