第二章-宇宙、地球的起源與演化課件

第二章、宇宙、地球的起源

與演化1傳說在天地還沒有開辟以前，宇宙就像是一個大雞蛋一樣混沌一團(tuán)。有個叫做盤古的巨人在這個“大雞蛋”中一直酣睡了約18000年后醒來，發(fā)現(xiàn)周圍一團(tuán)黑暗，盤古張開巨大的手掌向黑暗劈去，一聲巨響，“大雞蛋”碎了，千萬年的混沌黑暗被攪動了，其中又輕又清的東西慢慢上升并漸漸散開，變成藍(lán)色的天空；而那些厚重混濁的東西慢慢地下降，變成了腳下的土地2從宇宙大爆炸到地球形成3

宇宙誕生10-44秒之后便急速展開。

10-34厘米的超微宇宙在僅僅10-34秒之內(nèi)迅速膨脹了10100倍,稱為暴脹。10-34秒/厘米=“1秒/厘米的一兆分之一的一兆分之一的一百億分之一”極其短暫/微小。提出“從無到有”的宇宙起源模式，對“無始無終”宇宙觀是一個沖擊！

超微宇宙的瞬間暴脹恒星—星系（銀河）—星系團(tuán)—超星系團(tuán)—總星系星系直徑10萬光年，星系間距離幾十至上百光年4宇宙的起源吸收光譜56哈勃(E.P.Hubble,1929)經(jīng)過大量實際觀測發(fā)現(xiàn)來自不同星系的光呈現(xiàn)某種系統(tǒng)性的紅移現(xiàn)象。根據(jù)星系中特定原子發(fā)射的光的譜線與地球上實驗室內(nèi)同種原子發(fā)射的光進(jìn)行比較，可求得光源星系離開觀察者的退行速度；再根據(jù)相同類型恒星的視亮度比較，推算出光源星體離我們的距離。由此獲得了“光源越遠(yuǎn)的星體，離我們而去的速度也越快”的結(jié)論，就是著名的哈勃定律。

78大爆炸宇宙學(xué)說宇宙在大爆炸前處于極高溫和超高密狀態(tài)，但在1秒鐘之內(nèi)溫度仍高達(dá)1032K至1010K以上，原子和分子均無法存在。當(dāng)時宇宙中的物質(zhì)存在形式和行為目前無法在實驗室模擬，推測可能存在輻射能以及電子、中微子(neutrinos,一種不受電、磁、核力影響的基本粒子，1998年證實具有極微小的靜止質(zhì)量)和質(zhì)子、中子形式基本粒子。目前人類業(yè)已觀測到從宇宙早期留下的最早原子核形成于爆炸后1秒鐘，因此，可以把這1秒看作宇宙史研究的一道分水嶺。9爆炸進(jìn)行3分鐘后，溫度降至109K以下，核反應(yīng)開始啟動，由質(zhì)子和中子聚變?yōu)殡恕⒑ず撕弯嚭俗钶p元素后可以不至于瓦解（圖2-4）。當(dāng)時全部物質(zhì)中氦占約22%，氫占78%，還有極少量氘和鋰。10至百萬年前后，溫度降至107-6K范圍，宇宙間彌漫著由輕元素原子核和電子、質(zhì)子等組成的等離子體。2.5億年后溫度降至103K范圍時，輻射減弱，中性原子形成，等離子體復(fù)合成為正常氣體。至10億年前后星系開始形成，50億年前后開始出現(xiàn)首批恒星，太陽系的形成則在100億年前后。11宇宙一直在膨脹，遺留下來的背景輻射的波長也隨之不斷在增長，到今天就增長到了微波的范圍，因此我們叫它宇宙微波背景輻射。伽莫夫又指出，按照大爆炸宇宙論，我們的宇宙在膨脹的同時，溫度也在不斷降低。降到現(xiàn)在，宇宙最邊沿的溫度，也就是我們所說的宇宙背景的溫度，應(yīng)該降到5K左右。5K是絕對溫度5度，大約相當(dāng)于攝氏溫度－270度（－273°C＝0°K）。宇宙38萬年時3000K的背景溫度降到了今天的5K左右。這是伽莫夫的預(yù)言，12微波背景輻射根據(jù)大爆炸宇宙模型推算，150億年前的爆炸在今天會留下約5K的宇宙背景輻射。1964年，美國物理學(xué)家彭齊亞斯（ArnoAllanPenzias，1933－）和威爾遜（RobertWoodrowWilson，1936－）為了改進(jìn)衛(wèi)星通訊，建造了一個高靈敏度號角形接收天線系統(tǒng)。當(dāng)二人用它測量天空時，意外地發(fā)現(xiàn)了相當(dāng)于大約3.5K的宇宙微波噪聲。131964年為了查明衛(wèi)星通訊的天空干擾噪聲來源，用一架噪聲極低和方向性很強(qiáng)的天線測量天空的電波，發(fā)現(xiàn)星空各個方向總是接收到原因不明的微波噪聲，強(qiáng)度等效於溫度約3K的黑體輻射，稱為微波背景輻射或3K背景輻射。宇宙背景輻射的三個重要探測器（左）和成果（右）。宇宙背景輻射基本上是各向同性的（右上），但存在微小張落（右中-低分辯，右下-高分辨），圖上的白色和紅色橫帶是銀河系。14恒星演化丹麥天文學(xué)家赫茨普龍（E.Hertgsprung）和美國天文學(xué)家羅素（H.N.Russell）分別統(tǒng)計了恒星的光度（反映恒星質(zhì)量）和顏色（反映表面溫度），用縱橫座標(biāo)繪圖時發(fā)現(xiàn)大部分恒星落在一條連續(xù)帶上，其余的星（紅巨星、白矮星）則形成獨立的小群。這種圖后來就稱為赫羅圖（H-Rdiagram）,圖中90%恒星集中出現(xiàn)的連續(xù)條帶代表相對穩(wěn)定的主要演化序列，稱為主星序（mainsequence）或主序帶,處于主序帶內(nèi)的恒星，就稱為主序星（mainsequencestar）1516太陽系形成17太陽系的起源①災(zāi)變說——行星物質(zhì)是某種重大突發(fā)事件從太陽中分離出來，例如另一顆恒星走近或擦過太陽，或由于太陽自身爆發(fā)，分出的太陽物質(zhì)后來形成行星。②俘獲說——太陽從恒星際空間俘獲物質(zhì)，形成原行星云，再演變?yōu)樾行?。③共同形成說——太陽系的所有天體都由同一個原始星云形成，星云中心部分形成太陽，外圍部分形成行星等天體。自從德國古典哲學(xué)家康德（I.Kant,1755）首創(chuàng)太陽系起源的星云說以來，迄今國內(nèi)外提出的各種學(xué)說多達(dá)50多種?；旧峡蓺w納為三種類型。18地球起源與圈層分異46億年前從太陽星云中分化形成原始地球，溫度較低，輕重元素渾然一體，尚無圈層分異。4600Ma前19地球起源與圈層分異原始地球一旦形成，有利于吸集更多星子使體積和重量迅速增加，同時因重力分異、放射性元素蛻變和星體撞擊而增溫。20原始地球內(nèi)部達(dá)到熔融狀態(tài)時，親鐵元素比重大而下沉形成鐵鎳地核，親石元素上浮組成地幔和地殼。更輕的液態(tài)和氣態(tài)成分，通過火山噴發(fā)溢出地表形成原始大氣圈、水圈。地球初始圈層分異的時間約在42億年前。4200Ma前21地球的年齡太陽系內(nèi)的流星、隕石和宇宙塵是太陽星云原始物質(zhì)的殘留部分，隕石在墮落地面前未經(jīng)重大的改造和破壞，是我們直接研究太陽系早期歷史的極好材料。隕石的物質(zhì)成分雖有鐵質(zhì)、石質(zhì)區(qū)分，但已知的形成年齡都在46億年左右，可代表太陽系早期的年齡。22地球年齡的測定

放射性同位素蛻（衰）變原理

放射性元素總是以不受外界溫、壓條件影響的一定速率蛻（衰）變?yōu)樗N元素,如238U經(jīng)過45億年后其一半原子數(shù)蛻變?yōu)?05Pb,故稱謂半衰期。

我們只需在研究樣品（巖石、礦物、毛發(fā)、木材等）中測出蛻變前后有關(guān)元素的含量，就可以獲得母體物質(zhì)形成年齡的數(shù)據(jù)。不同樣品適用不同的方法，測定精度不同。。2324Nuvvuagittuq綠巖帶是魁北克北部哈得孫灣東海岸一條裸露在外的帶狀巖床。科學(xué)家通過測量罕見成分的微小變化，確定這個地點的巖石的年齡在38億到42.8億歲之間。252023/6/1026隱生宙顯生宙地球歷史階段的劃分2023/6/1027雪球地球Rodinia超大陸真核生物主干類群形成早期生命演化2023/6/1028Rodinia超大陸2023/6/1029雪球地球2023/6/1030地球大氣2023/6/1031地球生命的歷史2023/6/1032人類的歷史不到400萬年2023/6/1033地球上的生命起源34生命的本質(zhì)生命的基本特征就在于蛋白體（目前的理解為類似于原生質(zhì)的核酸

蛋白質(zhì)體系）具有的新陳代謝能力35生命的起源兩種假說外星來源說：銀河系別的星球上的生命（細(xì)菌或孢子）傳到地球上（有生源論、宇宙胚種論）地球發(fā)生說：地球上的無機(jī)物在特定的物理化學(xué)條件下形成的各種有機(jī)化合物，經(jīng)過一系列變化后轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)體（化學(xué)進(jìn)化）36吳慶余,2002米勒實驗37生命的起源地球上生命產(chǎn)生過程的三個階段有機(jī)化合物形成：N、H元素和H2O、CO、H2S、甲烷等無機(jī)化合物氨基酸、核苷酸、單糖等有機(jī)化合物生物大分子形成：有機(jī)化合物甘氨酸、蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子生命形成：多個生物大分子聚集，形成以蛋白質(zhì)和核酸為基礎(chǔ)的多分子體系，它具有初步的生命現(xiàn)象從周圍環(huán)境中吸取營養(yǎng)，將廢物排出體系38早期生物演化早期生物演化的4次重大事件從非生物的化學(xué)進(jìn)化發(fā)展到生物進(jìn)化最早化石記錄35-38億年生物分異22-24億年前大氣開始充氧從原核生物演化到真核生物真核生物出現(xiàn)于21億年前，繁盛于10億年前后生動物出現(xiàn)Ediacara動物群(5.6億年)39ApexChert(3.5Ga),W.Australia;oldestprokaryote（原核）fossilsWarrawoonaGroup,W.Australiashowsfossilizedbacteria;3.5Gaold!(Schopfetal,1994Science,2002Nature.),questionedbyMDBrasier(2002,Nature)40SchopfJW,2000,PNAS,

2.1Ga,GunflintChert,CanadaEukaryotes（真核）?+Cyanobacteria4142ZhuSXetal,1999,ChinSciBull,(macroscopicalgaefossilsfromChangzhougouFm,Hebei,ca1.7Ga)43Zhuetal,1995,ChiSciBull,40(12)(MacrospcopicalgaefossilsfromTuanshanziFm.,ca1.65Ga,Tianjin)44RasmussenB.etal,2002,Science,296:1113DiscoidalImpressions&Trace-LikeFossilsSWAustralia,StirlingRangeFm;between2.02to1.21Ga,tidalsandstonePossiblymotilevermiform（蠕蟲）organismMorrisSC,2002,Sci,298:57author’sexplanationunfavorable；

withspecialstructures,notmetazoan（后生動物）,biogeneticoriginmayrelatedtofoldedmicrobialmat45中國天津薊縣中元古界團(tuán)山子組（距今約16億年）疊層石46中國天津薊縣中元古界串嶺溝組（距今17-18億年）的單細(xì)胞真核生物化石中國山西永濟(jì)汝陽群（距今10-12億年）大型帶刺的單細(xì)胞真核生物化石中國湖北三峽廟河新元古代陡山沱組頁巖中的宏體藻類化石（直立崆嶺藻）顯示真核生物在該時期已經(jīng)具有復(fù)雜的細(xì)胞骨架。1―水幽溝藻；2―塔盤藻化石具有開裂特征47中國貴州甕安新元古代陡山沱組磷酸鹽化動物胚胎化石顯示動物的授精卵從1個細(xì)胞開始，以2n的增長方式進(jìn)行細(xì)胞分裂48翁安Fauna伊迪卡拉F.澄江Fauna590Ma(?)梅樹村F.543Ma525Ma570MaEdiacaraFauna49顯生宙的生物演化事件小殼動物群的出現(xiàn)和分異澄江動物群寒武紀(jì)生物大爆發(fā)動物體分化重大事件動植物從水生到陸生發(fā)展生物的滅絕與復(fù)蘇50顯生宙的生物演化事件小殼動物群的出現(xiàn)和分異小殼動物群個體微小(1-2mm)，主要為海生無脊椎動物，包括軟舌螺、單板類、腹足類、腕足類等小殼動物群始于埃迪卡拉紀(jì)（震旦紀(jì)）末期，寒武紀(jì)初大量繁盛動物界完成了從無殼到有殼的演變51寒武紀(jì)初（5.3-5.4億年），幾乎所有具硬體的動物門及絕大部分的綱都已出現(xiàn)造門的時代以節(jié)肢動物門三葉蟲綱占優(yōu)勢，占60%，次為腕足動物門，占30%顯生宙的生物演化事件寒武紀(jì)生物大爆發(fā)5253寒武紀(jì)大爆發(fā)譜系樹（5.3億年前）54顯生宙的生物演化事件澄江動物群發(fā)現(xiàn)于云南的澄江和晉寧地區(qū)下寒武統(tǒng)(5.3億年前)中,1984年發(fā)現(xiàn)以來已被描述化石120余種,其10多個動物門及一些分類位置不明的奇異類群,還有多種藻類包括大量無殼和有殼動物化石，包括水母、三葉蟲、蠕蟲類、甲殼類、腕足類，甚至脊索動物等在早寒武世不到兩千萬年時間內(nèi)，現(xiàn)生地球上各個動物門類幾乎都已先后出現(xiàn)55澄江動物群復(fù)原圖56顯生宙的生物演化事件動物體分化重大事件單細(xì)胞多細(xì)胞原生動物后生動物兩胚層動物三胚層動物無器官、無組織有器官、組織無脊椎動物脊椎動物57顯生宙的生物演化事件動植物從水生到陸生發(fā)展植物：S以前，僅低等菌藻類，完全水生S末-D1-2：向陸地發(fā)展，產(chǎn)生莖、葉分化，出現(xiàn)原始