第二章-宇宙、地球的起源与演化课件

第二章、宇宙、地球的起源

与演化1第二章、宇宙、地球的起源

与演化1传说在天地还没有开辟以前，宇宙就像是一个大鸡蛋一样混沌一团。有个叫做盘古的巨人在这个“大鸡蛋”中一直酣睡了约18000年后醒来，发现周围一团黑暗，盘古张开巨大的手掌向黑暗劈去，一声巨响，“大鸡蛋”碎了，千万年的混沌黑暗被搅动了，其中又轻又清的东西慢慢上升并渐渐散开，变成蓝色的天空；而那些厚重混浊的东西慢慢地下降，变成了脚下的土地2传说在天地还没有开辟以前，宇宙就像是一个大鸡蛋一样混沌一团。从宇宙大爆炸到地球形成3从宇宙大爆炸3

宇宙诞生10-44秒之后便急速展开。

10-34厘米的超微宇宙在仅仅10-34秒之内迅速膨胀了10100倍,称为暴胀。10-34秒/厘米=“1秒/厘米的一兆分之一的一兆分之一的一百亿分之一”极其短暂/微小。提出“从无到有”的宇宙起源模式，对“无始无终”宇宙观是一个冲击！

超微宇宙的瞬间暴胀恒星—星系（银河）—星系团—超星系团—总星系星系直径10万光年，星系间距离几十至上百光年4宇宙诞生10-44秒之后便急速展开。超微宇宙的起源吸收光谱5宇宙的起源吸收光谱566哈勃(E.P.Hubble,1929)经过大量实际观测发现来自不同星系的光呈现某种系统性的红移现象。根据星系中特定原子发射的光的谱线与地球上实验室内同种原子发射的光进行比较，可求得光源星系离开观察者的退行速度；再根据相同类型恒星的视亮度比较，推算出光源星体离我们的距离。由此获得了“光源越远的星体，离我们而去的速度也越快”的结论，就是著名的哈勃定律。

7哈勃(E.P.Hubble,1929)经过大量实际观测发88大爆炸宇宙学说宇宙在大爆炸前处于极高温和超高密状态，但在1秒钟之内温度仍高达1032K至1010K以上，原子和分子均无法存在。当时宇宙中的物质存在形式和行为目前无法在实验室模拟，推测可能存在辐射能以及电子、中微子(neutrinos,一种不受电、磁、核力影响的基本粒子，1998年证实具有极微小的静止质量)和质子、中子形式基本粒子。目前人类业已观测到从宇宙早期留下的最早原子核形成于爆炸后1秒钟，因此，可以把这1秒看作宇宙史研究的一道分水岭。9大爆炸宇宙学说宇宙在大爆炸前处于极高温和超高密状态，但在1秒爆炸进行3分钟后，温度降至109K以下，核反应开始启动，由质子和中子聚变为氘核、氦核和锂核最轻元素后可以不至于瓦解（图2-4）。当时全部物质中氦占约22%，氢占78%，还有极少量氘和锂。10爆炸进行3分钟后，温度降至109K以下，核反应开始启动，由质至百万年前后，温度降至107-6K范围，宇宙间弥漫着由轻元素原子核和电子、质子等组成的等离子体。2.5亿年后温度降至103K范围时，辐射减弱，中性原子形成，等离子体复合成为正常气体。至10亿年前后星系开始形成，50亿年前后开始出现首批恒星，太阳系的形成则在100亿年前后。11至百万年前后，温度降至107-6K范围，宇宙间弥漫着由轻元素宇宙一直在膨胀，遗留下来的背景辐射的波长也随之不断在增长，到今天就增长到了微波的范围，因此我们叫它宇宙微波背景辐射。伽莫夫又指出，按照大爆炸宇宙论，我们的宇宙在膨胀的同时，温度也在不断降低。降到现在，宇宙最边沿的温度，也就是我们所说的宇宙背景的温度，应该降到5K左右。5K是绝对温度5度，大约相当于摄氏温度－270度（－273°C＝0°K）。宇宙38万年时3000K的背景温度降到了今天的5K左右。这是伽莫夫的预言，12宇宙一直在膨胀，遗留下来的背景辐射的波长也随之不断在增长，微波背景辐射根据大爆炸宇宙模型推算，150亿年前的爆炸在今天会留下约5K的宇宙背景辐射。1964年，美国物理学家彭齐亚斯（ArnoAllanPenzias，1933－）和威尔逊（RobertWoodrowWilson，1936－）为了改进卫星通讯，建造了一个高灵敏度号角形接收天线系统。当二人用它测量天空时，意外地发现了相当于大约3.5K的宇宙微波噪声。13微波背景辐射根据大爆炸宇宙模型推算，150亿年前的爆炸在今天1964年為了查明衛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的天線測量天空的電波，發現星空各個方向總是接收到原因不明的微波噪聲，強度等效於溫度約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。141964年為了查明衛星通訊的天空干擾噪聲來源，用一架噪聲極低恒星演化丹麦天文学家赫茨普龙（E.Hertgsprung）和美国天文学家罗素（H.N.Russell）分别统计了恒星的光度（反映恒星质量）和颜色（反映表面温度），用纵横座标绘图时发现大部分恒星落在一条连续带上，其余的星（红巨星、白矮星）则形成独立的小群。这种图后来就称为赫罗图（H-Rdiagram）,图中90%恒星集中出现的连续条带代表相对稳定的主要演化序列，称为主星序（mainsequence）或主序带,处于主序带内的恒星，就称为主序星（mainsequencestar）15恒星演化丹麦天文学家赫茨普龙（E.Hertgsprung）1616太阳系形成17太阳系形成17太阳系的起源①灾变说——行星物质是某种重大突发事件从太阳中分离出来，例如另一颗恒星走近或擦过太阳，或由于太阳自身爆发，分出的太阳物质后来形成行星。②俘获说——太阳从恒星际空间俘获物质，形成原行星云，再演变为行星。③共同形成说——太阳系的所有天体都由同一个原始星云形成，星云中心部分形成太阳，外围部分形成行星等天体。自从德国古典哲学家康德（I.Kant,1755）首创太阳系起源的星云说以来，迄今国内外提出的各种学说多达50多种。基本上可归纳为三种类型。18太阳系的起源①灾变说——行星物质是某种重大突发事件从太阳中分地球起源与圈层分异46亿年前从太阳星云中分化形成原始地球，温度较低，轻重元素浑然一体，尚无圈层分异。4600Ma前19地球起源与圈层分异46亿年前从太阳星云中分化形成原始地球，温地球起源与圈层分异原始地球一旦形成，有利于吸集更多星子使体积和重量迅速增加，同时因重力分异、放射性元素蜕变和星体撞击而增温。20地球起源与圈层分异原始地球一旦形成，有利于吸集更多星子使体积原始地球内部达到熔融状态时，亲铁元素比重大而下沉形成铁镍地核，亲石元素上浮组成地幔和地壳。更轻的液态和气态成分，通过火山喷发溢出地表形成原始大气圈、水圈。地球初始圈层分异的时间约在42亿年前。4200Ma前21原始地球内部达到熔融状态时，亲铁元素比重大而下沉形成铁镍地核地球的年龄太阳系内的流星、陨石和宇宙尘是太阳星云原始物质的残留部分，陨石在堕落地面前未经重大的改造和破坏，是我们直接研究太阳系早期历史的极好材料。陨石的物质成分虽有铁质、石质区分，但已知的形成年龄都在46亿年左右，可代表太阳系早期的年龄。22地球的年龄太阳系内的流星、陨石和宇宙尘是太阳星云原始物质的残地球年龄的测定

放射性同位素蜕（衰）变原理

放射性元素总是以不受外界温、压条件影响的一定速率蜕（衰）变为他种元素,如238U经过45亿年后其一半原子数蜕变为205Pb,故称谓半衰期。

我们只需在研究样品（岩石、矿物、毛发、木材等）中测出蜕变前后有关元素的含量，就可以获得母体物质形成年龄的数据。不同样品适用不同的方法，测定精度不同。。23地球年龄的测定放射性同位素2424Nuvvuagittuq绿岩带是魁北克北部哈得孙湾东海岸一条裸露在外的带状岩床。科学家通过测量罕见成分的微小变化，确定这个地点的岩石的年龄在38亿到42.8亿岁之间。25Nuvvuagittuq绿岩带是魁北克北部哈得孙湾东海岸一条2023/8/326隐生宙显生宙地球历史阶段的划分2023/8/226隐显地球历史阶段的划分2023/8/327雪球地球Rodinia超大陆真核生物主干类群形成早期生命演化2023/8/227雪球地球Rodinia超大陆真核生物主干2023/8/328Rodinia超大陆2023/8/228Rodinia超大陆2023/8/329雪球地球2023/8/229雪球地球2023/8/330地球大气2023/8/230地球大气2023/8/331地球生命的历史2023/8/231地球生命的历史2023/8/332人类的历史不到400万年2023/8/232人类的历史2023/8/3332023/8/233地球上的生命起源34地球上的生命起源34生命的本质生命的基本特征就在于蛋白体（目前的理解为类似于原生质的核酸

蛋白质体系）具有的新陈代谢能力35生命的本质生命的基本特征就在于蛋白体（目前的理解为类似于原生生命的起源两种假说外星来源说：银河系别的星球上的生命（细菌或孢子）传到地球上（有生源论、宇宙胚种论）地球发生说：地球上的无机物在特定的物理化学条件下形成的各种有机化合物，经过一系列变化后转变为有机体（化学进化）36生命的起源两种假说外星来源说：银河系别的星球上的生命（细菌或吴庆余,2002米勒实验37吴庆余,2002米勒实验37生命的起源地球上生命产生过程的三个阶段有机化合物形成：N、H元素和H2O、CO、H2S、甲烷等无机化合物氨基酸、核苷酸、单糖等有机化合物生物大分子形成：有机化合物甘氨酸、蛋白质、核酸等生物大分子生命形成：多个生物大分子聚集，形成以蛋白质和核酸为基础的多分子体系，它具有初步的生命现象从周围环境中吸取营养，将废物排出体系38生命的起源地球上生命产生过程的三个阶段有机化合物形成：N、H早期生物演化早期生物演化的4次重大事件从非生物的化学进化发展到生物进化最早化石记录35-38亿年生物分异22-24亿年前大气开始充氧从原核生物演化到真核生物真核生物出现于21亿年前，繁盛于10亿年前后生动物出现Ediacara动物群(5.6亿年)39早期生物演化早期生物演化的4次重大事件从非生物的化学进化发展ApexChert(3.5Ga),W.Australia;oldestprokaryote（原核）fossilsWarrawoonaGroup,W.Australiashowsfossilizedbacteria;3.5Gaold!(Schopfetal,1994Science,2002Nature.),questionedbyMDBrasier(2002,Nature)40ApexChert(3.5Ga),W.AustralSchopfJW,2000,PNAS,

2.1Ga,GunflintChert,CanadaEukaryotes（真核）?+Cyanobacteria41SchopfJW,2000,PNAS,2.1Ga,42ZhuSXetal,1999,ChinSciBull,(macroscopicalgaefossilsfromChangzhougouFm,Hebei,ca1.7Ga)42ZhuSXetal,1999,ChinSci43Zhuetal,1995,ChiSciBull,40(12)(MacrospcopicalgaefossilsfromTuanshanziFm.,ca1.65Ga,Tianjin)43Zhuetal,1995,ChiSciBul44RasmussenB.etal,2002,Science,296:1113DiscoidalImpressions&Trace-LikeFossilsSWAustralia,StirlingRangeFm;between2.02to1.21Ga,tidalsandstonePossiblymotilevermiform（蠕虫）organismMorrisSC,2002,Sci,298:57author’sexplanationunfavorable；

withspecialstructures,notmetazoan（后生动物）,biogeneticoriginmayrelatedtofoldedmicrobialmat44RasmussenB.etal,2002,Sc45中国天津蓟县中元古界团山子组（距今约16亿年）叠层石45中国天津蓟县中元古界团山子组（距今约16亿年）叠层石46中国天津蓟县中元古界串岭沟组（距今17-18亿年）的单细胞真核生物化石中国山西永济汝阳群（距今10-12亿年）大型带刺的单细胞真核生物化石中国湖北三峡庙河新元古代陡山沱组页岩中的宏体藻类化石（直立崆岭藻）显示真核生物在该时期已经具有复杂的细胞骨架。1―水幽沟藻；2―塔盘藻化石具有开裂特征46中国天津蓟县中元古界串岭沟组（距今17-18亿年）的单细47中国贵州瓮安新元古代陡山沱组磷酸盐化动物胚胎化石显示动物的授精卵从1个细胞开始，以2n的增长方式进行细胞分裂47中国贵州瓮安新元古代陡山沱组磷酸盐化动物胚胎化石48翁安Fauna伊迪卡拉F.澄江Fauna590Ma(?)梅树村F.543Ma525Ma570MaEdiacaraFauna48翁安Fauna伊迪卡拉F.澄江Fauna590Ma(?)49显生宙的生物演化事件小壳动物群的出现和分异澄江动物群寒武纪生物大爆发动物体分化重大事件动植物从水生到陆生发展生物的灭绝与复苏49显生宙的生物演化事件小壳动物群的出现和分异50显生宙的生物演化事件小壳动物群的出现和分异小壳动物群个体微小(1-2mm)，主要为海生无脊椎动物，包括软舌螺、单板类、腹足类、腕足类等小壳动物群始于埃迪卡拉纪（震旦纪）末期，寒武纪初大量繁盛动物界完成了从无壳到有壳的演变50显生宙的生物演化事件小壳动物群的出现和分异小壳动物群个体51寒武纪初（5.3-5.4亿年），几乎所有具硬体的动物门及绝大部分的纲都已出现造门的时代以节肢动物门三叶虫纲占优势，占60%，次为腕足动物门，占30%显生宙的生物演化事件寒武纪生物大爆发51寒武纪初（5.3-5.4亿年），几乎所有具硬体的动物门及525253寒武纪大爆发谱系树（5.3亿年前）53寒武纪大爆发谱系树（5.3亿年前）54显生宙的生物演化事件澄江动物群发现于云南的澄江和晋宁地区下寒武统(5.3亿年前)中,1984年发现以来已被描述化石120余种,其10多个动物门及一些分类位置不明的奇异类群,还有多种藻类包括大量无壳和有壳动物化石，包括水母、三叶虫、蠕虫类、甲壳类、腕足类，甚至脊索动物等在早寒武世不到两千万年时间内，现生地球上各个动物门类几乎都已先后出现54显生宙的生物演化事件澄江动物群发现于云南的澄江和晋宁地区55澄江动物群复原图55澄江动物群复原图56显生宙的生物演化事件动物体分化重大事件单细胞多细胞原生动物后生动物两胚层动物三胚层动物无器官、无组织有器官、组织无脊椎动物脊椎动物56显生宙的生物演化事件动物体分化重大事件单细胞多细胞57显生宙的生物演化事件动植物从水生到陆生发展植物：S以前，仅低等菌藻类，完全水生S末-D