高中地球科学/地球生命形式的历史
1909年夏天，一位名叫查尔斯·杜利特尔·沃尔科特（图12.15）的美国科学家在加拿大不列颠哥伦比亚省的落基山脉。他是一位古生物学家，也就是研究地球上过去生命形式的科学家。他正在寻找化石。他骑着马，沿着山路向下走，突然注意到地上有什么东西。他停下来捡了起来。那是一块化石！他开始在周围挖掘，发现了更多化石。沃尔科特发现的化石中，有一些是最奇特的生物，人们从未见过。其中一种生物的化石显示，它拥有像蠕虫一样的柔软身体，五只眼睛，以及像真空吸尘器软管一样长长的鼻子（图12.16）。大多数化石都是现已灭绝的动物遗骸。它们现在已经灭绝，这意味着它们一类都不存在了，永远消失了。
沃尔科特发现的化石中的生物生活在被称为寒武纪的地质历史时期。寒武纪始于大约5.4亿年前。它标志着显生宙的开始。它也标志着许多新的、复杂的生命形式开始出现在地球上。事实上，“显生宙”这个词的意思是“生命展示良好的时期”。我们今天仍然生活在显生宙。然而，今天地球上的生命与5.4亿年前相比，已经发生了巨大的变化。本课将介绍地球生命的一些历史。它将向你展示在过去5.4亿年的显生宙中，生物是如何发展和变化的。你将了解物种如何随着时间的推移而适应和进化。
- 描述适应性是如何发展的。
- 解释化石记录如何向我们展示物种随着时间的推移而进化。
- 描述过去5.4亿年来地球生命形式的一般发展。
在开始本课之前，请确保你能回答以下问题。
- 什么是化石？
- 地质时间是如何划分的？
- 生物如何依赖其生存环境？
目前已知地球上存在超过100万种动植物物种（图12.17）。科学家们认为，还有数百万种尚未被发现。环顾四周，你会注意到这个星球上的生物具有令人难以置信的变异性。地球生物最显著的特点之一是它们能够在其特定的环境中生存。例如，北极熊拥有厚厚的毛皮大衣，帮助它们在冰冷的水域中狩猎时保持温暖（图12.18）。驯鹿拥有像海绵一样的蹄子，帮助它们在雪地上行走而不打滑摔倒。生长在干旱沙漠环境中的植物拥有特殊的茎和叶子，帮助它们保存水分。
其他生物拥有特殊的特征，帮助它们捕食或避免成为其他生物的食物。例如，当斑马群逃离狮子的追捕时，斑马的深色条纹会迷惑狮子，使它们难以在追逐过程中专注于一只斑马。蜂鸟拥有细长的喙，帮助它们从花朵中吸食花蜜。一些植物含有有毒或难吃的物质，防止动物食用它们。
帮助生物体在特定环境中生存的特征被称为适应性。当种群中某些变异帮助某些成员比其他成员更好地生存时，适应性就会发展（图12.19）。通常，变异来自突变，即生物体基因的随机变化。存活下来的个体将其有利的特征遗传给它们的后代。
为了帮助你理解适应性，可以考虑一个橡树种群。想象一下，大多数树木很容易被某种真菌杀死，但偶尔会出现一棵具有自然抵抗真菌能力的树。这棵树表现出一种变异，使其更有可能在其环境中生存。它更有可能存活下来，产生种子并拥有后代。它将繁殖并延续物种，而其他树木将死亡。具有自然抵抗真菌能力的树木会将其性状遗传给后代。其他树木将无法存活并产生后代。最终，种群将发生变化，大多数个体树木都将具有抵抗真菌的性状。这就是适应性。适应性是生物体从其父母那里遗传得到的性状。随着时间的推移，有助于生物体生存的性状变得越来越普遍。阻碍生存的性状最终会消失。
物种的变化和适应性随着时间的推移而积累。最终，后代与其祖先差异很大，并可能成为一个全新的物种。物种随着时间的推移而发生的变化称为进化。我们从化石记录中了解进化。它向我们展示了今天许多现存的生命形式是从早期、不同的生命形式发展而来的。例如，马的化石向我们展示了大约6000万年前，马比今天小得多（图12.20）。化石还向我们展示了，随着马适应环境的变化，马的牙齿和蹄子也发生过多次变化。
与沃尔科特化石中所代表的生物一样，地球上曾经存在过的许多生物现在都已灭绝。自寒武纪以来，地球的整体环境条件发生了多次变化，许多生物体没有性状来应对这些变化。那些能够应对变化的生物体将其性状遗传给了后代。它们孕育了今天存在的物种。
我们研究化石以了解物种如何应对地球漫长历史中的变化。化石向我们展示了，在最初的30亿年中，简单的生物主导着地球上的生命。然后，在10亿到20亿年前，地球上出现了第一个多细胞生物。生命形式逐渐进化并变得更加复杂。在寒武纪时期，动物变得更加多样化和复杂。我们有时将显生宙的这一部分称为寒武纪大爆发，这意味着地球上出现了数量惊人的新的复杂生命形式。
显生宙被划分为三个时间段，称为代——古生代、中生代和新生代（表12.1）。它们跨越了从大约5.4亿年前至今的时间。我们现在生活在新生物代。下表显示了在显生宙的漫长时期内生命是如何变化的。请注意，不同类型的生物体在不同的时间发展起来。然而，所有生物体都起源于一个共同的祖先。生命逐渐变得更加多样化，新的物种从那个共同的祖先中分化出来。大多数现代生物都进化自现已灭绝的物种。为了了解生物体如何从单个共同祖先演变成多种类型，可以想想所有不同类型的狗。所有狗都起源于一个共同的狼祖先。今天，有数百种不同品种的狗，它们的外观差异很大。
| 代 | 距今多少百万年 | 主要生命形式 |
|---|---|---|
| 新生代 | 0.2（20万年前） | 最早的人类 |
| 35 | 最早的草；草原开始主宰陆地 | |
| 中生代 | 130 | 最早的开花植物 |
| 150 | 地球上最早的鸟类 | |
| 200 | 地球上最早的哺乳动物 | |
| 251 | 恐龙时代开始 | |
| 古生代 | 300 | 地球上最早的爬行动物 |
| 360 | 地球上最早的两栖动物 | |
| 400 | 地球上最早的昆虫 | |
| 475 | 最早的植物和真菌开始在陆地上生长 | |
| 500 | 地球上最早的鱼类 |
显生宙的各个代被称作大灭绝的事件所分隔。大灭绝发生在大量生物在短时间内灭绝的时候。在古生代和中生代之间，地球上近 95% 的物种灭绝了。这种灭绝的原因仍在争论之中。
在中生代和新生代之间，地球上大约 50% 的动物物种灭绝了。这次大灭绝发生在 6500 万年前，恐龙就是在这次灭绝事件中灭绝的。尽管还有其他假设，但大多数科学家认为，这次大灭绝是由于一颗巨大的陨石以最强大的核武器的能量撞击地球造成的。这次撞击引发了巨大的尘埃云。当这些颗粒重新落回地表时，它们加热了大气层，使其变得像厨房烤箱一样热，烤死了动物。在大气中残留的尘埃阻挡了阳光一年或更长时间，导致了严重的冻结并终结了光合作用。撞击产生的硫与大气中的水混合形成酸雨，溶解了形成食物链基础的微小海洋浮游生物的壳。由于陆地植物和浮游生物产生的食物很少，动物们都饿死了。撞击还释放了二氧化碳，最终导致全球变暖。生命形式无法承受剧烈的温度波动。
在显生宙期间，地球的气候发生了多次变化。就在显生宙开始之前，地球的大部分地区寒冷且覆盖着**冰川**(图 12.21)。然而，随着显生宙的开始，气候正在转变为温暖的**热带**气候(图 12.22)。冰川被热带海洋所取代。这使得寒武纪生命大爆发，地球上出现了许多新的生命形式。在显生宙期间，地球的气候至少经历了 4 个主要周期，从寒冷的冰川时期到温暖的热带海洋时期。一些生物在气候环境变化中幸存下来；而另一些则在气候变化超出其承受能力时灭绝了。
- 适应性是指生物体遗传到的有利特征。适应性源于种群内的变异，并帮助生物体在其特定环境中生存。
- 种群的变化会随着时间的推移而积累；这被称为进化。
- 化石记录向我们展示了当今的生命形式是如何从早期不同的生命形式进化而来的。它向我们展示了地球上最早的生物是简单的细菌，它们主宰了地球数十亿年。
- 大约 5.4 亿年前，地球上开始出现更复杂的生物。在显生宙期间，我们今天所知的所有的动植物类型都进化出来了。
- 许多曾经存在的生物种类现在已经灭绝了。地球的整体环境，尤其是气候，已经发生了多次变化，生物体也会随着时间的推移而发生变化。
- 描述适应性的含义。
- 地球上最早的动物拥有柔软的身体。逐渐地，许多动物物种进化出了坚硬的外壳，称为外骨骼，覆盖着它们的身体。外骨骼是如何成为一种有利的适应性的？
- 解释为什么不利特征通常不会遗传给后代。
- 列出主要动物类型出现在地球上的顺序。
- 气候如何在一定时间内影响植物在广阔区域生长能力？
- 大灭绝的一个原因是陨石或彗星撞击。大灭绝的其他一些可能原因是什么？
- 适应性
- 生物体遗传到的有助于其在其自然环境中生存的特征。
- 进化
- 生物体特征随着时间的推移而发生的变化，通常会导致新物种的产生。
- 冰川
- 大片流动的冰。
- 古生物学家
- 研究地球过去生命形式的科学家。
- 热带
- 温暖潮湿的气候。
- 变异
- 存在许多差异。