地球上的生命是什么时候出现的？现在比较有证据的，是距今35亿年前。更往前，距今38亿年前，格陵兰岛的岩石中碳同位素的数据，被认为是生物活动的结果，所以也有人说生命在38亿年前已经出现。地球诞生于距今46亿年前，经过最初11亿年演变，到距今35亿年前，这是元素和化学演化阶段。这以后出现了生命，它经历了四个阶段：原核生物演化阶段（35亿～20亿年前）；真核生物演化阶段（20亿～6.3亿年前）；多细胞动物辐射演化阶段（6.3亿～5.1亿年前）；动植物躯体结构的多样化和复杂化阶段（5.1亿年以来）。
1.元素和化学演化阶段（46亿～35亿年前）
图2-1 从元素和化学演化到生物学演化
图2-1显示的是从元素和化学演化到生物学演化的一个大的过程，可以看到，在距今150亿年前，也就是宇宙大爆炸以后，在很长一段时间里是元素的演化。其中的碳、氢、氧、氮、硫、磷等几种元素构成了生命的最重要的元素。此后又经历了很长的化学演化过程，两者合计约11亿年。
化学演化过程包括由元素演化为无机化合物和有机化合物。在生命构成元素中，碳元素特别重要，碳原子相互连接，构成链状或环状的碳骨架，再与氢、氧、氮、硫、磷等原子相连接，形成有机化合物或生物分子。后者又由生物单分子演进到生物大分子，这些构成生命的基本材料形成了前生物系统，但还没有形成能新陈代谢和繁殖的细胞，所以还不是生命。生物单分子由较简单的碳格架组成，如图2-2。
图2-2 生物单分子
生物大分子是由生物单分子聚合成的多聚体，如蛋白质、核酸、脂类和多糖。图2-3中，生物大分子是大家熟悉的DNA，即基因，又称脱氧核糖核酸，它由许多元素构成，包括碳、氢、氧，还有少量的磷和氮，具有双螺旋体结构。
图2-3 生物大分子（白球-C原子，灰小球-H原子，深灰小球-O原子与其他生命元素组成有机分子，再进一步组成双螺旋结构的DNA）
2.原核生物演化阶段（35亿～20亿年前）
图2-4 生物的演化阶段
生命之树（图2-4）分三大枝——古菌、细菌和真核生物。在35亿～20亿年前首先出现了古菌和细菌二大类，古菌例如嗜盐菌和产甲烷菌。细菌例如蓝细菌和变形杆菌。这两类都属于原核生物。除了病毒以外，细胞是生命的基本组成单位，原核生物的细胞没有细胞核和由膜包被的细胞器，是最简单的生物，它们都是微生物（图2-5）。
图2-5 原核生物举例——蓝细菌
生命最早出现的证据是在西澳大利亚的皮尔巴拉，那里分别在距今35亿年前和33亿～35亿年前的岩石中发现了由生物形成的叠层石和呈丝状和球状集合体的疑似微生物（图2-6），被认为是蓝细菌，还有35亿年前的与硫酸盐还原菌有关的硫同位素分馏现象。这说明原核生物已经出现。
图2-6 距今33亿～35亿年的岩石中发现的疑似微生物
左：丝状体；右：球状集合体
最早的生命的另一类证据是非放射的稳定碳同位素，它分为有机碳和无机碳同位素。由有生命迹象构成的有机碳同位素，其分馏值与无机碳同位素的值差得很远，一般在-25‰，或还低于这个数。38亿年前，在格陵兰就已经出现了被认为可能是由生物成因造成的有机碳同位素分馏，也就是-25‰以下，有人认为这种碳同位素可能出现得还要早。也就是说，虽然有化石的生命现象在35亿年前出现，但碳同位素却显示在38亿年前可能就有了生命迹象。
这些地质年代是怎样算出来的呢？它们是按放射性同位素的半衰期算出来的。岩石中一些元素具有天然放射性的同位素， 放射性同位素经过放射衰变，自然地放射出粒子（α）、电子（β）或电磁辐射量子（γ） ，成为同一元素的较稳定的同位素或另一元素的同位素。
放射性同位素的放射衰变速率恒定， 因而其半衰期（母同位素放射衰变掉一半的时间）恒定。确定了现今岩石中母同位素（例如40K）和衰变产生的子同位素（例如40Ar）的原子数， 就可以根据半衰期计算出岩石从形成时到现今的年龄。其公式为：
t =1/λ×ln（1+D/N）
t 衰变时间（即距今年龄）； λ 衰变常数； D 子同位素原子数；N 母同位素原子数。其中λ由半衰期（T1/2）算出：
T1/2 = 1/λ×ln2 ≌ 0.693/λ
原核生物演化阶段（从35亿～20亿年前）是以原核生物为主的演化阶段，大致相当于地质历史的太古宙及早元古代（图2-4）。图2-7显示在这个阶段的一些化石证据，都是在重要的杂志上发表的。
图2-7 左：原核生物演化阶段的代表；中：原核生物形成的叠层石右：一些丝状和椭球状的原核化石
3.真核生物演化阶段（20亿～6.3亿年前）
图2-8 真核生物
真核生物与原核生物不同，其细胞具有细胞核和由膜包被的细胞器，图2-8为真核生物细胞，箭头所指为细胞核，左下肾形细胞器为叶绿体。在图2-4的生命之树上，中间是一个大分支——真核生物，包括原生生物、动物、植物和真菌等比较高级的生物。现在所有高等生物都是由真核生物演变过来的。
最早确认的真核生物在21亿年前，也有报道在27亿年前的，但有争议。大致可以说，在生命出现后，经历了15 亿年演变，到20 亿年前，也就是元古宙时，才出现了真核生物。到5.4亿年前，也就是显生宙时期，这个分支有很大增长，成为生物界的主流。
原核生物怎么变成真核生物呢？现在的看法认为，其中有个基因水平转移过程。人类父母生子女是基因垂直转移，父母的基因向下一代遗传，而真核生物在形成的过程中，是将原核生物的遗传物质转移到自己体内，把它们的遗传物质——基因经过长期的体内共生变为自己的细胞器（如线粒体和叶绿体）。这个内共生作用过程是基因水平方向的转移，不是上一代传给下一代。一部分原核生物在长期演化中，其DNA相对集中的核区逐渐形成有核模、核仁和核质的细胞核，同时其他原核生物被它吞噬掉，通过内共生成为它的身体的一部分，如图2-4中斜箭头所示，这样有了核和细胞器，就成了真核生物。
图2-9 18.5亿～15亿年前的真核生物
真核生物这一大分支在元古宙时代有很多发展，图2-9是大致在元古宙时发现的真核生物，在10亿～12亿年前又生成很多新东西，这是构成现代生物界主体的大分支。在20亿～6.3亿年前这个阶段，主要还是以单细胞真核生物为主，但它们比原核生物个体大，样式多样，不少种类呈全球分布。高级真核生物都是多细胞的，主要是6.3亿年后出现的，如现在常见的宏观的动物、植物以及人类。
4.多细胞动物辐射演化阶段（6.35亿～5.1亿年前）
8.5亿～6.35亿年左右称为雪球地球时代，是地球全部被冰雪覆盖，但间有融冰时期的很特殊的阶段。到6.35亿年前后气候转暖，冰雪大量融化，同时地球上氧气也已积累到一定程度，导致真核生物迅速繁殖，并且以多细胞动物为主。从6.35亿～5.1亿年前这一时期发生了一系列生物演化事件，在生物机体结构、生活方式和生存空间各方面迅速演变，即辐射演化。其时间虽短，但变革深刻巨大，所以独立为一个阶段， 就是多细胞动物（或后生动物）辐射演化阶段（图2-10）。
图2-10 多细胞动物辐射演化阶段
生物群栏中1～6代表本阶段6个以生物群为代表的小突变
后生动物是除原生生物以外所有多细胞动物的总称。其辐射演化从6.35亿～5.1亿年前，历时1亿多年。地球形成的40亿年中，这个演化阶段时间短，变革大，是一个突变。它的前半段（6.35亿～5.41亿年前）属于元古宙的末期（伊迪卡拉纪），后半段（5.41亿～5.1亿年前）属于显生宙第一个纪（寒武纪），所以在地球历史上，它是从隐生宙（包括冥古宙、太古宙和元古宙）到显生宙的过渡时期。经过进一步研究，这个突变又可分为生物群栏中六个（1～6）以生物群为代表的小突变，正像历史上一些大的突变事件中，又有许多小突变事件一样。六个是按现有材料说的，以后还会有变动。地球的变化包括无机界的变化和有机界的变化，其中有机界即生物界的变化远较无机界迅速而明显，所以无论从地球历史大阶段，例如宙的划分，还是在一个阶段内次级划分，多以生物界的演变为其标志。
图2-10中显示了从蓝田到布吉斯6个生物群，各自代表一次小突变事件，其中有四个是以研究最早、最好的中国产地命名的，即蓝田（安徽）、瓮安（贵州）、梅树村（云南）和澄江（云南）生物群。所以贵州和云南是位于中国的世界古生物宝库，其他两个以国外产地命名，但在中国也有同时代的代表。图中伊迪卡拉生物群在元古宙的最后时期，梅树村生物群在显生宙或寒武纪的第一个时期，在这两个宙的交接期发生了生物从软躯体为主到有硬壳的突变。有了硬壳，容易保存化石，生物的存在就显著化了，所以开始了显生宙。
图2-11 第一个多细胞后生生物群——蓝田生物群（6.3亿年前）
第一个多细胞后生生物群以宏观藻类为主——蓝田生物群（距今6.3亿年）（图2-11），出现了许多宏体的多细胞藻类——后生植物，还有一些疑似多细胞动物。但是最近在神农架地区发现了一批更早的，相当于马林诺冰期（距今6.54亿～6.35亿年）的宏观藻类，所以宏观藻类出现时间应当更早。
到5.8亿年前出现第二个多细胞后生生物群，这次以动物为主。在贵州瓮安的这个动物群特点是什么呢？就是主要胚胎化石，胚胎细胞经过多次分裂，就出现如图2-12中所显示的球状胚胎，在显微镜下看是由4、8、16个以至更多分裂细胞所组成，均小于1毫米。这属于有性繁殖，是后生动物的特征。5.8亿年前出现时，它们大量成层出现，现在已发现更早的胚胎化石是在6.3亿年前左右。但根据推论，在7亿年前间冰期，冰雪消融，就有了有性生殖，能形成胚胎。不过也有人认为那不仅是胚胎，有的只是一类分类地位不明的生物——疑源类。疑源类在6.35亿～5.8亿年前这段时期，是最繁盛的生物。此外还有长成的个体，如小春虫，只有1毫米大，是具有体腔的两侧对称动物。
图2-12 5.8亿年瓮安动物群——动物胚胎
第三次小突变是5.60亿～5.43亿年前的伊迪卡拉生物群（命名于澳大利亚），这个生物群的特点是多样化的软躯体动物，从图2-13中可看出，这些软躯体都是只留印痕在岩石上。由于保存得好，软的躯体都保存下来了，大的躯体直径有1米多，也有很小的，但是都没有外骨骼。在中国亦有与伊迪卡拉生物群相当的代表，如西陵峡生物群（湖北三峡），较早一些还有庙河生物群（湖北三峡）和瓮会生物群（贵州）。
图2-13 伊迪卡拉生物群（5.60亿～5.43亿年前）
后生动物经历了只有软躯体→外骨骼→内骨骼的演化。生物形成的骨骼首先是外骨骼；有了外骨骼以后，经过很久历史时间，生物才演化出内骨骼。为什么一开始没有外骨骼呢？外骨骼也是一把双刃剑，在海洋中氧气还不多的情况下，没有外骨骼，它整个身体表面都可以进行呼吸，吸进氧气，呼出二氧化碳。氧气少时有外骨骼对身体并不好，如果用外骨骼（外壳）把软躯体包起来，就必须先演化出一种呼吸器官来代替全躯体表面呼吸的功能，这种呼吸器官的表面积或呼吸功能相当于整个身体的呼吸功能，当时生物结构和环境氧含量还不具备条件，这是生物演化下一阶段的任务。
到第四个突变期，即距今5.4亿年前（陕西高家山）后（云南梅树村），出现了外壳，图2-14是云南梅树村发掘出的小壳动物群。这些化石是小壳动物群的外骨骼，即壳，一般很小，只有1～3毫米。因为体积越大，呼吸时能交换氧气的身体比例越小；反之面积越大，交换的效率越高，所以一开始不可能产生大的外壳，都很小。
图2-14 梅树村小壳动物群（5.4亿～5.3亿年）
动物有了外壳，其缺点是身体与外界进行呼吸代谢的表面积减少了，迫使它的内部产生一些复杂的组织，如鳃、肺等，将呼吸组织专门化，而不是用表皮，虽然实际上皮肤还是有少量的呼吸作用的。动物有了外壳，其优点是多了一层保护功能，相对于软躯体动物时代，这一时期生物复杂化了，出现了吃软躯体的生物；因为软躯体生物有被吃的危险，就要有防卫，要防卫，就要有躯壳或骨骼，将躯体缩到里面去，这反映了当时的动物生态已经复杂和进步了。
又经历了1 000万年左右，出现第五个生物群，这是最明显的一次突变。现存后生动物的38个门中，有20个在寒武纪早期，大约从5.41亿～5.21亿年这个短暂时期内出现，另外还加上已经灭绝的6个动物门，这样一个生物多样性的快速增加，伴随着形态和生态类型的快速扩张（如个体增大、形态复杂化、骨骼化、生活方式多样化等），被认为是寒武纪大爆发（或大辐射）的主幕。有人把第三到第五的三个生物群称为寒武纪大爆发的三幕。代表寒武纪大爆发主幕的生物群是云南澄江动物群（图2-15），这一时期出现了一系列的有骨骼和无骨骼的多样化生物群，并出现了最早的脊椎动物，其中包括海口鱼、昆明鱼，它们是鱼的祖先，属于广义的鱼类。鱼类、两栖类、爬行类、哺乳类、鸟类等，这些都是脊椎动物。脊椎动物的最高层次是人。图2-15的右上方是澄江动物群中发现的最早的鱼类。有一位外国学者，将生命产生以后的历史分为39段，或者说，从生命最初起源到人类出现有39步，其中最关键的是第20步，这一步正好是寒武纪大爆发产生最早的鱼的阶段。
图2-15 澄江动物群（5.3亿年前）——寒武纪大爆发主幕，树上每一分支代表一个动物门，图的最右上角是最早鱼类头部放大图，显示有眼
大爆发的余波发生在5.1亿年前后，图2-16为在加拿大的布吉斯页岩动物群，这也是6次突变中最后的一次，其中发现了140种具壳的或软躯体的动物，以节肢动物为主。中国的与之大致相当的代表是贵州的凯里动物群。
以上说明在距今约6亿年时的前后1亿年间，即从6.3亿～5.1亿年前，有6次明显的小突变，期间包含了隐生宙新元古代到显生宙寒武纪的分界（5.41亿年），“显生”表示生物在5.4亿年以后明显地显示出来了。
图2-16 布吉斯页岩动物群
5.动植物躯体结构的多样化、复杂化阶段（显生宙5.1亿年以来）
图2-17 显生宙以来动植物躯体结构的多样化、复杂化阶段
图2-17显示了显生宙以来动物（内圈）和植物（外圈）的多样化、复杂化过程。从显生宙（5.41亿年以来）开始，动植物的基本门类单元就大部分出现了。如前所述，元古宙末植物已开始由单细胞发展到宏观藻类，最早的低等植物——地衣，大概在6亿年前登上陆地，高等植物（维管植物）过了1亿多年，在志留纪才登陆（图中的原始陆生植物）。就复杂化过程说，从菌藻类演化到高等植物，其中首先是蕨类（由图中的原始陆生植物到鳞木和封印木），后来是种子植物中的裸子植物（种子蕨到苏铁植物），最后是种子植物中的被子植物（有花植物），参看第一部分的十六至二十一节。
最早的动物都是水生的，寒武纪大爆发产生了最高的动物大类——脊椎动物，其早期代表——鱼类——亦是水生的。又过了约1亿多年，到4.1亿年前，脊椎动物也登陆了，生物脱离了水以后，新的环境促使它产生新的进化。脊椎动物最早登陆的是肉鳍鱼类（第一部分第十节），继以两栖纲、爬行纲、哺乳纲、鸟纲，都主要是陆地动物。与脊椎动物演化相伴，多数无脊椎动物门类亦经历了复杂化、多样化过程。
值得大书特书的是人类的出现，人类出现距今500万～700万年，已是很晚了。作为一个比喻：如果将整个生命出现的时间看作一年365天，那么人类出现的时间相当除夕晚上8点钟，也就是最后4 小时；而现代人的出现才4万多年，相当除夕午夜钟声敲响前的1分钟。
按达尔文学说，人和猴有共同的祖先，500到700万年前，分成两支，一支的后代是猿，另一支演化为人，当中经过了多个物种，如南方古猿（南猿）、能人、直立人、智人（化石智人）等，直到现代人，见图2-18及第一部分第十五节。
图2-18 人类的演化
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