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第七章  地球上的生物界

第一节生命的起源与进化

地球上的生物界，种类繁多、形态各异。据生物学家统计，生物圈中的生物已被记名在册的约有250万种，其中：动物约有200万种,植物约34万种,微生物约3.7万种
一、生命的起源
地球的年龄约为45亿年。根据对化石生物的研究，地球上最早的生物诞生于距今32亿年前（元古代—前震旦纪），为单细胞原核生物细菌。
l18世纪以前，人们相信新的生命随时都能从非生命的物质中自发产生出来.目前存在两种推测：
1）地球上的生命来源于外星球
2）在地球形成初期特殊的原始大气环境下，非生命的有机分子经过长期的化学演化，逐渐形成最简单的生命形式。
原始的地球——在大约46亿年前形成，原始的大气：缺乏氧气，但含有大量还原性气体，H2、NH3、CH4、水蒸气、CO2、H2S，无臭氧层——地球上紫外线辐射强。
发现的最早的生物化石存在于32亿年前南非的燧石层中——是一种能进行光合作用的蓝细菌。可见，最早的原核生物在地球形成的早期就开始出现了，这些早期出现的生物还具有光合放氧的能力和抗紫外线辐射的能力。它们所释放的氧气，最终形成了保护地球的臭氧层
概括地说，生命起源需要有三个基本条件：原始大气；能源；原始海洋。其中能源主要是指紫外线、电离辐射、天空放电、原始地球凝聚过程中产生的热能和火山爆发释放的能量等等。 
    原始大气的成分有一个突出的特点，就是没有氧气却有氢气。因此被称作还原性大气。这一特点对于最初有机物的形成和积累是非常有利的。 
生命诞生于原始海洋，得到了原始海洋的保护，免受宇宙射线的伤害，同时，原始海洋中积累的丰富的有机物也为原始生命提供了营养来源。
二、化学演化
Ø     原始地球环境可以产生组成生物体的糖、脂类、蛋白质和核酸等大分子结构单元，甚至到生物多分子体系，但还没有出现真正的生命，这一时期称为化学演化期或前生物期。从化学演化期到产生最简单的生命形式包括4个阶段：
（1）氨基酸、核苷酸等有机单体分子的非生物合成和积累；
（2）有机单体分子在非生物体系中聚合成多聚体；
（3）多聚体整合为多分子体系颗粒（原球体）；
（4）代谢与遗传体系的形成和进化最终产生出最简单的生命形式——原核细胞。
三、生命进化－Darwin与进化论
19世纪中叶以前，神创论或称特创论一直占据着生物学的主导地位。
1859年，Darwin通过多年的研究、考查和标本采集，在积累了大量令人信服的证据的基础上，发表了划时代的著作《物种起源》。认识到：物种是可变的，这种变化明显受自然环境的影响和选择！
Ø1838年，他阅读了著名的经济学家Malthus（马尔萨斯, 1766-1834）的《人口论》，进一步认识到生存竞争的结果使各物种在自然界中保持适当的数量，同时逐渐向着更加适应于环境的方向变化。
生存竞争和适者生存为Darwin的自然选择学说的形成提供了依据，他的关于生物通过自然选择而连续进化的理论开始成型。
•Darwin的进化论的基本内容：
1）现代所有生物都是从过去的生物进化来的
2）自然选择是生物适应环境而进化的原因
按照该理论，自然界中各种生物适应环境生存和繁殖能力各不相同，那些最适应环境的生物具有最大的繁殖力和生存力，在竞争生存空间和赖以生存的资源时，那些对环境适应差的个体会逐渐被淘汰。
如此一代一代地竞争，必将导致生物群体可遗传特征向着有利于生存竞争的方向变化和积累，并随着环境的变化而进化。
生物进化（elution）——地球上的生命从最初最原始的形式经过漫长的岁月变异演化为几百万种形形色色生物的过程。
自然选择（natural seletion）——自然环境导致生物出现生存和繁殖能力的差别，一些生物生存下去，另一些生物被淘汰。
从遗传学的角度研究，自然选择作用下群体水平的进化实质上反映了生物基因库的变化。
Ø基因库（gene pool）是一种生物群体全部遗传基因的集合。
四、物种形成的机理
物种（species）——不但是生物分类的单元，更是遗传生殖和进化的单元。
种群(population)——是同一物种的一群个体，享有共同的基因库。同一种群生物个体之间的交配便造成了彼此间的基因交流并保持着基因库的稳定。
地理隔离（geographical isolation）——某些地理障碍如大的山脉、峡谷、海洋等把生物相互隔开
地理隔离造成小种群间基因交流的阻断使基因库的差异越来越大，最终出现了生殖隔离(reproductive isolation)，即不同小种群间的个体不能彼此交配和产生有生殖能力的后代
l地理隔离造成生殖隔离，生殖隔离导致新种的形成，这种形成新物种的方式称为“异地物种形成”（allopatric speciation）——是生物进化过程形成新物种的主要方式
l环境的突变、生物个体基因的突变也有可能产生新物种
l植物多倍体的形成、人工杂交、自然杂交也能导致新物种的产生
五、人类的起源和进化
（一）人在自然界的地位和特征
Ø人的细胞结构属于真核细胞、异养、组织器官发达、能运动。人归属于动物界、脊椎动物亚门、哺乳动物纲、灵长目、人科、人属。
Ø人种或种族：根据肤色、发型、鼻型等体质特征，人类通常被划分为4种类型。
Ø不同人群存在地理隔离和文化隔离，但是并没导致生殖隔离。
Ø人与哺乳动物的显著区别：
人能直立行走，即只用后肢行走，前肢演变成手臂和手，手灵巧，能制作工具；
人的大脑发达;人有复杂的语言，形成了社会组织
（二）从猿到人
1、灵长类的进化
新生代早期哺乳动物从类似食虫树类哺乳动物中进化出最早的灵长类动物。
Ø为了适应树林中的生活环境，最早的灵长类身体较小，栖息在树上，善于在树林中跳跃、攀缘、以昆虫为食。
Ø “手”逐渐发达起来。一对眼睛并列于脸的前方，灵长类开始具有复杂的社会行为。
Ø一些生物学家相信，灵长类具有的学习能力是它们的大脑日趋复杂和进化的重要因素
Ø最早出现的灵长类是5000万年前的原猴类。
Ø在第三纪末期气候变得寒冷和干燥，原猴类逐渐绝灭，少数演化成现代的猴类。
Ø人猿类是在大约3600万年前渐新世时从一组原猴类进化而来的。
Ø人猿类分为两支，一支进化成猿猴，另一支进化成为人类的祖先—原始人。
（三）原始人的进化
血清蛋白的分子免疫学以及血红蛋白的氨基酸序列分析和DNA序列的研究也说明，人与大猩猩具有非常近的亲源关系。
Ø约500万年前，灵长类中的一个小系从树上下来，身体构造发生了与直立相适应的变化，进入人的进化阶段。
完全直立行走、手、脑与语言的发展使人成为灵长类中最高级的成员。
（四）人类的进化
人类最早的进化发生在非洲，在那儿发现了最早的人科化石——阿法南猿，生活在迄今390～300万年以前
约250万年前，出现了早期猿人，他们能够制造简单的石器
约25万年前，出现了智人，其中距今约4万年的晚期智人，能制作复合工具，掌握原始的绘画和雕刻技术
（五）人类在进化中创造了不断发展的文化

第二节  植物分类与植物系统进化

一、植物分类原则、单位和命名
1、分类原则与依据
瑞典人林奈（Linnaeus，1707－1778）在他的著作中记载了近万种植物。他将有花植物分成24纲。分类的根据是雄蕊的数目和长短、雌蕊中心皮的连合情况等，因此出现单蕊、二蕊、三蕊等纲，无花的植物一概被归纳为隐花植物。
1859年达尔文在《物种起源》指出，一切有生命的形态之间皆存在着亲缘关系，起源于共同祖先；每个物种不是永恒存在的，都经历了或经历着形成、发展和灭亡的过程，新种不断产生，老种走向灭亡，物种不断进化发展，只有最能适应环境者才得以生存下去。达尔文进化论引起生物学飞跃性的变革，研究者纷纷寻找物种间、各类群间的亲缘关系与进化途径，并努力按此特征建立自然的分类系统。
近50年来科学界开始重视诸如细胞学特征（如染色体）、花粉形态、生物化学性质等新依据，特别是分子生物学证据，以验证和补充过去依靠形态学和解剖学所建立的分类资料和进化关系。目前，经典的分类方法即比较稳定可靠的形态特征仍当今鉴定植物的主要手段。
2、分类单位和等级系统
现在采用的植物分类单位在全世界范围内是一致的，按等级高低顺序，分类单位依次是界、门、纲、目、科、属、种。每个单位还可以分出亚级或一些辅助等级。
种是生物分类的基本单位，包含若干形态和生物学特征一致的植物个体，它们之间“是可育的自然群体，与其他自然群体之间通过生殖隔离而分开”。
植物种内的个体常分成若干群，每个群成片地分布在某个地段内，即各群在空间上互有间断，称为种群。种群内植株间基因交流比较容易进行。
种内如有某些个体积累了一定的形态变异，而且比较稳定，又分布在一定空间地域，据此可划分出变种。
属是种有亲缘关系的种组合。同在一个进化系统，亲缘相近的属归并为科。
物种命名（学名）沿用林奈1753年倡议的双名法，属名相当于我们的姓，告诉人们自己属于哪个家族，种名是自己的名字，可以在属内进一步对这一物种给予确认。即属名加上种加词（种名），属名一律是名词，第一个字母必须大写，第二个字是种的名称。种加词多为形容词，第一个字母小写。学名最后是定名人。如某分类学家将属名定错，后经别人改正者，则保留原来种的命名，只更换属名，并将原命名人加括号附于种加词之后。属名和种名均为斜体字，姓名则正体书写。
附：分类等级
(总)界 动物界
门(亚) 脊索动物门
纲(亚) 脊椎动物亚门
目(亚) 灵长目
科 (亚) 人科
属(亚) 人属
种(亚) 人种
3、生物的分界
1）二界系统
人类很早就注意到生物可区分不动的植物和能行动的动物。林奈的系统也将生物分为动物和植物二界，即：植物界(P1antae) 和动物界(Animalia)
2）三界系统
海克尔于1886年他把生物分成三界：原生生物界(Protista)、植物界(P1antae)、动物界(Animalia)。
3）“四界分类系统”（1974，G．Fleedale）
 首先根据生物细胞有无细胞核将生物界分为原核生物和真核生物，然后又将真核生物划分为植物界、动物界和真菌界。
4）五界系统（1959年、R.Whittaker）
根据细胞结构和营养类型将生物分为五界：
原核生物界(Kingdom Monera) 、
原生生物界(Kingdom Protista)、
植物界(Kingdom P1antae)、
真菌界(Kingdom Fungi) 、
动物界(Kingdom Animalia)
二、植物界类群
（一）原核生物界
原核生物是一类起源古老、细胞结构简单、不具备核膜、细胞壁由非纤维素的另种多糖与氨基酸结合物构成、没有明显细胞核的原始生物。
繁殖方式为直接分裂。包括细菌和蓝藻。
1、细菌门（Schizomycophyta）
   　 自然界分布最广、繁殖最快、个体数量最多、最古老和最小的一类单细胞微生物。
   　1）分类：
细菌按形状特征区别出球菌、杆菌和螺旋菌。
按其营养方式可分为三类：
   　 ①异养型细菌——靠分解有机残体从中获得它本身生命活动所需要的物质和能量的细菌。自然界大多数细菌是异养型的。
   　 ②光自养型细菌——能够进行光合作用从中获得它本身生命活动所需要的物质和能量的细菌。这类细菌在自然界中很少。
    　③化能自养型细菌——在黑暗中氧化无机物，从中获得生活必需的能量，并将CO2还原为有机化合物。这类细菌在自然界也很少。
  　　2）作用
    细菌是有机残体分解转化的主力军，能将储存在有机体中的物质和能量重新释放出来，纳入新的生物循环。
2、蓝藻门（Cyanophyta）
一种细胞中含有叶绿素和藻蓝素，可进行光合作用的自养生物，藻体多呈蓝绿色。 
（二）真核藻类和真菌、地衣
  1、含义：是一类具有明显细膜核，并且细胞中均含有叶绿素或其他色素，能利用太阳光制造有机质的自养型生物。
   它包括除蓝藻以外的全部藻类植物和所有高等植物。
   　2、藻类（真核藻类和真菌、地衣）形态特点：植物体没有明显根、茎、叶的分化，多为单细胞生物，分支少，也有呈叶状或丝状的。因此可以看出藻类是一类低等植物。
  生活习性：主要生活在水体中.
   　 作用，是水环境中有机质的制造者，是浮游动物和鱼类的重要铒料。
   　1）藻类（Algae）。细胞具有核、线粒体、质体等细胞器。真核藻的叶绿体（或称载色体）都含有叶绿素a和其他不同的色素，营自养型生活。但没有真正的根茎叶等器官分化。
真核藻繁殖方式多样，无性生殖和有性生殖。
2）真菌门（Eumycetes）。真菌是特殊的生物类群，除少数单细胞类型如酵母菌，大多数真菌个体由菌丝缠绕构成，菌丝直径约1－15μm，长度很大（可达数m），细胞之间有带孔的横隔，或者没有横隔，变成多核型单细胞菌。菌丝错综复杂地形成各样外貌的真菌，总体称为菌丝体。
真菌有细胞核而没有叶绿素，完全是异养型（寄生、腐生或共生）。其繁殖方式多种多样，在各类孢子囊中产生的各型孢子传播方便，在空气中到处浮游，遇适宜环境即可萌发长出菌丝。
3）地衣门（Lichenes）。自养型的蓝藻或绿藻与异养型的真菌共生体。真菌菌丝构成各种形状的主体，吸收养分和水分，藻类混生其间或成层状，进行光合作用。地衣适应能力很强，分布于陆地各种生境中。
（三）苔藓和蕨类植物
1）苔藓植物门（Bryophyta）。苔藓植物在高等植物中是较特殊的类群，它没有完善的维管束，没有根的分化（只有简单的假根），吸收功能全部由营养体表面执行。
苔藓植物可以进行有性繁殖和无性世代交替。
由于苔藓植物的生长和繁殖还不能摆脱水的限制，又缺乏强大输水能力和机械组织，躯体（配子体）皆很矮小，高的亦仅几十厘米，多数生于较潮湿的环境，但有些种类能够生活在干燥岩石上。
苔藓植物门分成苔纲和藓纲。
2）蕨类植物门（Pteridophyta）。
蕨类植物是体内首先出现维管束的植物，又是最早弃水登陆的陆生植物。
 　　形态特点：属多年生草木，无种子，靠孢子繁殖（在蕨类植物叶的背面即可见）。
   　生活习性：多生活在树林下，阴湿山坡，也有些蕨类附生在热带雨林的乔木上，形成树上长草的奇观。
   　现存蕨类植物几乎均为草本，可分为裸蕨、石松、木贼和真蕨四大类，分布较广，以湿热环境最多，在热带尚有个别木本真蕨。
（四）种子植物
种子植物的代表特征是以种子进行繁殖。
1）裸子植物门（Gymnospermae）。由于胚珠裸露，由它转化而成的种子也是裸露的，所以本类群称为裸子植物。
形态特点：是维管植物中最先产生种子的一类植物，但种子无果皮保护，呈裸露状态，故名裸子植物，如雪松等。多数裸子植物的叶呈针状，曰针状叶。许多是高大常绿的乔木。
　　生活习性：多生活在寒温带地区和高山地区。
2）被子植物（Angiospermae）。 被子植物是植物界进化最高级的类群。
   　形态特点：种类占植物总数一半以上。具有艳丽的花朵和被果皮包裹的种子，故名被子植物。有的是高大乔木，如杨、栎、桑树等；有的是低矮的灌木，如月季等。有的是草本植物，如水稻、小麦等。
   　生活习性，被子植物是一类进化程度最高的植物，种类非常之多，生长形式和营养方式多种多样，所以对环境的适应能力很强。
三、植物的个体发育和系统发育
个体发育是指某种生物从其生命的某个阶段开始，经过萌发、生长、分化、发育、成熟和生殖等一系列形态和生理的发展变化，再出现和开始那个发育阶段相同的第二代全过程。
系统发育(phylogeny)是指一种生物，或一个生物类群，在地球上的发生、发展演化和衰亡的历史过程。系统发育有两个基本过程：一是起源，即从无到有，一般认为一个新物种或新类群源出于某个祖先，经演进分化而来；另一个基本过程是类型从少到多，然后再行减少乃至部分类型灭绝的发展过程。
个体发育和系统发育是推动生物进化的两种不可分割的过程。个体发育是系统发育的前提和基础，新一代的个体，在个体发育中，既有继承和保持上一代个体特性的遗传性，又有或多或少不同于上一代的变异性。在长期的自然选择中，一些有利于种族生存的变异逐渐得到巩固和发展，由量的积累而发展到质的飞跃。于是新的物种应运而生。这样，系统发育也就向前发展了一步。
另一方面，任何个体发育也都受系统发育的影响和制约。也就是说，一种生物的个体发育，在很多方面受其祖先的遗传物质所控制，而且在个体发育的过程中往往还重现其祖先的某些特征。
第三节 植物进化与地球环境
原核生物是地球生命的初始形式，其早期化石保存较少，且难识别。目前已知的最古老的生物化石发现在非洲南部，存在于32亿年前(太古代晚期或称前寒武纪早期)形成的沉积岩中。
一、菌藻植物时代
化石证据表明，能够进行光合作用的蓝藻在太古代晚期可能已经出现。
随着原始的真核生物的出现，氧气的积累加速。在氧气增长的同时，碳酸岩沉积规模越来越大，表明大气圈中的CO2转化为碳酸岩，从而使大气圈的CO2含量下降，地球气温下降。由于冰川的形成或融化，造成海平面的下降和上升，从而引起大规模的海退和海进，造成大面积浅滩、沼泽等环境多变的生境，为生物分化提供了丰富多样的小生境。
另一方面，生物界本身也出现了进一步发展的新因素，其中最重要的新因素就是性别分化和减数分裂。
元古代晚期至古生代志留纪，即自真核生物出现到4亿年前这一段，正是藻类急剧分化、发展和繁盛的时期，被称为藻类时代。化石记录表明，现代藻类中主要门类此时几乎都已经出现。元古代晚期出现的绿藻是很重要的高级藻类,认为它就是30万种现有高等植物的远祖。
二、蕨类植物时代
在距今约4亿年的志留纪末期，地面的自然条件发生了重大变化。绿色植物制造大量氧气使臭氧层增厚，地面上紫外线辐射进一步减弱。生存于滨海或浅海潮汐地带的藻类植物，为了适应新的生活环境，朝着多方向演化发展。某类绿藻的后裔逐渐加强了有利于其孢子体适应陆地环境的变异性能，终于舍水登陆，产生了最早的以裸蕨植物为代表的第一批陆生植物。
裸蕨是最古老的陆生植物之一，无真正的根。裸蕨植物的出现，使植物界延续了几十亿年的生存领域从水中扩大到了陆地，植物界的演化进入了一个和以前的历史完全不同的新阶段。人们把裸蕨植物为代表的在早、中泥盆世最为繁荣的时期称为裸蕨植物时代。裸蕨植物的出现是植物界在漫长的演化过程中发生的最重大的事件之一，是又一次巨大的飞跃。
许多蕨类植物成为石炭纪和早二叠世最占优势的植物类群，是地球上植被的主角。由于自然环境适宜，它们得到充分发展，争夺生存空间、争夺阳光的结果是出现许多高大的乔木状植物，种类也特别繁多。节节草(木贼)和水韭(石松类)等的巨大祖先―芦木、鳞木和封印木等都是石炭二叠纪时期广泛分布在沼泽森林中的主要组成分子。同时出现的还有一些原始的裸子植物。它们的遗体共同形成第一期，也是全球最重要的煤层。
苔藓植物虽然也是最早出现于陆地的高等植物之一，但它们特别简单的形态结构，表明其祖先很可能是离开水生环境不久的低等陆生植物。
三、裸子植物时代
在石炭纪和二叠纪之交，即距今约2.8亿年前后。地球上自然环境开始发生了一系列变化。此时板块运动结果形成全球统一的大陆，亚洲、欧洲和北美洲部分地区开始出现酷热、干旱的气候环境。许多在石炭纪盛极一时的造煤植物，如高大的石松类、木贼类和一些树蕨等不能适应自然环境的变化，趋于衰落和灭绝，而一群以种子繁殖的裸子植物因具有发达的根系和维管组织，角质层发达的叶片和能够不依赖水为媒介的生殖能力，在生存竞争中获得优势。
裸子植物在中生代，特别是侏罗纪气候转向温暖湿润是最为兴旺发达，演化分异迅速，成为当时植被中最占优势的植物。因此人们把中生代称为裸子植物时代。此时也是全球第二个成煤期。
四、被子植物时代
晚白垩世开始，被子植物在世界各地突然大量增加，它们的属种和个体数量都超过其他任何一类植物。
第三纪期间，地球环境发生了进一步变化。部分陆地曾被海侵淹没而又复出，青藏高原的隆起、欧洲和美洲强烈造山运动等，不断改变着地球海陆环境。在气候方面，到始新世全球气温普遍上升，热带和亚热带气候几乎接近极圈。自渐新世起，气温逐渐下降，直到第四纪冰期时。中新世后内陆环境干旱化加重，影响范围扩大。 由于这些自然条件的多样性变化，使得第三纪植物比白垩纪植物更加丰富，被子植物的变异越来越大，属种分化越来越多。