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1 物種大爆發 -什麼是物種大爆發?

  指某一個地質時期中,大量生物類群集中的、短時間內出現。這稱為物種大爆發。著名的生物大爆發是寒武紀物種大爆發。

  所謂的「一下子」指的不是短短的一瞬間,而是長達上千萬年的時間。寒武紀生命大爆發吸引了無數的古生物學家和進化論者去尋找證據並探討其起因。

2 物種大爆發 -物種大爆發的解釋

  100多年以來的證據產生出解釋寒武爆發的兩種基本觀點。一種觀點認為,寒武爆發是一種假象,這是某些達爾文或新達爾主義者所持的觀點。另一種觀點認為,寒武爆發代表了生物進化過程中的真實事件,科學家從物理環境和生態環境的變化兩個方面來解釋這一現象。

寒武爆發假象說

  由於進化是漸進的,所謂的「爆發」只是表明首次在生物化石記錄中發現了早在前寒武紀就已經廣泛存在並發展的生物,其它的生物化石群則可能由於地質記錄的不完全而「缺檔」,造成這種「缺檔」的原因是前寒武紀地層經歷著熱與壓力,其中的化石被銷毀了。由於發現前寒武紀化石沉積層中存在大量象細菌和藍藻這樣簡單的原核生物,因而這一解釋不再有說服力。

氧水平變化

  1965年,兩位美國物理學家提出了寒武爆發是由於地球大氣的氧水平這個物理因素造成的。他們認為,在早期地球的大氣中含有很少或根本就沒有自由氧,氧是前寒武紀藻類植物光合作用的產物並逐漸積累形成的。後生動物需要大量的氧,一方面用於呼吸作用,另一方面氧還以臭氧的形式在大氣中吸收大量有害的紫外線,使後生動物免於有害輻射的損傷。生物學家則從生物本身的生態關係來探討這一問題,因為地質學的證據否定了這種氧理論的觀點。大約在距今10億年至20億年之間廣泛沉積層中含有大量嚴重氧化的岩石,這說明在這一時期內已經存在足夠生命爆發的氧條件。因而生物學家從兩個重要事件的出現來探索造成寒武爆發的原因,即有性生殖的產生和生物收割者的出現。

有性繁殖出現

  從化石資料來看,真核藻類大約在9億年前出現了有性生殖,實際上,有性生殖出現得更早。有性生殖的發生在整個生物界的進化過程中有著極其重大的作用,由於有性生殖提供了遺傳變異性,從而有可能進一步增加了生物的多樣性,這是造成寒武爆發的原因之一。

生物收割者假說

  生物收割者假說是美國生態學家斯坦利提出的,是一種解釋寒武爆發的生態學理論,即收割原則。斯坦利認為,在前寒武紀的25億年的多數時間裡,海洋是一個以原核藍藻這樣簡單的初級生產者所組成的生態系統。這一系統內的群落在生態學上屬於單一不變的群落,營養級也是簡單唯一的。由於物理空間被這種種類少但數量大的生物群落頑強地佔據著,所以這種群落的進化非常緩慢,從未有過豐富的多樣性。寒武爆發的關鍵是草食收割者的出現和進化,即食用原核細胞(藍藻)的原生動物的出現和進化。收割者為生產者有更大的多樣性製造了空間,而這種生產者多樣性的增加又導致了更特異的收割者的進化。營養級金字塔按兩個方向迅速發展:較底層次的生產者增加了許多新物種,豐富了物種多樣性,在頂端又增加了新的「收割者」,豐富了營養級的多樣性。從而使得整個生態系統的生物多樣性不斷豐富,最終導致了寒武紀生命大爆發的產生。對於「收割理論」科學家們目前還沒有找到直接的證據來證明其正確性,然而,一些間接的證據支持了這一理論。間接證據之一來自於前寒武紀疊層石,這些由藻類組成的疊層石中保存了前寒武紀最豐富的生產者群落。今天,疊層石僅盛產於缺少後生動物收割者的貧瘠環境中,如超鹽量的鹹水湖中。藻類在前寒武紀地層中的大量存在,大概反映了當時收割者的貧乏。另外,生態學野外研究也提供了一些間接的證據,研究表明,在一個人工池塘中,放進捕食性魚,會增加浮游生物的多樣性;從多樣的藻類群落中去掉海膽,會使某一藻類在該群落中占統治地位而多樣性下降。寒武爆發作為地史上的第二大懸案一直為人們所關注。隨著化石的不斷發現及新理論的建立,這一地史之迷最終將大白於天下。

鈣的大量湧現

  自《生物學通報》2000年第7期 美國科學家日前發現的證據表明,海洋中鈣的大量湧現可能在寒武紀大爆發中發揮了巨大作用。大約在5.3億年前,地球上的動物經歷了一次新生,所有現生動物的祖先在這個時候進化出了骨骼和殼體。長久以來,科學家一直迷惑不解的是,究竟是什麼促使了地球生命在寒武紀時突然呈現出豐富多彩的多樣性。 動物為什麼會進化出殼體?最明顯的理由是為了避免被吃掉。另外一個觀點也許有助於解釋生命的這一硬體部分為什麼最初出現在早寒武紀:大氣中含氧量的上升讓動物能夠建立起更為複雜的身體結構。20世紀70年代,科學家提出了一種新假設:在早寒武紀的環境中為了消化身體中突然湧現的鈣,海洋生物開始了殼的進化。但是,海洋化學變化一直缺乏直接證據。 保存有早寒武紀海水的微小包塊隱藏在岩石內部。現在,三位地球化學家對這些小包塊中的鈣含量進行了測量。美國地質調查署的Sean Brennan、紐約州立大學的Tim Lowenstein和美國橡樹嶺國家實驗室的Juske Horita對24個可能是在5.44億年前的前寒武紀時期在海底形成的鹽晶體進行了檢測,同時還對14個大約是在5.15億年前形成的早寒武紀樣品進行了測試。他們將晶體打碎,分析了其中微型水滴的組成。他們在6月份出版的《地質學》中報告說,早寒武紀的鈣含量比原生代的鈣含量至少高出3倍。 研究人員指出,這些鈣應該來自於地中海海脊火山爆發時噴入熱海水中的鈣。他們強調指出高水平的地殼活動、鈣的噴入和「寒武紀大爆發」看似支持了這樣的觀點:即早期生命演化出殼和骨骼是為了解決海水中鈣含量升高而造成的潛在毒性。 美國堪薩斯大學的地質學家Robert Goldstein說,海水化學性質影響生命進化的觀點令人激動。他說,雖然需要做更多的工作才能明白海洋中的鈣究竟是生命進化的原因或是結果,但鈣應該是個重要因素。其它的環境因素也是重要的。 (來源:《科學時報》2004年6月4日)

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