生物进化历程

导读提示

生物的进化是一个古老而崭新的论题,至今还没有哪一种理论能够完全解释生物的进化历程。我们站在今天——地球跨越46亿年的时间,来再现生命的历程正体现出生命的魅力所在。我们相信丰富的想象和科学的实践将最终揭开生命的奥秘。让我们寻着前人的足迹一起来感受生命的顽强,欣赏生命的蝶变。

图2-1 生物进化树

研学内容

在我们人类居住的地球上,从高山到平原,从沙漠到草原,从赤道到极地,从天空到湖海,几乎到处都有种类繁多、形态各异的生物,它们把地球装点得瑰丽多姿、生机勃勃。除地球历史上已灭绝的生物以外,目前世界上仍生活着100多万种动物,30多万种植物,10多万种微生物。总之,记录在案的约200万种,还有许多未定名的,约1000万种,甚至更多。

地球上的生命为什么多种多样? 神创论认为,每一种生物都是由上帝或神创造的,物种是不变的。进化论则认为,生物在与生存环境的相互作用中,总是一代又一代地发生着改变,即生物进化。那么,有哪些证据说明生物是进化的? 地球上的生物是怎么样进化的? 生物进化的原因又是什么?

图2-2 古老地层中的生物化石

化石记录显示,形成早的古老地层中,生物化石种类少,结构简单而低等;形成晚的地层中,生物化石种类多,结构复杂而高等。这表明地球上的生物是经历了漫长的地质年代发展变化的,其总的进化趋势是:从简单到复杂,从低等到高等,从水生到陆生。

小资料　生物进化的历程

38亿年前,地球上形成了稳定的陆块,多种证据表明液态的水圈是热的,甚至是沸腾的。现生的一些极端嗜热的古细菌和甲烷菌可能最接近于地球上最古老的生命形式,其代谢方式可能是化学无机自养。澳大利亚西部瓦拉伍那群中35亿年前的微生物可能是地球上最早的生命。

原始的生命,又经过极其漫长的历程,才逐渐进化为现在这样丰富多彩的生物界。概括地说,原始生命由于营养方式的不同,一部分进化成为具有叶绿素(自养)的原始藻类,另一部分进化成为没有叶绿素(异养)的原始单细胞动物。这些藻类和原始单细胞动物,就分别进化成为各种各样的植物和动物。

植物进化的大致历程是:生活在海洋中的原始藻类,经过极其漫长的年代,逐渐进化成为适应陆地生活的原始苔藓植物和蕨类植物,使原来的不毛之地开始披上了“绿装”,但是,它们的生殖都需要水。后来,一部分原始的蕨类植物进化成为原始的种子植物,包括原始的裸子植物和被子植物,它们的生殖完全脱离了水的限制,更加适应陆地生活。

动物进化的大致历程是:生活在海洋中的原始单细胞动物,经过极其漫长的年代,逐渐进化成为种类繁多的原始无脊椎动物,包括腔肠动物、扁形动物、软体动物和环节动物等,这几类动物的结构越来越复杂,但是,它们大都需要生活在有水的环境中。后来发展到了原始的节肢动物,它们有外骨骼和分节的足,比如昆虫等,对陆地环境的适应能力较强,脱离了水生环境。地球上最早的脊椎动物是古代的鱼类。又经过极其漫长的年代,某些鱼类进化成为原始的两栖类,某些两栖类进化成原始的爬行类,某些爬行类又进化成为原始的鸟类和哺乳类。各类动物的结构逐渐变得复杂,生活环境逐渐由水中到陆地,最终完全适应了陆地生活。

总之,生物的进化历程可以概括为:由简单到复杂,由低等到高等,由水生到陆生。

小资料　进化历程

新生代详细划分(单位:百万年)

第三纪

古新世65—53

始新世53—36.5

渐新世36.5—23

中新世23—5.3

上新世5.3—2.58

第四纪

更新世2.58—1.17

全新世1.17—现代

地球上的地壳发展阶段

1.太古代—元古代

地壳薄弱活动;海洋沉积占绝对优势;末期形成一些古地块。

2.震旦纪

海洋沉积占优势;古地台形成。

3.寒武纪—奥陶纪—志留纪

加里东运动,海洋沉积仍占优势;末期,加里东地槽褶皱隆起。

4.泥盆纪—石炭纪—二叠纪

海西运动,陆地相对扩大;末期许多地槽隆起,北大陆联合,南大陆开始解体。

5.三叠纪—侏罗纪—白垩纪

燕山运动,南大陆解体,北大陆普遍活动;环太平洋地槽内带隆起成山。

6.第三纪:古新世—始新世—渐新世—中新世—上新世

喜马拉雅造山运动,古地台、古褶皱普遍活动;古地中海带及环太平洋外带,隆起成山。

7.第四纪:更新世—全新世

差异升降显著,冰川广布。

地球上的动物界发展阶段

1.太古代 最低等原始生物产生

2.寒武纪—奥陶纪—志留纪 海生无脊椎动物时代

3.泥盆纪 鱼时代

4.石炭纪—二叠纪 两栖动物时代

5.三叠纪—侏罗纪—白垩纪 爬行动物时代

6.第三纪 哺乳动物时代

7.第四纪 人类时代

地球上的植物界发展阶段

1.太古代 最低等原始生物产生

2.震旦纪—寒武纪—奥陶纪早期 海生藻类时代

3.奥陶纪早期—志留纪—泥盆纪—石炭纪—二叠纪早期陆生孢子植物时代

4.二叠纪早期—三叠纪—侏罗纪—白垩纪中期 裸子植物时代

5.白垩纪中期—第三纪—第四纪 被子植物时代

地球上的部分生物盛行期

1.地球天文时期

2.太古代—元古代 藻类、海绵

3.古生代

寒武纪:藻类、海绵、珊瑚、腕足动物、海林檎、三叶虫。

奥陶纪:藻类、海绵、珊瑚、腕足动物、海林檎、海百合、海蕾、海星、三叶虫。

志留纪:藻类、海绵、珊瑚、腕足动物、海百合、海蕾、海星、三叶虫、鹦鹉螺。

泥盆纪:藻类、海绵、珊瑚、腕足动物、海林檎、海百合、海蕾、海星、三叶虫、鳞木、鹦鹉螺。

石炭纪:藻类、海绵、珊瑚、腕足动物、海林檎、海百合、海蕾、海星、三叶虫、鲨鱼、鳞木、鹦鹉螺。

二叠纪:藻类、海绵、珊瑚、海百合、三叶虫、鲨鱼、鳞木、鹦鹉螺。

小资料　生物进化学说

生物进化,多么神秘而又富有挑战性的问题,千百年来,无数先哲为之默默思索、探求、争论,为之耗尽了他们最美好的青春年华。在探索生物进化的坎坷之路上,有人因坚持真理而惨遭迫害,也有人为此而获得了至高无上的光荣。但是不管怎样,他们都为生物进化学说的发展做出了不可磨灭的贡献,是永远值得我们全人类铭记的,下面就让我们回顾那段艰苦卓绝而又振奋人心的岁月吧。

1.布丰进化学说

法国人布丰是第一个提出广泛而具体的进化学说的博物学家。他和最后一个物种不变论的权威代表人林奈是同时代的人。布丰认为物种是可变的,他特别强调环境对生物的直接影响,他认为物种生存环境的改变,特别是气候与食物性质的变化,可引起生物机体的改变。这是布丰进化学说的中心思想。布丰进化学说中闪现了一丝自然选择的概念,例如他认为某些物种的高度繁殖与它们大量死亡之间是有关联的。但遗憾的是,布丰没有经受得起宗教势力的压迫,公开发表了放弃进化学说的观点声明,这使得他作为进化论先驱者的地位大为逊色。但达尔文认为布丰是近代以科学眼光探讨物种起源的第一人。

2.灾变论与均变论

灾变论与均变论这两种相互对立的学说并未非常直接地提出与进化论有关的看法,但它们的形成和确立涉及了两个对生物界有极大影响的人物:居维叶和莱伊尔。19世纪初,著名地质学家居维叶提出了灾变论,而莱伊尔则主张均变论。尽管他们并不都支持进化论,但依旧对其发展起到了不可忽视的作用,在此略带一笔。

3.拉马克学说

拉马克学说是法国博物学家拉马克提出的关于生物进化的系统看法。主要内容如下:(1)地球有悠长的历史,绝非像神创论者所说的只有几千年的历史,地球表面不是固定不变的,而是经历了不断的变化。(2)生命物质与非生命物质有本质的区别;生命存在于生物体与环境条件的相互作用之中;低级生物类型可以不断地由非生命物质自然发生出来;植物和动物虽有重大的区别,但都有共同的基本特征;生命是连续的、变化的、发展的;生命即运动,运动表现在各方面,既表现在生物体内液体的流动上,也表现在生物体的吸收养料和排出废物上。(3)物种之间是连续的,没有确定的界限,物种只有相对的稳定性,且物种之间存在亲缘关系;物种在外界条件影响下能发生变异,栽培植物和饲养动物的出现就是物种变异的例证;古代物种是现代物种的直接祖先,物种一般不会消灭;动物界普遍有种间斗争,种内斗争则不常有。(4)生物进化的动力,一是生物天生具有向上发展的倾向,这是生物向上发展的原因;二是环境条件的变化能引起生物发生适应环境的变异,环境条件变化的大小,决定着生物发生变异的程度,也就是说,环境条件的多样性是生物多样性的原因。(5)在植物和低等动物中,环境的改变先引起功能的改变,功能的改变再引起结构的改变;而在具有神经系统的动物中,环境的改变先引起生活需要的改变,生活需要的改变又引起习性的改变,新习性的发生和加强,引起身体结构的变化;凡经常使用的器官会发达进化,而不经常使用的器官就会萎缩退化(即用进废退),这些后天获得的性状能够遗传给后代(即获得性遗传),再经过一代代的不断积累,就会形成新的生物类型。(6)无论植物还是动物,都按一定的自然顺序进化,由简单到复杂,由低级到高级;进化是树状的,即不但向上发展,而且向各个方面发展;人类大概是由高级猿类发展而来的。

从历史的角度来看,拉马克学说对科学的发展产生了重大影响,为以后生物进化论的发展奠定了基础。但是,由于当时生产水平和科学水平的限制,拉马克对进化原因的解释过于简单化。例如,对“生物天生具有向上发展的倾向”的解释就缺乏物质基础,对“环境改变必然引起生物发生与之相适应的变异”的解释也缺乏事实根据,“器官用进废退”在当代是可能的,但这种后天获得的性状,如不影响到遗传物质,是根本不能遗传给后代的。获得性遗传的错误在于它否认了遗传物质的存在,片面夸大了环境条件的作用。

4.达尔文学说

达尔文认为生物普遍存在差异。一切生物都有变异特性,世界上没有两个完全相同的生物。变异可分为一定变异和不定变异两种。所谓不定变异是指来自相同或相似亲体的不同个体,在相同或相似的条件下所产生的不同变异。达尔文认为生物普遍具有高度的繁殖率与自上而下的竞争能力;生物有繁殖过剩的倾向,但由于食物与空间的限制以及其他因素的影响,每种生物只有少数个体能够发育与繁殖;生物在生存竞争中,对生存产生有利变异的个体被保留下来,而对生存产生不利变异的个体则被淘汰,这就是自然选择或适者生存;适应是自然选择的结果,在自然选择的过程中,只有适者才能生存,但适应对生存也只有相对的意义,一旦生活环境改变,原来的适应很有可能变为不适应。最后,达尔文认为通过自然选择形成的新物种主要过程可概括为:过度繁殖,生存斗争,遗传变异,适者生存。自然选择学说揭示了生命现象的统一性是由于所有生物都有共同的祖先,生物多样化是进化的结果,生物界千差万别的种类之间有一定的内在联系,从而大大促进了生物学各个分支学科的发展。但是达尔文学说也存在一定的局限性,它的研究只停留在个体层次上,并未注意种群在生物进化中的作用,对遗传和变异的本质,还不能做出科学的解释。其强调物种形成是渐变的结果,并不能很好地解释物种大爆发现象。

5.现代生物进化理论

基本观点:种群是生物进化的基本单位,生物进化的实质是种群基因频率的改变。突变和基因重组,自然选择及隔离是物种形成过程的三个基本环节,在它们的综合作用下,种群产生分化,最终导致新物种形成。在这个过程中,突变和基因重组可产生生物进化的原材料,自然选择使种群的基因频率定向改变并决定生物进化的方向,隔离是新物种形成的必要条件。

与达尔文的自然选择学说相比,现代生物进化理论的优势在于:①研究水平从性状水平深入基因(分子)水平,认识到遗传和变异的本质,抛弃了获得性遗传的观点;②研究对象从以生物个体为单位变成以种群为单位,认识到生物进化不是以个体进行的,而是以种群为单位的;③进化理论建立在广泛存在的不定变异上,只要不定变异是客观存在的,其理论就站得住脚。

内容赏析

1.生物的进化

生物在与生存环境的相互作用中,总是一代又一代地发生着变化,其总的趋势是从简单到复杂、从低等到高等、从水生到陆生,其中生物进化最直接的证据是化石(是指保存在地层中的古生物的遗体、遗物和遗迹)。

2.地质年代的划分

地质年代主要划分为太古代、元古代、古生代、中生代和新生代。科学家通过对地质中14C含量进行测定,从而确定其地质年代,再根据不同地质年代的生物种类和数量可以为生物进化提供直接的依据。其中古生代地球上出现了大量的无脊椎动物类群和高等藻类植物类群,被称为“寒武纪生物大爆发”。

3.人工选择和自然选择

人工选择是人类在长期生产生活中有目的地精心选择和培育新物种的手段;自然选择则是通过生物与环境的相互作用,以生存斗争为动力选择个体的手段,达尔文从人工选择得到启示,从而提出了以自然选择为中心的进化理论。

鉴赏升华

达尔文做了大量科学考察,收集资料不断探索,最后从人工选择中得到了启示,进化理论的构建耗尽了他30多年的心血。这种科学求真、百折不挠、愈挫愈勇的精神是值得我们学习的。当我们面对学习、工作上的困难和困惑时,应该学习达尔文的这种精神,不屈不挠,负重前行,这样的生命才饱满丰润,无憾此生!

达尔文进化理论的重大成就之一,就是科学地解释了生物的适应性。在漫长的46亿年的地球生命史中,斗转星移和沧海桑田远不足以形容这种变迁,而地球上生命的种类却越来越多,生命世界也越来越精彩了。可以说适者生存是生物生存发展的基本法则,而人作为目前生物圈中一个重要的群体,需要适应的不仅仅是自然环境,还有社会环境。自然界弱肉强食的生存斗争已不符合人类的发展,从自然属性上讲,我们应该锻炼好自己的身体,掌握充足的科学知识以适应最基本的自然环境;从社会属性上讲,我们还应提高自己的修养,正确处理人与人之间的关系,增强社会公德心,以适应复杂的社会环境。个人的生命虽说只是生命世界中很小的一部分,但只有从个体上尊重自我生命,尊重群体中的每一个生命,才能发展群体的生命力,我们才不至于最终成为未来的某类生物沉思或者疑惑的化石。

达尔文进化理论的重大成就之二,就是科学地解释了生物的多样性。生物进化是生物与生物,生物与环境共同作用的结果。一草一木,一虫一蚁,一沙一石都是我们这个生命共同体中不可缺少的部分。因此,我们在平常生活中应该珍爱身边的一草一木,合理利用和保护野生资源,减少不良的生活习惯和生产模式对环境产生的恶劣影响,与自然和谐共处,让地球这个巨大的生命体在宇宙中永远地闪耀着熠熠的生命之光。

学后思考

1.调查周围同学的生活和学习习惯,分析这些习惯对自身健康和人类的进化有哪些影响。

2.调查校园中人为因素对校园环境有什么影响,并提出你的建议。