高中地球科學/地球生命形式的歷史
1909年夏天，一位名叫查爾斯·杜利特爾·沃爾科特（圖12.15）的美國科學家在加拿大不列顛哥倫比亞省的落基山脈。他是一位古生物學家，也就是研究地球上過去生命形式的科學家。他正在尋找化石。他騎著馬，沿著山路向下走，突然注意到地上有什麼東西。他停下來撿了起來。那是一塊化石！他開始在周圍挖掘，發現了更多化石。沃爾科特發現的化石中，有一些是最奇特的生物，人們從未見過。其中一種生物的化石顯示，它擁有像蠕蟲一樣的柔軟身體，五隻眼睛，以及像真空吸塵器軟管一樣長長的鼻子（圖12.16）。大多數化石都是現已滅絕的動物遺骸。它們現在已經滅絕，這意味著它們一類都不存在了，永遠消失了。
沃爾科特發現的化石中的生物生活在被稱為寒武紀的地質歷史時期。寒武紀始於大約5.4億年前。它標誌著顯生宙的開始。它也標誌著許多新的、複雜的生命形式開始出現在地球上。事實上，“顯生宙”這個詞的意思是“生命展示良好的時期”。我們今天仍然生活在顯生宙。然而，今天地球上的生命與5.4億年前相比，已經發生了巨大的變化。本課將介紹地球生命的一些歷史。它將向你展示在過去5.4億年的顯生宙中，生物是如何發展和變化的。你將瞭解物種如何隨著時間的推移而適應和進化。
- 描述適應性是如何發展的。
- 解釋化石記錄如何向我們展示物種隨著時間的推移而進化。
- 描述過去5.4億年來地球生命形式的一般發展。
在開始本課之前，請確保你能回答以下問題。
- 什麼是化石？
- 地質時間是如何劃分的？
- 生物如何依賴其生存環境？
目前已知地球上存在超過100萬種動植物物種（圖12.17）。科學家們認為，還有數百萬種尚未被發現。環顧四周，你會注意到這個星球上的生物具有令人難以置信的變異性。地球生物最顯著的特點之一是它們能夠在其特定的環境中生存。例如，北極熊擁有厚厚的毛皮大衣，幫助它們在冰冷的水域中狩獵時保持溫暖（圖12.18）。馴鹿擁有像海綿一樣的蹄子，幫助它們在雪地上行走而不打滑摔倒。生長在乾旱沙漠環境中的植物擁有特殊的莖和葉子，幫助它們儲存水分。
其他生物擁有特殊的特徵，幫助它們捕食或避免成為其他生物的食物。例如，當斑馬群逃離獅子的追捕時，斑馬的深色條紋會迷惑獅子，使它們難以在追逐過程中專注於一只斑馬。蜂鳥擁有細長的喙，幫助它們從花朵中吸食花蜜。一些植物含有有毒或難吃的物質，防止動物食用它們。
幫助生物體在特定環境中生存的特徵被稱為適應性。當種群中某些變異幫助某些成員比其他成員更好地生存時，適應性就會發展（圖12.19）。通常，變異來自突變，即生物體基因的隨機變化。存活下來的個體將其有利的特徵遺傳給它們的後代。
為了幫助你理解適應性，可以考慮一個橡樹種群。想象一下，大多數樹木很容易被某種真菌殺死，但偶爾會出現一棵具有自然抵抗真菌能力的樹。這棵樹表現出一種變異，使其更有可能在其環境中生存。它更有可能存活下來，產生種子並擁有後代。它將繁殖並延續物種，而其他樹木將死亡。具有自然抵抗真菌能力的樹木會將其性狀遺傳給後代。其他樹木將無法存活併產生後代。最終，種群將發生變化，大多數個體樹木都將具有抵抗真菌的性狀。這就是適應性。適應性是生物體從其父母那裡遺傳得到的性狀。隨著時間的推移，有助於生物體生存的性狀變得越來越普遍。阻礙生存的性狀最終會消失。
物種的變化和適應性隨著時間的推移而積累。最終，後代與其祖先差異很大，並可能成為一個全新的物種。物種隨著時間的推移而發生的變化稱為進化。我們從化石記錄中瞭解進化。它向我們展示了今天許多現存的生命形式是從早期、不同的生命形式發展而來的。例如，馬的化石向我們展示了大約6000萬年前，馬比今天小得多（圖12.20）。化石還向我們展示了，隨著馬適應環境的變化，馬的牙齒和蹄子也發生過多次變化。
與沃爾科特化石中所代表的生物一樣，地球上曾經存在過的許多生物現在都已滅絕。自寒武紀以來，地球的整體環境條件發生了多次變化，許多生物體沒有性狀來應對這些變化。那些能夠應對變化的生物體將其性狀遺傳給了後代。它們孕育了今天存在的物種。
我們研究化石以瞭解物種如何應對地球漫長曆史中的變化。化石向我們展示了，在最初的30億年中，簡單的生物主導著地球上的生命。然後，在10億到20億年前，地球上出現了第一個多細胞生物。生命形式逐漸進化並變得更加複雜。在寒武紀時期，動物變得更加多樣化和複雜。我們有時將顯生宙的這一部分稱為寒武紀大爆發，這意味著地球上出現了數量驚人的新的複雜生命形式。
顯生宙被劃分為三個時間段，稱為代——古生代、中生代和新生代（表12.1）。它們跨越了從大約5.4億年前至今的時間。我們現在生活在新生物代。下表顯示了在顯生宙的漫長時期內生命是如何變化的。請注意，不同型別的生物體在不同的時間發展起來。然而，所有生物體都起源於一個共同的祖先。生命逐漸變得更加多樣化，新的物種從那個共同的祖先中分化出來。大多數現代生物都進化自現已滅絕的物種。為了瞭解生物體如何從單個共同祖先演變成多種型別，可以想想所有不同型別的狗。所有狗都起源於一個共同的狼祖先。今天，有數百種不同品種的狗，它們的外觀差異很大。
| 代 | 距今多少百萬年 | 主要生命形式 |
|---|---|---|
| 新生代 | 0.2（20萬年前） | 最早的人類 |
| 35 | 最早的草；草原開始主宰陸地 | |
| 中生代 | 130 | 最早的開花植物 |
| 150 | 地球上最早的鳥類 | |
| 200 | 地球上最早的哺乳動物 | |
| 251 | 恐龍時代開始 | |
| 古生代 | 300 | 地球上最早的爬行動物 |
| 360 | 地球上最早的兩棲動物 | |
| 400 | 地球上最早的昆蟲 | |
| 475 | 最早的植物和真菌開始在陸地上生長 | |
| 500 | 地球上最早的魚類 |
顯生宙的各個代被稱作大滅絕的事件所分隔。大滅絕發生在大量生物在短時間內滅絕的時候。在古生代和中生代之間，地球上近 95% 的物種滅絕了。這種滅絕的原因仍在爭論之中。
在中生代和新生代之間，地球上大約 50% 的動物物種滅絕了。這次大滅絕發生在 6500 萬年前，恐龍就是在這次滅絕事件中滅絕的。儘管還有其他假設，但大多數科學家認為，這次大滅絕是由於一顆巨大的隕石以最強大的核武器的能量撞擊地球造成的。這次撞擊引發了巨大的塵埃雲。當這些顆粒重新落回地表時，它們加熱了大氣層，使其變得像廚房烤箱一樣熱，烤死了動物。在大氣中殘留的塵埃阻擋了陽光一年或更長時間，導致了嚴重的凍結並終結了光合作用。撞擊產生的硫與大氣中的水混合形成酸雨，溶解了形成食物鏈基礎的微小海洋浮游生物的殼。由於陸地植物和浮游生物產生的食物很少，動物們都餓死了。撞擊還釋放了二氧化碳，最終導致全球變暖。生命形式無法承受劇烈的溫度波動。
在顯生宙期間，地球的氣候發生了多次變化。就在顯生宙開始之前，地球的大部分地區寒冷且覆蓋著**冰川**(圖 12.21)。然而，隨著顯生宙的開始，氣候正在轉變為溫暖的**熱帶**氣候(圖 12.22)。冰川被熱帶海洋所取代。這使得寒武紀生命大爆發，地球上出現了許多新的生命形式。在顯生宙期間，地球的氣候至少經歷了 4 個主要週期，從寒冷的冰川時期到溫暖的熱帶海洋時期。一些生物在氣候環境變化中倖存下來；而另一些則在氣候變化超出其承受能力時滅絕了。
- 適應性是指生物體遺傳到的有利特徵。適應性源於種群內的變異，並幫助生物體在其特定環境中生存。
- 種群的變化會隨著時間的推移而積累；這被稱為進化。
- 化石記錄向我們展示了當今的生命形式是如何從早期不同的生命形式進化而來的。它向我們展示了地球上最早的生物是簡單的細菌，它們主宰了地球數十億年。
- 大約 5.4 億年前，地球上開始出現更復雜的生物。在顯生宙期間，我們今天所知的所有的動植物型別都進化出來了。
- 許多曾經存在的生物種類現在已經滅絕了。地球的整體環境，尤其是氣候，已經發生了多次變化，生物體也會隨著時間的推移而發生變化。
- 描述適應性的含義。
- 地球上最早的動物擁有柔軟的身體。逐漸地，許多動物物種進化出了堅硬的外殼，稱為外骨骼，覆蓋著它們的身體。外骨骼是如何成為一種有利的適應性的？
- 解釋為什麼不利特徵通常不會遺傳給後代。
- 列出主要動物型別出現在地球上的順序。
- 氣候如何在一定時間內影響植物在廣闊區域生長能力？
- 大滅絕的一個原因是隕石或彗星撞擊。大滅絕的其他一些可能原因是什麼？
- 適應性
- 生物體遺傳到的有助於其在其自然環境中生存的特徵。
- 進化
- 生物體特徵隨著時間的推移而發生的變化，通常會導致新物種的產生。
- 冰川
- 大片流動的冰。
- 古生物學家
- 研究地球過去生命形式的科學家。
- 熱帶
- 溫暖潮溼的氣候。
- 變異
- 存在許多差異。