7自然界的演化发展.

自然界的演化发展谷晓芸[e-mail]2自然界的演化过程•自然界不仅是存在着，而且是生成着并消逝着。自然界是由一系列转化过程构成的“过程的集合体”，一切事物都有其产生发展灭亡的过程。这里以下面几个为例来说明•一、宇宙的起源与演化•二、恒星的起源与演化•三、生命的起源与进化•四、人类的产生与发展3一、宇宙的起源与演化•现代宇宙学是以广义相对论为基础的理论，以哈勃定律为观测依据，并在宇宙学原理的假设下，研究宇宙整体的结构、运动和演化规律的一门学科。现代宇宙学关于宇宙的模型较多，如–爱因斯坦静态有限无边宇宙模型–弗里德曼膨胀宇宙模型–恒稳态宇宙模型–大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型为大多数科学家所接受，通常称为“标准宇宙模型”。这里着重讲这个模型4爱因斯坦静态有限无边的宇宙模型（1917）•这是历史上第一个关于宇宙运动自洽而统一的动力学模型。由于当时尚未发现河外星系普遍退行现象，爱因斯坦相信宇宙在大尺度上的特征是不应该随时间而变化的。•1929年哈勃红移发现后，这个模型被抛弃。但这个模型开创了现代宇宙学研究。5弗里德曼膨胀宇宙模型（1922）•弗里德曼在解爱因斯坦引力场方程时，得到一个均匀、各向同性的宇宙动态时空度规。由此得到宇宙空间随时间膨胀的观念，哈勃红移发现后，这个模型受到重视。•奇点是演化态宇宙学的难题。•注：哈勃定律：V0=cZ=H0D其中V0是星系退行速度，c是光速，Z是谱线的移量，D是星系离我们的距离，H0是哈勃常数。H0=15（千米/秒）/百万光年6恒稳态宇宙模型•1948年英国天文学家H·邦迪、霍伊尔、戈尔德共同提出。•这个模型认为宇宙是不断膨胀的，其密度保持不变，好处在于不存在奇点问题，但困难在于如何说明物质从虚空中产生。•这个模型已经证明是错误的。7勒梅特的大爆炸假说•1927年，比利时天文学家勒梅特发表大爆炸(BigBang)理论，认为宇宙在此之前是零体积，就是说宇宙内任何两点之间是零距离，物质密度是无限大，宇宙在此之前没有“从前”。突然间，这个零体积的原始原子发生爆炸(点无大小)，不仅物质出现，时间－空间的结构也存在了。勒梅特的假说是大爆炸理论的开始。8伽莫夫的大爆炸假说•1948年，美国物理学家伽莫夫等人受奥本海默的核爆炸研究工作的启发，把核物理知识与宇宙膨胀理论结合起来，提出宇宙起源于一个温度极高（约150亿度）、密度极大、由中子组成的原始火球的假说，这个假说发展了勒梅特的大爆炸理论，并说明了化学元素的起源。伽莫夫9伽莫夫的大爆炸假说•伽莫夫认为：“原始火球”充满了辐射和基本粒子，后来由于球内的基本粒子的相互作用发生核聚变反应，引起了爆炸，并向外膨胀；后来辐射温度和物质密度急速下降，热核反应停止，其间产生了各种元素，这些元素的演变便形成了今天宇宙中的各种物质。10•根据大爆炸宇宙论，宇宙的演化经历了以下几个阶段：1）、基本粒子形成阶段2）、辐射或核合成阶段3）、实物阶段•从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年的努力，宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史：大爆炸宇宙论（big-bangcosmology）：11•大爆炸开始时150－200亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。•大爆炸后10-43秒宇宙从量子背景出现。•大爆炸后10-35秒同一场分解为强力、电力、弱力和引力。•大爆炸后10-5秒10万亿度（1013K），质子和中子形成。•大爆炸后0.01秒1000亿度（1011K），光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。•大爆炸后0.1秒后300亿度（3×1010K），中子质子比从1.0下降到0.61。12•大爆炸后1秒后100亿度（1010K），中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。•大爆炸后13.8秒后30亿度（3×109K），氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。•大爆炸后35分钟后3亿度（3×108K），核过程停止，尚不能形成中性原子。•大爆炸后30万年后3000度（3×103K），化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。大爆炸理论中宇宙的演化历程14•大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事实：1）河外星系的谱线红移。观测到河外天体有系统性的谱线红移,而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映。2）3K宇宙微波背景辐射。（彭齐斯、威尔逊）3）氦的丰度。在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。4）天体的年龄。大爆炸理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短，即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。15二、恒星的起源与演化•根据弥漫说的理论（星云说），恒星的起源与演化可划分为引力收缩、主序星、红巨星、高密恒星等几个阶段。•1、引力收缩阶段（原恒星）星云物质在演化过程中，由于自身的引力而收缩。在收缩过程中内部温度升高，当云团中心温度达到2000K时，中心形成内核，来自恒星内部的辐射压将周围物质驱散，恒星逐渐露出，恒星“婴儿”——“红外星”就诞生了。162、主序星阶段当恒星中心温度达到700万度以上时，开始核聚变反应，氢聚变为氦，恒星停止收缩，形成了正常的恒星，进入了主序星阶段。主序星阶段占恒星一生寿命的90%，是恒星最稳定的阶段。质量不同的恒星，主序星阶段长短不同。质量越大寿命越短。太阳约为100亿年。•3、红巨星阶段随着核聚变的进行，恒星中心的氦核越来越多，氦核周围的氢越来越少，当氦核质量占到恒星质量的12%时，反应便逐渐从中心区向外停止，从而辐射压力减少，恒星再次出现“引力坍缩”，释放出巨大的引力势能，使中心温度升高至上亿度，引起三个氦核聚变为一个碳核的新的核反应。恒星外层膨胀，体积急剧增大，表面温度降低，内部的引力和斥力又达到平衡。恒星脱离主序星阶段，进入了老年期——红巨星。太阳将在这阶段停留约10亿年。174、高密恒星阶段质量小于1.44太阳质量的恒星则比较平稳地抛出物质，形成行星状星云，中央残核留有一颗致密天体——白矮星。质量1.44m3.2太阳质量的恒星就可能演化为中子星；更大质量的恒星后期要发生塌缩或大爆发，中心成为黑洞。20三、生命的起源与进化•1、生命的起源生命的起源是通过化学的途径实现的。目前认为生命的化学演化过程大致经历了三个阶段：（1）、从无机分子到有机小分子地球的原始大气中含有氨(NH3)、甲烷(CH4)、氰化氢(HCN)、硫化氢(H2S)、二氧化碳(CO2)、氢气(H2)、水(H2O)等成分，但没有游离的氧气。在宇宙射线、太阳紫外线、闪电、高温等的作用下而自然合成了一系列的小分子有机化合物，例如氨基酸、核苷酸、嘌呤、嘧啶、单糖、脂肪酸等。21•1953年，米勒用水（H2O）、甲烷（CH4）、氨气（NH3）和氢气（H2）但是不包括氧气（O2）共同混合，他假定该混合物的成分类似于原始大气，然后一起灌入到一个特殊的玻璃装置中，给瓶内混合物加热，使之不断沸腾，产生气体。气体经过一个装有两个电极的小室，室内连续产生火花，犹如大自然的闪电和火山爆发，然后经过冷却又变成液体回到原处。经过一个星期后，米勒使用纸套色版证明了瓶中现在含有几个氨基酸和一些其它有机物。22（2）、从有机小分子到生物大分子当氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸等有机小分子物质形成之后，在适当的条件下，它们可以进一步形成复杂的有机物质。例如蛋白质、核酸、多糖、类脂等大分子物质。其中蛋白质和核酸的形成对于生命现象具有非常重要的作用。对于它们的形成主要有两种观点。①、陆相起源。他们认为聚合反应是发生在火山的局部高温地区，聚合生成的生物大分子经雨水冲刷汇集到海洋，并在一定的条件作用下，继续发展成为复杂的有机物质。（如福克斯）②、海相起源。认为在原始的海洋中的氨基酸和核苷酸等小分子有机物可以被吸附于粘土一类的物质的活性表面，而在适当缩合剂（如羟胺类化合物）存在时，可以发生聚合反应。（如奥巴林）23（3）、从生物大分子到原始生命体系的诞生•生物大分子并不能独立表现生命现象，只有形成了众多的、乃至成百万的以蛋白质、核酸为基础的多分子体系时，才能表现生命萌芽。而生物大分子在溶液中自动聚集，从而形成各种独立的多分子体系，出现团聚体或微球体。由于多分子体系可以起到有机表面的催化作用，而反过来作用于各类单体的聚合，促使产生更高级的蛋白质和核酸，然后通过有序性逐渐提高的长期过程，其结构、机能便愈益复杂和完善，由此产生出原始生命。这种原始生命是如何形成的，大致有两种理论：一是奥巴林的团聚体假说；另一种是福克斯的微球体假说。242、生命的进化•（1）、从非细胞形态到细胞形态的进化•①、由原始生命到原始细胞•②、由原始细胞到原核细胞•③、由原核细胞到真核细胞25（2）、从低等生物到高等生物的进化•真核细胞产生后，生物界分化为两大支，出现了原始的单细胞植物和动物。•①、植物界的进化•菌藻植物苔藓植物和蕨类植物裸子植物被子植物(蓝藻是地球上最古老的绿色植物)26②、动物界的进化•1）、从单细胞到多细胞•2）、从二胚层到三胚层•3）、从无脊椎到有脊椎•4）、从水生到陆生无脊椎动物脊椎动物哺乳动物灵长类动物猿猴类动物人类动物进化一览表鸟类起源于恐龙28四、人类的产生与发展•1、人类的起源•人类起源于动物界。大约在2300万年至1800万年前。在热带雨林地区和广阔的草原上，有一种古代灵长类动物──森林古猿活跃在那里，它们是人类最早的祖先。而后来的腊玛古猿和南方古猿是演化到人类的过渡阶段。29•腊玛古猿：腊玛古猿大约生活在1400万—800万年前，身高仅1米多一点，体重在15—20公斤左右。•腊玛古猿的地位：现代人类现代猿类南方古猿腊玛古猿森林古猿30•南方古猿：•南方古猿大约生活在距今500万—100万年以前。我们人类就是由南方古猿的一支演化而来的。大约200万—300万年前，南方古猿的一支脱离了古猿类，朝着人类的方向演化。•南方古猿的地位：关于南方古猿在人科进化中扮演的角色,有三种不同的观点，如下图所示：312、人类的发展•可以把史前人类的发展粗略地分为四个阶段：•（1）、能人阶段约在200万年前出现在非洲，身高大约150公分左右，以树上的浆果为食，也会找寻兽尸或捕猎一些小动物。•（2）、直立人阶段约200万年（或150万年）开始到40万年期间，其身高、体型和现代人差不多。已经开始技术性狩猎，并已经知道用火。东非猿人北京人33•（3）、早期智人（古人）阶段大约20万一5万年前。特征是脑量进一步增大，已经达到现代人的水平，脑结构比猿人复杂得多，其打制的石器也比猿人规整，有石球和各种尖状的石器，能人工生火，开始有埋葬的习俗，已经开始穿所谓的衣服，不再是赤身裸体。尼人的葬礼尼安德特人34大荔人（陕西）马坝人（广东）35•（4）、晚期智人（新人）阶段大约开始于5万年以前，新人在体态上与现代人几乎没有什么区别，其打制的石器相当精致，器形多样，各种石器在使用上已有分工，并且出现了骨器和角器。新人甚至已会制造装饰品，进行绘画、雕刻等艺术活动。此后，人类便进入了现代人的发展阶段。克罗马农人山顶洞人柳江人（广西）资阳人（四川）人种的差异:多数人类学家现在将全世界人类分作蒙古人种（黄色人种）、欧罗巴人种(白色人种)和尼格鲁人种(又称尼格罗-澳大利亚人种、赤道人种，即黑色人种）三大人种。也有人认为应当分为黄色人种、白色人种、黑色人种、棕色人种（从黑色人种中划分出来）四大人种。38自然界演化的方向自然界任何物质系统都要经历产生、发展、衰落、灭亡的历史过程。所有这些演化均可以归为两大类：进化与退化。一般认为：进化对物质世界更具有积极意义，而人类最早精确认识并深入研究的演化现象却是退化。39进化与退化•退化:–是指物质系统由有序向无序、由高序向低序的演化过