原生代

原生代

原生代,屬于冥古宙,上一個代是隱生代,時間大約在42-40億年前。當時地球出現了第一批生物,但未留下化石。

  • 中文名稱
    原生代
  • 時    間
    42-40億年前
  • 屬    于
  • 上一個代

名稱來源

地球經歷了誕生的初期--隱生代三億年左右的漫長時期,生命的演化也終于經過了如下的三個階段,進入了第四個階段時期,出現了最早的有機生命--原核生物--細菌,而得名。

生命的進化,在化學進化論中,已經可以證明的東西,又可以分為四個階段

第一階段

生命從無機小分子,進化成為有機小分子,即生命起源的化學進 化過程是在原始的地球條件下進行的,這一過程已經被米勒的實驗大致上證實了。

在這個實驗中,一個盛有水溶液的燒瓶代表原始的海洋,其上部球型空間裏含有氫氣、氨氣、甲烷和水蒸汽等"還原性大氣"。米勒先給燒瓶加熱,使水蒸汽在管中迴圈,接著他通過兩個電極放電產生電火花,模擬原始天空的閃電,以激發密封裝置中的不同氣體發生化學反應,而球型空間下部連通的冷凝管讓反應後的產物和水蒸汽冷卻形成液體,又流回底部的燒瓶,即模擬降雨的過程。經過一周持續不斷的實驗和迴圈之後。米勒分析其化學成分時發現,其中含有包括5種氨基酸和不同有機酸在內的各種新的有機化合物,同時還形成了氰氫酸,而氰氫酸可以合成腺嘌呤,腺嘌呤是組成核苷酸的基本單位。米勒的實驗向人們證實,生命起源的第一步,從無機小分子物質形成有機小分子物質,在原始地球的條件下是完全可能實現的。

第二階段

從有機小分子物質生成生物大分子物質。這一過程是在原始地球上的原始海洋中發生的,即氨基酸、核苷酸等有機小分子物質,經過長期積累,相互作用,在合適的條件下:比如,黏土的吸附作用、引力之下,通過了綜合作用和聚合作用,就形成了原始的蛋白質分子和核酸分子。

現今仍保留原生代之地現今仍保留原生代之地

蛋白質分子和都核酸分子是生命形成的最重要基礎。

蛋白質是生命形成的必要物質之一,可以說沒有蛋白質,就可能沒有生命的形成,也就沒有了我們人類。因為,蛋白質是與生命及各種形式的生命活動緊密聯系在一起的物質。人體中的每一個細胞和所有的重要組成部分都有蛋白質的參與,在人體的各種物質比重中,蛋白質大約佔人體重量的16.3%,就是一個體重100千克的人,在他的身體中,蛋白質就要佔有16.3公斤。人體中的蛋白質通過縮合作用或聚合作用,就形成了人體內的原始的蛋白質分子與核酸分子。人們還根據蛋白質的種種特徵,開始了一個名叫《蛋白質組學》的學派,這個學派,是源于蛋白質與基因組學,這兩個詞的組合,意思就是:"一種基因基因組,所表達的全套蛋白質",簡單來說,就是揚一種細胞乃至一種生物所表達的全部蛋白質。這個蛋白質組學的意義,就在研究蛋白與蛋折之間相互作用等等,由此獲得蛋白質水準上的,關于疾病發生、細胞新陳代謝等過程的,整體的、全面的認識,這個概念最早是在1995年提出的。

蛋白質是一種復雜的有機化合物,舊稱""。組成蛋白質的基本單位是氨基酸,氨基酸通過脫水縮合形成肽鏈。蛋白質是由一條或多條多肽鏈組成的生物大分子,每一條多肽鏈有二十--數百個氨基酸殘基不等;各種氨基酸殘基按一定的順序排列。蛋白質的氨基酸序列是由對應基因所編碼。除了遺傳密碼所編碼的20種"標準"氨基酸,在蛋白質中,某些氨基酸殘基還可以被翻譯後修飾而發生化學結構的變化,從而對蛋白質進行激活或調控。多個蛋白質可以一起,往往是通過結合在一起形成穩定的蛋白質復合物,折疊或螺旋構成一定的空間結構,從而發揮某一特定功能。產生蛋白質的細胞器是核糖體。

被食入的蛋白質在體內經過消化分解成氨基酸,吸收後在體內主要用于 重新按一定比例組合成人體蛋白質,同時新的蛋白質又在不斷代謝與分解,時刻處于動態平衡中。因此,食物蛋白質的質和量、各種氨基酸的比例,關系到人體蛋白質合成的量,尤其是青少年的生長發育、孕產婦的優生優育、老年人的健康長壽,都與食中蛋白質的量有著密切的關系。

核酸,也是生物大分子化合物結構,為生命的最基礎物質之一。核酸可分為核糖核酸,簡稱RNA和脫氧核糖核酸,簡稱DNA。

RNA在蛋白質合成過程中起著重要作用,其中轉移核糖核酸,簡稱tRNA,起著攜帶和轉移活化氨基酸的作用;信使核糖核酸,簡稱mRNA,是合成蛋白質的模板;核糖體的核糖核酸,簡稱rRNA,是細胞合成蛋白質的主要場所。

DNA是儲存、復製和傳遞遺傳信息的主要物質基礎。DNA又稱脫氧核糖核酸,是染色體的主要化學成分,同時也是基因組成的,有時被稱為"遺傳微粒"。DNA是一種分子,可組成遺傳指令,以引導生物發育與生命機能運作。主要功能是長期性的資訊儲存,可比喻為"藍圖"或"食譜"。其中包含的指令,是建構細胞內其他的化合物,如蛋白質與RNA所需。帶有遺傳訊息的DNA片段稱為基因,其他的DNA序列,有些直接以自身構造發揮作用,有些則參與調控遺傳訊息的表現。

核酸不僅是基本的遺傳物質,而且在蛋白質的生物合成上也佔重要位置,因而在生長、遺傳、變異等一系列重大生命現象中起決定性的作用。

核酸在實踐套用方面有極重要的作用,現已發現近2000種遺傳性疾病都和DNA結構有關。如人類鐮刀形紅血細胞貧血症是由于患者的血紅蛋白分子中一個氨基酸的遺傳密碼發生了改變,白化病患者則是DNA分子上缺乏產生促黑色素生成的酷氨酸酶的基因所致。腫瘤的發生、病毒的感染、射線對機體的作用等都與核酸有關。70年代以來興起的遺傳工程,使人們可用人工方法改組DNA,從而有可能創造出新型的生物品種。如套用遺傳工程方法已能使大腸桿菌產生胰島素、幹擾素等珍貴的生化葯物

第三階段

從生物大分子物質組成多分子體系。

這一過程是怎樣形成的呢?前蘇聯學者奧巴林提出了團聚體假說。

他通過實驗表明,將蛋白質、多肽、核酸和多糖等放在合適的溶液中,它們能自動地濃縮聚集為分散的球狀小滴,這些小滴就是團聚體。奧巴林等人認為,團聚體可以表現出合成、分解、生長、生殖等生命現象。例如,團聚體具有類似于膜那樣的邊界,其內部的化學特征顯著地區別于外部的溶液環境。團聚體能從外部溶液中吸入某些分子作為反應物,還能在酶的催化作用下發生特定的生化反應,反應的產物也能從團聚體中釋放出去。另外,有的學者還提出了微球體和脂球體等其他的一些假說,以解釋有機高分子物質形成多分子體系的過程。

第四階段

就是有機多分子體系,演變為原始生命。這一階段是是生命起源過程中最復雜和最有決定意義的階段。人們還不能在實驗室裏驗證這一過程。

生命的進化是從最原始的無細胞的原核生物,進化為真核單細胞生物;然後,又按照不同的方向發展、進化,向著真菌界、植物界動物界發展。

生態系統

原生代的海洋生態系統氧氣含量的上升標志著時間長達25億年、以低氧含量海洋為主導的時期的結束。根據地球化學證據,科學家普遍認為,盡管在隨後的原生代中期(距今18億-8億年前)氧含量也上升了,但海洋基本保持缺氧的、多的狀態,這種狀態被認為對很多生命形式是不適合的。在來自澳大利亞北部一個海盆的16億年前的沉積岩分子化石(碳氫化合物的生物標記物)的發現,為了解那個時期的海洋生態系統提供了線索。這些生物標記物記錄了一個缺氧、多硫的世界,它不適合產生氧氣的藻類的生存,但卻適合產生硫化物的綠色和紫色細菌的大量繁殖。作為一個整體,這些生物標記物提供了關于原生代海洋狀況的生物學證據,那個時期海洋中的氧含量遠遠低于今天。

在原生代中期沉積物中,豐富的黃鐵礦和穩定的硫磺同位素使得硫酸鹽含量比現代含量高,硫化物遍布水中。在原生代中期,生物學上重要的金屬,如鐵和被從海水中剝離,形成不能溶解的硫化物。對浮遊生物真核細胞,含硫化物的水是有毒的,並且可能抑製浮遊生物的種群繁殖。原生代中期,深海缺氧和有限的生產力結束了硫化物氧化、風化的增加速率,加速了硫酸鹽形成,並且導致了含硫化合物水的退卻。在原生代中期的沉積岩中,生物標志沿一個向著海岸近海處的軸描繪,可更完全地重建海岸古地理學

在原生代後期,地球赤道附近仍有開闊的水面,未被冰封,生物賴以生存,乃逃過最後一次冰封期。在原生代晚期中,地球發生了雪球事件,原已很堅實的冰凍了像一個 "雪球般的地球"。由太空望去,地球上已看不到藍色和綠色,隻見珍珠般的白色。縱是在雪球般的地球上,在赤道附近仍有一條水域未被冰封而仍保有開寬的水面。使原始的海洋生物得以逃過封凍的厄運,而生存下來。在冰凍的地球表面上,應當沒有生物可以存活。但由火山噴出溫室氣體二氧化碳化解了此種危機。在正常的地質演化進行中,常會將大氣中的二氧化碳移出並使之再迴圈。可是地面上冰封的外殼卻阻絕了此種迴圈。到後來,會產生強力的溫室效應,熔化冰原。多細胞動物首次在該期化石中發現,在原生代晚期生物有顯著的進化與發展。

生物進化

原生代古細菌散布圖 科學家發現的最早的古生物化石是32億年前的細菌化石。實際上,這些最早的原核細胞生物,即原始的細菌類在地層中留下許多的活動痕跡。在非洲、澳大利亞和加拿大等地都發現了一些稱為疊層石的岩石層,其中含有遠古的原核細胞生物活動的痕跡。從這些岩層的地質年齡推算,最早的原核細胞生物在35億年前就已經出現,屬原生代。其後種類越來越多。在最早的原核細胞生物分化過程中,最重要的是古細菌與真細菌的分化。

在現代生物中,由于細菌類都是最簡單的無核單細胞生物,因此人們一般都認為它們是低級、原始的生物。其實,它們都是已經進化了幾十億年的現代生物了。對不同種類現代細菌的分子進化研究發現,在一類能夠利用二氧化碳和氫氣產生甲烷的厭氧細菌以及生長在極濃的鹽水中的鹽細菌、可以在自然的煤堆裏生長的嗜熱細菌、在硫磺溫泉中或是海底火山區生長的嗜硫細菌等類群中,核糖體RNA(rRNA)的分子序列與一般細菌的rRNA分子序列十分不同,其相差程度比一般細菌rRNA分子序列與真核生物(細胞中含有細胞核的生物)的rRNA分子序列的差異還要大。科學家認為這些"不一般"的細菌應該代表一個即不同于一般細菌也不同于真核生物的生物類群,因此把它們稱為古細菌(或古核生物),而把一般的細菌稱為真細菌(或原核生物)。由于現代的古細菌的生活環境相對來說比較接近原始地球的環境,因此可以認為它們是地球上最原始的生物的比較直接的後代;地球上最初的原核細胞生物是古核生物而不是原核生物。

細菌的其它一系列分子生物學特徵都與真核生物有不少相似之處;而真細菌卻在很多其它的分子生物學和細胞生物學性狀上與古細菌相差甚遠,它們擁有不少進化或是特化的性狀。因此,真核生物的祖先應該是遠古的古核生物而不是原始的原核生物。由于迄今所知最古老的真核生物化石已有近21億年的歷史,最早的真核生物可能早在30億年前就出現了。真核細胞的直接祖先是一種巨大的具有吞噬能力的古核生物,它們靠吞噬糖類並將其分解來獲得其生命活動所需的能量。

當時的生態系統中存在著另一種需氧的真細菌,它們能夠更好地利用糖類,將其分解得更加徹底以產生更多的能量。在生命演化過程中,這種古核生物將這種原核生物作為食物吞噬進體內,但是卻沒有將其消化分解掉,而是與之建立起了一種互惠的共生關系:古核細胞為細胞內的真細菌提供保護和較好的生存環境,並供給真細菌未完全分解的糖類,而真細菌由于可以輕易地得到這些營養物質,從而產生更多的能量,並可以供給宿主利用。在古核細胞內共生的真細菌由于所處的環境與其獨立生存時不同,因此很多原來的結構和功能變得不再必要而逐漸退化消失殆盡;結果,細胞內共生的真細菌越來越特化,最終演化為古核細胞內專門進行能量代謝的細胞器官-線粒體。同時,一方面原來的古核細胞的能量代謝越來越依賴于內共生的真細菌的存在,另一方面為了避免自身的一些細胞內結構、尤其是遺傳物質被侵入的真細菌"吃掉",它們也產生了一系列應激性的變化。首先是細胞膜大量內陷形成了原始的內質網膜系統,限製了線粒體前身真細菌的活動;而後,原始的內質網膜系統中的一部分進一步轉化,將細胞的遺傳物質包在一起形成了細胞核,這一部分內質網就轉化成了核膜。從此,一種更加進步的生命型式誕生了,這就是真核細胞,也就是最初的真核原生生物。細胞核的產生使真核細胞的細胞核和細胞質相對分離,遺傳信息的轉錄與翻譯分別在核內和細胞質中進行,因此提供了一種有利于基因組向更加復雜化和多功能化發展的環境。

假說

雪球地球

"地球曾是雪球"假說最早由美國地質學家約瑟夫·可西文克博士1992年首先提出,當時並未引起學術界和公眾的普遍關註。1998年美國科學院院士、哈佛大學地質系教授鮑爾·霍夫曼對這個假說進行了系統的闡述並提供了更多的證據,並將其發表在著名的科學期刊-《科學》上,從而引起了國際學術界和新聞媒體的廣泛關註。

霍夫曼提出這個假說並不是空穴來風,它是嘗試解釋一些客觀存在的事實。第一,地球在距今6億到8億年間廣泛發育了一層或多層稱為"冰積岩"的冰川沉積,它代表了全球性的寒冷氣候。最著名的一次冰期發生在距今6億年左右,幾乎在現今所有大陸上都留下了可靠的記錄,地質學上稱為瓦倫格冰期。當然也不是現今地球上的所有區域都能找到該冰期的沉積,這主要是因為:在距今6億到8億年間,一些地方處于冰川剝蝕區,並沒有沉積;另一些地方遠離剝蝕區,沒有沉積具有明顯冰川痕跡的岩石;另外,有些"冰積岩"經歷了再剝蝕,同樣也不能得以儲存。不管怎樣,在地球上很好儲存了距今6億到8億年的地層中,幾乎都能找到同期的冰川沉積。很顯然,這個寒冷氣候是一個全球性事件。第二,地球具有一個巨大的磁場,磁場的南北極靠近地球的南北極。地球在距今6到8億年間,冰積岩大多沉積在中、低緯度附近。廣泛的寒冷氣候發生在地球的赤道及其附近區域。這的情況大相徑庭,因此,特別的現象需要一個特別的解釋。第三:地質學研究成果表明,地球在8億到10億年前構造運動異常活躍,並廣泛發生了一次全球性的造山運動,地質學上稱為"格林威爾造山運動",在中國稱為"四堡運動"。"雪球假說"認為,造山運動引起了地球上大面積的剝蝕和沉積,化學剝蝕和有機物的沉積導致大氣中二氧化碳的消耗量超過火山運動釋放的二氧化碳,從而使大氣中的二氧化碳失去平衡。與"溫室效應"正好相反,二氧化碳從空氣中大量消失,導致"冰室效應",全球氣溫迅速降低,首先在地球兩極的海洋上形成冰蓋,當冰蓋的面積擴大到中緯度時,就形成一個惡性迴圈,大部分的太陽光被冰面反射出地球,儲存到地球上的能量越來越少,從而使得地球表面更加寒冷,全球都被冰雪覆蓋,形成了"大雪球",當時地球的平均氣溫可能與現代的南極相當或者更冷。

"大雪球"持續的時間應該相當于冰川沉積所代表的時間,用同位素年齡測定,這段時間可能有幾百萬年。在這冰天雪地的年代,火山活動並沒有停止,然而化學剝蝕和有機物的沉積速度卻明顯減慢,因而大氣中二氧化碳的補給量超過消耗量。經過數百萬年的日積月累,二氧化碳達到一定濃度時,"溫室效應"就發生了,其結果是地球溫度迅速升高,"大雪球"融化,地球又恢復到它的本來面目。盡管"大雪球"假說對部分現象的解釋合情合理,這個假說還遇到了一些不太容易解釋的問題和有待于解決的問題。6億到8億年間地球上是否真的經歷了多次全球性的大冰期,這還需要更多的地質資料和地球化學證據。

火山運動

尚比亞中央東部地區是一條東北到西南走向的Irumide地質帶。它型成于中元古代古元古代之間,其中最古老的岩石是在最底層包含朝向西南的姆庫希片麻岩和朝向東北的花崗岩區域,不規則的分布于屬于目瓦岩群的泥質岩和石英沉積物中並且于酸性火山物相交。

錳礦的形成主要是在13億到18億年以前的原生代火山活動時期,這段時期地殼中的錳含量大大增加。由于整個地區的地殼運動和上億年的腐蝕作用整個錳礦重新分部,有在地層表面出現的,也有呈血管狀分部的。這些淺層礦藏被認為是在白堊紀早期伴隨著岡瓦納大陸分裂和非洲大陸的形成這段時期發生的。

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