生物進(jìn)化與環(huán)境的關(guān)系

生物進(jìn)化與環(huán)境的關(guān)系一、生命是環(huán)境的產(chǎn)物地球形成早期，表面籠罩著原始的還原性大氣，沒有氧氣、臭氧層，紫外線強(qiáng)烈地照射著地面，地球上沒有任何生命，只有淺海、巖石和籠罩其上的薄層氣體。生命的起源經(jīng)歷了漫長的化學(xué)演化過程。一般認(rèn)為生命的化學(xué)演化經(jīng)歷了4個(gè)階段：從無機(jī)小分子到有機(jī)小分子、從有機(jī)小分子到大分子、從大分子到多分子體系、從多分子體系到原始生命。有關(guān)生命化學(xué)演化的認(rèn)識(shí)主要源于間接證據(jù)和理論推斷。這里僅列舉兩個(gè)相關(guān)證據(jù)。1）1953年，芝加哥大學(xué)學(xué)者米勒（StanleyMiller）在實(shí)驗(yàn)條件下模擬40億年前地球表面的原始大氣，并在其中通過火花放電成功地用無機(jī)物（如氨、甲烷、氫等）合成了多種類型的小分子有機(jī)物，其中含有11種氨基酸。米勒實(shí)驗(yàn)證明了生命進(jìn)化的化學(xué)過程（從無機(jī)小分子到有機(jī)小分子階段）可能在四十幾億年前就已經(jīng)存在了。現(xiàn)在，天然蛋白質(zhì)中所含有的20余種氨基酸，都可以在類似的實(shí)驗(yàn)條件下合成。2）中國科學(xué)院化學(xué)所的趙玉芬院士研究發(fā)現(xiàn)了N—磷酰氨基酸的自催化作用（N—磷酰氨基酸可以自組裝生成多肽，并將核苷磷?；铣珊塑账?，因此，N—磷酰氨基酸在一個(gè)反應(yīng)過程中就可以同時(shí)生成肽庫、核酸庫，或肽—核酸復(fù)合庫）。趙玉芬據(jù)此提出了核酸—蛋白質(zhì)共同起源假說。同時(shí)她認(rèn)為：磷酰氨基酸既可同時(shí)生成核酸和蛋白質(zhì)，又可生成LB—膜及脂質(zhì)體，因此，它是生命進(jìn)化的最小系統(tǒng)。[2]經(jīng)歷了漫長的化學(xué)演化過程，大約在距今35~38億年間地球上出現(xiàn)了原始的生命單細(xì)胞原核生物藍(lán)綠藻（Cyanophyta）。地球上原始生命的出現(xiàn)標(biāo)志著生命演化進(jìn)入了一個(gè)新階段——生物演化階段。原始的生命在遺傳、變異和自然選擇的長期作用下，經(jīng)歷了由低級(jí)到高級(jí)、由簡單到復(fù)雜的演化過程，形成了現(xiàn)存的多樣性的生物類群。據(jù)估計(jì)，目前地球上至少有1000萬種生物。二、生命在進(jìn)化與發(fā)展過程中對(duì)環(huán)境產(chǎn)生重大影響生命的出現(xiàn)是地球歷史上的重大事件。生命的演化對(duì)地球環(huán)境產(chǎn)生了巨大的影響。下面以大氣層的變化、土壤的形成、綠色植物登陸等為例具體說明。生物在進(jìn)化對(duì)大氣的影響地球形成于大約距今46億年前。那時(shí)地球上的溫度很低，外面圍繞著以氫和氦為主的大量氣體，這是地球上的第一代大氣。后來，地球在繼續(xù)旋轉(zhuǎn)和聚集的過程中，由于本身的凝聚收縮和放射性物質(zhì)的蛻變生熱，使原始地球不斷升溫，內(nèi)部達(dá)到熾熱的程度。由于重力的關(guān)系，密度大的物質(zhì)沉向地球的內(nèi)部，形成地核和地幔；較輕的物質(zhì)則分布在地球的表面，形成地殼。最初形成的地殼比較薄，而地球內(nèi)部的溫度又很高，因此，火山頻繁活動(dòng)，從火山噴出許多氣體形成第二代大氣，又叫原始大氣。原始大氣的成分大致包括甲烷、氨、水蒸氣、氫等，沒有氧屬于還原性大氣。正是這種還原性大氣，在一定條件下形成了各種無機(jī)物和有機(jī)物，為地球上原始生命的起源創(chuàng)造了條件。原始地球表面的還原性大氣（沒有氧氣，也沒有臭氧層，紫外線直接照射地球表面）、強(qiáng)烈的紫外線照射（紫外線具有表面消毒的作用，在微生物技術(shù)中通常作為表面消毒殺菌的手段）和較大的晝夜溫差都不利于生物的生存。所以，原始地球表面不具備生命普遍存在的自然條件。但是由于水所具有的特殊性質(zhì)，它可以有效地反射、吸收紫外輻射。在水體的一定深度，紫外輻射可以衰減到對(duì)生物沒有損害的水平。而水較大的比熱容和特殊的溫度—密度效應(yīng)，為生物的生存提供了條件。所以，原始生命起源于海洋一點(diǎn)也不意外。而且原始生命在產(chǎn)生以后相當(dāng)長的一段時(shí)間里，海洋依然是其最主要或者唯一的生活環(huán)境。原始的生命在海洋中繁殖、蔓延，消耗C02,釋放02。加上大氣層中的水分也在不斷的光解產(chǎn)生游離氧，大氣中游離氧逐步增加，還原性的大氣逐漸轉(zhuǎn)變成氧化性大氣；并逐漸形成了臭氧層，減輕了地球表面紫外線輻射的強(qiáng)度；隨著大氣層的逐漸加厚，地球表面的晝夜溫差也逐步縮小等等。由于原始生命的起源和演化，對(duì)地球環(huán)境產(chǎn)生了有利于生物在地球上普遍存在的影響。當(dāng)然，原始生命的生命活動(dòng)對(duì)地球環(huán)境產(chǎn)生的影響主要停留在定性改變的水平。如前所述，臭氧層猶如地球生物的保護(hù)傘，它的形成減輕了地球表面的紫外輻射，為地球生物的生存創(chuàng)造了必要的條件。而恰恰是這個(gè)為地球生物早期發(fā)展和長期生存創(chuàng)造必要條件的保護(hù)傘，由于人類的活動(dòng)正在面臨滅頂之災(zāi)。從這個(gè)意義上講，地球環(huán)境正在發(fā)生不利于生物生存的逆向演化。生物因素是土壤形成的關(guān)鍵因素土壤是地球表面具有一定肥力且能生長植物的疏松層。土壤的形成經(jīng)歷了漫長的過程，是巖石圈表面經(jīng)過漫長的物理風(fēng)化，化學(xué)風(fēng)化和生物作用的產(chǎn)物。物理風(fēng)化的本質(zhì)是借助物理作用將地表整塊巖石分解成大量小碎塊的過程?；瘜W(xué)風(fēng)化則改變了巖石的化學(xué)組成，其中地表（地下）水和大氣中02、C02的作用最為重要，化學(xué)作用使成土礦物分解，形成以粘土礦物為主的松散物質(zhì)，即通常所說的風(fēng)化殼。生物在土壤形成過程中的作用最為關(guān)鍵。生物作用是通過生物的新陳代謝和生物死亡后的生物降解作用實(shí)現(xiàn)的。生物腐爛形成腐殖質(zhì)，改善了土壤的結(jié)構(gòu)、增加了土壤中的N、P、K和碳水化合物等營養(yǎng)成分，使風(fēng)化殼最終形成土壤。土壤的形成為陸生生物的生活提供了基質(zhì)，為陸生生物的登陸創(chuàng)造了條件。土壤資源屬于可更新資源，就全球而言，土壤的自然形成過程一直在繼續(xù)，只是其速度非常緩慢。據(jù)估計(jì)，在現(xiàn)實(shí)條件下，每形成1cm的土壤大約需要100~400年的時(shí)間。也就是，形成30cm的耕作層大約需要3000~12000年。迄今為止，人類所需食品的大部分和95％以上的蛋白質(zhì)都直接、間接地來源于土壤。土壤是人（或動(dòng)物）與自然聯(lián)系的紐帶，“大地母親”的稱謂在多種文化中都有體現(xiàn)。這也是土壤之于人類關(guān)系的重要見證。正是這種對(duì)于人類生存至關(guān)重要的土壤資源，也正在由于人類不合理的利用和破壞，正在失去生命的活力。這意味著人類賴以與自然聯(lián)系的紐帶正在斷裂，大地母親正在走向衰弱。工業(yè)化、城市無節(jié)制的擴(kuò)張以及交通的現(xiàn)代化正在大規(guī)模地吞噬著土地的精華——耕地。不合理的耕作制度和大規(guī)模的植被破壞，導(dǎo)致土壤侵蝕的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于土壤再生的速度（即使是在水土保持工作較先進(jìn)的美國，耕地土壤遭受侵蝕的速度每年平均約為13t/ha，比土壤自然形成的速度還要快上10倍。而世界其他地區(qū)每年土壤侵蝕平均速度是美國10倍多，約為土壤自然生成速度的100多倍。[3]），導(dǎo)致土壤肥力下降，地表水、地下水和海水富營養(yǎng)化，水生生態(tài)系統(tǒng)健康受到嚴(yán)重威脅。以我國為例，黃河流域最高侵蝕規(guī)模達(dá)到350t/ha，整個(gè)黃河流域水土流失總量為16x108t/年；長江流域土壤侵蝕規(guī)模為150-450t/ha，整個(gè)長江流域水土流失總量為22-25x108t/年。全國每年有100多億噸的沃土付諸東流，相當(dāng)于1000萬畝耕地30厘米厚的耕作層，其流失的氮、磷、鉀等養(yǎng)分大于全國化肥施用量，而有機(jī)質(zhì)的損失永遠(yuǎn)也難以彌補(bǔ)。[4]土壤流失大于土壤自然生成的速度，不能得到有效的補(bǔ)充，造成的直接后果是土壤貧瘠化，土地生產(chǎn)力下降，甚至沙漠化或石漠化（完全失去土壤）。沃爾特?洛德米爾克在描述敘利亞北部古文明遺址時(shí)這樣寫到：此處的土壤侵蝕最為嚴(yán)重……如果土壤留下了，即使城市被毀掉也能重建，人民流散了也會(huì)重聚，由于土壤走了，一切便都不在。[5]要使土壤流失的速度小于土壤生成速度，實(shí)現(xiàn)土壤存量的增長，就必須大量恢復(fù)天然植被、改變現(xiàn)行的農(nóng)作方式（從化石農(nóng)業(yè)到有機(jī)農(nóng)業(yè)或生態(tài)農(nóng)業(yè)、從深耕細(xì)作到少耕，甚至免耕；從連續(xù)種植，到輪休輪作等），實(shí)現(xiàn)向環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)型。綠色植物登陸對(duì)地球環(huán)境的影響綠色植物登陸是地球生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)化史上的重大歷史事件。迄今為止，發(fā)現(xiàn)的地球上最早的陸生植物化石，出現(xiàn)在距今4億年前的晚志留紀(jì)至早泥盆紀(jì)的陸相沉積物中。這表明，綠色植物的登陸發(fā)生在距今4億年前。綠色植物的登陸，改變了以往大陸一片荒漠的景觀，使大陸逐漸披上綠裝而表現(xiàn)出勃勃生機(jī)。不僅如此，陸生植物的登陸、進(jìn)化與發(fā)展，完善了全球生態(tài)體系。與單細(xì)胞的海生藻類相比，陸生植物不僅具有更加強(qiáng)大的生產(chǎn)能力，而且其光合作用過程中