地球的起源与演化 (2).ppt

,主讲：魏秀国,地球科学概论,旅游与环境学院,自然灾害与减灾,绪论,地球的起源与演化,地球的物理性质,地球的圈层,板块运动与地质作用,大气圈,水圈,地表形态,生物圈,地球环境及其变迁,自然资源及其利用,地球的起源与演化,地球环境与人类,第 2 章,地球的起源和圈层分异,地球的年龄及其测定,地球生物演化历程,太空看地球 地中海,在浩瀚的宇宙中数以亿计的星系中，有一个普通的旋涡星系，我们称之为银河系。银河系中大约有3000亿颗恒星，其中有一颗不起眼的有行星环绕的恒星，我们称之为太阳。地球，是太阳的第三颗行星。宇宙中的地球，其渺小，是不能用“沧海一粟”描绘的。但她孕育了生命，孕育了人类，这在我们已知的范围内，是独一无二的。,地球环境与人类,早期的地球,地球环境与人类,地球的历史将近有46亿年，而地球上已知最老岩石的年龄约为38亿年。这样就有8亿年历史没有留下岩石记录。因此地球的起源及其地壳、大气与大洋的早期演化历史，只能根据间接证据去推断。根据对恒星早期演化阶段的观察，并运用比较的方法，我们可以推断太阳系的形成过程。而地球的地壳、地幔、大气与大洋的形成与发展，则可根据对月球、陨石、小行星、其他行星及太阳的研究进行推断。,第二章 地球的起源与演化,地球的起源,地球环境与人类,第二章 地球的起源与演化,地球起源问题自18世纪中叶以来同样存在多种学说。目前较流行的看法是，大约在46亿年前，从太阳星云中开始分化出原始地球，温度较低，轻重元素浑然一体，并无分层结构。P43,塌缩与吸积理论,地球环境与人类,行星是一步一步地逐渐增大其体积的。,斯米特(1944)：宇宙尘团聚在一起成为颗粒，颗粒变成砾石。砾石变成小球，然后变成大球，再变成微行星（即星子），最后，尘埃终于变成了月球那样的大小。随着星体越来越大，它们的数目就减少。,科学家们过去常认为包括地球、水星、金星、火星在内的石质行星是一块尘埃云快速引力坍缩而形成的。这种坍缩产生了致密的球体。,地核、地幔、地壳的分离,地球环境与人类,原始地球一旦形成，有利于继续吸积太阳星云物质使体积和质量不断增大，同时因重力分异和放射性元素蜕变而增加温度。当原始地球内部物质增温达到熔融状态时，重者下沉，轻者上浮。比重大而熔点低的铁、镍等元素最先分离出来并向地心集中，形成地核。在重力分异过程中，还伴随着物质的位能向热能转化。因而，地内上层的岩石也相继发生熔融，较轻的铁镁硅酸盐物质向上集中，形成原始地幔。原始地幔的表层同时在失热、变硬，遂形成坚硬外壳，这就是原始地壳。,大气圈及水圈的形成与演化,地球环境与人类,陨石冲击时释放的物质；,来自太阳星云中的气体部分；,由火山活动所释放的物质形成的。,地球的年龄,地球环境与人类,根据多方面资料相互印证，地球具有46108年年龄的结论已经得到公认。(P43-45),为追溯地球的历史，需要知道地质体的年龄，推算各种地质事件发生的时代。地质时钟,第二章 地球的起源与演化,地质年代表（P57）,地质时间的早期估算,地球环境与人类,1658年，爱尔兰大主教厄谢尔（J.Ussher）认为地球诞生于公元前4004年，这个时间是以圣经里的纪年做为基础计算出来的。,（一）沉积速率：公元前五世纪，希罗多德（Herodotus）尼罗河三角洲 17至1584百万年。,（二）海洋里的盐：100百万年,（三）冷却速率：十九世纪，英国物理学家开尔文（L.Kelvin）根据地球的冷却速率确定地球的年龄为70百万年。,第二章 地球的起源与演化,相对年代,地球环境与人类,相对年代的测定是通过沉积岩层的层序、原始构造、不整合、穿插构造和陨石坑来确定的。,同位素年龄测定,地球环境与人类,1896年，贝克勒尔（A.H.Becquerel）观察了含铀矿物（如沥青铀矿）能使封闭的照相底片感光，这是X射线产生的作用。随后证明了铀能自然衰变，它以粒子和电磁辐射的形式放出能量（即放射性）。后来放射性衰变成为地质学家确定地球及岩石形成时代的重要手段。,同位素年代学 P43-44,第二章 地球的起源与演化,其他测年方法,地球环境与人类,树年代学,氨基酸年龄测定,古生物钟,古地磁年龄测定,纹泥,第二章 地球的起源与演化,生命起源,地球环境与人类,生命的历史未必是循序的，它肯定是难以预料的。地球上生命的进化是通过一系列意外的偶发事件来实现的。科学家们正为探索地球上何时何处以及怎样（这是最重要的）出现第一次生命作出不懈的努力。,生命的元素,地球环境与人类,地球上有很多种元素，但用于构成生命的元素并不多，主要有C、H、O、N四种，此外还有S、P及其他一些微量元素。我们知道组成生命的主要物质是蛋白质、水分和无机盐三大类。元素分析表明，蛋白质一般含碳50%55%、氧20%23%、氮15%18%、氢6%8%、硫0%4%，有些蛋白质还含有微量的P、Fe、Zn、Cu、Mo等。,第二章 地球的起源与演化,宇宙中的生命分子,地球环境与人类,1969年斯奈德(L.E.Snyder)观测到有机分子甲醛(HCHO)的6cm谱线，被誉为20世纪60年代天体物理的重大发现，激发了天文学家去探索星际分子的热情。到1991年，已发现92种星际分子，2000多条分子谱线。最新的消息是美国伊利诺斯州立大学的射电天文学家路易斯辛德通过频谱在靠近银河系中心的星云中发现了生命分子氨基酸，这一发现有可能解释生命的起源问题。,第二章 地球的起源与演化,最古老的岩石和生命记录,地球环境与人类,加拿大北部的一组变质岩阿卡斯卡片麻岩是已知最古老的、保存完好的地球表面一部分。放射性年代测定表明阿卡斯卡片麻岩有将近40亿年的年龄，这证明某些大陆物质在地球形成之后几亿年就已经存在了。,中国最古老的岩石,地球环境与人类,目前在中国发现的最古老的岩石是河北省冀东地区的花岗质片麻岩，其中包体的岩石年龄为35亿年。右图中南京大学徐克勤教授脚下的暗色包体即是这一年龄最老的岩石。,生命演化历程,地球环境与人类,元素演化,地球环境与人类,生命的起源和演化是和宇宙的起源和演化密切关联的，生命的构成元素如碳、氢、氧、氮、硫和磷等都是“大爆炸”的产物。在星系演化中，某些生物单分子，如氨基酸、嘌呤、嘧啶等形成于星系尘埃或凝聚的星云中，接着在一定的条件下，产生了像多肽多聚核苷酸等生物高分子。,第二章 地球的起源与演化,化学演化,地球环境与人类,发生在地球上最简单的生命（有细胞结构）出现之前的演化过程。可以分为两个阶段：（1）生物单分子的形成：例如氨基酸、嘌呤、嘧啶、单核苷酸、ATP等高能化合物、脂肪酸、卟啉等化合物的非生物合成；（2）生物高分子的形成：即生物单分子聚合为生物大分子（多聚化合物），例如由氨基酸聚合为多肽或蛋白质，由单核苷酸聚合为多核苷酸等。其后的演化为生物学演化；而介于化学演化和生物学演化之间的还有一个特殊的过渡阶段前生物演化。,第二章 地球的起源与演化,生物学演化,地球环境与人类,地球上第一个单细胞原始生命的出现标志着生命演化进入了一个新阶段生物学演化。生物学的演化又可以分为早期和晚期两个阶段。早期生物学的演化又可称为细胞演化阶段；晚期生物学演化又可称之为组织器官演化阶段，或系统演化阶段。细胞演化阶段是从原始的单细胞生命产生到后生动植物的大量出现，持续了25亿年以上。后生动植物出现后，生物进入系统演化阶段，在大约7亿年的时间内，数以千万计的物种经历了形成和绝灭的演化历程。,第二章 地球的起源与演化,最老的有细胞结构的生命的证据,地球环境与人类,古生物学家发现的最老的有细胞结构的生命的证据是西澳大利亚的Warrawoona微生物化石群（35亿年），表明地壳形成后不到3亿年生物演化就开始了。,生命的分类,地球环境与人类,传统分类学家将地球上的生命划分为两个界，即植物界和动物界。70年代，康奈尔大学的生态学家H魏塔克提出一种五界系统，说明生命的构成（科学，1969）。后来，波士顿大学的生物学家林恩马古利斯支持并扩充了魏塔克的框架（进化生物学，1974）。专家们现在提出，生命中最基本的划分并不是在“高等”的植物与动物之间，而是在单细胞之间。,第二章 地球的起源与演化,生命之树,五界系统,地球环境与人类,五界系统按复杂性增加的三个层次排列生命：原核的单细胞（原核生物界）；真核的单细胞（原生生物界）；真核的多细胞（植物界、真菌界和动物界）。随着生物层次的上升，生物变得愈加多样化，因为生物结构和功能复杂性的增加，变异的机会增多。多细胞生命的三个界代表了一种生态的和形态的分类。植物（生产）、真菌（还原）和动物（消费）代表了我们这个世界上三种主要生存方式。,第二章 地球的起源与演化,原核细胞向真核细胞的过渡,地球环境与人类,古老而原始的生命在经历前显生宙前期近20亿年的进化之后，到距今约19亿年前开始出现第一次繁荣，其标志是细菌与蓝藻的大发展，并且出现了真核生物。真核生物的出现标志着生命细胞结构的完善，现代生命都是从19亿年前真核生物出现的原点上辐射进化而来的。此外，还必须指出，从19亿年9亿年前我们的星球仍然是水生菌、藻生物的世界，到目前为止仍然没有发现较高等的植物。,证据：加拿大安大略的冈弗林铁建造（Gunflint Iron Formation）中的微化石群。同位素年龄测定该建造为19.5亿年。,第二章 地球的起源与演化,真核生物的出现,地球环境与人类,真核生物只能出现在地球大气圈含氧量增加到一定程度，即最初大气圈形成之后。这不仅因为真核生物进行有氧代谢，有些分裂本身就是需氧过程，而且因为真核细胞不能防御强烈紫外线的损伤，只有当与氧化大气圈形成的同时，大气层外的臭氧屏蔽层也形成以后，地球上才能有真核生物生存。,证据：澳大利亚的苦泉(Bitter Spring)组灰岩中发现，其年龄约为109亿年，其中有些细胞呈现出正在进行细胞分裂的状态。,第二章 地球的起源与演化,后生动物的出现 从无壳到有壳的演化,地球环境与人类,最早的动物化石出现在前寒武纪晚期。软躯体后生动物在震旦纪冰期之后得到突发性的迅猛发展，在距今7亿6亿年间成为海洋生物的统治者。进入寒武纪（距今6亿年）后，软躯体后生动物衰退，带壳后生动物随之兴起。这一生物发展阶段可分为前埃迪卡拉和埃迪卡拉两个亚阶段。前埃迪卡拉亚阶段以中国的淮南生物群为代表，埃迪卡拉亚阶段以澳大利亚的埃迪卡拉动物群为代表。,第二章 地球的起源与演化,淮南生物群,地球环境与人类,最早的动物化石出现在前寒武纪晚期，时限距今8亿年7.5亿年前，以中国淮南下震旦群下部刘老碑组内保存的动物化石为代表，被命名为淮南生物群，其特征是动物体没有硬壳，化石以软躯体的印模和活动遗迹保存，主要是一些蠕虫类、查尔生物类。共生的有带藻和疑源类植物的组合。如查尔生物类（Chuarid）、蠕虫类，以及海生藻类中的带藻。,埃迪卡拉动物群,地球环境与人类,埃迪卡拉（Ediacaran）动物群是Sprigg于1947年在澳大利亚中南部Ediacara地区的庞德砂岩层中首先发现的。最初人们未能确定这一动物群的时代，后来终于确定为前寒武纪，年龄为6.7亿年。埃迪卡拉动物群包含三个门，19个属，24种低等无脊椎动物。三个门是：腔肠动物门，环节动物门和节肢动物门。水母有7属9种；水螅纲有3属3种；海鳃目（珊瑚纲）有3属3种；钵水母2属2种；多毛类环虫2属5种；节肢动物2属2种。,从小壳到大壳,地球环境与人类,大约56亿年前，在寒武纪的开始之时，绝大多数无脊椎动物在几百万年的很短时间内出现了。起先是寒武纪初小壳化石的爆发性发展，继之被大型带壳动物取代。是什么原因使得早期寒武纪世界能够激发这样的生命“爆发”？长期以来这是古生物学研究中的一大难题。古生物学家为此做出大量的努力，或许是因为大气中积累了足够的有利于呼吸作用的氧；全球环境变化有利于后生动物的生存；海洋化学物质的变化积累了大量的磷酸盐，使得软体动物有可能演化出保护性的骨骼；生态学理论及其相互捕食关系的理论对此也作出了解释。,第二章 地球的起源与演化,澄江动物群(P49),因1984年7月1日在云南省澄江县首次发现而得名，是寒武纪早 期（距今约5.3亿年）的一个多门类动物化石群，不仅动物类型多，而且十分珍 稀地保存了生物的软体构造，首次栩栩如生地再现了远古海洋生命的壮丽景观和 现生动物的原始特征。,地球环境与人类,植物登陆,地球上最早的陆生植物化石出现在晚志留纪至早泥盆纪的陆相沉积物中，表明距今4亿年前植物已由海洋推向大陆，实现了登陆的伟大历史进程。植物的登陆，改变了以往大陆一片荒漠的景观，使大陆逐渐披上绿装而富有生机。不仅如此，陆生植物的出现与进化发展，完善了全球生态体系。陆生植物具有更强的生产能力，它不仅以海生藻类无法比拟的生产力制造出糖类，而且在光合作用过程中大量吸收大气中的CO2，排放出大量的游离氧O2），从而改善了大气圈的成分比，为提高大气中游离氧量作出了重大贡献。因此，亿年前的植物登陆是地球发展史上的一个伟大事件，甚至可以说，如果没有植物的登陆成功，便没有今日的世界。,地球环境与人类,动物登陆,脊椎动物由水生环境扩张到陆地环境，演化出陆生动物，这无疑是生命进化史上又一重大事件。因此，更确切地说，如果没有动、植物实现登陆的伟大进程，我们这个星球的生命还将停留在4亿年前的古老而低级的阶段。化石资料表明，两栖类是最先由水中登上陆地生活的脊椎动物类群。在两栖动物生活史中，一方面仍保留着水中生活的阶段，另一方面经过变态获得生活在陆地上新的适应能力。然而，与植物登陆相比，脊椎动物实现登陆的时间要晚得多。最早的两栖类化石发现在英格兰老红砂岩的顶部，地质时代属于泥盆纪最末期（法门期末），距今大约有3.6亿年。鱼石螈是这个古老类型的典型代表。,地球环境与人类,二叠纪末的生物大灭绝,在过去6亿年间的几次大规模绝灭中，二叠纪末（2.25亿年前）的绝灭事件是规模最大的一次。它造成了海洋中95%以上的物种的绝灭，形成了地质历史上最严重的“生物危机”。在这次事件中存在2个事实：第一，二叠纪末的绝灭的主要是海洋生物，而那一时期的陆生植物与脊椎动物未受太大影响；第二，化石记录主要保存的是浅水海洋生物，而很少有生活在海洋深处的生物化石。研究者意识到浅海区域是一个关键，开始检验浅海减少在二叠纪绝灭中起的作用。科学家正在探讨这次生物绝灭的原因，它们可能包括世界范围内的造山运动、海平面的升降、海洋盐份的减少、超新星的爆发、宇宙射线大量射入、流行病、生境的限制和气候的急剧变化等。二叠纪末的大绝灭时间，目前仍是古生物学中的一个古老而深刻的难题。,鸟类的起源,鸟类的起源是生物学上难解的谜。从达尔文的物种起源发表以来，科学家一直在推测鸟类的起源及其进化史。1860年在德国巴伐利亚约1.5亿年以前的石灰岩沉积层中发现一根孤零零的鸟羽，次年在同一地区发现一具有鸟状羽毛和翼的动物骨骼这就是举世闻名的始祖鸟。始祖鸟的骨骼解剖特征为鸟类起源于恐龙提供了明显的证据。但是，会飞的鸟类如何由爬行的恐龙进化而来的问题，使得科学家们为之争论了100年之久。近20年来，科学家对鸟类、恐龙及有关的爬行动物的演化关系进行了深入的分析研究，如今一幅从兽足类进化到鸟类的谱系进化图被描绘出来。特别是近年来在中国辽西发现的中华龙鸟为此提供了有利的证明：鸟类起源于恐龙。,中华鸟龙化石,中华龙鸟化石发现于中国辽西北票上园乡。中华龙鸟的脊柱和体表有着流苏一样的纤维状结构，这种结构有可能是羽毛的前身，它没有飞翔功能，主要是保护皮肤和体温。中华龙鸟前肢粗短，爪钩锐利，利于捕食，实际上是一种小型肉食恐龙，其牙齿内侧有明显的锯齿状构造，头部方骨还未愈合，有四个颈椎和13个脊椎，尾巴几乎是躯干长度的两倍半，属于兽足类美鸽龙科。中华鸟龙化石的发现是近100多年来恐龙化石研究史上最重要的发现之一，不仅对研究鸟类起源，而且对研究恐龙的生理、生态和演化都有不可估量的重要意义。,恐龙,恐龙灭绝,地球环境与人类,在生命演化史上，为众人熟知的绝灭事件莫过于白垩纪恐龙绝灭。距今6500万年前（即白垩纪第三纪之交时），世界突然改变。在地表居于统治地位的爬行动物大量消失，一半以上的植物和其他陆生动物也同时消失，如此多的物种绝灭这一事实表明，这一时期的地球是非常不适于生物生存的地方。撞击事件火山喷发。,第二章 地球的起源与演化,人类,38亿年来，人类是“生命之树”上最奇异的枝条。人类是生命最复杂、完美和高能的物质结构。人类的产生是千万相关事件幸运结合的意外结果。人类起源于新第三纪中新世的森林古猿中的一支，经过腊玛古猿（晚中新世到早上新世）和南方古猿（中、晚上新世）两个过渡阶段的演化，终于在上新世末第四纪初出现了真正的人类，从而有了人类及其文化、社会形态。,地球环境与人类,第二章 地球的起源与演化,谢谢！,地球生物演化史,地球环境与人类,