自然圖景課件

第二章物質(zhì)運動的自然圖景1第二章物質(zhì)運動的自然圖景第一節(jié)人類對物質(zhì)運動的認識一、自然界的物質(zhì)性列寧：“物質(zhì)是標志實在的哲學范疇，這種客觀實在是人通過感覺感知的，它不依賴于我們的感覺而存在，為我們的感覺所復寫，攝影，反映”。注意點：（1）物質(zhì)的根本特性是客觀實在性。愛因斯坦說過:“相信一個離開知覺主體而獨立的外在世界，是一切自然科學的基礎(chǔ)”。揭示了一切物質(zhì)形態(tài)的共同本質(zhì)。（2）物質(zhì)的可感知性。2第二章物質(zhì)運動的自然圖景

輕子

夸克

名稱電荷電子（e）-1Ⅰ電中微子（Ve）0名稱電荷上（u）+2/3

下（d）-1/3

μ子（μ）-1Ⅱμ中微子（υμ）0奇（S）-1/3

粲（C）+2/3

τ子（τ）-1Ⅲτ中微子（υτ）0頂（t）+2/3

底（b）-2/3

12種“基本粒子”3第二章物質(zhì)運動的自然圖景二、物質(zhì)形態(tài)的多樣性物質(zhì)形態(tài)是對物質(zhì)存在方式所作的科學描述，它充分體現(xiàn)了物質(zhì)世界的多樣性。物質(zhì)形態(tài)大體可以劃分為如下類型：1.固態(tài)，是指具有固定體積和形狀的物質(zhì)形態(tài)。2.液態(tài)，是指具有一定的體積而無固定形態(tài)的物質(zhì)形態(tài)。3.氣態(tài)，是指無一定的體積和形狀的一種物質(zhì)形態(tài)。4.場，是一種與實物相對應的物質(zhì)形態(tài)，如引力場、電磁場、介子場等，與實物的間斷性相比，場具有連續(xù)性、可疊加性、不具有靜止質(zhì)量等特征。5第二章物質(zhì)運動的自然圖景5.等離子態(tài)，是由數(shù)目幾乎相等的正負離子所構(gòu)成的一種物質(zhì)形態(tài)。它是在氣態(tài)物質(zhì)溫度升至幾千度，氣體的原子外層電子脫離原子而形成的，所以又叫等離子氣體。現(xiàn)代天文學研究表明，宇宙物質(zhì)的99%以上是處于這種狀態(tài)。如大量的星際物質(zhì)、火焰和電弧中的高溫部分，太陽和其它恒星的表面氣層也都有等離子態(tài)物質(zhì)。6.超密態(tài)，是物質(zhì)處于密度極高、壓力極大的存在方式。如白矮星由電子簡態(tài)組成，中子星則完全由中子組成。7.真空態(tài)，是指量子場處于能量最低時的物質(zhì)形態(tài)。有人將真空描述為負能態(tài)粒子海洋，也就是說真空是由負能態(tài)粒子所充盈。6第二章物質(zhì)運動的自然圖景

自然圖景所謂自然圖景，就以自然科學的認識為基礎(chǔ)所形成的對自然界演化方式的系統(tǒng)概括。

通常以四大演化，即天體的演化、地球的演化、生物的演化和人類的演化，概括自然界的演化圖景。7第二章物質(zhì)運動的自然圖景一、現(xiàn)代宇宙模型的發(fā)展1、牛頓靜態(tài)的宇宙模型在牛頓的理論中，時間和空間都是無限的，并且時空的性質(zhì)與物質(zhì)是沒有關(guān)系的。時間與空間猶如一個大箱子，在這個箱子中，不管放不放東西，也不管放多少東西，箱子的性質(zhì)是永遠不會改變的。描述這種時空的幾何學是歐幾里得幾何。9第二章物質(zhì)運動的自然圖景

奧伯斯佯謬

1826年，德國天文學家奧爾伯斯(H.W.Olbers)指出，牛頓的靜止、均勻、無限的宇宙會導致一個重大的矛盾。如果宇宙是充滿無限數(shù)目的星體的歐幾里得空間，并假定星體分布是均勻的，那么任何時候射到地球上的輻射總量都應為無限大，這樣夜晚應該與白天一樣亮。這個顯然與觀測事實不符的荒謬結(jié)論，被稱為奧伯斯佯謬。10第二章物質(zhì)運動的自然圖景E地=∫0∞3πR2

·N（R）·E/R2·dR=∫0∞3πNE·dR=3πNE·R‖0∞∞11第二章物質(zhì)運動的自然圖景2、愛因斯坦的宇宙模型

1916年，愛因斯坦提出廣義相對論。這一理論主張時間和空間并不像人們一貫認為的那樣，只是一個讓物體在其中運動而本身卻不受影響的容器，而更像是一個形狀依賴于其上所載小球的彈性薄膜。這種關(guān)于時間、空間和引力的全新理論，不僅正確地預言了日全食時掠過太陽邊緣的星光會發(fā)生1.75角秒的偏折，而且完滿地解釋了牛頓引力理論不能說明的水星近日點每百年前移42角秒的現(xiàn)象，因而逐步得到人們的公認。13第二章物質(zhì)運動的自然圖景

1917年，愛因斯坦在“根據(jù)廣義相對論對宇宙所作的考查”一文中，提出了靜態(tài)有限無邊的宇宙模型。這是現(xiàn)代宇宙學的第一個理論模型，由此，揭開了現(xiàn)代宇宙學發(fā)展的序幕。（1879-1955）14第二章物質(zhì)運動的自然圖景在1917年愛因斯坦對宇宙作第一次考察時，他認為宇宙是靜態(tài)的，在這點上他受了傳統(tǒng)觀念的束縛。為了得到靜態(tài)解，他特意引進一個宇宙因子——一種與引力相耦合的宇宙場，這使他失去了預言宇宙膨脹的良機。

15第二章物質(zhì)運動的自然圖景3、膨脹宇宙的發(fā)現(xiàn)

1922年，蘇聯(lián)數(shù)學家弗里德曼在廣義相對論的框架下，從理論上論證了宇宙要么膨脹，要么收縮，決不會保持靜止狀態(tài)。1927年，比得時天文學家勒梅特再次獨立地得到這一模型。他在分析模型時指出，在這種宇宙模型里，從任何一點進行觀測都會發(fā)現(xiàn)，在它周圍的天體，或者一致地遠離而去，或者一致地向它靠攏；而且，遠離或靠攏的速度是和天體與觀察者之間的距離成正比的。（1894-1966）17第二章物質(zhì)運動的自然圖景

換言之，只要我們承認愛因斯坦的廣義相對論，我們就必須對宇宙做出這樣的預言：

宇宙或者在膨脹，或者在收縮，其速度正比于距離。

這可能是科學史上一樁最大的預言了。一方面，這一預言的范圍大到涉及整個天文學的空間，另一方面，這一預言打破了一種非常悠久的傳統(tǒng)觀念——宇宙是靜態(tài)的。18第二章物質(zhì)運動的自然圖景

河外星系譜線紅移最早為斯萊弗所發(fā)現(xiàn)，以后觀測表明，除本星系外，河外星系的譜線都存在紅移并有一定的規(guī)律。

19第二章物質(zhì)運動的自然圖景

如果將紅移解釋為多普勒效應，那就意味著所有星系都在離開我們而去，其退行速度正比于同我們的距離。哈勃的這一發(fā)現(xiàn)為宇宙膨脹理論提供了直接的觀測依據(jù)，動搖了宇宙整體靜止的傳統(tǒng)觀念。21第二章物質(zhì)運動的自然圖景４、熱大爆炸宇宙模型為了解釋宇宙膨脹的原因，比利時天文學家勒梅特于1932年首先提出了宇宙起源的大爆炸的概念。他認為，整個宇宙的物質(zhì)最初聚集在一個“原始原子”里，后來發(fā)生猛烈爆炸，碎片向四而八方散開，形成今天的宇宙。22第二章物質(zhì)運動的自然圖景1948年，美國物理學家伽莫夫把核物理學的知識同宇宙膨脹理論結(jié)合起來，發(fā)展了大爆炸宇宙模型。其主要觀點是，宇宙不但在膨脹，而且在降溫，即宇宙有一個從熱到冷的演化歷史。按伽莫夫等人的計算，作為大爆炸過程的遺跡，目前的宇宙中應普遍存在溫度約3K的背景黑體輻射。由于這種輻射的峰值波長在1毫米附近，處于微波波段，故又稱微波背景輻射。23第二章物質(zhì)運動的自然圖景他們因共同發(fā)現(xiàn)微波背景輻射,獲1978年諾貝爾物理學獎25第二章物質(zhì)運動的自然圖景

幾十年來，全世界天文學家對這種輻射的譜分布和方向進行了大規(guī)模調(diào)查，形勢逐漸明朗。例如，1989年，美國宇航局發(fā)射了宇宙背景探測者衛(wèi)星，第一批測量數(shù)據(jù)表明：在從0.5毫米到5毫米的整個波段上，該輻射的譜分布與溫度為2.735±0.06K的理想黑體完全相合；扣除運動效應以后，天空不同方向的相對溫差小于十萬分之一。這一發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)代宇宙學史上占有極其重要的地位，它是熱大爆炸宇宙模型最令人信服的證據(jù)。26第二章物質(zhì)運動的自然圖景宇宙年齡的測量

根據(jù)哈勃定律，將星系的距離除以各自的速度，就大致計算出宇宙的年齡為150億年左右。

D1宇宙年齡==——==——VH

宇宙起源的時間問題一直是宇宙學領(lǐng)域中最熱門又最容易引起爭議的研究課題之一。據(jù)劍橋大學的一個科學研究小組與其他天文學家們合作，在比較了這些天文學家采取5種研究方法后得出了宇宙起源于140億年前的結(jié)論。該結(jié)果誤差為20億年。29第二章物質(zhì)運動的自然圖景天體時標如果上述推論不錯，那么宇宙中一切天體的年齡都不應大于這個宇宙年齡。利用物質(zhì)中放射性同位素含量測定其形成年代的方法，人們測量了地球上最古老的巖石、“阿波羅號”宇航員從月球上帶回的巖石以及從行星際空間掉到地球上的隕石樣本，發(fā)現(xiàn)它們的年齡均不超過47億年。根據(jù)熱核反應提供恒星能源的理論，人們估計出銀河系中最老恒星的年齡為100-150億年。用這兩種完全不同的方法得到的天體年齡，都有力地支持了大爆炸宇宙模型的對宇宙年齡的推斷。30第二章物質(zhì)運動的自然圖景輕元素的起源31第二章物質(zhì)運動的自然圖景天文觀測表明，無論在宇宙中哪個角落，無論在恒星、星際物質(zhì)中，氦與氫的質(zhì)量比大體都為1:4，此外，氘、氚、鋰、鈹、硼等輕元素，盡管數(shù)量小得多，但它們的豐度（即與氫的比例）也具有類似的普適性。這對熱大爆炸模型無疑又是一個有力的支持。32第二章物質(zhì)運動的自然圖景二、宇宙的演化圖景現(xiàn)代天文學為我們勾畫出了如下的宇宙演化圖景：宇宙發(fā)端于距今150億年左右的大爆炸，起初不僅沒有任何天體，也沒有粒子和輻射，只一種單純而對稱的真空狀態(tài)以指數(shù)方式膨脹著（這種膨脹比后來弗里德曼模型中的膨脹劇烈得多，稱為暴脹）今天我們所知道的自然界中四種基本相互作用力，即引力、強力、弱力和電磁力，那時是不可區(qū)分的。33第二章物質(zhì)運動的自然圖景隨著宇宙的膨脹和降溫，真空發(fā)生一系列相變（如同水在降到零攝氏度時變成冰那樣）：在大爆炸后10-44秒，發(fā)生超統(tǒng)一相變，引力作用首先分化出來，但強、弱、電作用仍不可區(qū)分，夸克和輕子可以互相轉(zhuǎn)變；到大爆炸后10-36秒，大統(tǒng)一相變發(fā)生，強作用同電、弱作用分離，物質(zhì)和反物質(zhì)之間不對稱性（即質(zhì)子、電子等這類物質(zhì)多于反質(zhì)子、正電子之類反物質(zhì)的現(xiàn)象）開始出現(xiàn)；10-10秒以后，弱電相變發(fā)生，弱作用和電磁作用分離，完成了四種相互作用逐一分化出來的歷史。

34第二章物質(zhì)運動的自然圖景從3分鐘以后經(jīng)過約70萬年，宇宙的溫度降到3000K，電子與原子核結(jié)合成穩(wěn)定的原子，光子不再被自由電子散射，從此宇宙變得透明。又過了幾十億年，中性原子在引力作用下逐漸凝聚為原星系，并由此揭開了星系、恒星等其它天體的形成和演化史。35第二章物質(zhì)運動的自然圖景至于宇宙未來的演化，大爆炸宇宙模型認為這要視宇宙現(xiàn)在的平均密度而定。若平均密度小于某一臨界密度，宇宙就會一直膨脹下去；若宇宙的平均密度大于臨界密度，宇宙膨脹速度會減慢，終將停止膨脹，并轉(zhuǎn)為收縮，也許收縮到一定的密度后又再次膨脹。這種反復膨脹收縮的宇宙稱為振蕩宇宙。

36第二章物質(zhì)運動的自然圖景人類對宇宙認識的突飛猛進，使得人們第一次有可能在科學的基礎(chǔ)上，對從基本粒子到化學元素、從星系到恒星、從太陽到地球、從原生物到人的長達上百億年的演化史作出系統(tǒng)的概括。這無疑會對當代自然科學以及人類自然觀的發(fā)展產(chǎn)生深刻的影響。37第二章物質(zhì)運動的自然圖景第三節(jié)恒星的演化一、恒星的起源和演化38第二章物質(zhì)運動的自然圖景1、恒星的起源恒星是宇宙中的一個重要層次，在恒星的起源問題上，主要存在彌漫說和超密說兩種不同的觀點。

超密說認為，恒星是由超密物質(zhì)爆炸碎裂后形成的。而彌漫說則認為，恒星是由星際彌漫物質(zhì)收縮凝聚而成。彌漫說，即星云說，由于獲得了較為廣泛的科學事實的支持，又有比較完整的恒星演化理論，所以得到天文學家比較一致的認同。39第二章物質(zhì)運動的自然圖景

星際彌漫物質(zhì)由氣體和塵埃組成，以氣體為主。氣體又以氫為主，氦次之，其它元素所占比例很小。由于自身引力作用，密度極低的星際彌漫物質(zhì)會聚集成團塊。這種團塊貌似地球大氣中的云塊，所以稱為星云。星云的直徑往往有幾十光年，并有幾十個到幾百個太陽質(zhì)量（Ｍ⊙＝2×1033克）。這樣大的星云除了收縮外，還要有一個碎裂過程才能形成恒星。40第二章物質(zhì)運動的自然圖景

有些天文學家認為，星云的碎裂是星云中氣體不規(guī)則的旋轉(zhuǎn)運動，即湍流造成的。大塊的星云裂碎成大小不等的、質(zhì)量在0.5Ｍ⊙到20Ｍ⊙的恒星胚胎——原恒星。在引力收縮過程中釋放出的勢能使原恒星逐漸變熱，當溫度上升到足以引發(fā)熱核反應時，一顆恒星就誕生了。41第二章物質(zhì)運動的自然圖景2、恒星的演化當溫度上升到700百萬到1000萬度時，原恒星內(nèi)部發(fā)生了氫燃燒，即由氫聚變?yōu)楹さ暮朔磻．斶@種反應產(chǎn)生的輻射壓力達到與引力平衡時，恒星的體積和溫度不再明顯變化，進入一個相對穩(wěn)定的演化階段。恒星在這一階段停留的時間最長，占其生命的主要部分，可以稱為“壯年期”。42第二章物質(zhì)運動的自然圖景迄今發(fā)現(xiàn)的恒星有90％處在這一階段（包括我們的太陽在內(nèi)）。這一階段的具體長度取決于恒星質(zhì)量的大小。對于太陽來說約為100億年，而質(zhì)量比太陽大10倍的恒星則只有3000萬年。43第二章物質(zhì)運動的自然圖景

當恒星內(nèi)部15％的氫聚變成氦以后，便形成了一個不產(chǎn)生能量，因而溫度也不再升高的純粹由氦組成的區(qū)域，這個區(qū)域稱為同溫純氦區(qū)。由于中心釋放能量減少，輻射壓力下降，恒星將在引力作用下收縮。收縮產(chǎn)生的熱將使溫度再次升高，當中心溫度升高到1億度時，同溫純氦區(qū)里的氦被點燃。這時，氫和氦一齊燃燒所釋放的巨大的能量使恒星外殼膨脹，膨脹后單位面積輻射出來的能量變小，于是表面溫度反而降低，恒星因而變成紅色。這種體積大、光度強、發(fā)紅光的恒星就是紅巨星，它是恒星在“壯年期”后的第一站。44第二章物質(zhì)運動的自然圖景

大質(zhì)量恒星在紅巨星以后還有一系列的核燃燒供給能量，但要求點火的溫度越來越高。如碳燃燒要求6億度，氧燃燒要求10億度，硅燃燒要求30億度，如此等等，直到合成最穩(wěn)定的鐵為止。這一階段的恒星經(jīng)歷了多次膨脹收縮，光度也發(fā)生周期性的變化，所以，也可以說是恒星的“更年期”。如果恒星的質(zhì)量不夠大，不足使中心達到這樣高的溫度，熱核反應就會停止，恒星就跨過了它的“更年期”，進入下一階段的演化。45第二章物質(zhì)運動的自然圖景3、恒星的歸宿

在恒星內(nèi)部，當所有可以產(chǎn)生能量的核燃料用盡之后，恒星的演化就進入了它的“老年期”。恒星的歸縮依其質(zhì)量的大小有三種可能的去向：46第二章物質(zhì)運動的自然圖景

對于質(zhì)量小于1.4Ｍ⊙的恒星，將收縮為白矮星。白矮星的表面溫度很高，但密度卻很大，高達105－10８克／厘米3。白矮星內(nèi)部的原子在高溫高壓下高度電離，電子則形成簡并電子氣體。恒星演化成白矮星后就不再收縮，因為組成白矮星的簡并電子氣產(chǎn)生的電子簡并壓能頂住恒星的自吸引。白矮星中核能枯竭靠散發(fā)余熱而發(fā)光，一旦熱能耗盡就不再發(fā)光。這時白矮星便轉(zhuǎn)化為黑矮星。黑矮星不再輻射可見光，因而不是恒星。恒星至此已完成了它的發(fā)展史。47第二章物質(zhì)運動的自然圖景

對于質(zhì)量大于1.4Ｍ⊙的恒星，在收縮過程中內(nèi)部溫度可達到40－60億度，因而可以點燃鐵的核反應。鐵原子核可以聚變也可以裂變，但無論什么核反應都不但不能釋放能量，還需要輸入非常大的能量。這時恒星只有依靠引力收縮提供能量。為了提供非常巨大的能量，恒星的核心必須迅猛地收縮。內(nèi)核迅速收縮的同時外殼會猛烈地爆炸。恒星此時成為光度超過原來千萬倍甚至上億倍的超新星。

48第二章物質(zhì)運動的自然圖景恒星爆發(fā)后，恒星可能全部瓦解，其物質(zhì)碎片拋入空間形成稀薄的星云。有時恒星爆發(fā)后，其中心還留下一個內(nèi)核，此時，依內(nèi)核質(zhì)量的大小將會不同的走向。

恒星爆發(fā)后，如果留下的內(nèi)核質(zhì)量小于1.4Ｍ⊙，恒星仍將收縮為白矮星。49第二章物質(zhì)運動的自然圖景

如果內(nèi)核質(zhì)量大于1.4Ｍ⊙，恒星將收縮為中子星。中子星由于自身引力較大，電子簡并壓不足以抗衡，電子被擠入原子核并與質(zhì)子結(jié)合為中子。中子星具有體積小、密度大、自轉(zhuǎn)快、磁場強的特點。60年代以來用射電望遠鏡觀察到的脈沖星實際上就是中子星。中子星與白矮星一樣，最后歸宿也是黑矮星。50第二章物質(zhì)運動的自然圖景

穩(wěn)定中子星的質(zhì)量上限為3Ｍ⊙（稱奧本海默極限），如果恒星爆發(fā)后內(nèi)核的質(zhì)量大于3Ｍ⊙，則中子簡并壓也頂不住引力收縮，于是恒星無限制的收縮下去，最后塌縮成黑洞。

51第二章物質(zhì)運動的自然圖景

黑洞是一種引力強大到連光線都無法射出的天體。人們只能通過它對周圍物質(zhì)的影響間接地探知其存在。一些發(fā)射出Ｘ射線的雙星系統(tǒng)中，那個質(zhì)量很大而又看不見的成員，很可能就是黑洞。黑洞與黑矮星一樣已不是恒星，關(guān)于這類天體的演化目前所知不多。52第二章物質(zhì)運動的自然圖景第四節(jié)地球的演化

（自學或看錄像）

53第二章物質(zhì)運動的自然圖景第五節(jié)生命的演化生命從何而來？這是一個千古之謎。

恩格斯曾精辟地指出：“關(guān)于生命的起源，自然科學到目前為止能肯定的只是：生命起源必然是通過化學途徑實現(xiàn)的?！?4第二章物質(zhì)運動的自然圖景一、生命的化學起源正是遵循恩格斯這一思想，蘇聯(lián)科學家奧巴林提出了第一個生命起源理論?，F(xiàn)在的科學研究又進一步加深和充實了這一理論，根據(jù)目前的看法，生命的化學起源要經(jīng)過三個階段。55第二章物質(zhì)運動的自然圖景1、從無機分子到有機小分子

人們通過地質(zhì)學研究得出結(jié)論，地球原始大氣的主要成分是甲烷、氨、氫、水蒸氣等等，這些無機分子提供了生物體中最基本的元素碳、氫、氧、氮等。當時的地球還為這些無機分子的相互聚合反應提供了足夠的能源。因高空沒有臭氧層，就使各種射線，尤其是紫外線直接照射到地球表面，此外，頻繁的閃電、火山爆發(fā)、巖漿奔騰也能產(chǎn)生巨大的能量。由于這些能量的作用，使原始大氣中的無機物發(fā)生相互作用，為生命的出現(xiàn)準備并積累了各種有機物。56第二章物質(zhì)運動的自然圖景20世紀20年代，俄國生物化學家奧巴林和英國生物學家哈爾達內(nèi)提出了在原始地球（有生命前的地球）的海洋中存在有機分子的“原始湯”的觀點。人們想象的原始湯是通過一系列地球化學過程和各種能源對原始大氣層的作用而形成的。57第二章物質(zhì)運動的自然圖景

美國化學家米勒（S.L.Miller）于1953年在實驗室中成功地模擬了在原始大氣的條件下氨基酸產(chǎn)生的可能過程。他利用甲烷、氨、氫及水蒸氣等混合氣體，經(jīng)過連續(xù)火花放電，以模擬原始地球的自然條件，最后得到多種氨基酸和其他一些有機物分子，其中的四種（甘、丙、天冬、谷）氨基酸與天然蛋白質(zhì)中的氨基酸相同。這個漂亮的模擬實驗被認為有力地證實了生命化學起源的第一步，即由無機分子能產(chǎn)生有機小分子。

58第二章物質(zhì)運動的自然圖景現(xiàn)在有人對原始大氣中存在甲烷提出了異議，認為原始大氣由氮氣及相當于其三分之一的一氧化碳組成。后來米勒在含氮氣和一氧化碳的混合氣體中進行放電實驗的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)氨基酸的合成極為困難。如果原始大氣中無甲烷的觀點最終被證實，那么就必須重新研究無機分子合成有機小分子的過程。59第二章物質(zhì)運動的自然圖景2、從有機小分子到生物大分子

當氨基酸、核苷酸等有機小分子物質(zhì)在原始地球上形成之后，經(jīng)過多少萬年的積累和變化，產(chǎn)生了高分子的有機化合物，即生物大分子——蛋白質(zhì)和核酸。但目前對它們形成的具體過程，尚存在不同看法。

有些學者認為：在原始海洋中，氨基酸和核苷酸等有機小分子物質(zhì)，經(jīng)過長期積累，相互作用，在適當?shù)臈l件下（如可以被吸附于某些片層狀粘土的表面），分別通過縮合作用或聚合作用形成原始的蛋白質(zhì)分子和核酸分子。60第二章物質(zhì)運動的自然圖景

有些學者認為：根據(jù)生化原理，氨基酸聯(lián)接成蛋白質(zhì)或核苷酸聯(lián)接成核酸，是一個需要能量的脫水反應。根據(jù)這一特性，美國科學家?？怂固岢隽烁蔁峋酆侠碚?。原始地球上，有許多火山，溫泉等地熱異常區(qū)，可為合成反應提供足夠的能量，且干熱聚合又正好能消除合成反應中的水分。?？怂褂?955年通過模擬實驗得到了類蛋白的高分子化合物。這些蛋白質(zhì)分子或核酸分子經(jīng)雨水沖刷流入海洋。61第二章物質(zhì)運動的自然圖景3、多分子體系的形成和原始生命的誕生

一般認為，蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子合成后，在原始海洋里不斷積累，濃度不斷增加，故當時的海洋有機物濃度極高。原始生命就是在這一環(huán)境中孕育的。

生物大分子通過相互作用而結(jié)合，凝聚成小滴。這些小滴漂浮在原始海洋中，外面包有最原始的界膜，形成一個獨立的體系，稱為多分子體系。這種多分子體系已經(jīng)能夠與外界環(huán)境進行原始的物質(zhì)交換活動了。62第二章物質(zhì)運動的自然圖景

前蘇聯(lián)學者奧巴林曾做過一系列實驗。他把原來是均勻、透明的白明膠水和阿拉伯膠水溶液（含天然蛋白質(zhì)、核酸、多糖等）徐徐混合在一起，置于顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)原來均勻透明的視野逐漸混濁，繼而出現(xiàn)具有明顯輪廓的小滴，這種小滴被稱為團聚體。

?？怂沟热藢⑺嵝灶惖鞍踪|(zhì)放到稀鹽溶液中加熱溶解，冷卻后在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)形成了無數(shù)球狀小葉，稱為微球體。無論是團聚體或微球體，它們都具有明顯的界膜同周圍均態(tài)液體分開。現(xiàn)在認為，在有機物濃度較高的原始海洋中，形成團聚體或微球體這類多分子體系是極有可能的。63第二章物質(zhì)運動的自然圖景

多分子體系雖然顯示出生命的萌芽，但還必須經(jīng)過長期不斷的演變，外膜逐步復雜精致，核酸與蛋白質(zhì)間的協(xié)作更為默契，才能形成原始生命體。隨著原始生命的誕生，化學進化發(fā)展到一個新的階段，生物進化開始了。64第二章物質(zhì)運動的自然圖景二、生物的進化1、原始生命向原始細胞形態(tài)的進化

原始生命體尚無細胞結(jié)構(gòu)，必須再經(jīng)過漫長的演變，才形成原始細胞。團聚體或微球體的簡單外膜逐漸演化為能有效控制物質(zhì)進出的細胞膜，既保證了系統(tǒng)的相對獨立和穩(wěn)定，又維持了系統(tǒng)的開放、非平衡和物質(zhì)能量的交流。同時其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也逐步復雜化，蛋白質(zhì)和核酸間建立了牢固的協(xié)作關(guān)系，即蛋白質(zhì)控制代謝，核酸控制遺傳。至此，作為一個自控開放體系的原始細胞已形成。這在生物進化史上是一件開天辟地的大事。組成現(xiàn)今生命體基本結(jié)構(gòu)單元的真核細胞或原核細胞都是由此進化而來。65第二章物質(zhì)運動的自然圖景

原始海洋具有豐富的有機物，故原始細胞是靠消耗現(xiàn)成的有機物而營異養(yǎng)生活。后來，有一類原始細胞其內(nèi)部出現(xiàn)了能進行光合作用的色素，使它們能利用光能進行光合作用而營自養(yǎng)生活。這一事件對整個生命界產(chǎn)生了深遠的影響，因為光合作用放出氧氣，為生物從厭氧呼吸進化到有氧呼吸提供了外部條件，現(xiàn)今地球上絕大多數(shù)生物都采用有氧呼吸。此外，光合作用放出的氧氣，在大氣圈中形成了臭氧層，阻止紫外線的長驅(qū)直入，有效地保護了地球上已經(jīng)形成的生命。66第二章物質(zhì)運動的自然圖景2、單細胞生物向多細胞生物的進化

在現(xiàn)今地球上，存在著一種稱為眼蟲的單細胞生物，其頂端有一根鞭毛，能自由運動尋找食物。頂部還有色素，當外界食物缺乏時，就能利用光能自養(yǎng)?？梢酝茰y，這類原始的單細胞生物就是現(xiàn)今地球上動植物的共同祖先。其鞭毛斷離，保留葉綠體，便逐漸演變成植物；反之，失去葉綠體，保留鞭毛則逐漸演變成動物。67第二章物質(zhì)運動的自然圖景

某些綠藻和鞭毛蟲，本來都是單細胞的生物，由于細胞的迅速分裂又沒有各自散開，便形成了多細胞的群體。起初各個細胞仍然自營生活，但長期的群體生活，使群體內(nèi)的各細胞發(fā)生了形態(tài)上的分化和生理上的分工，逐漸過渡為結(jié)構(gòu)更復雜、組織更嚴密的多細胞生物。

多細胞綠藻68第二章物質(zhì)運動的自然圖景多細胞生物體的出現(xiàn)，是生命演化歷程上的再一次巨大飛躍。生物體細胞的分化，形成了組織、器官和系統(tǒng)，由不同的組織器官和系統(tǒng)，構(gòu)成了完整統(tǒng)一的生物個體。

多細胞生物的出現(xiàn)，地球上的生物迅速從低級向高級發(fā)展，以至于在以后的時間內(nèi)產(chǎn)生了數(shù)以百萬計各不相同的生物群體。69第二章物質(zhì)運動的自然圖景3、從水生到陸生此后的生物進化是在多細胞生物的基礎(chǔ)上，沿著植物和動物這兩個主要方向而分別進行的。其中由水生到陸生的進化是最重要的突破。70第二章物質(zhì)運動的自然圖景大約在4億年前的古生代，隨著大片海底上升為陸地，海面的縮小，以及大片水陸交錯的底洼淺灘的形成，水生的植物和動物開始登陸。最先登陸的有由綠藻進化而來的苔蘚植物和裸蕨類植物。

苔蘚植物

蕨類植物71第二章物質(zhì)運動的自然圖景大約在2億年前從蕨類植物中發(fā)展出裸子植物，其生殖能擺脫水的限制，故裸子植物才能完全適應陸地環(huán)境。1億年前又發(fā)展出被子植物，種子包藏在果實里，更有利于陸地繁殖，故被子植物是植物進化的最高等類型，其種類超過全部植物的4/5。裸子植物被子植物72第二章物質(zhì)運動的自然圖景植物登陸不僅改變了陸地的面貌，而且為動物的登陸創(chuàng)造了條件。最早登陸的是三葉蟲等無脊椎動物以及某些魚類。

魚類三葉蟲化石73第二章物質(zhì)運動的自然圖景大約在3、4億年前出現(xiàn)了魚類向兩棲類的過渡，由鰭發(fā)展為四肢。由肺取代鰓進行呼吸，但還須借助裸露的皮膚輔助呼吸，不利于保持體內(nèi)水分，生殖仍在水中，這就決定了兩棲類只能生活在沼澤地。兩棲類74第二章物質(zhì)運動的自然圖景2、3億年前兩棲類又發(fā)展到爬行類。爬行動物已能較好地適應陸地生活，它的皮膚表面角質(zhì)化，防止水分的散失，它產(chǎn)具有硬殼的大型羊膜卵，保證后代能直接在陸地發(fā)育。爬行動物75第二章物質(zhì)運動的自然圖景

此后，又從爬行類中發(fā)展出哺乳類和鳥類等恒溫動物，能使機體內(nèi)環(huán)境保持在相對穩(wěn)定的水平，從而擺脫了氣溫變化的影響。使得它們比冷血動物更能適應溫差較大的陸地環(huán)境，從而成為脊椎動物中的最高等類群。76第二章物質(zhì)運動的自然圖景鳥類77第二章物質(zhì)運動的自然圖景哺乳動物大熊貓猩猩78第二章物質(zhì)運動的自然圖景到了400萬年前，終于出現(xiàn)了生物進化史上最大的一次質(zhì)變，從哺乳動物靈長類中的一支——古猿中分化出人。英國生物學家赫胥黎1863年發(fā)表了《人類在自然界的位置》一書，首先提出了人、猿同祖的理論。1871年，達爾文發(fā)表了《人類起源和性選擇》一書，專門討論了人類起源問題，論述了人類和類人猿的親緣關(guān)系，指出人類是由古代一種類人猿——古猿逐漸進化而成的。79第二章物質(zhì)運動的自然圖景近代發(fā)展的分子生物學從分子水平上說明了人類和猿猴的血紅蛋白，細胞色素C，DNA分子等都基本一致，從而更加證實了人與猿的親緣關(guān)系最為接近，人與現(xiàn)代類人猿都是由共同的祖先——古猿發(fā)展而來的。80第二章物質(zhì)運動的自然圖景從上述自然界物質(zhì)系統(tǒng)的演化圖景中，人們發(fā)現(xiàn)自然界的總演化可以歸并為兩個各有特色的系列，一個是從宇觀到宏觀的物質(zhì)演化系列，另一個是從微觀到宏觀的物質(zhì)演化系列。兩大系列彼此之間的聯(lián)系，說明了自然界各種具體的演化過程的內(nèi)在統(tǒng)一性。81第二章物質(zhì)運動的自然圖景天體演化總星系星系團星系恒星行星(地球)生物圈種群社會宇宙大爆炸夸克等基本粒子原子核原子分子大分子細胞個體人類社會物理進化化學進化生物進化個體進化路線群體進化路線82第二章物質(zhì)運動的自然圖景關(guān)于生物進化的理論一、達爾文的自然選擇學說

1、生物個體存在著變異。就是說，每個生物個體都不同，這種不同至少有一部分是由于遺傳上的差異造成的。2、生物個體面臨著“生存斗爭”。生物體的繁育潛力一般總是大大地超過它的生存率，例如一條鯡魚約產(chǎn)卵30萬粒，一株煙草約結(jié)種36萬粒，只有其中少數(shù)比較健壯，它們的性狀跟環(huán)境比較相適應的個體可存活下來。83第二章物質(zhì)運動的自然圖景

3、生物進化的方向是由“自然選擇”決定的。適合度高的個體留下較多的后代，適合度低的個體留下較少的后代。這樣一代一代下去，群體的遺傳組成自然而然地趨向更高的適合度。這個過程就叫做自然選擇。但環(huán)境條件不是永久保持不變，因此生物的適應性總是相對的，自然選擇不斷地使群體的遺傳組成作相應的變化，建立新的適應關(guān)系，這就是生物進化中最基本的過程。84第二章物質(zhì)運動的自然圖景自然選擇的事例：工業(yè)黑化

在產(chǎn)業(yè)革命之后，歐洲不少地區(qū)逐漸工業(yè)化，人們發(fā)現(xiàn)在許多不同屬和不同種的鱗翅目昆蟲中，黑色型個體的頻率逐漸上升，這個趨勢稱為工業(yè)黑化。在英國的曼徹斯特，1850年左右第一次發(fā)現(xiàn)有黑色型檄花蛾，在以前只有淺色型個體，但以后黑色型頻率穩(wěn)定地上升。在工業(yè)廢氣污染的地區(qū)，頻率常達95%，沒有污染的農(nóng)業(yè)地區(qū)，則主要仍然是淺色型。選擇因素主要是蛾體顏色是否跟它們棲息的樹皮接近，否者容易被鳥類捕食。85第二章物質(zhì)運動的自然圖景二、非達爾文主義生物進化學說

一般把不通過自然選擇，即沒有適應與不適應矛盾的進化，稱為非達爾文主義進化。1、拉馬克學說。拉馬克認為經(jīng)常使用的器官會發(fā)達，不使用的器官會退化，這叫做“用進廢退”。最常引證的例子是長頸鹿。按照這個學說，變異與適應是一回事，即“變異=適應”，既不需要自然選擇，更無所謂適應與不適應的矛盾。

86第二章物質(zhì)運動的自然圖景

2、直生論。直生論者認為進化的方向是“前定的”，每一類生物都有特定的內(nèi)在力量，使它朝一定的方向直線式發(fā)展，既與環(huán)境條件無關(guān)，更無所謂自然選擇的作用。愛爾蘭泥炭層里發(fā)掘到的巨鹿，它的兩只角的長枝展開寬度近3米。直生論者認為這是一個最好的直生證據(jù)，因為這樣過分發(fā)達的角，對于頭部和頸部是一個很大的負擔，是導致該物種滅絕的一個重要原因，不可能用適者生存的自然選擇原理來解釋。87第二章物質(zhì)運動的自然圖景3、中性學說。Kimura于1968年提出了中性突變的概念，他認為，在分子水平上發(fā)生的很多變異，對生物的生存既非有利，變非有害，而是中性的，因此自然選擇對之不起作用。這個學有以下兩個重要論點：（1）通過中性突變的分子進分化速率是恒定的，是由突變速率所決定的，不是選擇壓力所決定。（2）中性突變的通過隨機的“遺傳漂變”而在群體中消失或固定下來，不受自然選擇所控制。88第二章物質(zhì)運動的自然圖景本章完89第二章物質(zhì)運動的自然圖景

1、人是由古猿分化而來

關(guān)于古人類的起源17世紀初葉，愛爾蘭阿爾馬區(qū)大主教厄謝爾根據(jù)對《圣經(jīng)》的縝密分析，將創(chuàng)世的日期確定于公元前4004年。在那個時代，他的推斷被廣泛接受，并且一些基督教原教旨主義者團體，直到現(xiàn)在仍堅定地支持對《圣經(jīng)》字面上的解釋。90第二章物質(zhì)運動的自然圖景古人類亞洲起源說

20世紀20-30年代，認為人類可能起源于喜馬拉雅山地區(qū)。由于喜馬拉雅山隆起，北坡森林稀疏，古猿下地變?nèi)?。但是，那里沒有找到人。同期，在北京周口店地區(qū)找到50萬年前的猿人，于是認為，人類起源于亞洲。20世紀60年代，美國科學家提出，臘瑪古猿是人類的祖先。由于臘瑪古猿在中國云南、印度和巴基斯坦被發(fā)現(xiàn)，所以認為，人類起源于這塊地區(qū)。

91第二章物質(zhì)運動的自然圖景

發(fā)現(xiàn)中華曙猿和世紀曙猿

2001年，中美科學家在中國江蘇溧陽以及山西垣曲發(fā)現(xiàn)中華曙猿和世紀曙猿的足骨化石。曙猿生活距今4000多萬年前，被認為有可能是后來猿的祖先。我國古人類學家賈蘭坡認為，“這種早期的猿類的原始祖先——曙猿在中國發(fā)現(xiàn)，推測人類起源于中國，對科學并無多大的妨害?！?2第二章物質(zhì)運動的自然圖景古人類非洲起源說

目前學術(shù)界大部分人主張“非洲起源說”。

達爾文和赫胥黎曾預言，在幾百萬年前，非洲是史前人類的舞臺。他們的理由很簡單：與人類血緣最近的生物（黑猩猩和大猩猩）至今仍生活在非洲，那么人類一定也在那里起源。

93第二章物質(zhì)運動的自然圖景

1959年，瑪麗李基，在非洲坦桑尼亞發(fā)現(xiàn)175萬年前的石器，這是人類存在的間接證據(jù)。此后，在非洲發(fā)現(xiàn)大量人類化石，年代有200至400萬年，甚至還有年代更久遠的人類化石。1974年在東非發(fā)現(xiàn)“露西”，年齡約為320萬年；后來在埃塞俄比亞的阿拉米斯找到了年代為440萬前的南方古猿。

94第二章物質(zhì)運動的自然圖景

2001年7月19日，在乍得發(fā)現(xiàn)“圖邁”。經(jīng)研究確認，它為700萬年前的人類，將它命名為“薩赫勒乍得人”，并起了個別名：“圖邁”。在乍得的戈蘭語中，“圖邁”意為“生活的希望”，是當?shù)厝藶樵诤导镜絹碇俺錾暮⒆悠鸬拿帧?5第二章物質(zhì)運動的自然圖景

隨著鑒別、區(qū)分物種基因技術(shù)的改進，有關(guān)基因證據(jù)表明，人猿揖別的時間，至少應在500萬年乃至700萬年之前。只是由于尚未找到支持如此遙遠年代的化石證據(jù)，因而分子基因?qū)W的研究結(jié)果還不能作為定論。96第二章物質(zhì)運動的自然圖景

南方古猿已不再是原始的猿類，盡管從嚴格意義上來說他們也還不是人類。南方古猿的腦容量大約為400毫升，與黑猩猩或大猩猩相比大不了多少?？赡苡幸恍┠戏焦旁骋呀?jīng)知道如何制造石器工具。南方古猿的很多種已經(jīng)絕滅，最后的南方古猿約于100萬年前消失。97第二章物質(zhì)運動的自然圖景

人猿揖別后，人類大體經(jīng)歷如下演化階段：

能人，大約生活在200萬至250萬年前。能人腦容量增加到630毫升?！澳苋恕钡囊馑际怯屑寄艿膭趧诱撸智傻娜?。能經(jīng)已經(jīng)能使用粗糙的工具，如小的石片用作刮削器，大的石片用作斧頭和砍砸器。

直立人，生活在30萬至200萬年前。從能人變?yōu)橹绷⑷耸且灶^顱的進一步發(fā)育作為標志的，腦容量從630毫升到1000毫升多一點。智人，能人和直立人還不同于現(xiàn)代人。現(xiàn)代人，是指那些從骨骼上無法與我們區(qū)別的人類，是我們直接的祖先。現(xiàn)代人類的腦容量約為1400毫升。98第二章物質(zhì)運動的自然圖景

按照人類非洲起源說，大約200萬年前，直立人開始從非洲向亞洲、歐洲遷徙。

我國發(fā)現(xiàn)的元謀猿人、藍田猿人、北京猿人等都屬于直立人。99第二章物質(zhì)運動的自然圖景

猿人100第二章物質(zhì)運動的自然圖景現(xiàn)代人起源101第二章物質(zhì)運動的自然圖景

關(guān)于現(xiàn)代人的起源

如果說國際學術(shù)界對于古人類起源于非洲的問題爭論不多，但對于現(xiàn)代人起源問題卻有較激烈的爭論。有兩種理論：一個是非洲起源說，另一個是獨立起源說或多地區(qū)起源說。102第二章物質(zhì)運動的自然圖景非洲起源說的論據(jù)（1）化石方面證據(jù)