地球科学概论
地球科学概论论文
-----关于火星生命与地球演变
科学家的研究显示:在太阳系,火星是与地球最为接近的一颗行星。人们一直认为太阳系的行星中,除了地球以外,火星最有可能出现生命。天文学家寻找的火星生命不是诸如“火星人”那样的高等生命,而是寻找像病毒和细菌那样的低等生命形式,甚至只是期望能找到有生命活动所参与形成的化学产物。
自从20 世纪60 年代以来,人类已向火星发射了近40 个探测器, 其中超过60% 以失败告终。正因为如此, 火星被称为“ 航天器的墓地”。这些先进的探测器的目的之一就是分析火星的土壤,搜寻生命或存在过生命的痕迹。然而它们不仅没有找到智慧生命的踪迹,甚至连最简单的微生物也没有找到。这颗与地球如此相似的星球为何最终没有像地球那样孕育出纷繁复杂的生命?在数十亿年前的早期, 它有过生命活动的迹象吗?如果有,那么是什么原因使生命的进程被打断?火星过去曾经有水吗?1877 年,意大利天文学家斯基帕雷利宣布,通过望远镜观测在火星上发现了河道(canal)。这个词在英文中被译成了“运河”,既然是运河,就一定是智慧的“火星人”开凿的。从此,火星上有人的说法不胫而走,同时也就揭开了持续100 年的关于火星有无生命论战的序幕。
在1964~1977 年这十几年间,美国对火星发射了“水手”号和“海盗”号两个系列共8 个探测器。1971 年11月,“水手”号运用高分辨率的照相技术对火星全部表面进行了拍摄。科学家在这些照片上发现,火星上存在着一些宽阔而弯曲的河床。不过,这些河床与轰动一时的火星运河绝对不是一码事。这些干涸的河床,最长的大约有1500千米,宽度则达到60 千米或更多。在赤道地区分布着一些主要的大河床,大河床和它的支流系统连在一起, 形成水道系统。此外还可以观测到呈泪滴状的岛、沙洲和辫形花纹, 支流的流向几乎全部朝着下坡方向。科学家们分析,这种河床只有由像水这样小黏滞性的流体才能造成,这是天然河床,绝不是“火星人”的运河。那么,火星上的河水流到哪里去了呢?这便是当代“火星河之谜”,科学家们对此纷纷展开了研究。今天的火星表面温度不高,在极冠之中,大部分水以地下冰的形式存在着。非常稀薄的大气,使得冰在温度足够高时只能直接升华为水蒸气,因此根本无法存在自由流动的河水。火星河床说明,过去的火星肯定与今日的火星有很大的差异。有科学家提出一种假说,认为在火星历史的早期,频繁而剧烈的火山活动喷出了大量气体。这些浓厚的原始大气曾经使火星表面如春天般的温暖,火山上曾经是一番冰雪融化、河水滔滔的美丽景色。后来火山活动减少,火山气体慢慢地分解,火星大气变得稀薄、干燥、寒冷。从此,河床干枯了,火星也就成为了一个荒凉的世界。如果火星上曾经存在过液态水,就意味着火星上可能曾经有生命。但火星表面的温度很低,白天最高温度为-12℃,夜晚降到-76℃。科学家提出:远古时期的火
星是否更温暖、更湿润? 在某个极为遥远的古老时期, 是否有“生物繁盛”的时代在火星上曾经出现过?
火星曾有生命的证据
人类目前用3 种方法寻找火星生命存在或曾经存在的证据:一种是对被认为来自火星的陨石进行检测;一种是对火星轨道探测器发回的观测数据和照片进行分析;最后一种是由火星登陆车取得火星土壤样本进行化学和生物试验。
证据1:火星上的圆形鹅卵石
近日,美国宇航局的“好奇”号火星车在火星上发现了圆形鹅卵石,证明这颗红色星球上一度有河流存在。这些鹅卵石已经拥有20 多亿年历史。由于鹅卵石只能在水流长期冲击下形成,这个发现为远古火星上存在河流的假说提供了佐证:即很久以前火星上的环境比现在温暖、潮湿,有持续绵延的水流,可能适合原始微生物的生存。 证据2:“海盗1 号”样本的重新分析
1976 年7 月,美国“海盗1 号”火星探测器成功登陆火星,但未能发现有生命存在。2008年,科学家在“凤凰号”火星探测器采集到的土壤样本中发现高氯酸盐,认为30 年前的实验有瑕疵,便重新分析“海盗1 号”采集的土壤样本,并找到了适合微生物生存的证据。不过,对于火星上有生命的证据究竟该如何定义,科学家们仍然存在分歧。有科学家认为:“发现有机物存在,不等于是发现有生命或是曾有生命存在的证据,它只不过是找到有机物的证据。” 证据3:火星陨石中的新发现
科学家们的新证据是从一块1984 年在南极洲发现的火星陨石中找到的。据介绍,这块被命名为“艾伦·希尔斯84001”的陨石是火星表面的岩石,可能受到彗星或小行星撞击后飞向地球,途中经过了1600 万年的时间,降落到地球上的时间距今已经有1.3 万年。该陨石的化学构成与人类在20 世纪70 年代采集到的火星大气样本分析相符合,因此可以断定其来自火星。科学家们在这块陨石中发现了蠕虫形态的结构,并推测这极可能是石化了的细菌。这些细菌是在陨石表面以下发现的,这说明它们在陨石抵达地球时已经存在,而不是在后来的岁月
证据4:模拟火星环境的实验
科学家设计了一个模拟火星环境的装置,试验地球生物在火星的环境中可存活多长时间。火星与地球同样有点倾斜且自转,它有四季变化,极冠有冰或干冰。北极冠直径2000 千米,厚度4~6 千米;南极冠直径700 千米,厚度1~2 千米。火星的空气95%由二氧化碳组成,氧和水蒸气只有少许。科学家制造了与这些条件相似的组成气体。火星空气稀薄, 缺乏臭氧层,以致紫外线直接射入,又没有磁圈,因此宇宙射线能直达火星地表。科学家以重氢灯照射比实际火星环境多100 倍的紫外线量,又以加速器照射宇宙射线量。科学家以微生物作实验,发现在这种环境下,杆菌孢子存活率达到25%,而芽孢梭菌成活率竟达到40%~70%。科学家进一步设计极冠的状况, 以火星的气体冰
(厚度1~2 毫米) 覆盖杆菌孢子,并照射紫外线和宇宙射线,孢子
存活率在90%以上。就以上实验推测,火星极冠冰层下应可能有过去诞生的地球型生物。可以想象,在火星上这类生物有可能存活着,它们也许被死死地封闭在10 米厚的永久冻土层当中。
寻找火星生命遗迹
美国科学家最近有一项寻找火星生命DNA计划,他们计划向火星派遣一个由机器人控制的基因组测序仪, 以对火星上可能存在的外星生命进行基因组测序。科学家准备将机器设备送往火星, 这些设备可以自动翻检火星土壤, 将任何可能找到的微生物从中分离出来,为其进行DNA 测序,然后将数字化的结果传回地球。基因测序仪在火星土壤中找到生命的可能性有多大?就在不久前,NASA 的“好奇”号火星车在火星上找到了一处古老的河床,天体生物学家为此相当振奋。这一发现表明,火星上曾经存在过适合居住的环境。然而,“好奇”号任务团队的科学家认为,这条河流可能在数十亿年前就已经干涸了,任何那个时代的DNA 都无法存活至今。根据生物学家在不久前公布的对恐鸟骨骼化石的研究结果,DNA 是按照一个可以大致预测的速度分解的,其半衰期约为521年。即使条件非常理想,利于DNA 的保存,但在一个生物体死亡了150 万年之后,这些遗传物质早就“散架解体”了,达不到可供测量的数量,剩下的DNA 链因为太短而无法传递有意义的信息。科学家认为,即使火星表面是贫瘠的,但最近在地球表面以下深处找到了生命,并且有些生命显然无需阳光也照样存活,这些惊奇的发现或许预示着,火星岩石的内部也是可能孕育着生命的。科学家确信,要在火星上搜寻到DNA,地表以下才是最
佳目标。
地球-----太阳系中一颗蓝色的行星, 众多偶然又奇妙的因素, 使其成为孕育生命的摇篮, 更被诗人称作人类的母亲。古往今来, 不知有多少人为认识神秘的地球而苦苦地探索。虽然远古的历史无法重演, 但是至今仍起作用的自然规律可以帮助我们认识过去。根据现代科学的研究成果,我们把地球的演变和伴随的生命起源及发展的历史, 划分为以下五个阶段:
1 地球的诞生和它的童年
最初地球也是由许多星云团集聚而成的, 叫原地球,原地球在引力收缩和内部放射性元素衰变产生热的作用下, 不断受热, 当原地球内部温度达到足以使铁、镍等元素熔融时, 铁、镍等元素迅速向地心集中, 在46 亿年前左右形成地核和地幔, 地壳初步密度分布异常、非均匀性的作用。原始地壳比较薄弱, 而地球内部温度又很高, 因此, 火山频繁活动, 从火山喷出的许多气体, 构成原始大气, 如CH4、NH3、H2、H2O( 水蒸气) 、H2S、HX 等, 但无游离的氧( 现在大气中的氧是光合生物蓝藻和绿色植物出现后长期积累起来的) 。这种还原性大气在闪电、紫外线、冲击波、射线等能量下, 合成一系列有机小分子化合物, 有氨基酸、核苷酸等( 由美国科学家米勒设计的模拟雷鸣闪电火花放电装置使无机物合成有机物这个实验最早得到证实) 。这些有机小分子化合物或直接落入原始海洋, 或经由湖泊、
河流汇集到原始海洋, 在海洋中层长期积累、相互作用, 在适当条件下, 进一步缩合成结构原始、功能不专一的蛋白质、核酸等生物大分子, 这些生物大分子在原始海洋中积累,浓度不断增加, 凝聚成小滴状, 形成多分子体系。在一定的进化概率和适宜的环境条件下, 大约在35 亿年前终于形成了具有新陈代谢和自我繁殖能力的原始生命体。此为生命演化的第一阶段, 即非细胞生命阶段, 实现了从非生命到生命转变的过程。
2 地球的少年时期
地球进入少年时期是以最早出现小块陆核作为标志的, 大陆就是由陆核逐渐扩大而形成的, 地球上发现的有确凿证据的小块稳定陆核于距今28 亿年前, 在非洲南部形成。直到25 亿年前, 各大陆相继形成若干小块稳定陆地。稳定大陆的形成是在距今17 亿年左右, 大陆的面积在相对比较短的历史阶段里大大增加, 差不多接近了它现在的规模。但形成的大陆岩石圈( 也称原地台) 还比较薄弱, 有相当的活动性, 没有达到真正的稳定。从原地台到地台的转变是在距今17 亿年到14 亿年左右, 根据科学家对资料的研究分析来看, 原地台曾多次被来自地球内部的力量所打碎, 又不断被下面涌上来的岩浆物质所胶结, 变得越来越厚, 越来越稳定, 因此, 距今14 亿年左右是稳定大陆最终形成时期, 地球岩石圈的演变进入了一个新的阶段。在此时期, 生物界的发展进入第二阶段, 即原核细胞阶段, 这一阶段生命已经有了细胞形态, 有真正的细胞膜,但没有真正的细胞核, 以在28~ 20 亿年前最为盛行的蓝藻为代表, 它能进行真正的光合作
用, 吸收二氧化碳, 放出氧气, 使早期地球的还原性大气逐步被氧化型大气所替代。其后进入到第三阶段的进化, 出现了真核细胞, 从原核细胞发展到真核细胞是生物界完成的最重要的一次进化。 3 地球的古生代时期
从寒武纪开始, 地台经过长期风化、剥蚀等外力地质作用, 地球表面高低差异减少( 即平夷作用) , 低洼区域遭海水浸漫, 浅海面积不断扩大。此时期最早出现了可利用的煤。到了志留纪末期, 地台周围和地台之间的地槽区发生了加里东( 英国的一个山名) 运动, 延续了几百万年时间。运动使地壳发生巨大变化( 如: 倾斜、褶皱、断裂等) ,大陆总面积扩大。从石炭纪晚期开始, 强烈的构造运动使地槽里的沉积岩和火山岩层产生剧烈的褶皱, 转化成褶皱山系。构造运动此起彼伏, 延续到晚古生代末期才完成,这个运动叫华力西( 阿尔卑斯山脉中的华力西山) 运动。运动使欧洲和非洲之间的地槽, 东欧地台和西伯利亚地台之间的乌拉尔地槽、西伯利亚、中亚、中国地台之间的广大地槽区、北美东缘的阿巴拉契亚地槽都转化成褶皱山系,海水退出, 使欧亚大陆连成一片。全球大陆块达到最大程度的相互接近, 形成了全球统一大陆) ) ) 潘加亚大陆, 大陆总面积跟今天大陆总面积相差无几。在前寒武纪末期, 蓝藻和菌类繁盛, 出现了低等无脊椎动物。进入寒武纪, 红藻、绿藻等开始繁盛, 若干门类无脊椎动物, 尤其是三叶虫突发性开始繁荣。奥陶纪的海洋里, 藻类广泛发育, 海生无脊椎动物中以头足类居多。在奥陶纪晚期, 出现了原始的没有颌的圆口鱼形脊椎动物无颌类。真正鱼类出现是在志留纪晚期, 是当
时最高等的动物。其中有一种总鳍鱼, 以后发展成为两栖类。由两栖类进化来的爬行类也在碳世纪中期出现了。总的来说, 在古生代时期, 植物界从低等的水生藻类进化成较高等的陆生植物, 动物界从较低等的海洋无脊椎动物进化到鱼类和陆生爬行类动物, 完成了向大陆进军。
4 地球的中生代时期
在六十年代初, 美国学者赫斯和迪茨对大陆漂移说进行修正和扩充,提出了海底扩张假说, 其基本思想是: 热的、具有一定塑性的物质从软流圈里上涌, 涌出的岩浆冷凝成新的洋底, 并推动原始洋底向二侧扩张, 大陆随之漂移。经过一段时间以后, 新的洋底不断加宽, 已经裂开的大陆壳被带到离大洋裂谷更远的地方。既然新的大洋岩石圈不断地从大洋里产生, 老的大洋岩石圈向外移开, 长此下去, 地球体积不是越来越膨大了吗? 海底扩张说说明了这个问题, 那就是不断增生的大洋岩石圈在地球的另外一些地方又重新回到软流圈里去而消亡了, 这跟全球性地震活动带的研究密切相关。从而地球科学中形成了一个完整而系统的, 能从宏观上阐述地球上层发生的各种运动的学说) ) ) 板块构造学说。它把地壳分为太平洋板块、印度洋板块、欧亚板块、非洲板块、南极洲板块和美洲板块, 每板块又分成若干小块。各板块的交界处是地壳的活动地带, 板块随着洋底扩张而移动。洋脊附近是板块生长带, 有大西洋中脊、印度洋中脊、东太平洋隆起这三处。海沟附近是板块消减带, 就是太平洋东、西边缘海沟部分。中生代的气候条件总的说来是有利于动植物发展的,中生代
早期的植物以裸子植物松柏、苏铁、银杏及某些真蕨为主。在晚期, 出现了能真正开花结果的更高等植物---被子植物。中生代又被称为爬行动物时代, 当时以恐龙最为繁盛, 成为侏罗纪时期地球的霸主, 但在白垩纪却突然绝灭了, 究其原因至今还是一个争论纷纷的科学之迷。当时还出现了从爬行动物发展而来的更高级脊椎动物---鸟类和哺乳类。
5 地球的新生代时期
包括现代在内整个新生代大约为6700 万年, 分为第三纪和第四纪。虽然新生代延续时间相对较短, 但地球表面海陆分布、气候状况和生物界面貌逐渐演变到现代的样子。新生代时期最突出的事件是非洲跟欧洲的接近和印巴次大陆跟亚洲相撞, 使一部分岩石圈上层物质互相推挤, 形成了横亘于南北半球间, 绵延几乎达到地球半周的最雄伟的山系和高原, 它西起非洲北部的阿特拉斯山, 经南欧的阿尔卑斯山, 东延是喀尔巴阡山, 接高加索山、土耳其和伊朗的高原和山地、帕米尔高原和山地, 向东就是世界屋脊喜马拉雅山和青藏高原, 再向东南去, 中南半岛和印尼诸岛的山脉也都跟它相连。这就是阿尔卑斯山造山运动和喜马拉雅山造山运动的产物。新生代早期的动物主要有两大类: 古有蹄类和古食肉类。生物经过几十亿年的进化, 经过了从无到有、从少到多、从低级到高级的许多发展阶段, 伴随哺乳动物和被子植物的繁荣昌盛, 终于在最新地质历史时期产生了生命的精英---人类。
促成地球演变的因素, 总的来说, 不外乎内外两个方面。外部因
素就是大气圈、水圈、生物圈的作用力, 它所引起的地质作用就是风化、剥蚀、沉积等作用。它的主要能源来自于太阳能、地球的重力。另外还有太阳、月亮对地球的引潮力和陨石冲击作用等。内部因素主要有两个方面: 一是蕴藏在地球内部的放射性元素衰变产生的热; 一是由重力能转变而来的能。内外两方面的因素相互依存,又相互矛盾, 共同决定着地球表层和内部的物质运动。