《自然图景》PPT课件.ppt

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1、第二章 物质运动的自然图景,1,第二章物质运动的自然图景,第二章 物质运动的自然图景,2,第一节人类对物质运动的认识一、自然界的物质性列宁：“物质是标志实在的哲学范畴，这种客观实在是人通过感觉感知的，它不依赖于我们的感觉而存在，为我们的感觉所复写，摄影，反映”。注意点：（1）物质的根本特性是客观实在性。爱因斯坦说过:“相信一个离开知觉主体而独立的外在世界，是一切自然科学的基础”。揭示了一切物质形态的共同本质。（2）物质的可感知性。,第二章 物质运动的自然图景,3,12种“基本粒子”,第二章 物质运动的自然图景,4,四种基本力,第二章 物质运动的自然图景,5,二、物质形态的多样性物质形态是对物质

2、存在方式所作的科学描述，它充分体现了物质世界的多样性。物质形态大体可以划分为如下类型：1.固态，是指具有固定体积和形状的物质形态。2.液态，是指具有一定的体积而无固定形态的物质形态。3.气态，是指无一定的体积和形状的一种物质形态。4.场，是一种与实物相对应的物质形态，如引力场、电磁场、介子场等，与实物的间断性相比，场具有连续性、可叠加性、不具有静止质量等特征。,第二章 物质运动的自然图景,6,5.等离子态，是由数目几乎相等的正负离子所构成的一种物质形态。它是在气态物质温度升至几千度，气体的原子外层电子脱离原子而形成的，所以又叫等离子气体。现代天文学研究表明，宇宙物质的99%以上是处于这种状态。

3、如大量的星际物质、火焰和电弧中的高温部分，太阳和其它恒星的表面气层也都有等离子态物质。,6.超密态，是物质处于密度极高、压力极大的存在方式。如白矮星由电子简态组成，中子星则完全由中子组成。7.真空态，是指量子场处于能量最低时的物质形态。有人将真空描述为负能态粒子海洋，也就是说真空是由负能态粒子所充盈。,第二章 物质运动的自然图景,7,自然图景 所谓自然图景，就以自然科学的认识为基础所形成的对自然界演化方式的系统概括。通常以四大演化，即天体的演化、地球的演化、生物的演化和人类的演化，概括自然界的演化图景。,第二章 物质运动的自然图景,8,第二节 宇宙的演化 什么是宇宙，它有没有起源和终结？这个被

4、思考了几千年的古老问题，仍然是今天宇宙学研究的前沿课题。在我国的战国时代，尸佼把宇宙定义为时间和空间，他说：“四方上下曰宇，往古来今曰宙”。至今看来，这个定义仍然闪耀着真理的光辉。,第二章 物质运动的自然图景,9,一、现代宇宙模型的发展1、牛顿静态的宇宙模型 在牛顿的理论中，时间和空间都是无限的，并且时空的性质与物质是没有关系的。时间与空间犹如一个大箱子，在这个箱子中，不管放不放东西，也不管放多少东西，箱子的性质是永远不会改变的。描述这种时空的几何学是欧几里得几何。,第二章 物质运动的自然图景,10,奥伯斯佯谬 1826年，德国天文学家奥尔伯斯()指出，牛顿的静止、均匀、无限的宇宙会导致一个重

5、大的矛盾。如果宇宙是充满无限数目的星体的欧几里得空间，并假定星体分布是均匀的，那么任何时候射到地球上的辐射总量都应为无限大，这样夜晚应该与白天一样亮。这个显然与观测事实不符的荒谬结论，被称为奥伯斯佯谬。,第二章 物质运动的自然图景,11,E地=0 3R2 N（R）E/R2dR=0 3NEdR=3NER 0,第二章 物质运动的自然图景,12,在牛顿静宇宙模型里，克服奥尔伯斯佯谬的办法之一是假设宇宙有限，而且地球位于宇宙中心。但是，这在哲学上是不能接受的。另一办法是假设宇宙中的物质分布是不均匀的，即宇宙间的天体和天体系统不仅在小尺度上（如太阳系、星系等）有聚成团的倾向，而且在大尺度上也是这样。但是

6、，这些假设都没有获得观察事实的支持。,第二章 物质运动的自然图景,13,2、爱因斯坦的宇宙模型 1916年，爱因斯坦提出广义相对论。这一理论主张时间和空间并不像人们一贯认为的那样，只是一个让物体在其中运动而本身却不受影响的容器，而更像是一个形状依赖于其上所载小球的弹性薄膜。这种关于时间、空间和引力的全新理论，不仅正确地预言了日全食时掠过太阳边缘的星光会发生1.75角秒的偏折，而且完满地解释了牛顿引力理论不能说明的水星近日点每百年前移42角秒的现象，因而逐步得到人们的公认。,第二章 物质运动的自然图景,14,1917年，爱因斯坦在“根据广义相对论对宇宙所作的考查”一文中，提出了静态有限无边的宇宙

7、模型。这是现代宇宙学的第一个理论模型，由此，揭开了现代宇宙学发展的序幕。,（1879-1955）,第二章 物质运动的自然图景,15,在1917年爱因斯坦对宇宙作第一次考察时，他认为宇宙是静态的，在这点上他受了传统观念的束缚。为了得到静态解，他特意引进一个宇宙因子一种与引力相耦合的宇宙场，这使他失去了预言宇宙膨胀的良机。,第二章 物质运动的自然图景,16,科学中经常有这样的情况，物理方程所蕴含的意义比创始者所预料的还要广泛和深刻。况且，广义相对论的方程给不出静态解，爱因斯坦就着手改变它们。若干年后，说起这件事，爱因斯坦非常懊悔，他甚至说：“这是我一生中最大的失策。”由此可见，哲学思想对科学研究有

8、着多大的影响。,第二章 物质运动的自然图景,17,3、膨胀宇宙的发现,1922年，苏联数学家弗里德曼在广义相对论的框架下，从理论上论证了宇宙要么膨胀，要么收缩，决不会保持静止状态。1927年，比得时天文学家勒梅特再次独立地得到这一模型。他在分析模型时指出，在这种宇宙模型里，从任何一点进行观测都会发现，在它周围的天体，或者一致地远离而去，或者一致地向它靠拢；而且，远离或靠拢的速度是和天体与观察者之间的距离成正比的。,（1894-1966）,第二章 物质运动的自然图景,18,换言之，只要我们承认爱因斯坦的广义相对论，我们就必须对宇宙做出这样的预言：宇宙或者在膨胀，或者在收缩，其速度正比于距离。这可

9、能是科学史上一桩最大的预言了。一方面，这一预言的范围大到涉及整个天文学的空间，另一方面，这一预言打破了一种非常悠久的传统观念宇宙是静态的。,第二章 物质运动的自然图景,19,河外星系谱线红移最早为斯莱弗所发现，以后观测表明，除本星系外，河外星系的谱线都存在红移并有一定的规律。,第二章 物质运动的自然图景,20,(1889-1953),美国天文学家，星系天文学的奠基人，观测宇宙学的开创者。,1929年，哈勃在研究了一批星系的光谱之后发现，除了个别例外，绝大多数星系的光谱都表现出红移，而且红移量大致同星系的距离成正比。哈勃给出星系退行速度和距离之间的关系式：是哈勃常数，它由观测确定。这一关系称为哈

10、勃定律。,第二章 物质运动的自然图景,21,如果将红移解释为多普勒效应，那就意味着所有星系都在离开我们而去，其退行速度正比于同我们的距离。哈勃的这一发现为宇宙膨胀理论提供了直接的观测依据，动摇了宇宙整体静止的传统观念。,第二章 物质运动的自然图景,22,、热大爆炸宇宙模型 为了解释宇宙膨胀的原因，比利时天文学家勒梅特于1932年首先提出了宇宙起源的大爆炸的概念。他认为，整个宇宙的物质最初聚集在一个“原始原子”里，后来发生猛烈爆炸，碎片向四而八方散开，形成今天的宇宙。,第二章 物质运动的自然图景,23,1948年，美国物理学家伽莫夫把核物理学的知识同宇宙膨胀理论结合起来，发展了大爆炸宇宙模型。其

11、主要观点是，宇宙不但在膨胀，而且在降温，即宇宙有一个从热到冷的演化历史。按伽莫夫等人的计算，作为大爆炸过程的遗迹，目前的宇宙中应普遍存在温度约3K的背景黑体辐射。由于这种辐射的峰值波长在1毫米附近，处于微波波段，故又称微波背景辐射。,第二章 物质运动的自然图景,24,这一重要预言在提出的10多年中并未引起人们的关注。直到1964年，美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊用一架卫星通讯天线在7.35厘米波长处探测到一种来自宇宙空间的强度与方向无关的信号时，他们起初也并不清楚自己发现的意义。后来普林斯顿大学的皮伯斯等得知这一消息，才认识到这正是他们试图寻找的宇宙背景辐射。,第二章 物质运动的自然图景

12、,25,他们因共同发现微波背景辐射,获1978年诺贝尔物理学奖,第二章 物质运动的自然图景,26,几十年来，全世界天文学家对这种辐射的谱分布和方向进行了大规模调查，形势逐渐明朗。例如，1989年，美国宇航局发射了宇宙背景探测者卫星，第一批测量数据表明：在从0.5毫米到5毫米的整个波段上，该辐射的谱分布与温度为2.7350.06K的理想黑体完全相合；扣除运动效应以后，天空不同方向的相对温差小于十万分之一。这一发现在现代宇宙学史上占有极其重要的地位，它是热大爆炸宇宙模型最令人信服的证据。,第二章 物质运动的自然图景,27,宇 宙 背 景 温 度,第二章 物质运动的自然图景,28,支持大爆炸宇宙模型

13、的证据，除了上述河外星系的光谱红移和微波背景辐射的科学事实之外，还有宇宙年龄、天体时标、轻元素的起源、重光比、河外天体计数等科学事实。,第二章 物质运动的自然图景,29,宇宙年龄的测量 根据哈勃定律，将星系的距离除以各自的速度，就大致计算出宇宙的年龄为150亿年左右。D 1 宇宙年龄=V H 宇宙起源的时间问题一直是宇宙学领域中最热门又最容易引起争议的研究课题之一。据剑桥大学的一个科学研究小组与其他天文学家们合作，在比较了这些天文学家采取5种研究方法后得出了宇宙起源于140亿年前的结论。该结果误差为20亿年。,第二章 物质运动的自然图景,30,天体时标 如果上述推论不错，那么宇宙中一切天体的年

14、龄都不应大于这个宇宙年龄。利用物质中放射性同位素含量测定其形成年代的方法，人们测量了地球上最古老的岩石、“阿波罗号”宇航员从月球上带回的岩石以及从行星际空间掉到地球上的陨石样本，发现它们的年龄均不超过47亿年。根据热核反应提供恒星能源的理论，人们估计出银河系中最老恒星的年龄为100-150亿年。用这两种完全不同的方法得到的天体年龄，都有力地支持了大爆炸宇宙模型的对宇宙年龄的推断。,第二章 物质运动的自然图景,31,轻元素的起源,第二章 物质运动的自然图景,32,天文观测表明，无论在宇宙中哪个角落，无论在恒星、星际物质中，氦与氢的质量比大体都为1:4，此外，氘、氚、锂、铍、硼等轻元素，尽管数量小

15、得多，但它们的丰度（即与氢的比例）也具有类似的普适性。这对热大爆炸模型无疑又是一个有力的支持。,第二章 物质运动的自然图景,33,二、宇宙的演化图景 现代天文学为我们勾画出了如下的宇宙演化图景：宇宙发端于距今150亿年左右的大爆炸，起初不仅没有任何天体，也没有粒子和辐射，只一种单纯而对称的真空状态以指数方式膨胀着（这种膨胀比后来弗里德曼模型中的膨胀剧烈得多，称为暴胀）今天我们所知道的自然界中四种基本相互作用力，即引力、强力、弱力和电磁力，那时是不可区分的。,第二章 物质运动的自然图景,34,随着宇宙的膨胀和降温，真空发生一系列相变（如同水在降到零摄氏度时变成冰那样）：在大爆炸后10-44秒，发

16、生超统一相变，引力作用首先分化出来，但强、弱、电作用仍不可区分，夸克和轻子可以互相转变；到大爆炸后10-36秒，大统一相变发生，强作用同电、弱作用分离，物质和反物质之间不对称性（即质子、电子等这类物质多于反质子、正电子之类反物质的现象）开始出现；10-10秒以后，弱电相变发生，弱作用和电磁作用分离，完成了四种相互作用逐一分化出来的历史。,第二章 物质运动的自然图景,35,从3分钟以后经过约70万年，宇宙的温度降到3000K，电子与原子核结合成稳定的原子，光子不再被自由电子散射，从此宇宙变得透明。又过了几十亿年，中性原子在引力作用下逐渐凝聚为原星系，并由此揭开了星系、恒星等其它天体的形成和演化史

17、。,第二章 物质运动的自然图景,36,至于宇宙未来的演化，大爆炸宇宙模型认为这要视宇宙现在的平均密度而定。若平均密度小于某一临界密度，宇宙就会一直膨胀下去；若宇宙的平均密度大于临界密度，宇宙膨胀速度会减慢，终将停止膨胀，并转为收缩，也许收缩到一定的密度后又再次膨胀。这种反复膨胀收缩的宇宙称为振荡宇宙。,第二章 物质运动的自然图景,37,人类对宇宙认识的突飞猛进，使得人们第一次有可能在科学的基础上，对从基本粒子到化学元素、从星系到恒星、从太阳到地球、从原生物到人的长达上百亿年的演化史作出系统的概括。这无疑会对当代自然科学以及人类自然观的发展产生深刻的影响。,第二章 物质运动的自然图景,38,第三

18、节 恒星的演化,一、恒星的起源和演化,第二章 物质运动的自然图景,39,1、恒星的起源 恒星是宇宙中的一个重要层次，在恒星的起源问题上，主要存在弥漫说和超密说两种不同的观点。超密说认为，恒星是由超密物质爆炸碎裂后形成的。而弥漫说则认为，恒星是由星际弥漫物质收缩凝聚而成。弥漫说，即星云说，由于获得了较为广泛的科学事实的支持，又有比较完整的恒星演化理论，所以得到天文学家比较一致的认同。,第二章 物质运动的自然图景,40,星际弥漫物质由气体和尘埃组成，以气体为主。气体又以氢为主，氦次之，其它元素所占比例很小。由于自身引力作用，密度极低的星际弥漫物质会聚集成团块。这种团块貌似地球大气中的云块，所以称为

19、星云。星云的直径往往有几十光年，并有几十个到几百个太阳质量（21033克）。这样大的星云除了收缩外，还要有一个碎裂过程才能形成恒星。,第二章 物质运动的自然图景,41,有些天文学家认为，星云的碎裂是星云中气体不规则的旋转运动，即湍流造成的。大块的星云裂碎成大小不等的、质量在0.5到20的恒星胚胎原恒星。在引力收缩过程中释放出的势能使原恒星逐渐变热，当温度上升到足以引发热核反应时，一颗恒星就诞生了。,第二章 物质运动的自然图景,42,2、恒星的演化 当温度上升到700百万到1000万度时，原恒星内部发生了氢燃烧，即由氢聚变为氦的核反应。当这种反应产生的辐射压力达到与引力平衡时，恒星的体积和温度不

20、再明显变化，进入一个相对稳定的演化阶段。恒星在这一阶段停留的时间最长，占其生命的主要部分，可以称为“壮年期”。,第二章 物质运动的自然图景,43,迄今发现的恒星有90处在这一阶段（包括我们的太阳在内）。这一阶段的具体长度取决于恒星质量的大小。对于太阳来说约为100亿年，而质量比太阳大10倍的恒星则只有3000万年。,第二章 物质运动的自然图景,44,当恒星内部15的氢聚变成氦以后，便形成了一个不产生能量，因而温度也不再升高的纯粹由氦组成的区域，这个区域称为同温纯氦区。由于中心释放能量减少，辐射压力下降，恒星将在引力作用下收缩。收缩产生的热将使温度再次升高，当中心温度升高到1亿度时，同温纯氦区里

21、的氦被点燃。这时，氢和氦一齐燃烧所释放的巨大的能量使恒星外壳膨胀，膨胀后单位面积辐射出来的能量变小，于是表面温度反而降低，恒星因而变成红色。这种体积大、光度强、发红光的恒星就是红巨星，它是恒星在“壮年期”后的第一站。,第二章 物质运动的自然图景,45,大质量恒星在红巨星以后还有一系列的核燃烧供给能量，但要求点火的温度越来越高。如碳燃烧要求6亿度，氧燃烧要求10亿度，硅燃烧要求30亿度，如此等等，直到合成最稳定的铁为止。这一阶段的恒星经历了多次膨胀收缩，光度也发生周期性的变化，所以，也可以说是恒星的“更年期”。如果恒星的质量不够大，不足使中心达到这样高的温度，热核反应就会停止，恒星就跨过了它的“

22、更年期”，进入下一阶段的演化。,第二章 物质运动的自然图景,46,3、恒星的归宿 在恒星内部，当所有可以产生能量的核燃料用尽之后，恒星的演化就进入了它的“老年期”。恒星的归缩依其质量的大小有三种可能的去向：,第二章 物质运动的自然图景,47,对于质量小于1.4的恒星，将收缩为白矮星。白矮星的表面温度很高，但密度却很大，高达10510克厘米3。白矮星内部的原子在高温高压下高度电离，电子则形成简并电子气体。恒星演化成白矮星后就不再收缩，因为组成白矮星的简并电子气产生的电子简并压能顶住恒星的自吸引。白矮星中核能枯竭靠散发余热而发光，一旦热能耗尽就不再发光。这时白矮星便转化为黑矮星。黑矮星不再辐射可见

23、光，因而不是恒星。恒星至此已完成了它的发展史。,第二章 物质运动的自然图景,48,对于质量大于1.4的恒星，在收缩过程中内部温度可达到4060亿度，因而可以点燃铁的核反应。铁原子核可以聚变也可以裂变，但无论什么核反应都不但不能释放能量，还需要输入非常大的能量。这时恒星只有依靠引力收缩提供能量。为了提供非常巨大的能量，恒星的核心必须迅猛地收缩。内核迅速收缩的同时外壳会猛烈地爆炸。恒星此时成为光度超过原来千万倍甚至上亿倍的超新星。,第二章 物质运动的自然图景,49,恒星爆发后，恒星可能全部瓦解，其物质碎片抛入空间形成稀薄的星云。有时恒星爆发后，其中心还留下一个内核，此时，依内核质量的大小将会不同的

24、走向。恒星爆发后，如果留下的内核质量小于1.4，恒星仍将收缩为白矮星。,第二章 物质运动的自然图景,50,如果内核质量大于1.4，恒星将收缩为中子星。中子星由于自身引力较大，电子简并压不足以抗衡，电子被挤入原子核并与质子结合为中子。中子星具有体积小、密度大、自转快、磁场强的特点。60年代以来用射电望远镜观察到的脉冲星实际上就是中子星。中子星与白矮星一样，最后归宿也是黑矮星。,第二章 物质运动的自然图景,51,稳定中子星的质量上限为3（称奥本海默极限），如果恒星爆发后内核的质量大于3，则中子简并压也顶不住引力收缩，于是恒星无限制的收缩下去，最后塌缩成黑洞。,第二章 物质运动的自然图景,52,黑洞

25、是一种引力强大到连光线都无法射出的天体。人们只能通过它对周围物质的影响间接地探知其存在。一些发射出射线的双星系统中，那个质量很大而又看不见的成员，很可能就是黑洞。黑洞与黑矮星一样已不是恒星，关于这类天体的演化目前所知不多。,第二章 物质运动的自然图景,53,第四节 地球的演化（自学或看录像）,第二章 物质运动的自然图景,54,第五节 生命的演化,生命从何而来？这是一个千古之谜。恩格斯曾精辟地指出：“关于生命的起源，自然科学到目前为止能肯定的只是：生命起源必然是通过化学途径实现的。”,第二章 物质运动的自然图景,55,一、生命的化学起源 正是遵循恩格斯这一思想，苏联科学家奥巴林提出了第一个生命起

26、源理论。现在的科学研究又进一步加深和充实了这一理论，根据目前的看法，生命的化学起源要经过三个阶段。,第二章 物质运动的自然图景,56,1、从无机分子到有机小分子,人们通过地质学研究得出结论，地球原始大气的主要成分是甲烷、氨、氢、水蒸气等等，这些无机分子提供了生物体中最基本的元素碳、氢、氧、氮等。当时的地球还为这些无机分子的相互聚合反应提供了足够的能源。因高空没有臭氧层，就使各种射线，尤其是紫外线直接照射到地球表面，此外，频繁的闪电、火山爆发、岩浆奔腾也能产生巨大的能量。由于这些能量的作用，使原始大气中的无机物发生相互作用，为生命的出现准备并积累了各种有机物。,第二章 物质运动的自然图景,57,

27、20世纪20年代，俄国生物化学家奥巴林和英国生物学家哈尔达内提出了在原始地球（有生命前的地球）的海洋中存在有机分子的“原始汤”的观点。人们想象的原始汤是通过一系列地球化学过程和各种能源对原始大气层的作用而形成的。,第二章 物质运动的自然图景,58,美国化学家米勒（S.L.Miller）于1953年在实验室中成功地模拟了在原始大气的条件下氨基酸产生的可能过程。他利用甲烷、氨、氢及水蒸气等混合气体，经过连续火花放电，以模拟原始地球的自然条件，最后得到多种氨基酸和其他一些有机物分子，其中的四种（甘、丙、天冬、谷）氨基酸与天然蛋白质中的氨基酸相同。这个漂亮的模拟实验被认为有力地证实了生命化学起源的第一

28、步，即由无机分子能产生有机小分子。,第二章 物质运动的自然图景,59,现在有人对原始大气中存在甲烷提出了异议，认为原始大气由氮气及相当于其三分之一的一氧化碳组成。后来米勒在含氮气和一氧化碳的混合气体中进行放电实验的结果，发现氨基酸的合成极为困难。如果原始大气中无甲烷的观点最终被证实，那么就必须重新研究无机分子合成有机小分子的过程。,第二章 物质运动的自然图景,60,2、从有机小分子到生物大分子,当氨基酸、核苷酸等有机小分子物质在原始地球上形成之后，经过多少万年的积累和变化，产生了高分子的有机化合物，即生物大分子蛋白质和核酸。但目前对它们形成的具体过程，尚存在不同看法。有些学者认为：在原始海洋中

29、，氨基酸和核苷酸等有机小分子物质，经过长期积累，相互作用，在适当的条件下（如可以被吸附于某些片层状粘土的表面），分别通过缩合作用或聚合作用形成原始的蛋白质分子和核酸分子。,第二章 物质运动的自然图景,61,有些学者认为：根据生化原理，氨基酸联接成蛋白质或核苷酸联接成核酸，是一个需要能量的脱水反应。根据这一特性，美国科学家福克斯提出了干热聚合理论。原始地球上，有许多火山，温泉等地热异常区，可为合成反应提供足够的能量，且干热聚合又正好能消除合成反应中的水分。福克斯于1955年通过模拟实验得到了类蛋白的高分子化合物。这些蛋白质分子或核酸分子经雨水冲刷流入海洋。,第二章 物质运动的自然图景,62,3、

30、多分子体系的形成和原始生命的诞生,一般认为，蛋白质和核酸等生物大分子合成后，在原始海洋里不断积累，浓度不断增加，故当时的海洋有机物浓度极高。原始生命就是在这一环境中孕育的。生物大分子通过相互作用而结合，凝聚成小滴。这些小滴漂浮在原始海洋中，外面包有最原始的界膜，形成一个独立的体系，称为多分子体系。这种多分子体系已经能够与外界环境进行原始的物质交换活动了。,第二章 物质运动的自然图景,63,前苏联学者奥巴林曾做过一系列实验。他把原来是均匀、透明的白明胶水和阿拉伯胶水溶液（含天然蛋白质、核酸、多糖等）徐徐混合在一起，置于显微镜下观察，发现原来均匀透明的视野逐渐混浊，继而出现具有明显轮廓的小滴，这种

31、小滴被称为团聚体。福克斯等人将酸性类蛋白质放到稀盐溶液中加热溶解，冷却后在显微镜下观察发现形成了无数球状小叶，称为微球体。无论是团聚体或微球体，它们都具有明显的界膜同周围均态液体分开。现在认为，在有机物浓度较高的原始海洋中，形成团聚体或微球体这类多分子体系是极有可能的。,第二章 物质运动的自然图景,64,多分子体系虽然显示出生命的萌芽，但还必须经过长期不断的演变，外膜逐步复杂精致，核酸与蛋白质间的协作更为默契，才能形成原始生命体。随着原始生命的诞生，化学进化发展到一个新的阶段，生物进化开始了。,第二章 物质运动的自然图景,65,二、生物的进化,1、原始生命向原始细胞形态的进化,原始生命体尚无细

32、胞结构，必须再经过漫长的演变，才形成原始细胞。团聚体或微球体的简单外膜逐渐演化为能有效控制物质进出的细胞膜，既保证了系统的相对独立和稳定，又维持了系统的开放、非平衡和物质能量的交流。同时其内部结构也逐步复杂化，蛋白质和核酸间建立了牢固的协作关系，即蛋白质控制代谢，核酸控制遗传。至此，作为一个自控开放体系的原始细胞已形成。这在生物进化史上是一件开天辟地的大事。组成现今生命体基本结构单元的真核细胞或原核细胞都是由此进化而来。,第二章 物质运动的自然图景,66,原始海洋具有丰富的有机物，故原始细胞是靠消耗现成的有机物而营异养生活。后来，有一类原始细胞其内部出现了能进行光合作用的色素，使它们能利用光能

33、进行光合作用而营自养生活。这一事件对整个生命界产生了深远的影响，因为光合作用放出氧气，为生物从厌氧呼吸进化到有氧呼吸提供了外部条件，现今地球上绝大多数生物都采用有氧呼吸。此外，光合作用放出的氧气，在大气圈中形成了臭氧层，阻止紫外线的长驱直入，有效地保护了地球上已经形成的生命。,第二章 物质运动的自然图景,67,2、单细胞生物向多细胞生物的进化,在现今地球上，存在着一种称为眼虫的单细胞生物，其顶端有一根鞭毛，能自由运动寻找食物。顶部还有色素，当外界食物缺乏时，就能利用光能自养。可以推测，这类原始的单细胞生物就是现今地球上动植物的共同祖先。其鞭毛断离，保留叶绿体，便逐渐演变成植物；反之，失去叶绿体

34、，保留鞭毛则逐渐演变成动物。,第二章 物质运动的自然图景,68,某些绿藻和鞭毛虫，本来都是单细胞的生物，由于细胞的迅速分裂又没有各自散开，便形成了多细胞的群体。起初各个细胞仍然自营生活，但长期的群体生活，使群体内的各细胞发生了形态上的分化和生理上的分工，逐渐过渡为结构更复杂、组织更严密的多细胞生物。,多细胞绿藻,第二章 物质运动的自然图景,69,多细胞生物体的出现，是生命演化历程上的再一次巨大飞跃。生物体细胞的分化，形成了组织、器官和系统，由不同的组织器官和系统，构成了完整统一的生物个体。多细胞生物的出现，地球上的生物迅速从低级向高级发展，以至于在以后的时间内产生了数以百万计各不相同的生物群体

35、。,第二章 物质运动的自然图景,70,3、从水生到陆生,此后的生物进化是在多细胞生物的基础上，沿着植物和动物这两个主要方向而分别进行的。其中由水生到陆生的进化是最重要的突破。,第二章 物质运动的自然图景,71,大约在4亿年前的古生代，随着大片海底上升为陆地，海面的缩小，以及大片水陆交错的底洼浅滩的形成，水生的植物和动物开始登陆。最先登陆的有由绿藻进化而来的苔藓植物和裸蕨类植物。,苔藓植物,蕨类植物,第二章 物质运动的自然图景,72,大约在2亿年前从蕨类植物中发展出裸子植物，其生殖能摆脱水的限制，故裸子植物才能完全适应陆地环境。1亿年前又发展出被子植物，种子包藏在果实里，更有利于陆地繁殖，故被子

36、植物是植物进化的最高等类型，其种类超过全部植物的4/5。,裸子植物,被子植物,第二章 物质运动的自然图景,73,植物登陆不仅改变了陆地的面貌，而且为动物的登陆创造了条件。最早登陆的是三叶虫等无脊椎动物以及某些鱼类。,鱼 类,三叶虫化石,第二章 物质运动的自然图景,74,大约在3、4亿年前出现了鱼类向两栖类的过渡，由鳍发展为四肢。由肺取代鳃进行呼吸，但还须借助裸露的皮肤辅助呼吸，不利于保持体内水分，生殖仍在水中，这就决定了两栖类只能生活在沼泽地。,两栖类,第二章 物质运动的自然图景,75,2、3亿年前两栖类又发展到爬行类。爬行动物已能较好地适应陆地生活，它的皮肤表面角质化，防止水分的散失，它产具

37、有硬壳的大型羊膜卵，保证后代能直接在陆地发育。,爬行动物,第二章 物质运动的自然图景,76,此后，又从爬行类中发展出哺乳类和鸟类等恒温动物，能使机体内环境保持在相对稳定的水平，从而摆脱了气温变化的影响。使得它们比冷血动物更能适应温差较大的陆地环境，从而成为脊椎动物中的最高等类群。,第二章 物质运动的自然图景,77,鸟 类,第二章 物质运动的自然图景,78,哺乳动物,大熊猫,猩猩,第二章 物质运动的自然图景,79,到了400万年前，终于出现了生物进化史上最大的一次质变，从哺乳动物灵长类中的一支古猿中分化出人。英国生物学家赫胥黎1863年发表了人类在自然界的位置一书，首先提出了人、猿同祖的理论。1

38、871年，达尔文发表了人类起源和性选择一书，专门讨论了人类起源问题，论述了人类和类人猿的亲缘关系，指出人类是由古代一种类人猿古猿逐渐进化而成的。,第二章 物质运动的自然图景,80,近代发展的分子生物学从分子水平上说明了人类和猿猴的血红蛋白，细胞色素C，DNA分子等都基本一致，从而更加证实了人与猿的亲缘关系最为接近，人与现代类人猿都是由共同的祖先古猿发展而来的。,第二章 物质运动的自然图景,81,从上述自然界物质系统的演化图景中，人们发现自然界的总演化可以归并为两个各有特色的系列，一个是从宇观到宏观的物质演化系列，另一个是从微观到宏观的物质演化系列。两大系列彼此之间的联系，说明了自然界各种具体的

39、演化过程的内在统一性。,第二章 物质运动的自然图景,82,天体演化,总星系,星系团,星系,恒星,行星(地球),生物圈,种群,社会,宇宙大爆炸,夸克等,基本粒子,原子核,原子,分子,大分子,细胞,个体,人类社会,物理进化,化学进化,生物进化,个体进化路线,群体进化路线,第二章 物质运动的自然图景,83,关于生物进化的理论一、达尔文的自然选择学说 1、生物个体存在着变异。就是说，每个生物个体都不同，这种不同至少有一部分是由于遗传上的差异造成的。2、生物个体面临着“生存斗争”。生物体的繁育潜力一般总是大大地超过它的生存率，例如一条鲱鱼约产卵30万粒，一株烟草约结种36万粒，只有其中少数比较健壮，它们

40、的性状跟环境比较相适应的个体可存活下来。,第二章 物质运动的自然图景,84,3、生物进化的方向是由“自然选择”决定的。适合度高的个体留下较多的后代，适合度低的个体留下较少的后代。这样一代一代下去，群体的遗传组成自然而然地趋向更高的适合度。这个过程就叫做自然选择。但环境条件不是永久保持不变，因此生物的适应性总是相对的，自然选择不断地使群体的遗传组成作相应的变化，建立新的适应关系，这就是生物进化中最基本的过程。,第二章 物质运动的自然图景,85,自然选择的事例：工业黑化 在产业革命之后，欧洲不少地区逐渐工业化，人们发现在许多不同属和不同种的鳞翅目昆虫中，黑色型个体的频率逐渐上升，这个趋势称为工业黑

41、化。在英国的曼彻斯特，1850年左右第一次发现有黑色型檄花蛾，在以前只有浅色型个体，但以后黑色型频率稳定地上升。在工业废气污染的地区，频率常达95%，没有污染的农业地区，则主要仍然是浅色型。选择因素主要是蛾体颜色是否跟它们栖息的树皮接近，否者容易被鸟类捕食。,第二章 物质运动的自然图景,86,二、非达尔文主义生物进化学说 一般把不通过自然选择，即没有适应与不适应矛盾的进化，称为非达尔文主义进化。1、拉马克学说。拉马克认为经常使用的器官会发达，不使用的器官会退化，这叫做“用进废退”。最常引证的例子是长颈鹿。按照这个学说，变异与适应是一回事，即“变异=适应”，既不需要自然选择，更无所谓适应与不适应

42、的矛盾。,第二章 物质运动的自然图景,87,2、直生论。直生论者认为进化的方向是“前定的”，每一类生物都有特定的内在力量，使它朝一定的方向直线式发展，既与环境条件无关，更无所谓自然选择的作用。爱尔兰泥炭层里发掘到的巨鹿，它的两只角的长枝展开宽度近3米。直生论者认为这是一个最好的直生证据，因为这样过分发达的角，对于头部和颈部是一个很大的负担，是导致该物种灭绝的一个重要原因，不可能用适者生存的自然选择原理来解释。,第二章 物质运动的自然图景,88,3、中性学说。Kimura于1968年提出了中性突变的概念，他认为，在分子水平上发生的很多变异，对生物的生存既非有利，变非有害，而是中性的，因此自然选择

43、对之不起作用。这个学有以下两个重要论点：（1）通过中性突变的分子进分化速率是恒定的，是由突变速率所决定的，不是选择压力所决定。（2）中性突变的通过随机的“遗传漂变”而在群体中消失或固定下来，不受自然选择所控制。,第二章 物质运动的自然图景,89,本章完,第二章 物质运动的自然图景,90,1、人是由古猿分化而来 关于古人类的起源 17世纪初叶，爱尔兰阿尔马区大主教厄谢尔根据对圣经的缜密分析，将创世的日期确定于公元前4004年。在那个时代，他的推断被广泛接受，并且一些基督教原教旨主义者团体，直到现在仍坚定地支持对圣经字面上的解释。,第二章 物质运动的自然图景,91,古人类亚洲起源说 20世纪20-

44、30年代，认为人类可能起源于喜马拉雅山地区。由于喜马拉雅山隆起，北坡森林稀疏，古猿下地变人。但是，那里没有找到人。同期，在北京周口店地区找到50万年前的猿人，于是认为，人类起源于亚洲。20世纪60年代，美国科学家提出，腊玛古猿是人类的祖先。由于腊玛古猿在中国云南、印度和巴基斯坦被发现，所以认为，人类起源于这块地区。,第二章 物质运动的自然图景,92,发现中华曙猿和世纪曙猿 2001年，中美科学家在中国江苏溧阳以及山西垣曲发现中华曙猿和世纪曙猿的足骨化石。曙猿生活距今4000多万年前，被认为有可能是后来猿的祖先。我国古人类学家贾兰坡认为，“这种早期的猿类的原始祖先曙猿在中国发现，推测人类起源于中

45、国，对科学并无多大的妨害。”,第二章 物质运动的自然图景,93,古人类非洲起源说 目前学术界大部分人主张“非洲起源说”。达尔文和赫胥黎曾预言，在几百万年前，非洲是史前人类的舞台。他们的理由很简单：与人类血缘最近的生物（黑猩猩和大猩猩）至今仍生活在非洲，那么人类一定也在那里起源。,第二章 物质运动的自然图景,94,1959年，玛丽李基，在非洲坦桑尼亚发现175万年前的石器，这是人类存在的间接证据。此后，在非洲发现大量人类化石，年代有200至400万年，甚至还有年代更久远的人类化石。1974年在东非发现“露西”，年龄约为320万年；后来在埃塞俄比亚的阿拉米斯找到了年代为440万前的南方古猿。,第二

46、章 物质运动的自然图景,95,2001年7月19日，在乍得发现“图迈”。经研究确认，它为700万年前的人类，将它命名为“萨赫勒乍得人”，并起了个别名：“图迈”。在乍得的戈兰语中，“图迈”意为“生活的希望”，是当地人为在旱季到来之前出生的孩子起的名字。,第二章 物质运动的自然图景,96,随着鉴别、区分物种基因技术的改进，有关基因证据表明，人猿揖别的时间，至少应在500万年乃至700万年之前。只是由于尚未找到支持如此遥远年代的化石证据，因而分子基因学的研究结果还不能作为定论。,第二章 物质运动的自然图景,97,南方古猿已不再是原始的猿类，尽管从严格意义上来说他们也还不是人类。南方古猿的脑容量大约为

47、400毫升，与黑猩猩或大猩猩相比大不了多少。可能有一些南方古猿已经知道如何制造石器工具。南方古猿的很多种已经绝灭，最后的南方古猿约于100万年前消失。,第二章 物质运动的自然图景,98,人猿揖别后，人类大体经历如下演化阶段：能人，大约生活在200万至250万年前。能人脑容量增加到630毫升。“能人”的意思是有技能的劳动者，手巧的人。能经已经能使用粗糙的工具，如小的石片用作刮削器，大的石片用作斧头和砍砸器。直立人，生活在30万至200万年前。从能人变为直立人是以头颅的进一步发育作为标志的，脑容量从630毫升到1000毫升多一点。智人，能人和直立人还不同于现代人。现代人，是指那些从骨骼上无法与我们

48、区别的人类，是我们直接的祖先。现代人类的脑容量约为1400毫升。,第二章 物质运动的自然图景,99,按照人类非洲起源说，大约200万年前，直立人开始从非洲向亚洲、欧洲迁徙。我国发现的元谋猿人、蓝田猿人、北京猿人等都属于直立人。,第二章 物质运动的自然图景,100,猿,人,第二章 物质运动的自然图景,101,现代人起源,第二章 物质运动的自然图景,102,关于现代人的起源 如果说国际学术界对于古人类起源于非洲的问题争论不多，但对于现代人起源问题却有较激烈的争论。有两种理论：一个是非洲起源说，另一个是独立起源说或多地区起源说。,第二章 物质运动的自然图景,103,非洲起源说的论据（1）化石方面证据

49、 约在10万年前，现代人在南非和以色列已经出现。在南非的边界洞和克莱西斯河口发现两处现代人遗迹，大约为7万4千年至13万年前和7万4千年至11万5千年前。以色列的卡夫扎的现代人遗址，年代在9万至10万9千年前。以后，现代人开始向各地扩散。在6万到7万年间，现代人到达了地球的每一个角落。,第二章 物质运动的自然图景,104,（2）基因方面的证据 人的线粒体中的一个小染色体，由大约16500个核苷酸组成。线粒体只能由母亲传给孩子。1987年，威尔逊对182个人（非洲人、欧洲人、亚洲人、澳大利亚及新几内来土著人）的线粒体分析表明，所有182人都是最早一个人的后代，这个人出自非洲。一个非常特殊的事件发

50、生于十几万年前，有一位女性，她的一个卵子的线粒体碰巧含有一个突变，就是16500个核苷酸中有一个被其他的所取代了。那位女性的后裔以后走向世界，成为了现代人的直接祖先。,第二章 物质运动的自然图景,105,1998年，北京、上海、湖南、云南等地的位权威的遗传学家，利用微卫星探针系统研究了遍及中国的个群体，以及五大洲民族群体间的遗传关系，发现亚洲人基因遗传物质的组成成分与非洲人相似，首次为中国人起源于非洲的学说提供了重要的遗传学证据。,第二章 物质运动的自然图景,106,复旦大学遗传学研究所人类群体遗传学实验室的科研人员，通过对涵盖我国各省、市、自治区的近一万个男性的染色体进行检测，结果在所有的样