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简明大历史:拆掉学科之间的围墙,在宇宙中自我定位

[摘要]细胞有一种能力,可以从周围的环境中吸收广泛的养料,并在体内改变其化学性质,创造出更为复杂的化合物。

本文摘自《简明大历史》,[英]伊恩•克夫顿、杰里米•布莱克 著,湖南文艺出版社,2018年1月

简明大历史:拆掉学科之间的围墙,在宇宙中自我定位

图片来自网络

不安分的地球

我们的星球并不是一个普通的球体,它更像一颗分层的洋葱。它的内芯由固态铁构成。外面是第一层外核,为熔化的铁;再外面是地幔,由熔化的岩石构成,也就是我们所说的岩浆。岩浆的顶部漂浮着一层由固体岩石构成的薄外壳,我们就生活在这层地壳的表面。虽然人类已经登上了月球,但还没有到过地表下 4 千米之外的区域。

地球还有一层气体的皮肤,那就是大气层,其中的 3/4 是氮气,1/5 是氧气,这对生命的形成是至关重要的。还有少量的其他气体,其中包括二氧化碳和甲烷—所谓的温室气体—它们对地球上的生命也产生了非常重要的影响(参见第 302 页),以及一些水蒸气,它也是大气系统中一个重要的组成部分。大气层随着高度的增加而愈加稀薄,最终逐渐消失在太空中。

正如大气中的气体飘忽不定一样,构成地壳的岩石板块也在不断运动。科学家们曾经认为,大陆和海洋的位置是固定的。然而在 1915 年,德国气象学家阿尔弗雷德·魏格纳认为,大陆并非是静止的,而是在一直漂移。他观察到,南美洲东海岸的岩层和化石与非洲西海岸的非常相似,而某些早已灭绝的植物不仅在上两个地点被找到,还被发现在马达加斯加、印度和澳大利亚。

多年来,越来越多的证据支持魏格纳的大陆漂移理论。很明显,这一过程对世界上不同的动植物种群的分布和繁衍产生了至关重要的影响。现在地质学家认为,在大约 3 亿年前,北方的劳亚古陆和南方的冈瓦纳大陆曾经聚集在一起,从而形成了一个更大的超大陆—盘古大陆。而在 2 亿—1.8 亿年前,盘古大陆再次分裂成为两块大陆,进而最终形成今天各个独立的大陆。

但直到 20 世纪 60 年代,科学家们才确定了大陆漂移发生的原理,并命名为板块构造论。地球的外壳是由漂浮在液体地幔之上的板块组成的,因此它们能够移动。

火山冬天

地震和火山爆发最频繁的地方,往往是大陆板块最活跃的边界地带—这将给地球上的生命带来灾难性的影响,甚至是大规模的物种灭绝(参见第

40 页)。历史上最严重的火山爆发是 1815 年印度尼西亚的坦博拉火山喷发。由于它朝地球的大气层中喷射了太多的灰烬,导致一连数月阳光被阻拦从而降温,因此对许多人来说,第二年是“没有夏天的一年”。它还导致农作物枯萎、牲畜死亡,使欧洲和北美出现大面积的饥荒。

地表的成因

地球表面的多样性在生命的进化中起到了关键的作用。生物适应了各种各样的地质环境—海洋、海岸、河流、湖泊、丘陵、平原,甚至天空。海洋和山脉阻碍了人类的交通,而大江和大河又对农业和贸易具有促进作用,这些多样性都在影响着人类的历史。

地表的基本构成物质是岩石。虽然我们知道这种物质异常坚硬,且亘古不坏,但在亿万年的时间里,它同样会被破坏和重建。其中涉及的一系列进程我们称之为岩石循环,它需要的能量部分由太阳提供,部分来自地壳下面的热能。

太阳的热量使水蒸发,并形成云,进而凝结成雨或者雪落回地面。水流侵蚀岩层,冰雪凝结成冰川,当冰川向下方滑动时,也会带动被侵蚀的岩层。河流将这些被侵蚀下来的物质带走,比如黏土和沙砾,一路带到海底,并沉积在那里。这些沉积物一层层地堆叠,最终被压缩成岩石,这就是沉积岩。还有一些埋藏得更深的沉积岩,在来自上方的极大压力和下方的极高温度共同作用下,久而久之,它们会变成另外一种不同的岩石类型—变质岩。比如说,石英岩就是一种变质砂岩。除了沉积岩和变质岩,还有第三种岩石,那就是火成岩。它们是由涌向地表的岩浆形成的。当岩浆被困在地表之下,就会凝结成花岗岩。有时,岩浆也会找到一条通往地表的通道,比如火山口和地面裂缝,在凝固后就形成了玄武岩。

地球的板块运动同样起到了一定的作用。一个板块被推到另一个板块的下面,它上面的岩石就会被地幔下的岩浆所熔化。当这两个板块彼此分离的时候,熔化的岩石又重新回到地表。如果这样的运动发生在海洋中,就会形成巨大的大洋中脊。类似的火山喷发,同样会创造—以及破坏—山脉。山脉的形成也可以由板块运动导致,一个板块推动另一个板块,致使先前的水平沉积层折叠起来,从而形成高耸的山脉。喜马拉雅山脉就是由印度次大陆板块挤压和碰撞亚洲大陆板块而形成的,它仍在以每年约 1厘米的速度不断长高。

类似的进程还会带来地貌的改变。河流和冰川冲刷出山谷,水流带来的沉积物会在入海口附近形成三角洲。洋流和波浪的冲刷可以侵蚀地表,并将其沉积在其他地方,从而改变海岸线的形状。这样的变化可能对人类造成重要的影响。比如,三角洲的形成会提供丰饶的土地,为农业带来便利,而那些靠海谋生的人则可能对不断后退的海岸线叫苦不迭。

什么是生命

所有的生物都会对刺激、取食、成长、繁殖、自我修复和死亡做出反应。可是,非生命体也会具有某些类似的特点—比如水晶可以通过“吃掉”水中溶解的盐分而长大;机器人也能够对刺激做出反应。那么,到底是什么将我们与非生命体区分开的呢?

答案就是细胞,我们已知的生命基本构成单位。单个的细胞是非常微小的—最小的直径只有 1 毫米的 1/1000000。但是细胞又是已知的最复杂的结构之一。有些细胞可以独立构成生物体(参见第19 页),而其他的则在更加复杂的多细胞生物体中发挥着独特的作用(参见第 20 页)。在人体内,可能有多达 37 万亿个细胞。

细胞有一种能力,可以从周围的环境中吸收广泛的养料,并在体内改变其化学性质,创造出更为复杂的化合物。正是这种能力,使它们能够通过一次又一次的分裂来修复损伤和再生。

对于细胞的结构和功能来说,四类化学物质是必不可少的。第一类是核酸(DNA 和 RNA),对遗传信息进行编码,并执行嵌入在该代码中的指令(参见第 26 页)。第二类物质由蛋白质组成,部分用于构成组织,部分作为酶的催化剂,帮助促进细胞内的化学反应。

蛋白质是由更简单的组成要素—氨基酸构成的。第三类是碳水化合物,其中一些起到构成机体的作用,另一些则用于储存能量。最简单的碳水化合物是由植物在光合作用过程中产生的葡萄糖。几乎所有的动物都是从植物中获得它们所需要的碳水化合物。最后一类是脂质,是细胞膜的关键组成部分(参见第 19 页)。

所有这些复杂的物质都是由一些相对简单的分子组成的,其中最常见的是水分子和碳原子。水为许多化学反应提供了氧和氢。另外,活的细胞中大约 2/3 的组成部分是液态水,水还负责溶解和运输更复杂的化合物。碳原子能够将其他元素结合起来,创造出各种各样巨大的有机化合物,其中许多都溶于水。

生命从哪里来?

简单的微粒,比如水分子和碳原子,是怎样合成那些构成更高级别生命的化合物的呢?早期地球的大气中,包含了火山喷发过程中排放的气体,如水蒸气(H2O)、氮气(N2)、二氧化碳(CO2)和一氧化碳(CO)。当这些气体冷却后,氢和氮结合形成氨(NH3),而一氧化碳和二氧化碳会促生甲烷(CH4)。

在紫外线下(来自太阳的照射),氨和电火花(比如一道闪电),再加上甲烷、水和二氧化碳就可以合成简单的氨基酸,如果再遇上热量,这些分子就能够链接起来形成蛋白质。类似的反应可能会导致 DNA 组织结构的产生。此外,一些证据表明,来自天外的陨石不仅存在着 DNA 组织,还可能会带来氨基酸。

当地球冷却时,大气中的水蒸气凝结形成了早期的海洋,许多不同的矿物质和气体被溶解在水中。很有可能,在大约 40 亿年前的这锅巨大的化学汤剂中,第一个能够自我复制的分子— 如DNA—已经出现了。

作品简介

简明大历史:拆掉学科之间的围墙,在宇宙中自我定位

《简明大历史》,[英]伊恩•克夫顿、杰里米•布莱克 著,湖南文艺出版社,2018年1月

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138亿年前,宇宙诞生于一场爆炸。6亿年前,多细胞生物出现在浩瀚的海洋中。20万年前,智人已经开始在非洲大陆上行走。公元前5500年,苏美尔文明闪耀在世界中央。1450年,欧洲在世界舞台上第一次发出自己的声音。20世纪初,世界变革——繁华的城市建起,越来越多的机器产生,全球人口激增,科学技术不断进步。然而,在这个不安分的星球上生存的不安分的我们,却从未停止思考——我们从哪儿来?如今在哪儿?要到哪儿去?

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