能源、经济、环境-第8章

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罗纪后期到白垩纪是干燥气候发展的时期，当时我国曾出现一条明显的干燥带，西起天山、甘肃，南伸至大渡河下游到江西南部，都有干燥气候条件下的石膏发育。到了第三纪，我国的沉积物大多带有红色，说明当时气候比较炎热。第三纪末期，世界气温普遍下降，整个北半球喜热植物逐渐南退。　

　　第四纪大冰期，约始于200万年前。大冰期中仍然是冷暖干湿交替出现的，当寒冷时期，即亚冰期，气温比现代气温平均约低8～12℃，高纬度地区为冰川覆盖，如最大的一次亚冰期（里斯冰期），世界大陆有十分之二、三的面积为冰川所覆盖。当时北半球有三个主要大陆冰川中心，即斯堪的纳维亚冰川中心，其冰流曾南伸到北纬51°左右；格陵兰冰川中心，其冰流也曾南伸到北纬38°左右；西伯利亚冰川中心，冰层分布于北纬60°～70°之间，有时可达北纬50°附近的贝加尔湖。冰川扩张，气候带南迁，生物群落也随之南移，如里斯冰期时，北方动物南迁，在克里木的旧石器时代（距今25万年以前）地层中曾发现过北极狐和北极鹿化石。　

　　两个亚冰期之间的亚间冰期，气候比现代温暖，北极气候比现代约高出10℃以上，低纬度气温也比现代高℃左右。原覆盖在中纬度的冰盖消失了，退缩到极地区域，甚至极地的冰盖也消失了。冰盖退缩或消失，气候带北移，生物群落也随之北移，如北冰洋沿岸也有虎、麝香牛等喜热动物群活动，喜暖植物可一直分布到北极圈。　

　　当高纬地区处于冰期时，冰川覆盖扩大，极地高压增强，迫使极锋带南移到中纬度。在中纬度极锋带上气旋活动频繁，雨量丰富，内陆湖水上涨，如我国罗布泊在冰期时，湖水水域比现代大4～5倍。反之，当高纬度地区处于间冰期时，大陆冰盖及极地高压向极区收缩，气候带北移，中纬度地区有些地方出现干燥气候，大约在一万年以前大理亚冰期（相当于欧洲武木亚冰期）消退，北半球各大陆的气候带分布和气候条件，基本上形成为现代气候的特点了。

　　在最近的一百万年中以寒冷气候为主导，即第四纪大冰期时期。北极地区的冰盖向中纬度地区大幅度扩张，最强盛的时候到达过北纬57度，某些地方冰盖的厚度达2千米。大冰期中间隔着温暖的间冰期，冷暖的气候变迁引起冰川的消长进退，对欧洲阿尔卑斯山的冰川地貌研究表明，第四纪冰期分为四个冰期，为三个相对温暖的间冰期所分隔。冰期与间冰期相比较，中纬度地区的山地雪线升降幅度可超过1200米。

　　在我国北方第四纪沉积层所出土的化石中，代表寒冷气候和温暖气候的生物，前者如披毛犀、猛犸象、虎耳草和阴地蕨等，后者如梅氏犀、水牛、榆属、柳属等，证明了第四纪时期我国的气候变迁；再如广泛分布于西北和华北的黄土沉积和其下的红土层，显示出温暖气候向寒冷干燥气候的变迁。当第四纪时，不仅我国的西部高山，而且中、东部的秦岭太白山、台湾玉山都分布有冰川。

　　大约1万年以前，气候转暖，冰川退缩，地球再次进入了温暖的间冰期。

　　人类历史时期的气候变迁

　　大冰期以后，地球大部分地区的气候在公元前5000~公元前3000年前最为温暖，被认为是冰期以后的气候最适期。当时的海平面比现在高2~3米，北冰洋的冰在夏季可能全部溶解；现在非洲的撒哈拉和中东的沙漠带，在当时气候要湿润得多。

　　在公元前900~公元前450年前，即所谓铁器时代的早期，欧洲的气候进入了冷湿时期，阿尔卑斯山的冰川显著扩张；从爱尔兰到德国的许多泥炭层刨面中显示出2500年前在这一广大地区分布着沼泽；北美洲落基山北纬50度以南所发现的现代冰川遗迹大多在这个时期形成。

　　此后，大致在公元1000~1200年，南、北半球的气候又处于适宜的温暖状态，也被称为“第二个气候最适期”。当时格陵兰岛南部的气温据推测比现在高4度左右。由于气候比较适宜，维金人在公元982年移民到格陵兰定居。

　　公元1430~1850年间，北半球的气候转冷，特别是在1650~1750年间，被称为“小冰期”。伴随着寒冷期气候而来的，是中纬度地带的湿润，雨量的增加，使这一时期里海的水平面较之以前和以后几个世纪高出了5米以上。

　　1850年以后，气候又出现增温的趋势。随着近、现代科学观测的日趋完善，气候变迁的研究有了可靠的数据基础，气候变迁的科学原理逐渐被揭示出来。

第五节　　生命的进化历史
第五节　　生命的进化历史

　　1　、生命起源研究历史及现状

　　生命起源问题是自然科学面临的几个主要的未知基础科学问题之一。几乎所有的自然历史及生物学教科书总会有章节介绍生命起源。按照大爆炸理论，大致是从150亿年前大爆炸开始的宇宙起源，到约50亿年前太阳系的起源，到约45亿年前地球的起源，到大约37亿年前地球上生命的起源。地球生命体系是已知的宇宙中惟一的生命体系，也是已知的宇宙中最复杂的分子体系，更是自然演化出的最完美的分子体系。在地球上生命起源的过程是如此复杂，生命起源的过程是如此偶然，有人做过一个形象的比喻：如果一只猴子在打字机的键盘上随机跳动能打印出大英博物馆的所有图书，那么在地球上发生生命的几率仍比这还小。

　　在19世纪以前，神创论、自然发生论和生源论是关于生命起源的三种主要观点。随着19世纪科学的突破性进展，在地质、天文、生物、物理和化学的一系列新发现的基础上，对生命起源问题的探讨才得以逐渐摆脱神学的束缚。

　　1828年，F　。　W　hole：从CO2；　H2O及NH3等简单无机小分子合成了尿素，打破了当时统治科学界的绝对信念—与生命相关的分子只能通过活的有机体才能实现。人们认识到，生物合成有机物占主导地位只是当今地球的特征。这一发现冲破了“活力论”，打破了分子“活”与“死”之间的鸿沟。

　　对生命起源进行严肃的科学研究大致可以说是从1924年开始的，以苏联生物化学家A。　L。　Oparin的“生命的起源”一书的出版为标志。在此书中，Oparin提出了化学进化的概念，并科学地划分了生命起源的几个阶段即可能的反应途径。　奥巴林（Oparin）和荷尔丹（H　aldane）的“原始汤”假设，公认为是第一个建立在严格物质基础上的比较正确的生命起源理论。他们设想这种原始汤所含有的化合物，可以合成不同复杂程度的有机分子，并且最终可以通过“化学进化”合成生物有机体。

　　20世纪50年代，美国科学家U　rey在奥巴棒荷尔丹观点的启示下，根据远离太阳，变化较小的木星和十星现在的大气成分主要是CH4　；NH3、H2的事实，推想原始地球的大气也是这样的还原性大气。1953年，芝加哥大学化学系研究生Stanley　L。　Miller在其导师诺贝尔奖获得者H。　C。　Urey的指导下进行的气体放电实验，就是以U　rey的理论为基础的：他以CH4　；NH4和H2为原料，模拟原始大气成分，在水蒸气的驱动下，在密闭的玻璃仪器内火花放电，结果生成了很多种低分子有机质，其中有4种氨基酸（甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸和天冬氨酸）就是组成生物体蛋白质的氨基酸（　M　iller；　1953）。此后，Miller的实验在不同条件下重复，采用不同成分的“大气”组成，利用不同的能源如紫外线、放射线、高温和强阳光等，生成了许多生命组成中的重要有机物质。许多学者还以彗星和星际物质的化学组成成分为原料来合成有机物，这也是非常有意义的。原始地球的第二期大气层，基本上是由火山所逸出的气体形成的，它的主要成分为CO2　；　N2　；　H2O和SO2，甚至还有少部分的O2（　Rubey；　　1955）。近来的研究表明，这类混合气体在放电的作用下，很容易合成氨基酸。

　　M　iller开创性的实验显示，在模拟的原始大气条件下，再有能量参与，就能够有大量有机物质合成。为了实现这一切，原始大气应该是还原性的，有好几种可能的分子组合。Raulin和Frere发现，由CH4、　N2　、H2O组合的大气混合物，可以产生多种丰富的有机化合物。这些有机化合物可以分为两类：挥发性的和难溶性的。其中难溶化合物在水解条件下可以产生许多重要的前生命物质，但目前这些化合物还没有经过系统研究，其化学特征和物理特性也有待进一步探索（Sagan　et　al。　；　　1979；　　Coll　etczl。　；　　1998）　。原始大气只是可以提供生命化学进化原材料的场所之一，地球表面的许多区域，甚至宇宙空间都可以提供化学进化所需的物质和能量条件，类似的反应过程还可以广泛地重现。正是因为如此，奥巴林提出了“原始生命曾经在不同时间和不同地点多次发生、分解又重新形成”的推论。

　　目前有关化学进化的假说观点众说纷纭：如“奥巴林说”，认为生命起源于原始海洋或附近富水环境中的化学渐进演化；“泥土说”，又称“遗传结品说”，主张原始有机物起源于泥十矿物中有缺陷的品格结构；“火山说”认为原始有机物起源于火山喷发；“硫化物说”，认为地球生命起源于原始灼热的富硫化物溶液的沸腾海洋；“深海热泉说”，设想生命起源于深海的特定热泉喷口等等。尽管这些不同的假说所主张的化学进化的场所和能量来源不同，但这并不是一个非此即彼的问题—合成某一种有机物的化学反应的条件和方式并不是唯一的。何况当时地球上的环境变化多端，地表的结构复杂多样；即使是在同一时期，在地球表面不同的亚生命区域，化学进化的形式也可以有所不同。在若干亿年的漫长地质时期，先后在地表的一些不同地区出现适合有机大分子形成和演化的环境，这是完全可能的。

　　如果推断生命的化学进化发生在3　900　M　a年以前，考虑到当时动荡的全球环境，认为生物化合物或它们的前体是来自地球以外的宇宙空间的观点也不可忽视。太阳系的形成是距今大约5　000　M　a年前发生的一起宇宙事件，对地球上生物有机物的产生必不可少的有机小分子，也可能是在宇宙中形成的。有些学者认为，这些宇宙中的有机小分子的合成，是通过星际尘埃来实现的。星际尘埃一般认为包括石墨硅、固态的甲烷和氨，也有少量金属，星际尘埃的年龄通常与太阳系的年龄相当。特别是因为有些尘埃具有耐熔的有机质，当它们处于离散星云中的紫外辐射之下，就有可能合成各种不同的有机小分子（Chiar；　　1997）。在地球的早期演化过程中，星际有机分子可能通过彗星尾部对地球的“轰击”或者陨石撞击而大量进入地球，成为前生命化学进化的基本原料，或者参与化学进化的过程（Rode；999；　　Gaffey；　　1999）。大量研究表明，彗星和陨石含有多种不同的有机物，其中的一些有机物可以作为生命化学进化的前体物质。这些有机物质本身很可能就是在星际空间的类似原始地球大气的条件下，通过某些化学反应生成的。这种星际尘埃假说存在的问题是：由于在地球演化早期，地表很可能处于高温灼热的状态，外来有机分子即使能够进入地球，也会很快分解。但近来对含碳陨石、星际尘粒和彗星进行的同位素分析表明，星际有机分子进入太阳系或地球之后，仍然具有较高的保存率。

　　总之，生命的化学进化开始的早期地球环境条件，以及化学进化过程进行的场所和方式等问题的争论由来已久，将来仍然会是一个普遍关注的热门问题。孕育生命的早期地球环境条件还有待于进一步分析和研究，力求为众说纷纭的化学进化学说提供新的思路和证据。生物是自然环境的产物，是由环境的变化造就的。研究早期地球环境与生命起源的化学进化之间的关系，对进一步探讨生物进化以至人类进化与环境变化之间的关系具有深远的意义，也能使我们对生物圈今后的生存和发展有更深刻的认识。

　　2、生命起源的化学进化过程及时间

　　生物的化学进化过程，主要是指从地球形成初期直到原始细胞出现，一系列非常复杂的有机化学反应过程。这个生命起源过程与当时的全球环境变化密切相关。地球上开始出现最早的细胞生命，即不但具有与外界分隔的生物膜，同时又有内部膜分隔的、有形态学特征的、生命活动基本单位的最初出现，标志着生命的化学进化的完成和生物学进化的开始（张响，1998）。一般认为，化学进化可分为4个层次：无机分子的生成（NH3　；