演化 从单细胞生物到现代人类 9787523212158

概述

成群结队的动物在非洲大草原上自由徜徉，自由自在的鱼群在珊瑚礁中追逐嬉戏，熙熙攘攘的企鹅群在南极冰川上挤成一团……今天地球上的生命是如此丰富多彩，令人惊叹。然而，我们所看到的周围这一切，仅仅是“生命”这部影片中的一帧，只有当我们真切地了解地球上曾经发生过什么，才能真正理解这一瞥。这是一本讲述从地球诞生至今所有生命形式的书。在“生命”这部电影的早期部分，包含了许许多多不同的线索。要追踪这些线索，我们需要了解物理环境如何影响生命及其变化的过程（即演化），了解生命形式间的相互影响，以及生物是如何分类的。

大约45.5亿年前，伴随着太阳系的诞生和地球的形成，这部电影拉开了序幕。直到39.9亿年前，地球经历了太空中众多小行星的猛烈撞击，但假如没有这些冲击，生命就不可能出现。在那之后1.5亿年形成的岩石中，人们发现了最早的生命迹象。在地球被行星撞击后的一段时期内，必定发生了很多特殊的化学反应，因此，有些人认为地球生命一定来自外太空。这种推测或许并不正确，但一些形成生命的必要化学成分很可能源于撞击，这加速了生命的诞生。

然而生命的故事并非四平八稳，就像我们在看一个万花筒，时不时摇晃一下，图像中的一部分就会消失，其他一些则会保留， 还有一些会被改变，同时又有新的部分出现。对于地球生命这部电影来说，这些“摇晃”来自于物理环境的变化，例如与小行星的碰撞，或者是气候变化，这些改变可能会导致海平面的下降或上升， 以及冰层的生长扩张和消融退缩。随着构成地球地壳的构造板块的不断运动，地球地理发生了变化，而且这种变化至今仍在不断发生

（北大西洋正以每年约1厘米的速度逐渐拓宽）。属于热带气候的地区会向南北两极移动。比如南极，曾经全部被土地覆盖，有时又全部被海洋包围，这些地理变化对世界气候产生了重大的影响。除地理变化之外，影响气候的另一个重要因素是空气中“温室气体”的含量，尤其是二氧化碳的含量。在地球历史上曾经有一段时间，整个地球看起来就像一个“雪球”，就连赤道也结满了冰。

生命的独特之处在于它并不只是事件的被动参与者，正是极富变化的生命本身，成就了生命的演化。自然选择，是伴随着生命个体的死亡和一代代的繁衍而发生的。在最早出现于“原始汤”中的有机体身上，自然选择的过程就已经发生了，而这一过程如今依然存在，无论是狮子还是老鼠，橡树还是水母，自然选择从未停止过。“自然选择”理论最早是由查尔斯·达尔文（Charles Darwin） 和阿尔弗雷德·华莱士（Alfred Wallace）于1858年提出的，他们的这一发现对生命的发展研究意义重大。达尔文和华莱士在各自丰富的旅行经历中，观察到了生物所具有的多样性，并分别独立地提出了“自然选择”的概念。生物学家们正是这样通过观察和鉴定模式获得灵感。

演化论的基本概念非常简单。一些生物相比于那些在某些方面与它们不同（对生活环境适应性较差）的生物个体来说，会有更多的后代存活下来。然而，生物体的基本特征是由它们本身的基因， 即DNA的确切排列方式决定的，这一特点可能会导致意想不到的演化结果。一个生物个体在特定情况下死亡的可能性有多大，很可能取决于它的一些特质，在动物世界中，取决于它的行为方式，比如它是选择转身逃跑还是英勇战斗。实际上，如果坚持战斗，可能并不利于生物个体——它可能会在战斗中死亡——而是有利于其他采取避免战斗策略的个体。如果在避免战斗的个体中，至少有两个与好战个体具有相同的基因，则它们会有更高的概率将基因传递给下一代。而那些好战的动物由于没有通过逃跑的方式来保命，最终在争斗中死去。这正是在蚂蚁和某些蚜虫身上发生的事情，它们的亲属都是由几乎一模一样的基因组成，这也是牛津大学生物学家理查德·道金斯（Richard Dawkins）所提出的“自私的基因”概念的基础。我们可以认为，演化是“自私的基因”的产物，每个基因都想在下一代中实现尽可能多的自我复制。有机体是基因的载体，即使携带这些基因的一些个体没能存活下来，如这些蚂蚁和蚜虫的例子，但基因得到了传递。

蚂蚁和蚜虫有着不同寻常的遗传机制。在除细菌之外的其他大多数生物中，每个个体都是独特的，因此基因主要“关注”着携带它们的个体的生存。因此，一般来说，当一个个体具有一些比同类更有优势的微小遗传差异时，它将有更多的后代存活下来。并且在它的后代中，带来这种生存优势的基因将会在整个种群中传播开来。当环境发生变化时，一些带有生存优势的稀有基因有时会得以保存并传播开来。对抗生素或杀虫剂产生耐药性就是这样的一个例子。突然之间，环境中出现了一种新的化学物质，杀死了某种群中的大部分个体，但由于种群基因组成的多样性，总有一个或多个个体能够存活下来并进行延续。这些个体的体内具有一种不同寻常的生物化学物质，可以帮助它们抵御这种新出现的化学物质带来的伤害。当下一次人们再使用相同的化学药品时，这些具有抗药性的个体在种群中所占的比例会进一步变大。如果持续使用这种化学物质作为杀虫方式，这个种群中的个体选择过程就会继续下去，直到整个种群都具有耐药性，此时，种群中的所有个体都携带了这种提供特殊生化保护作用的基因。然而，在毒药的作用下幸存，不太可能是影响某种特定基因组成的唯一原因；在正常情况下，这种特定基因很可能存在某种生存障碍，因此一旦停止施药，种群中带有抗药基因的个体比例会再次下降，这就是为什么不应连续使用相同的农药和抗生素的原因——这种做法会导致种群产生耐药性。

因此，演化可以被看作是不同基因包的选择——通常是由携带特定基因的个体去适应不同的环境。如果个体之间没有办法相遇， 进而无法配对繁殖（准确来说是基因无法流动），那么就会导致两个新物种的诞生。地理屏障是最常见的隔离方式——山峦、峡谷（对于山地物种来说）、海洋或沙漠。即使生活地点大致相同，也会有小概率形成新的物种。在这种情况下，隔离的发生可能是由于交配季节的差异，或是由于不同的小生境限制而导致的。

一旦分离成为两个物种，物种之间的基因交流就会停止，但是它们的DNA构成仍会继续分异。过去几十年的研究表明，DNA的细微结构或多或少会持续发生随机变化。这些基因的变异大部分是中性的，也就是说，它们不会使个体对环境的适应能力变得更好或者更差，但是它们会在种群中传播并保存下来，并有助于该物种遗传指纹特征的形成。基因变异的累积速率被认为是恒定的、大致可知的，因此，不同物种之间的DNA差异将反映出它们自最后一次常规杂交以来的时间，即它们从同一个物种中分化出来的时间。不同物种间的基因差异越大，突变的随机性就越大，物种的分异的时间也越长。这就是“分子钟”的理论基础。“分子钟”理论可以用来测量两个物种分异的时间（见第二章图2.1），它展示了“生命”这部电影的长度。

有关动物、植物和微生物的研究在世界各地广泛开展，来自不同地区的科学家们需要确保他们正在谈论的是同一种生物。因此，每个物种都有一个独特的学名，该名称由两部分组成，例如， 人类的学名为Homo sapiens，犬的学名为Canis familiaris，雏菊的学名为Bellis perennis。就像是显微镜或试管一样，学名是进行科学研究的工具。它们总是用斜体印刷，其中第一个词是属的名称， 同一个属下会包括其他紧密联系的近缘种（例如尼安德特人Homo neanderthalensis），而且按惯例，属名的首字母总是使用大写字母；学名的第二个单词是所描述物种的唯一名称，通常全部以小写字母表示。这种“双名法”是由瑞典人卡尔·林奈（Carl Linnaeus） 于1758年引入的，并从此在全世界范围内使用，这让科学家们在进行信息交流时，能够知道他们正在谈论的是同一个物种——但前提是他们已经正确地鉴定了这个物种！当一个新物种被发现时，科学家们会对其进行正式描述，并以其新命名将这种描述发表在科学期刊上。这种情况如今在昆虫类群中仍然经常出现，而鸟类新种已经很少被发现了。

家们对不同种类的生物进行了分类。最实用也是历史最悠久的分类方法被称为“生物系统”。“生物系统”将生物按阶元

（分类单元）进行层级分组；相比于来自同一等级不同分类单元中的其他物种，同一分类单元中的生物被认为在演化史中拥有更为紧密的亲缘关系。生物系统分类法使用了一系列的等级（如界、门、纲、目、科、属、种），我们可以使用这一广泛使用的等级分类来对家蝇进行分类：

界——动物界（Animalia）

门——节肢动物门（Arthropoda）

纲——昆虫纲（Insecta）

目——双翅目（Diptera）

总科——家蝇总科（Muscoidea）

科——蝇科（Muscidae）

亚科——家蝇亚科（Muscinae）

属——家蝇属（Musca）

种——家蝇（domestica Linnaeus.）

家蝇学名的最后一个单词是Linnaeus，表明该名称最初是由林奈来描述的。如果人们不确定其描述的意思（假设发现了两只不同的家蝇，而且两者都符合他的描述），则可以去查看他的原始标本， 即“模式标本”。由此可见博物馆内的藏品对于维护这一国际综合命名系统的重要性。

这个命名系统的缺点，是没有一个真正客观的方法来将一组物种划分到一个特定的层级，例如一个科或一个亚科。所涉及的物种都具有某些共同的特征，研究这些物种类群的科学家会利用其特征来定义特定的层级。但是选择使用怎样的特征是主观的。由于这一缺点的存在，德国昆虫学家维利·亨尼希（Willi  Hennig）于1950年提出了另一种分类形式，称为“分支系统学”（claclistcs）。分支系统学的建立基于对衍生特征的时间顺序的识别。具体来说，当在一个群体中演化出了新的特征时，所有具有该特征的物种就被称为属于同一个“演化枝”。在这个演化枝中，很可能还有另一个特征也完成了演化，而只有少数物种来自于那一分支；这少数一些物种就形成了另外一个演化枝，嵌套在第一个演化枝中。因此，演化枝没有特定的层级。分支系统学对于如何选择定义特征，有着复杂的规则以及更复杂的术语。对某一类群的分支系统分析能告诉我们很多有关其演化的信息，但如果是出于描述的目的，旧的生物系统更为实用。举例来说，分支系统学清晰地表明了鸟类是从一类爬行动物演化而来的，并且由于鸟类具有爬行动物的所有基本特征，因此严格来讲，应将其描述为爬行动物演化枝的成员！因此在本书中，我采用了分支系统学来对物种演化过程进行解释，但是在描述生物类群时，采用的仍是生物系统的理论。

丛书简介

“新视界文库”系列图书是一套可以轻松阅读的科普小书，旨在通过科学的视角，带领读者以更加开放和探索的态度拓展对世界的认知，力求深入探究事物的本质和原理，发现现象背后的真相，传达科学启迪、引导和探索的精神。

本系列通过简洁、有趣的语言和严谨、准确的科学知识，希望能在为读者传递科学知识和思维方式的同时，提供一种轻松愉快的阅读体验。

让我们一起通过阅读科学，以新的视角看待世界，用科学的色彩点亮未来。

“新视界文库”系列图书：

《光之史话：探索人类对光的持久迷恋》

《一生万物：透过身体看宇宙万象》

《AI艺术家：人工智能的创意与未来》

《奔月：一段太空竞赛往事》

《在云端：飞行旅途中的科学》

《生命故事：生物学上的伟大发现》

《演化：从单细胞生物到现代人类》

本书内容简介

生命如何出现？海洋生物登上陆地要面对哪些挑战？植物为何能占领陆地？恐龙为何灭绝？我们都是“非洲夏娃”的后代吗？

本书讲述了地球从诞生至今其上所有的生命形式。从最初、最简单的生命形式开始，我们可以饱览地球历史上主要生物类群的演化进程。大陆板块运动、海平面升降和大小冰期等环境剧变迫使地球生命发生改变，并在化石记录中留下了诸多标志性的演化痕迹，如骨骼的发展引发了寒武纪大爆发，有壳的蛋为陆地生活带来可能，翅膀的出现让昆虫和鸟类成功飞向空中。身处演化的洪流之中，人类的影响能否如数次大灭绝事件一般对地球生物造成“致命伤害”？。

理查德·索斯伍德(Richard Southwood，1931-2005)，英国昆虫学家、生物学家。帝国理工学院和牛津大学动物学系前主任，牛津大学前副校长。他是《生态学方法》(Ecological Methods)一书的合著者，该书被公认为生态学家的“圣经”。

译者简介

朱丹，中国农业科学院食品科学硕士，新西兰奥塔哥大学化学系博士(食品化学方向)。

审定专家

姚锦仙，北京大学生命科学学院副教授，曾任中国动物学会生物进化理论专业委员会委员兼秘书长。

概述 001

第1章 特殊化学 009

前太古代与早太古代：45.5亿—35亿年前

第2章 快速开始 019

太古代中晚期：35亿—25亿年前

第3章 具核细胞 035

元古宙：25亿—6亿年前

第4章 水母、珊瑚虫和蠕虫？ 049

晚元古代：7亿—5.45亿年前

第5章 爪、锉和壳 059

寒武纪与奥陶纪：5.45亿—4.38亿年前

第6章 沙、泥和浅海 087

志留纪与泥盆纪：4.38亿—3.62亿年前

第7章 巨型大陆的形成 117

石炭纪与二叠纪：3.62亿—2.48亿年前

第8章 稀疏的开始 153

三叠纪：2.48亿—2.06亿年前

第9章 恐龙的世界 177

侏罗纪与白垩纪：2.06亿—0.65亿年前

第10章 现代世界格局的出现 229

第三纪与第四纪：6500万年前至今

第11章 猿人的演化 279

200万年—3万年前

第12章 人类：伟大的改造家 307

4万年前至今，及未来

扩展阅读 339

丛书简介

“新视界文库”系列图书是一套可以轻松阅读的科普小书，旨在通过科学的视角，带领读者以更加开放和探索的态度拓展对世界的认知，力求深入探究事物的本质和原理，发现现象背后的真相，传达科学启迪、引导和探索的精神。

本系列通过简洁、有趣的语言和严谨、准确的科学知识，希望能在为读者传递科学知识和思维方式的同时，提供一种轻松愉快的阅读体验。

让我们一起通过阅读科学，以新的视角看待世界，用科学的色彩点亮未来。

“新视界文库”系列图书：

《光之史话：探索人类对光的持久迷恋》

《一生万物：透过身体看宇宙万象》

《AI艺术家：人工智能的创意与未来》

《奔月：一段太空竞赛往事》

《在云端：飞行旅途中的科学》

《生命故事：生物学上的伟大发现》

《演化：从单细胞生物到现代人类》

本书内容简介

生命如何出现？海洋生物登上陆地要面对哪些挑战？植物为何能占领陆地？恐龙为何灭绝？我们都是“非洲夏娃”的后代吗？

本书讲述了地球从诞生至今其上所有的生命形式。从最初、最简单的生命形式开始，我们可以饱览地球历史上主要生物类群的演化进程。大陆板块运动、海平面升降和大小冰期等环境剧变迫使地球生命发生改变，并在化石记录中留下了诸多标志性的演化痕迹，如骨骼的发展引发了寒武纪大爆发，有壳的蛋为陆地生活带来可能，翅膀的出现让昆虫和鸟类成功飞向空中。身处演化的洪流之中，人类的影响能否如数次大灭绝事件一般对地球生物造成“致命伤害”？。

理查德·索斯伍德(Richard Southwood，1931-2005)，英国昆虫学家、生物学家。帝国理工学院和牛津大学动物学系前主任，牛津大学前副校长。他是《生态学方法》(Ecological Methods)一书的合著者，该书被公认为生态学家的“圣经”。

译者简介

朱丹，中国农业科学院食品科学硕士，新西兰奥塔哥大学化学系博士(食品化学方向)。

审定专家

姚锦仙，北京大学生命科学学院副教授，曾任中国动物学会生物进化理论专业委员会委员兼秘书长。

本书展示了令人印象深刻的生命知识，迅速，高效地传达了我们所掌握的关于生命如何在地球上繁衍的重要信息。

——《自然》杂志

这本非凡的书用300多页的篇幅成功总结了30多亿年来所有生物的全部基本信息。如果你正在寻找一本便携、可靠、可读性强的参考书来取代你的诸多相关藏书，本书就是不二之选。

——贾雷德·戴蒙德 美国演化生物学家，《枪炮、病菌与钢铁》作者