進化生物學/地球生命早期歷史
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生命起源於簡單的化學分子，這非常有趣。從 137 億年前宇宙由氫和氦等簡單元素形成開始，到今天，隨著智人進化並試圖將其殖民地擴充套件到新的星球，生命經歷了漫長的歷史。為了按時間順序理解這些序列，瞭解地質年代表至關重要。地質時間有兩種表示方法：相對時間，它根據相對年齡關係處理地球地質的劃分和細分，按特定順序排列；絕對時間，通常透過對火成岩（例如火山灰層或熔岩流）進行放射性年代測定來獲得，以確定數值年齡。
在研究進化之前，首先要考慮生命本身的起源。任何生物學理論如果沒有一個有限且不可約的起源，都是不完整的。生命起源於非生命，即“非生物起源”，是一個難以研究的課題，因為科學家們通常對究竟是什麼構成“生命”存在分歧。在最簡單的形式下，生命僅由簡單的複製化學結構組成，例如氨基酸和短的 RNA 鏈。這些簡單的分子通常不是人們在談論“生命”時所想到的，儘管它確實為進一步研究進化提供了便利的起點。
在地球上生命出現之前，地球的大氣層與現在顯著不同。沒有植物和可複製的光合作用過程，大氣中幾乎完全沒有氧氣。像氨和甲烷這樣的富含氮和碳的化合物在當時的自然環境中遠比現在更常見。據推測，在過量的地球熱量和閃電的共同作用下，這些化學物質可能形成了遺傳構建模組。
化學家古特·沃赫特斯豪瑟提出了一個與米勒和尤里類似的假設，只是他認為有機分子合成所需的能量並非來自電弧和紫外線輻射等外部能源，而是來自鐵硫化物的氧化還原反應。這種理論與生命可能起源於海底熱液噴口的觀點相一致。儘管沃赫特斯豪瑟的實驗確實成功地產生了簡單和更復雜的氨基酸，但值得注意的是，這些氨基酸鏈在周圍的化學環境中很快就發生了水解。
基於沃赫特斯豪瑟的假設，威廉·馬丁和邁克爾·拉塞爾提出，生命可能起源於熱液噴口，並且具有微觀結構起源。被稱為“黑煙囪”的海底結構，本質上提供了一個幾乎封閉的微型洞穴，裡面充滿了硫化鐵，既可以提供沃赫特斯豪瑟假設所需的地球熱量，也可以提供防止氨基酸鏈水解所需的安全性。在這樣的黑煙囪中，生命各個組成部分的形成理論上是可能的：DNA 和 RNA 鏈、蛋白質合成和酶相互作用都可能同時形成，而無需首先形成脂類細胞膜。脂類膜的最終合成，可能是黑煙囪內壁的脂類塗層，使得新的原細胞能夠離開黑煙囪，獨立地遊蕩在海洋中。
有趣的是，古菌（簡單的單細胞生物）可以在黑煙囪中找到。最近發現的一些細菌型別利用黑煙囪微弱的光線進行光合作用，這是首次記錄到沒有陽光的光合作用。
關於生命起源，存在著兩種相互競爭的理論。第一個理論，“基因優先”假設，認為像 RNA 這樣的自我複製分子是由簡單的氨基酸產生的，後來進化成更復雜的複製系統。DNA 通常不被認為是候選者，因為它自身的複製和形成需要使用複雜的蛋白質結構來促進這些任務，而這些蛋白質不太可能透過非生物手段產生。這種理論的缺陷在於 RNA 和類似的氨基酸結構對紫外線輻射很敏感，而且它們也容易水解。本質上，裸露的 RNA 鏈難以在海洋內外生存。
與“基因優先”理論形成對比的是，“代謝優先”理論，它推測，封閉的環境中首先存在代謝途徑，後來作為合成氨基酸鏈的安全的封閉位置。亞歷山大·奧帕林假設，原始的化學結構可能在不需要 RNA 或其他氨基酸鏈的情況下自我複製。這一理論得到了一些支援，因為乙醯輔酶 A 代謝途徑利用了鐵-鎳-硫化合物（沃赫特斯豪瑟假設的關鍵），並在單一、簡單的步驟中催化了關鍵成分。
這兩種方法之間的一個共同點可以用一個簡單的類比來說明。想象一個完整的購物清單。清單類似於遺傳物質，它傳達了關於一袋雜貨內容的描述。然而，袋子本身透過其內容包含了相同的關鍵資訊。清單以編碼的方式包含資訊，而完整的袋子本身以物理形式包含了完全相同的資訊。“代謝優先”理論提出，這種“滿袋子”場景實際上比需要在蛋白質的生產和組裝之前先獲得遺傳資訊更簡單。
為了更深入地解釋“代謝優先”理論，我們首先要簡化代謝的定義。簡單來說，代謝是指利用能量，從簡單的成分構建更復雜的物質的過程。“代謝優先”理論認為，系統內部與外部環境之間必須存在一個邊界。類似於所有生物細胞膜的脂質雙層膜，已經可以在實驗室中人工合成，但這僅僅是系統與外部環境分離所需的物理條件。此外，還需要一個能量來源驅動反應。根據許多理論支持者的觀點，這可以透過化學中的“氧化還原”反應實現。“氧化還原”是“還原/氧化”的縮寫。當一種化學物質獲得電子時，它被認為被還原；而失去電子的化學物質被認為被氧化。氧化還原反應在許多現有的生物過程中都存在，比如光合細菌和所有含有葉綠體的真核生物的光合作用中光依賴階段的電子傳遞，以及我們血紅蛋白中的氧氣吸收。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、溫度梯度，甚至放射性。
除了能量利用，還需要一些機制來耦合能量，以驅動進一步的化學反應。催化劑是化學物質，它們在底物和產物之間起到媒介作用。以過氧化氫為例。過氧化氫與催化劑混合後，會分解成水和氧氣。催化劑本身不會在反應中被消耗，可以在反應完成後繼續發揮作用。根據底物的不同，許多天然礦物質和化學物質都可以作為催化劑。催化劑的作用是加速化學反應。過氧化氫會自發分解成水和氧氣分子，但催化劑的存在會加速這個反應，使其成為魚雷甚至宇宙飛船的燃料來源。在從環境中提取的能量、合適的底物以及加速反應的催化劑的作用下，可以產生儲存能量的中間物質。這些物質之後可以釋放其儲存的化學能，促進進一步的反應。
在“代謝優先”的場景中，建立了一種迴圈反應。假設有一個有機底物A。當A被催化並引入能量時，會產生一種新的化學物質B。B現在可以用於進行進一步的化學反應，被C、D等等利用。最終，B會重新轉化為A，完成迴圈。迴圈反應在這種情況下有利，因為A的補充不需要從環境中進一步提取。這確保了即使環境中的A變得稀缺，系統仍能繼續存在。迴圈系統的複雜性也允許系統內部進行適應。如果其中一條後續途徑（C、D等等）受到環境條件的不利影響，可以加入或替換掉該非功能部分的不同途徑。
最後，系統必須具有生長和繁殖的能力才能被視為生命。要生長，系統必須獲得的物質比失去的物質多，這可以透過擴散到周圍環境中實現，也可以透過其他方式實現，例如廢物的沉澱。繁殖可以作為一種偶然過程實現。以某種“隔間”為例，比如熔岩燈中的蠟泡。在泡泡內，途徑網路從環境中提取能量，建立一些反應系統，產生更多用於化學途徑的物質。泡泡隨著其內容物的增加而膨脹。環境條件，例如電流或溫度梯度，會導致泡泡掐斷，形成兩個含有相似物質濃度的泡泡。如果濃度足夠，就會形成兩個獨立的網路。這兩個網路可以繼續生長，並分裂成更多的網路，使它們可以在環境中競爭資源。這種對資源的競爭是達爾文進化論的開端。
在進化的某個階段，這些化學網路必須從基於內容的資訊儲存過渡到編碼形式。隨著網路複雜性的增加，擁有某種方法來銘刻必要的內容將更有利。可轉移的編碼資訊形式將使子系統從母系統分離時產生可持續系統的可能性更大。
中生代（距今2.45億年）
[edit | edit source]距今2.45億年到6600萬年前的這段時期被稱為中生代。中生代以恐龍聞名，恐龍在三疊紀進化，並在侏羅紀時期變得非常多樣化。中生代持續了大約1.8億年，有時被稱為“爬行動物時代”。與古生代滅絕類似，中生代末期，恐龍滅絕了。在這個時期，陸地植被髮生了很多變化。例如，裸子植物（如針葉樹）在這個時代進化，最早的被子植物也開始在這個時代多樣化。在三疊紀時期，第一批恐龍出現了。在這個時候，軟體動物是占主導地位的無脊椎動物。在侏羅紀時期，許多恐龍進化並繁盛起來。第一批鳥類也進化在這個時期，化石始祖鳥被認為是早期的一個例子。在植物方面，第一批開花植物或被子植物與裸子植物一起進化。中生代結束時，發生了恐龍的大滅絕。哺乳動物在之後繁榮起來。
新生代（距今6600萬年至今）
[edit | edit source]與其他持續了數億年的時代相比，新生代只持續了大約6600萬年。這個時代分為兩個主要時期：第三紀（現在稱為古近紀和新近紀）和第四紀。第三紀是哺乳動物和鳥類大量輻射的時期。昆蟲在這個時代也占主導地位。與中生代類似，被子植物也多樣化。大約在3500萬年前，第一批靈長類動物出現了。第一批類人猿出現在大約500萬年前。冰河時代標誌著第三紀的結束和第四紀的開始。隨著氣溫上升，滅絕現象很普遍。第四紀也以智人的進化而聞名。
進一步閱讀
[edit | edit source]坎貝爾，里斯。生物學，第六版。本傑明·卡明斯。2001年。
理查德·索斯伍德，生命的故事。魏登費爾德和尼科爾森。2002年。