第2章 宇宙、地球的起源与演化
2.1 复习笔记
一、银河系和宇宙起源学说
1．银河系结构及太阳的运动
（1）银河系结构
银河系
①定义
银河系是由1500～2000亿颗恒星和无数的星际物质组成的巨大天体系统。
②基本构成
a．银盘
银盘是银河系主体部分，直径8.5 × 1041.y．（光年）（11.y.=94600 × 108km）。
b．核球
核球是银盘中央呈近似球形隆起的部分，是恒星高度密集区域。
c．银核
银核是核球的中心，是银河系的质心。
③物理特征
银盘外围被恒星密度很稀的扁球状银晕所包围，直径达到10×1041．y．（如图2-１所示，左；1×103秒差距（pc）=3261.61.y．）。从垂直银河系平面的方向看，银盘内恒星和星际物质在磁场和密度波影响下分布并不均匀，而是由核球向外伸出的四条旋臂组成旋涡结构。
图2-1 银河系结构示意图（左，侧视；右，俯视）
（2）太阳在银河系内的运动
①银河年
银河年是太阳以250 km／s速度绕银核旋转一周的时间。
②两种关于周期变化的假说
a．从银河系侧面看，发生在银道面上下的往复波动，大体每隔35百万年就穿越银道面一次。
b．从银河系平面看，由于不同星体旋转速度不等，太阳与银河系四个旋臂并不同步并行，大体每隔75百万年就穿越旋臂一次。
２．星系运动和总星系
（1）银河系的运动和河外星系
①银河系的运动
银河系除存在自转外，同时整体以214 km／s的速度向着麒膦座方向运动。
②河外星系
河外星系是宇宙空间中类似银河系的恒星系，它们自身直径也达十万光年左右，离银河系则有几十亿至上百亿光年之遥。
（2）从星系团到总星系
①星系团
星系团是具有10万光年尺度，在空间分布不均匀，并有成团趋势的星系。
a．本星系群
本星系群是由银河系和相邻仙女星系、麦哲伦星云等30个星系组成一个规模较小的集团。
b．超星系团
超星系团是由许多星系团进一步组成的，典型的空间尺度达到1亿光年量级的星系团。
②总星系
总星系是人类现在观测能力所及的可见宇宙，其典型空间尺度为150亿光年，年龄为100亿光年量级，总质量达到1056克量级。
3．大爆炸学说与宇宙起源问题
（1）谱线红移与可见宇宙
①利用多普勒原理观察发光星体
a．蓝移是当发光星体接近观察者时，见到的星光谱线向频率高的蓝光方向移动的现象。
b．红移是当离开观察者时，向频率低的红光方向移动的现象。
②哈勃定律
哈勃定律是指哈勃经过大量实际观测发现，来自不同星系的光呈现某种系统性的红移现象，光源越远的星体，离我们而去的速度也越快。
②宇宙星系际空间的膨胀
谱线分析证明有不少蓝移现象，反映星系内部仍然具有吸引力。宇宙的膨胀主要发生在星系团之间的空间迅速增大，星系本身尺度变化不大。
（2）大爆炸宇宙学说
在宇宙形成之前，所有物质处于平衡状态。某种物理条件下开始大爆炸，在宇宙诞生10－44s之后体积急剧暴胀，在1秒钟之内温度仍高达1032K至1010K以上，原子和分子均无法存在。爆炸进行3min后，温度降至109K以下，核反应开始启动，由质子和中子聚变为氘核、氦核和锂核最轻元素后可以不至于瓦解。
二、恒星演化与太阳系形成
1．星系的起源
（1）星系的起源
①星云说
强调初始宇宙空间充满密度极低的星际气体和尘埃物质，在自引力下这些物质逐渐聚集成许多大型星系云，再在星系云内诞生大量恒星而形成星系。
②超密说
强调可见宇宙大爆炸过程中抛射出许多超高密度的物质块，每个块形成一个星系。超密块爆发从核心再向四周演化，星系核心为残留的超密块，因此爆发作用尚未止熄。
（2）哈勃星系分类
①椭圆星系（E）；
②旋涡星系（S）；
③不规则星系（Ir）。
图2-2 哈勃星系分类
2．恒星的起源与演化
（1）幼年期
原始星云的一部分开始进入收缩过程，涡旋体系中心部分处于引力收缩状态，随着势能转变为热能，温度上升。
（2）青壮年期
①时期特征
原恒星核部温度上升到不小于7 ×106K条件下，核部氢燃烧引起的热核反应开始启动，标志着一颗恒星正式产生。
②赫罗图
赫罗图的绘制是分别统计了恒星的光度（反映恒星质量）和颜色（反映表面温度），用纵横坐标绘图时发现大部分恒星落在一条连续带上，其余的星（红巨星、白矮星等）则形成独立的小群。
③主星序
主星序或主序带是赫罗图90％的恒星集中出现的连续条带代表相对稳定的主要演化序列。
④主序星
主序星是处于主序带内的恒星。
（3）晚年期
恒星核部再次在引力下收缩，恒星中心密度加大，温度再次升高。同时促使恒星外壳体积膨胀，密度变稀，成为表面温度很低但光度很大的红巨星或超巨星。
（4）衰亡期
①超新星爆发现象
超新星爆发时铁核的热核反应需要吸收大量能量，迫使恒星内核向中心猛烈塌缩，同时释放出惊人的能量，导致恒星外壳发生爆炸，并使光度瞬间剧增万倍至上亿倍。
②恒星演化最后阶段的各类致密星
a．白矮星
白矮星是质量中等的恒星（小于1.4个太阳质量）经历超新星爆发后形成的。恒星残骸的密度达到1.75×105g／cm3，表面温度升高至8000K，发出白光。
b．黑矮星
黑矮星是当白矮星的热能耗尽，不再辐射可见光后的星体形态。
c．中子星
中子星是由异常致密的中子组成，由质量更大的恒星经历超新星爆发后暴缩形成快速自转的星体。直径一般仅10km，但密度达1014～1015g／ cm3。
d．黑洞
黑洞是广义相对论在20世纪早期预言的暗天体和引力场中的一个奇点，它是在超新星爆发后，由于残骸质量过大而持续塌缩至高于原子核的密度，因而产生了超强引力场，能使所有物质和光线被吸入，而无法逃逸出去。
3．太阳系形成假说
（1）灾变说——行星物质是由于某种重大突发事件而从太阳中分离出来的。
（2）俘获说——太阳从恒星际空间俘获物质，形成原始星云，再演变为行星。
（3）共同形成说——太阳系的所有天体都由同一个原始星云形成，星云中心部分形成太阳，外围部分形成行星等天体。
4．似地行星和地外文明探索
（1）人类探索地外文明的尝试
在总星系中约有1022个恒星，存在地外文明的概率很大。搜寻地外文明的主要途径，就是不断向太空发射无线电信号，并监测有无反馈信息，自20世纪60年代以来已作了数十次试验，虽尚无结果但仍不气馁。
（2）考古学的介入
考古学的介入有利于延伸人类与地外文明接触的时间范围，但要排除各种巧合或多解性，还需要多方面的证据。
5．21世纪近地宇宙开发
（1）对月开发
月球上含有大量的资源，在地球的资源日益减少的情况下，人们对于开发月球跃跃欲试。同时21世纪人类开发近地宇宙（首先是月球）能进人实施阶段，登月人数估计将达到千人规模。
（2）其他开发
美国向火星发射了探测器，收集到甲烷气体，这是可能有生命存在的标识。如果国际上新的一轮向火星发射轨道宇宙飞船和人类登上火星实地考察的计划能够实现，将是人类认识火星真面目的里程碑式成就。
三、地球的起源与演化
1．地球的起源和圈层分异
（1）地球的起源
大约在46亿年前，从太阳星云中开始分化出原始地球，温度较低，轻重元素浑然一体，并无分层结构。
（2）圈层分异
随着地球温度增加，当原始地球内部物质增温达到熔融状态时，比重大的亲铁元素加速向地心下沉，成为铁镍地核，比重小的亲石元素上浮组成地幔和地壳，更轻的液态和气态成分，通过火山喷发溢出地表形成原始的水圈和大气圈。
2．地球的年龄
（1）岩石鉴定地球年龄
通过测定岩石所含矿物（锆石）的形成年龄，从而推测地球形成的大致年龄。
（2）同位素测定法
根据放射性同位素的衰（蜕）变原理进行同位素测定。不同放射性元素半衰期的长短有很大差异，其测年的精度也存在重要区别（如表2-1所示）。因此，要根据研究对象实际情况选择测试物质，采用合适的方法。
3．地球上的生命起源
（1）生命的本质
生命的基本特征就在于蛋白体具有新陈代谢的能力。这种能力是任何非生命不具备的，所以生命是物质运动的最高形式。
（2）生命起源的机制
①星际空间的有机分子
星际空间存在大量有机分子，至80年代初已累计达到55种，其中最重要的有15种（如表2-1所示）。
②星际有机分子的意义
星际有机分子的存在说明，构成生命物质基础的有机物可在宇宙空间的自然过程中产生，并分布于银河系、河外星系的星球上和星际空间。
③生命的形成
地球完成初始圈层分异后，有机物汇聚到原始海洋之中，在地壳环境的热聚合等作用促进下，逐渐由氨基酸到类蛋白质到蛋白质转化。在此系统内部，随着化学反应速度提高，其有序性和方向性也相应加强，出现真正的蛋白质合成，完成了向原始生命的进化。
（3）生命出现的时间
地球上最古老生命的记录，主要是球状和棒状的单细胞细菌化石。可推测当时地球上的单细胞生物已经出现。
4．生物圈的形成和发展
（1）厌氧异养原核生物阶段
38×108年前出现的原始生物，属还原条件的厌氧异养原核生物类型，即还没有细胞核膜分异，不能自己制造食物，主要靠分解原始海洋中丰富的有机质和硫化物以获得能量，并营造自身（或称化能自养）。
（2）厌氧自养生物出现和生物圈初步形成
①厌氧自养生物出现
环境压力促进了生命物质的变异潜能，从而演化出厌氧自养原核生物新类型。尤其是能进行光合作用的蓝细菌，可以还原CO2产生O2合成有机化合物。
②生物圈初步形成
生物在生态方式上开始转变为浮游于海洋表层，从而可以扩散到全球海洋和陆地边缘浅水带，标志着地球生物圈的初步形成。
③典型代表
该阶段的典型代表蓝细菌。生物属种数量虽有增加，但分类上仍属原始的单细胞原核生物。
④盖雅假说
假说认为：根据天体物理学研究证明，自地球形成以来的46×108年中太阳辐射强度增加了约30％（其中5％增加于显生宙期间）。
（3）真核生物出现和动物界爆发演化
①真核生物出现
随着大气中氧含量逐渐增加，喜氧生物开始代替了厌氧生物的主体地位。有氧呼吸效率更高，提高了新陈代谢速度，导致了细胞核与细胞质分化的真核生物新类型出现。真核生物出现了有性生殖、多细胞体型待征，并开始了动、植物的分异。
②发生时间及繁盛期
这次飞跃大约发生在18×108年前后（元古宙中期）。从印度、美国、加拿大等地的化石分布来看，真核生物在全球的繁盛期大约在10× 108年前（元古宙晚期）。
③伊迪卡拉动物群
a．发现时间
地球上软躯体动物的首次爆发演化发生于6×108年前后（元古宙末期）。由于最早发现于澳大利亚南部伊迪卡拉山，称为伊（埃）迪卡拉动物群。
b．发现内容
早期的研究者根据它们的形态和水母（腔肠动物）、蠕虫（环节动物）和海绵（海绵动物）等相似，在生物分类上也对号入座。但这些裸露动物不存在摄食和消化器官，是一种营自养生物的特殊生物门类，根本不同于显生宙出现的动物类型。该动物群呈爆发式突然出现，延续不久又发生整体规模大量绝灭（集群绝灭），速度之快令人瞩目。
c．发现意义
伊迪卡拉动物群代表地球上首次出现，但其演化途径并不成功的特殊生物门类。该动物群演化过程中的内因之间的复杂关系，已引起广大科学家的关注，成为地球科学基础理论研究的热点之一。
④澄江动物群
a．发现时间
有壳动物的出现和突发演化，出现在5.4×108年前（显生宙初期）。云南昆明附近的澄江地区，1984年起发现了举世罕见的澄江动物群，被比喻为地球历史中十分著名的寒武纪生物爆发事件。
b．特点
澄江动物群是由真正的节肢动物（三叶虫）、腔肠动物（水母）、环节动物（蠕虫）和其他门类组成，外形虽与伊迪卡拉动物群有些相似，但体腔内部器官结构明显不同，代表动物界演化进程中采取躯体立体增长和内部器官复杂化的另一途径。
（4）生物登陆和全球生物圈建立
①生物登陆
a．发生时间
距今4×108年前（志留纪晚期和泥盆纪早期），以原始陆生植物（矮小的裸蕨类）和淡水鱼类在滨海平原和河湖、河口环境大量繁盛为标志，开创了生物占领陆地的新时代。生物圈的空间范围也首次由海洋伸向陆地。
b．动物登陆
至3.7亿年前（泥盆纪晚期），半干旱气候下河湖、水塘的周期性干涸，促进了某些鱼类（肉鳍粗壮的总鳍鱼类）逐渐演变为两栖类。两栖类摆脱了终生不能离开水体的局限，在陆地上获得了水域附近更多的活动范围。石炭纪晚期至二叠纪早期开始，动物界中出现了通过羊膜卵方式在陆上繁殖后代的爬行类，由于个体生活史完全摆脱了对水域的依赖，适应更加广阔多变的陆上生态领域。
c．植物登陆及第一次聚煤期
距今3×108年前后（石炭纪晚期至二叠纪早期），植物界已出现茂密高大的森林，而且能适应热带、亚热带至冷温带不同气候条件，地质历史上第一次出现聚煤作用高峰期。
d．稳定的生态领域
在距今2.5亿年前后（二叠纪、三叠纪之交），全球范围古地理、进化的爬行类和裸子植物（松柏、苏铁和银杏类）更能适应陆地上不同气候带和海拔高度的多种生态领域。严格意义上，地球上完整生物圈从泥盆纪起开始伸向陆地，至二叠纪才包括大陆和海洋各种生态领域。
（5）生物征服天空和陆生动物重返海洋
①2.5亿年前开始了地球历史的中生代阶段，中生代也称裸子植物时代和爬行动物时代。出现了鸟类的祖先，象征着生物开始征服天空。
②中生代陆生爬行动物的另一个有趣演变方向是重返海洋生活，出现了体型适合游泳的鱼龙、蛇颈龙等类型。一般认为中生代时全球规模的联合古陆发生分裂、漂移作用，可能是促使陆生动物重新下海的外部因素。
（6）人类起源和演化中心
a．人类起源时间
新生代起开始了以哺乳动物和被子植物为主宰的阶段。新生代生物界演化中最重要的事件是距今250万年前后（第四纪）人类的出现。
b．人类的祖先
60年代后期起开展的人类与黑猩猩、大猩猩血液蛋白质、遗传物质DNA分子等对比研究，也证实人与猿的亲缘关系最近，再次从高科技研究角度提供了新的佐证。
c．原始人类
原始人类与古猿的实质区别在于，后者仍停留在动物本能的劳动形式，只会使用天然工具；而前者已经有意识地能够自己制造工具。按照制造工具的工艺水平和相应的身体结构特征（如骨骼粗壮程度、脑容量大小、直立行走姿态等），史前人类可以区分为猿人（含早期猿人，又称能人和晚期猿人，又称直立人），古人（早期智人）和新人（晚期智人），共3类，4个阶段。猿人阶段创造了旧石器早期文化，古人阶段发展为旧石器中期文化，新人阶段则从晚期旧石器转入新石器时期文化。
d．早期人类
早期人类生存的地球表层环境是一片洪荒世界，既有大型凶猛野兽的攻击，又有自然灾害的肆虐，生活条件十分艰苦。
5．人类圈的形成和发展趋势
(1)人类圈的形成
早期人类自开始制造石器工具和学会用火起就与动物界彻底分离，标志着生物圈演化史中最高级的人类圈和人类社会正式形成。
(2)人类的发展趋势
人类社会从原始氏族社会—古代社会—近代社会—现代社会，各阶段所经历的时间依次越来越短，科学技术发展越来越快，呈现加速度特征，近似于高次方程的抛物线。今天我们日常生活中使用的绝大多数物品，都是现今这一代（即第800代）发展起来的。第800代标志着人类有史以来全部经历的一次大转折。
６．生物进化与地质年表
(1)生物进化
地球上生物界的演化遵循由简单到复杂，由低级到高级的不可逆过程，生物演化史能够详尽而有效地反映地球历史演化的客观自然阶段。
(2)地质学根据地质年代，绘制了地质年代表。为了更好地表示生物进化的过程，将主要生物进化结合地质年代表绘制。
表2-2 地质年代表
