进化生物学/地球生命早期历史
< 进化生物学
生命起源于简单的化学分子，这非常有趣。从 137 亿年前宇宙由氢和氦等简单元素形成开始，到今天，随着智人进化并试图将其殖民地扩展到新的星球，生命经历了漫长的历史。为了按时间顺序理解这些序列，了解地质年代表至关重要。地质时间有两种表示方法：相对时间，它根据相对年龄关系处理地球地质的划分和细分，按特定顺序排列；绝对时间，通常通过对火成岩（例如火山灰层或熔岩流）进行放射性年代测定来获得，以确定数值年龄。
在研究进化之前，首先要考虑生命本身的起源。任何生物学理论如果没有一个有限且不可约的起源，都是不完整的。生命起源于非生命，即“非生物起源”，是一个难以研究的课题，因为科学家们通常对究竟是什么构成“生命”存在分歧。在最简单的形式下，生命仅由简单的复制化学结构组成，例如氨基酸和短的 RNA 链。这些简单的分子通常不是人们在谈论“生命”时所想到的，尽管它确实为进一步研究进化提供了便利的起点。
在地球上生命出现之前，地球的大气层与现在显著不同。没有植物和可复制的光合作用过程，大气中几乎完全没有氧气。像氨和甲烷这样的富含氮和碳的化合物在当时的自然环境中远比现在更常见。据推测，在过量的地球热量和闪电的共同作用下，这些化学物质可能形成了遗传构建模块。
化学家古特·沃赫特斯豪瑟提出了一个与米勒和尤里类似的假设，只是他认为有机分子合成所需的能量并非来自电弧和紫外线辐射等外部能源，而是来自铁硫化物的氧化还原反应。这种理论与生命可能起源于海底热液喷口的观点相一致。尽管沃赫特斯豪瑟的实验确实成功地产生了简单和更复杂的氨基酸，但值得注意的是，这些氨基酸链在周围的化学环境中很快就发生了水解。
基于沃赫特斯豪瑟的假设，威廉·马丁和迈克尔·拉塞尔提出，生命可能起源于热液喷口，并且具有微观结构起源。被称为“黑烟囱”的海底结构，本质上提供了一个几乎封闭的微型洞穴，里面充满了硫化铁，既可以提供沃赫特斯豪瑟假设所需的地球热量，也可以提供防止氨基酸链水解所需的安全性。在这样的黑烟囱中，生命各个组成部分的形成理论上是可能的：DNA 和 RNA 链、蛋白质合成和酶相互作用都可能同时形成，而无需首先形成脂类细胞膜。脂类膜的最终合成，可能是黑烟囱内壁的脂类涂层，使得新的原细胞能够离开黑烟囱，独立地游荡在海洋中。
有趣的是，古菌（简单的单细胞生物）可以在黑烟囱中找到。最近发现的一些细菌类型利用黑烟囱微弱的光线进行光合作用，这是首次记录到没有阳光的光合作用。
关于生命起源，存在着两种相互竞争的理论。第一个理论，“基因优先”假设，认为像 RNA 这样的自我复制分子是由简单的氨基酸产生的，后来进化成更复杂的复制系统。DNA 通常不被认为是候选者，因为它自身的复制和形成需要使用复杂的蛋白质结构来促进这些任务，而这些蛋白质不太可能通过非生物手段产生。这种理论的缺陷在于 RNA 和类似的氨基酸结构对紫外线辐射很敏感，而且它们也容易水解。本质上，裸露的 RNA 链难以在海洋内外生存。
与“基因优先”理论形成对比的是，“代谢优先”理论，它推测，封闭的环境中首先存在代谢途径，后来作为合成氨基酸链的安全的封闭位置。亚历山大·奥帕林假设，原始的化学结构可能在不需要 RNA 或其他氨基酸链的情况下自我复制。这一理论得到了一些支持，因为乙酰辅酶 A 代谢途径利用了铁-镍-硫化合物（沃赫特斯豪瑟假设的关键），并在单一、简单的步骤中催化了关键成分。
这两种方法之间的一个共同点可以用一个简单的类比来说明。想象一个完整的购物清单。清单类似于遗传物质，它传达了关于一袋杂货内容的描述。然而，袋子本身通过其内容包含了相同的关键信息。清单以编码的方式包含信息，而完整的袋子本身以物理形式包含了完全相同的信息。“代谢优先”理论提出，这种“满袋子”场景实际上比需要在蛋白质的生产和组装之前先获得遗传信息更简单。
为了更深入地解释“代谢优先”理论，我们首先要简化代谢的定义。简单来说，代谢是指利用能量，从简单的成分构建更复杂的物质的过程。“代谢优先”理论认为，系统内部与外部环境之间必须存在一个边界。类似于所有生物细胞膜的脂质双层膜，已经可以在实验室中人工合成，但这仅仅是系统与外部环境分离所需的物理条件。此外，还需要一个能量来源驱动反应。根据许多理论支持者的观点，这可以通过化学中的“氧化还原”反应实现。“氧化还原”是“还原/氧化”的缩写。当一种化学物质获得电子时，它被认为被还原；而失去电子的化学物质被认为被氧化。氧化还原反应在许多现有的生物过程中都存在，比如光合细菌和所有含有叶绿体的真核生物的光合作用中光依赖阶段的电子传递，以及我们血红蛋白中的氧气吸收。然而，任何形式的能量都可能是早期能量消耗的形式，包括pH差、温度梯度，甚至放射性。
除了能量利用，还需要一些机制来耦合能量，以驱动进一步的化学反应。催化剂是化学物质，它们在底物和产物之间起到媒介作用。以过氧化氢为例。过氧化氢与催化剂混合后，会分解成水和氧气。催化剂本身不会在反应中被消耗，可以在反应完成后继续发挥作用。根据底物的不同，许多天然矿物质和化学物质都可以作为催化剂。催化剂的作用是加速化学反应。过氧化氢会自发分解成水和氧气分子，但催化剂的存在会加速这个反应，使其成为鱼雷甚至宇宙飞船的燃料来源。在从环境中提取的能量、合适的底物以及加速反应的催化剂的作用下，可以产生储存能量的中间物质。这些物质之后可以释放其储存的化学能，促进进一步的反应。
在“代谢优先”的场景中，建立了一种循环反应。假设有一个有机底物A。当A被催化并引入能量时，会产生一种新的化学物质B。B现在可以用于进行进一步的化学反应，被C、D等等利用。最终，B会重新转化为A，完成循环。循环反应在这种情况下有利，因为A的补充不需要从环境中进一步提取。这确保了即使环境中的A变得稀缺，系统仍能继续存在。循环系统的复杂性也允许系统内部进行适应。如果其中一条后续途径（C、D等等）受到环境条件的不利影响，可以加入或替换掉该非功能部分的不同途径。
最后，系统必须具有生长和繁殖的能力才能被视为生命。要生长，系统必须获得的物质比失去的物质多，这可以通过扩散到周围环境中实现，也可以通过其他方式实现，例如废物的沉淀。繁殖可以作为一种偶然过程实现。以某种“隔间”为例，比如熔岩灯中的蜡泡。在泡泡内，途径网络从环境中提取能量，创建一些反应系统，产生更多用于化学途径的物质。泡泡随着其内容物的增加而膨胀。环境条件，例如电流或温度梯度，会导致泡泡掐断，形成两个含有相似物质浓度的泡泡。如果浓度足够，就会形成两个独立的网络。这两个网络可以继续生长，并分裂成更多的网络，使它们可以在环境中竞争资源。这种对资源的竞争是达尔文进化论的开端。
在进化的某个阶段，这些化学网络必须从基于内容的信息存储过渡到编码形式。随着网络复杂性的增加，拥有某种方法来铭刻必要的内容将更有利。可转移的编码信息形式将使子系统从母系统分离时产生可持续系统的可能性更大。
中生代（距今2.45亿年）
[edit | edit source]距今2.45亿年到6600万年前的这段时期被称为中生代。中生代以恐龙闻名，恐龙在三叠纪进化，并在侏罗纪时期变得非常多样化。中生代持续了大约1.8亿年，有时被称为“爬行动物时代”。与古生代灭绝类似，中生代末期，恐龙灭绝了。在这个时期，陆地植被发生了很多变化。例如，裸子植物（如针叶树）在这个时代进化，最早的被子植物也开始在这个时代多样化。在三叠纪时期，第一批恐龙出现了。在这个时候，软体动物是占主导地位的无脊椎动物。在侏罗纪时期，许多恐龙进化并繁盛起来。第一批鸟类也进化在这个时期，化石始祖鸟被认为是早期的一个例子。在植物方面，第一批开花植物或被子植物与裸子植物一起进化。中生代结束时，发生了恐龙的大灭绝。哺乳动物在之后繁荣起来。
新生代（距今6600万年至今）
[edit | edit source]与其他持续了数亿年的时代相比，新生代只持续了大约6600万年。这个时代分为两个主要时期：第三纪（现在称为古近纪和新近纪）和第四纪。第三纪是哺乳动物和鸟类大量辐射的时期。昆虫在这个时代也占主导地位。与中生代类似，被子植物也多样化。大约在3500万年前，第一批灵长类动物出现了。第一批类人猿出现在大约500万年前。冰河时代标志着第三纪的结束和第四纪的开始。随着气温上升，灭绝现象很普遍。第四纪也以智人的进化而闻名。
进一步阅读
[edit | edit source]坎贝尔，里斯。生物学，第六版。本杰明·卡明斯。2001年。
理查德·索斯伍德，生命的故事。魏登费尔德和尼科尔森。2002年。