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環境演化是指地球環境由大氣圈、水圈、岩石圈(土壤-岩石圈)和生物圈所組成,在地球史上它們是逐步地,相繼地發生、發展和形成的。從環境系統演化歷史來看,生命的發展對環境的進化有極重大的作用。生命與環境是共同進化的,永遠不會停留在一個水平上。

1基本信息

學科:環境科學
詞目:環境演化
英文:Environmental Evolution
釋文:環境演化是地球環境(大氣圈、水圈、岩石圈和生物圈),按照自身的發展規律及其相互關係和相互作用,逐漸發生、發展的歷史過程。這個演化過程從地球的形成至今,已經歷了46億年。現今適宜於人類生存的環境,是地質史的階段即第四紀(300萬~250萬年以來),特別是全新世1萬年以來才逐漸形成的。

2初始階段

最初的地球經歷著原子演化過程。地殼內部大量放射性元素進行裂變和衰變。這個過程所釋放能量的積聚和迸發,隕星對地表的頻繁撞擊,以及可能由於月球被地球捕獲時而引起的潮汐摩擦力等,都會導致地殼火山的強烈活動,使得被禁錮在地殼內部的揮發性物質不斷噴發出來,形成一個主要成分有水、一氧化碳(CO)、二氧化碳 (CO2)和氮等組成的還原大氣圈。水汽冷凝后在低處匯聚成為海洋。
早期的地表環境沒有氧氣,更沒有臭氧層,這就使得高能紫外線能夠無阻礙地直射地面。50年代以來的一系列人工模擬實驗,證實在高能紫外線輻射下還原大氣圈的氣體成分可以合成為簡單的有機化合物,成為生命發生的最基本材料。這些非生物合成的有機小分子在原始海洋匯聚起來,經歷了漫長的過程,逐漸形成生命前體,最後演化為原始生命。
已發現的最古老的生物化石是原始菌藻類,其年代約為34億年前。最早的生命是異養的,又是厭氧的。它們以原始海洋中有機分子為養料,依靠無氧的發酵方式獲得能量。原始海洋供應的養料有限,因而一些能合成無機養分為有機質的自養生物,例如能在光合作用下把水和二氧化碳合成有機質的藍綠藻出現了(距今約27億年)。綠色植物在光合作用中釋放出遊離氧,逐漸改變了大氣的成分。大氣氧的形成是地球環境演化史上一次最重大的變化。

3遊離氧的出現

遊離氧的出現,促進了生命的進化,這就是真核細胞的出現(距今10~15億年),即在生物進化史上出現了有性繁殖和多細胞的生物。生物更為多樣化。
大氣氧的出現,改變了地球化學過程和岩石圈的成分。在放氧的光合作用未發生前,地球表面是缺氧環境,化學元素以還原狀態存在。隨著遊離氧的釋放,這些元素從還原態轉變為氧化態。例如原來在地表水和海水中大量存在的還原態鐵(低價鐵),被氧化為氧化態的高價鐵;硫化物被氧化為硫酸鹽。這些氧化物的出現反映在前寒武紀的古老岩石上。最古老沉積岩中的帶狀鐵質夾層(距今18~22億年),稍晚的陸相紅層以及前寒武紀晚期出現的巨厚硫酸鈣沉積,都證明大氣氧濃度的不斷提高。
與鐵、硫被氧化的同時,大量還原性碳轉化為 CO2,增加了海水中HCO婣和CO卲的濃度,產生碳酸鹽沉積,形成前寒武紀晚期的石灰岩和白雲岩。到了寒武紀,含鈣外殼的後生動物在海水中大量出現,生物開始直接參与地質大循環。此後,海洋中的碳酸鈣沉積,幾乎都是含鈣有機體的產物。
隨著大氣氧濃度的增加,在大氣層中形成臭氧層。臭氧層的形成對生命的保護有極重大的意義,因為它能遮斷危害生命的高能紫外輻射。最初生命只能在紫外線照射不到的水下5~10米深處發育,隨著臭氧層的保護能力的不斷提高,生命發展到水體表層,進而由水面發展到陸地(志留紀晚期,距今約4.2億年)。

4生命在陸上出現

生命在陸上出現,進化極為迅速。這是因為陸地具有更多樣的生態環境,促使生物的分化和變異。生物之間的相互依存、相互制約和相互競爭的關係,也推動了生物的進化,生態系統結構也就愈來愈複雜。
石炭紀是地球上植物空前繁茂的時代。大量植物殘體在沼澤環境轉化為煤層,免於氧化,致使大氣中二氧化碳平衡失調,削弱了溫室效應,引起全球性氣溫降低。古生代晚期出現的大冰期可能與此有關。

5陸上植物的出現

陸上植物的出現,產生了土壤層。土壤是植物與岩石相互作用的產物。土壤的形成使易於淋失的養分在地表上富集起來,從而保證了生物圈的發展和繁榮。土壤和植物是一個反饋系統。隨著植物的進化,土壤肥力相應提高,土壤肥力的提高反過來又促進植物的進化。在針葉林下發育的土壤是肥力較低的灰化土,在草本植物下則是肥力很高的黑土。動物界的進化又同植物界進化密切關聯。例如隨著有花植物的出現,產生授粉昆蟲(白堊紀)。隨著草本植物的出現,產生有蹄動物(第三紀)。可以設想,如果沒有營養豐富的少數幾種禾木科、豆科植物,人類的進化也是不可能的。
地球環境在地球歷史上經歷了許多次巨大的變動。例如因太陽輻射變動引起氣候變化,因地殼運動產生火山噴發,造山和造陸運動,以及大陸漂移。這些變化產生的影響是全球性的。特別是大陸漂移,從根本上改變了全球環境格局,使海陸分佈、大洋盆地、風系和洋流都發生根本性的改變。生物屏障的建立(大陸分離)或打破(大陸連結),對生物的地理分佈和進化都產生深遠影響。環境的劇烈變化,使許多生物死亡和滅絕(例如中生代的大型爬行動物),倖存的在新環境下突變為新種。
現代全球環境的形成大概是在新生代開始的。在中生代中期和晚期,世界大部分地區都是屬於熱帶和亞熱帶氣候,季節性變化小。到了新生代,隨著現代山系如阿爾卑斯山和喜馬拉雅山的隆起,發生世界性的氣候變化。氣候帶形成了,季節交替顯著了。地球環境向著更多樣化方向發展。現代的全球生態系統,包括木本和草本的被子植物、哺乳類、鳥類以及種類繁多的昆蟲大約是在第三紀形成的。這個生態系統經過第四紀的嚴酷考驗基本上穩定下來了。

6意義

從環境系統演化歷史來看,生命的發展對環境的進化有極重大的作用。生命與環境是共同進化的,永遠不會停留在一個水平上。
隨著科學技術不斷發展,人類活動對環境演化的影響愈來愈大。例如人類大規模地毀壞天然植被,消滅野生動物,把複雜的多種多樣的天然生態系統轉變為簡單的單一作物和少數幾種馴養動物的人為農牧生態系統。儘管這種轉變帶來了一系列生態問題,但它大大地提高了生產水平,贍養了更多的人口。人類為了獲得發展和不斷提高生活水平,今後仍將不斷改造自然,改變環境,但人類必須注意與環境保持協調,在破壞舊平衡的同時,建立新的平衡,創造一個新的更為美好的環境。這就是當前環境科學研究的核心內容。
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